4. ПЛОСКИЕ ДЕФЕКТЫ 88

Т а б л и ц а 4.1 93

Лекция 11.

4. Плоские дефекты

4.1. Общие представления

Среди плоских дефектов кристаллического строения в металлах можно отметить:

1. границы зёрен

2. границы раздела фаз;

3. плоские выделения атомов второй фазы или вакансий.

4. свободные поверхности металла и внутренних полостей.

Основное внимание уделим границам – дефектам, которые во многом определяют прочностные и пластические свойства металлов.

Классификация границ.

Различают межзеренные и межфазные границы.

Межфазные границы

разделяют отдельные фазы металла (фазы - области металла, отличающиеся химическим составом или типом и параметрами кристаллической решетки. Фазы могут различаться также и типом межатомной связи.)

Если порядок чередования атомов при переходе через межфазную границу не изменяется (атомные плоскости одной фазы продолжаются в другой), то в этом случае говорят, что граница когерентная. Если порядок чередования нарушен, то такая граница называется некогерентной. Преимущественно в металлах встречаются некогерентные границы. Когерентные границы являются специальными и имеют особые свойства.

Межзеренные границы

отделяют друг от друга объемы металла размером от долей микрометра до нескольких сантиметров, которые имеют различную кристаллографическую ориентацию кристаллической решётки (рис. 4.1). Эти микрообъемы называются зернами или кристаллитами. Разориентация кристаллической решётки соседних зёрен более 1 градуса. Такие границы называются большеугловыми. Зёрна разбиты на субзёрна, разделёнными субграницами с углами разориентации менее 1 градуса (это малоугловые границы).

Металл, не содержащий большеугловых границ, называется монокристаллом, а состоящий из множества зерен (кристаллитов) – поликристаллом. Средний размер зерна в деформированном и затем рекристаллизованном металле составляет приблизительно 20÷100 мкм, однако, специальные виды пластической обработки, например, угловое прессование или осадка с кручением, позволяют получить размер зерна (которое в этом случае называют фрагментом) до 50 нм (нанометров). Такие структуры называют наноструктурами.

В реальном монокристалле имеются малоугловые границы.

Предпринимались попытки создать идеальные монокристаллы металлов, содержащие минимальное количество дефектов. Это очень важно в полупроводниковой промышленности. Однако, все попытки, в том числе и выплавка металла на космических станциях, не увенчались успехом – все монокристаллы имели некоторое количество малоугловых границ. Поэтому необходимо помнить, что монокристалл, не содержащий границ – это некоторое идеальное состояние, приближение, которое часто используется в теории.

Встречаются межзеренные границы наклона (рис. 4.1,б) и границы кручения (рис. 4.1,в). Тип границы определяется углом и направлением поворота одного зерна относительно другого, который позволяет совместить кристаллографические плоскости соседних зерен. Если такое совмещение произошло, граница практически исчезает. Обычно межзеренные границы одновременно имеют компоненты кручения и наклона.

Если угол разорентации соседних зерен составляет несколько градусов, то такая граница называется высокоугловой (или большеугловой), если угол разориентации невелик – от нескольких минут до 1-2 градусов, то такая граница называется малоугловой. Зерна, разделенные высокоугловыми границами, могут содержать внутри малоугловые границы, которые разделяют друг от друга микрообъемы, называемые субзернами или блоками (в рекристаллизованном металле). Если субграницы не чётко сформированы, то участки, которые они разделяют, называют субъячейками (в сильно деформированном металле).

а)	б)	в)
	Рис. 4.1. Зерна в металле (а), схематическое изображение границы наклона (б) и границы кручения (в)

Малоугловые границыобычно моделируют при помощидислокационных стенок, причемвинтовые дислокацииобразуютграницу кручения, акраевые – границу наклона. Нарис. 4.2представлены дислокационные модели границ наклона и кручения. Решетки двух зерен или субзерен упруго сопрягаются, за исключением тех плоскостей, где оканчиваются экстраплоскости, т.е. где находятся дислокации. Если решётки двух соседних зёрен симметрично наклонены по отношению к плоскости границы, то такая граница называетсясимметричной границей наклона.

Если малоугловая граница несимметрична, то это значит, что на ней оканчиваются две группы экстраплоскостей, образующиедве серии краевых дислокаций с разными векторами Бюргерса. Симметричная границанаклона, являющаясястенкой краевых дислокаций одного знака с параллельными векторами Бюргерса и параллельными плоскостями скольжения, может легко перемещаться при деформации приколлективном скольжениивсех дислокаций, входящих в стенку (рис. 4.3). Такую границу называютскользящей.Еслиплоскости скольжениясоставляющих границу дислокацийне параллельны, то такая границанеподвижна.

