1. Поликристаллические материалы

Поликристаллические материалы состоят из большого количества произвольно ориентированных монокристаллов, которые называют зернами и получают охлаждением расплава металла или сплава, прессованием и спеканием металлических и керамических порошков, т.е. реакциями в твердом состоянии. Свойства материалов зависят от состава, от пространственного распределения и размера зерен, а также от дефектов последних. Дефекты или несовершенства кристаллического строения подвижны, они могут сближаться и вступать между собой во взаимодействие. При нагреве подвижность дефектов увеличивается, хотя скорости перемещения различных дефектов остаются разными. Благодаря подвижности дефектов и взаимодействию их концентрация в кристаллах меняется. Меньше всего дефектов содержат отожженные металлы. Концентрация дефектов возрастает после закалки, деформирования и других видов обработки.

В кристаллическом теле различают дефекты четырех основных типов:

1) точечные, внутри зерен (рис. 1). Их размер близок к межатомному (вакансии, чужеродные атомы внедрения, межузельные атомы);

Рис. 1 Точечные дефекты в реальных кристаллах

2) линейные, рис. 2, у которых длина на несколько порядков больше ширины (дислокации);

Рис. 2 Линейный дефект–краевая дислокация

3) объемные (микротрещины, поры);

4) поверхностные, рис. 3. Толщина таких дефектов мала, а ширина и длина больше ее на несколько порядков (границы между зернами).

Рис.3 Разориентация зерен и блоков в металле

Из этого следует, что структура и состав поликристалла неоднородны, причем неоднородность чаще всего имеет микроскопический характер, поэтому такое разнообразие внутренней структуры называют микроструктурой.

Микроструктуру характеризуют величина, форма и ориентация зерен. Состав определяет соотношение количества зерен присутствующих фаз и нередко оказывает влияние также на размер зерен.

Характерную особенность поликристаллических материалов представляют границы между зернами. Независимо от того, что разделяют эти границы–различно ориентированные зерна одной фазы или зерна различных фаз, они представляют собой резкие изменения внутренней структуры этих материалов. Поэтому внутренние границы сильно влияют на свойства поликристаллических материалов.

Микроструктура и свойства поликристаллических материалов также зависят и от различных внешних факторов (механические силы, тепловое и химическое воздействие).

Соответственно микроструктура поликристаллических материалов зависит от режима обработки и условий эксплуатации материалов.

1.1 Границы зерен

Границей зерна, а также субзерен называют поверхность соприкосновения двух соседних кристаллов, различающихся между собой пространственной ориентацией (рис. 4). Эта поверхность имеет двухмерные дефекты с микроскопическими размерами в двух направлениях и атомные–в третьем. Границы между отдельными кристаллитами (зернами) представляют собой переходную область шириной 5–10 межатомных расстояний, в которой изменяется кристаллографическая ориентация. Поэтому атомы на границе зерен распределены более хаотично, чем в объеме зерен.

Рис. 4 Поверхность соприкосновения двух кристаллов (стрелками указана ориентация зерен)

Взаимная ориентация решеток соседних зерен характеризуется общим кристаллографическим направлением и углом поворота θ вокруг этого направления.

Границы с разориентацией соседних зерен < 10˚ называются малоугловыми, а с большей разориентацией–большеугловыми.

Малоугловую границу, или субграницу, можно представить как ряд выстроенных в стенку дислокаций. В этом случае угол разориентировки определяется формулой:

f=b/n,

где b - абсолютная величина вектора Бюргерса; n - расстояние между параллельными краевыми дислокациями.

Большеугловые границы могут также быть представлены в виде рядов дислокаций, но в этом случае необходимое расстояние между дислокациями имеет порядок межатомного, поэтому отдельные дислокации различать трудно.

Границы зерен влияют на многие механические характеристики, во-первых, потому что они мешают двигаться дислокациям; во-вторых, потому что на границах концентрируются примеси. Предел текучести σ_т связан с размером зерен d зависимостью

σ_т=σ₀+kd^-1/2 , где σ₀ и k постоянные для данного материала. Чем мельче зерно, тем выше предел текучести, вязкость и меньше опасность хрупкого отрыва.

Границы зерен, обладая повышенной энергией, служат местами зарождения фаз при фазовых превращениях.

Наиболее интересным свойством границы является ее подвижность. Существует два вида движения границ: скольжение–движение границы перпендикулярно самой себе, и сдвиг–движение ее параллельно самой себе. Скольжение малоугловой наклонной границы может происходить за счет скольжения краевых дислокаций, составляющих границу. Движение других типов границ объясняется более сложными механизмами, включающими движение вакансий.