2.10. Границы зерен

В большинстве случаев технические материалы представляют собой поликристаллы, состоящие из отдельных зерен – монокристаллов величиной в несколько микрон. Граница между двумя зернами представляет двумерный дефект решетки и обладает некоторой избыточной энергией на единицу площади.

Границы зерен играют важную роль во многих процессах: диффузии, упрочнения, коррозии и взаимодействия поликристаллических материалов с излучением, поэтому природа границ представляет большой практический интерес и является предметом многочисленных исследований.

Граница зерна не является местом нарушения сплошности материала. Это – переходная область между кристаллами (зернами) с различной ориентировкой кристаллической решетки. Поэтому энергия границы есть сумма возмущения парных связей всех атомов, отнесенная к площади границы.

Границы могут быть весьма разнообразными, У плоской границы зерна имеется не менее пяти степеней свободы. Три из них относятся к взаимным поворотам двух сопрягающихся зерен вокруг трех ортогональных осей и две – к ориентировке плоскости границы относительно одной из решеток.

В настоящее время предложена модель строения только для одного типа границ – регулярных. В случае таких границ при наложении решеток двух сопрягающихся зерен существуют общие узлы, которые образуют особую решетку совпадающих узлов (РСУ).

На рис.2.16 черными и белыми кружками показаны кристаллические решетки двух соседних зерен, двойными кружками – узлы РСУ. Параметры РСУ в значительной мере определяют свойства границы.

У регулярных границ нет дальнодействующего поля напряжений, а толщина их не превышает 2-3 межатомных расстояний. По сравнению с другими границами энергия их наименьшая, и они должны преобладать. Однако реально часто встречаются нерегулярные границы, природа которых полностью не выяснена. В любом случае, как уже говорилось, граница зерна по своей структуре отличается от внутренних объемов металла и обладает некоторой избыточной энергией. Вследствие этого на границе возможно образование химической неоднородности. В частности, там должны концентрироваться элементы, понижающие энергию границы. В результате потока данной примеси на границу, может создаваться предпочтительное скопление примесей (сегрегаций) в зоне толщиной до нескольких микрон.

Однако некоторые элементы имеют более высокую энергию на границе, чем в теле зерна. В этом случае их поток направлен от границы к внутренним областям, и вблизи границы создается область, обедненная данным элементом.

Важную роль играют границы зерен в процессах диффузии. Эксперименты показывают, что коэффициент диффузии по границам зерен на несколько порядков больше, а энергия активации примерно в два раза меньше, чем в объеме зерна. При этом на скорость диффузии по границам зерен влияет структура границ, в частности, угол разориентировки соседних зерен.

Глава 3. Основы теории сплавов

Преимущественное применение в технике находят материалы, представляющие собой не чистые элементы, а сплавы, состоящие из нескольких элементов. Термин “сплав” имеет сейчас широкое значение. Кроме сплавления, используются другие технологические процессы получения материалов: методы порошковой металлургии (прессование и последующее спекание твердых частиц), диффузионные процессы, напыление.

Свойства сплава зависят не только от его состава, но в значительной степени определяются взаимным расположением и взаимодействием атомов различных элементов. Эти элементы могут образовывать различные твердые фазы.