а)	б)
Рис. 4.2. Несимметричные малоугловые границы наклона (а) и кручения (б)
		Рис. 4.3. Перемещение малоугловой границы под действием напряжений τ и обусловленная им деформация образца

Новые границы зерен в металле могут возникать при кристаллизации, при пластической деформации, при фазовых превращениях, при рекристаллизации в результате термической обработки деформированного металла, во время которой дислокации одного знака могут перестроиться и образовать дислокационные стенки, рис. 4.4. По сути эти стенки являются малоугловыми границами. Миграция этих границ с поглощением зёрен приводит к образованию большеугловых границ.

С

Рис. 4.4. Изменение структуры деформированного металла при нагревании (полигонизация): преобразование сетки хаотических дислокаций (а) в малоугловые границы (б)

вободная поверхность металла

Самым большим плоским дефектом металла является свободная поверхность, ограничивающая со всех сторон объем металла. На этой границе заканчивается правильное чередование атомов, и вдоль всей свободной поверхности все межатомные связи разорваны.

Свободная поверхность характеризуется поверхностной энергией

, (4.1)

где – удельная энергия свободной поверхности;s – площадь свободной поверхности.

Удельная энергия свободной поверхности определяется экспериментально для различных металлов и сплавов; она численно равна работе разрыва межатомных связей на площади 1 м² и удаления двух образованных половин на такое расстояние, на котором их взаимодействие не ощущается.

Для оценочных расчетов в физике прочности существует соотношение, определяющее взаимосвязь теоретической прочности металла τ^* и , или модуля упругостиЕ и :

, (4.2)

где E, G – модули нормальной упругости и сдвига, − коэффициент Пуассона.

Итак, удельная поверхностная энергия характеризует уровень искаженности межатомных связей − несоответствие их связям в идеальной решетке за счет изменения зарядового числаz или расстояния взаимодействия а (см. (1.3)) вдоль ломаной поверхности раздела. Вдоль свободной поверхности все связи ион-электрон разорваны.

На границе зерен или фаз нарушается расстояние между ионами и электронами или характер взаимодействия по сравнению с таковым в идеальной решётке. В соответствии с ранее рассмотренным изменением энергии взаимодействия атомов (рис.1.3) как увеличение, так и уменьшение расстояния приводит к увеличению энергии взаимодействия. Схематически строение границы показано на рис.4.5.

Повышение энергии взаимодействия частиц на границе относительно идеальной решетки

, (4.3)

г

Рис. 4.5. Схема межзеренной границы

де в качестве характеристики границы вводится–удельная поверхностная энергия границы, s – площадь границы.

Введение по аналогии с удельной энергией свободной поверхностипозволяет трактовать межзеренную или межфазную границу, как поверхность раздела зерен или фаз с избыточной энергией. На этой поверхности часть межатомных связей не компенсирована из-за нарушения среднего радиуса взаимодействия ионов и электронов или изменения заряда взаимодействующих частиц, приходящихся на один атомный объем.

Поскольку границы обладают избыточной энергией (4.3) по сравнению с идеальной кристаллической решеткой, то можно сделать два важных замечания:

1. В соответствии с соотношением Гельмгольца, изменение энергии ΔW_s вызывает изменение напряжений в рассматриваемом микрообъеме вблизи границы или поверхности (см. далее)

. (4.4)

2. В соответствии с принципом минимума энергии, который выполняется для любой термодинамической системы, металл стремится обеспечить условие ΔW_s→min, а в пределе ΔW_s→0. Следовательно, можно ожидать, что в результате самопроизвольных внутренних процессов, развивающихся в металле во времени при нагреве, границы зерен, перемещаясь, должны понижать свою энергию или покидать металл. Уменьшение протяженности внутренних границ соответствует увеличению размера зерна металла или фазы.

Информацию о значениях удельной поверхностной энергии межзеренных и межфазных границ для различных металлов и сплавов можно найти в многочисленных справочниках. Однако эта информация часто бывает противоречивой и многообразной, поскольку в металле встречаются границы с различной энергией, а исследовать огромное количество границ внутри множества образцов каждого сплава и провести статистическую обработку измерений представляется фантастической задачей.

Значения удельной поверхностной энергии для различных границ некоторых металлов представлены в табл.4.1.

Т а б л и ц а 4.1