Границы зерен

Твердые тела имеют не только внешние поверхности, но содержат и  внутренние границы, которые зачастую в заметно большей степени способны влиять на свойства металлических материалов.

Применяемые в технике металлы и сплавы обычно относятся к поликристаллическим телам, поскольку состоят из множества отдельных кристалликов неправильной формы, жестко связанных между собой. Их принято называть  кристаллитами  или  зернами .

Таким образом, во всяком поликристаллическом материале существуют внутренние границы (поверхности), разделяющие соседние зерна. Они представляют собой области несовершенного контакта, где имеется нарушение непрерывности кристаллической структуры. Два соседних зерна в общем случае имеют несовпадающую кристаллографическую ориентировку, различие в которой может быть самой разнообразной. В зависимости от угла разориентировки   принято выделять малоугловые и высокоугловые границы. К первым относятся межзеренные границы с углом разориентировки не более 5^о . Если этот угол превышает 10^о , то такие границы считаются высокоугловыми (при   5 -10^о  границы относятся к среднеугловым). При переходе через высокоугловые границы фактически происходит резкий скачок ориентировки атомных плоскостей и анизотропных  свойств соприкасающихся решеток соседних кристаллов. 

Малоугловая граница Большеугловая граница

Для высокоугловых границ достаточно убедительной модели и ее количественный анализ не разработаны. Некоторые существующие представления о строении межзеренных границ имеют в основном описательный характер. Считается, например, что ширина высокоугловой границы приближается к атомным размерам (порядка 1-3 атомных диаметров). Такая граница содержит относительно большие промежутки между атомами (повышенную рыхлость). Это является причиной более быстрой диффузии по границам зерен, а также их высокую подвижность. 

Поскольку атомы на границах зерен находятся в неравновесном положении, то они имеют повышенную энергию по сравнению с атомами внутри зерна и, как следствие, склонны вступать в химические реакции. Этим, например, объясняется более высокая травимость границ зерен. 

В качестве одного из вариантов строения высокоугловых границ  обычно рассматривается так называемая "островковая" модель. Согласно ей граница представляется как переходная зона, состоящая из чередующихся участков с хорошим и плохим сопряжением решеток соседних зерен.   В островках "плохого" сопряжения отсутствует кристаллографическая симметрия. Число атомов в "хорошем" участке невелико, обычно оно не превышает 10³ . При этом "плохих" участков тем больше, чем выше угловое несоответствие соседних зерен. 

Достаточно надежная дислокационная модель атомного строения меж- зеренной границы и количественная теория разработаны для случая малой угловой разориентировки зерен. Типичным примером в этом отношении является малоугловая граница наклона, состоящая из выстроенных в вертикальный ряд (стенку) краевых дислокаций (рис.). Такие границы, состоящие из дислокационных стенок, называются  субграницами , а сами зерна, которые ими разделяются, -  субзернами .

* Здесь  - угол разориентировки, n - число дислокаций в стенке, l - высота стенки , b - вектор Бюргерса.

Из соотношения (*) следует, что чем больше дислокаций в стенке  n и меньше, следовательно, расстояние между ними, тем выше угол разориетировки соседних зерен . Поэтому с увеличением плотности дислокаций в стенке малоугловая граница может постепенно трансформироваться в высокоугловую, для которой существующая дислокационная модель оказывается уже непригодной.

  Примером малоугловых границ являются границы между соседними субзернами внутри одного зерна, полученные в процессе роста кристаллов из расплава. Субзеренные границы могут возникать также в результате пластической деформации (особенно в металлах с высокой энергией дефектов упаковки) и при дорекристаллизационном отжиге предварительно холодно- деформированного материала.

Объемные дефекты

Объемными дефектами являются такие, которые имеют размеры одного порядка величин во всех трех измерениях. Обычно к ним относят нарушения  сплошности кристалла (трещины, поры). Иногда к ним причисляют включения с другой кристаллической структурой (выделения избыточных фаз) или микрообъемы аморфных фаз, хотя принимать их за объемные дефекты вряд ли оправданно.