Границы зерен и субзерен влияние дефектов на физико механические свойства металлов

Зеренное строение металлов. Границы зерен и субзерен

• Зернистая структура металла. Границы зерен и подзерен поликристаллические, состоящие из мелких кристаллов. Они характеризуются металлическими свойствами и составляют 50% всех химических элементов. Структура металла и его сплавов кристаллическая. В процессе кристаллизации кристаллы приобретают неправильную форму. Их называют злаками. Каждая частица имеет свою ориентацию кристаллической решетки, которая отличается от ориентации соседних зерен. Размер частиц металла влияет на его механические свойства.

Эти свойства, вязкость и пластичность намного выше, если металл имеет мелкие частицы. Это называется границей зерен, которая может быть следующей: наклонена к положению оси вращения в той же плоскости, что и граница; кручение с перпендикуляром к оси плоскости. Такой кусок металла является поликристаллическим. Границы зерен определяются точками соприкосновения соседних кристаллов. О размере, структуре и свойствах структуры частиц можно судить по разрушению металла. В поликристаллических материалах размер зерен составляет от 1 до 1000 мкм.

Граница является главным дефектом металла. На границах между частицами атом не имеет правильного положения. Существует широкая переходная область нескольких атомных диаметров, в которой решетка одного зерна переходит в решетку другого зерна с различными ориентациями. Структура переходного слоя(границы), поскольку ни поверхность скольжения, ни вектор гамбургера не изменяются при пересечении границы, способствует накоплению в нем дислокаций. Нарушение правильного расположения способствует тому, что на границах зерен увеличивается концентрация примесей, что снижает поверхностную энергию. Внутри частиц нарушается правильная кристаллическая структура. Границы субзерен не очень нарушены.

Все металлы обладают общими свойствами: пластичностью, высокой теплопроводностью и электропроводностью, определенным металлическим блеском, увеличением электрического сопротивления при повышении температуры. Из жидких расплавов вырастает Монокристалл, который и является монокристаллом. Размер монокристаллов невелик, их используют в лабораториях для изучения свойств вещества. Металлы и сплавы, полученные в самых общих условиях, состоят из большого количества кристаллов и имеют поликристаллическую структуру. Изучив структуру металла с помощью рентгеноструктурного анализа и электронной микроскопии, удалось доказать, что внутренняя структура кристаллических зерен не была правильной.

• В кристаллической решетке реального металла имеются различные дефекты (неполнота), которые разрушают связи между атомами и влияют на свойства металла. Все дефекты решетки являются нарушениями укладки атомов в решетке. Расположение атомов в решетке состоит из центрального Куба (b-и B-железо, B-титан, хром, вольфрам, ванадий), Куба, поверхность которого является центром (g-железо, алюминий, медь, никель, свинец).、 Зерна в поликристалле не монолитны, а состоят из отдельных подзерен, которые вращаются относительно друг друга под малыми углами.

Субграней представляет собой многогранник, содержащий несколько дислокаций или их вообще нет. Основные характеристики подзоны: тип, расположение, структура, плотность дислокаций. Многие дислокации образуются в результате механического сдвига. Границы субзерен и зерен в металле делятся на малые и большие углы. Небольшой угол граница наблюдается между субзерен и дислокационной структуры. Малоугловые границы могут быть представлены серией параллельных граничных дислокаций. Образование подзерен с дислокациями малых углов называется полигонизацией.

Субграница образуется определенной дислокационной системой. В зависимости от того, какой материал и какое воздействие он оказывает на окружающую среду, определяется местоположение дислокации. При незначительной деформации металла местом накопления дислокаций является поверхность скольжения. Если металлы, такие как алюминий, железо, подвергаются сильной деформации, то дислокация представлена в виде сложного сплетения: пространства, решетки. Структура, в которой подзерна перепутаны друг с другом под углом 15-300, представляет собой блок или мозаику. Плотность дислокаций в металле увеличивается с увеличением угла ориентации подзерен и уменьшением их размеров.

Атомы, расположенные на границах зерен и атомы на поверхности кристалла за счет некомпенсированных сил межатомного взаимодействия, обладают более высоким потенциалом по сравнению с атомами субзеренного объема. Наличие дислокаций влияет на прочностные качества металла. Согласно теоретическим расчетам, предел упругости чистого металла в 1000 раз превышает реальный, а предел упругости стали в 100 раз выше.

Образовательный сайт для студентов и школьников

© Фирмаль Людмила Анатольевна — официальный сайт преподавателя математического факультета Дальневосточного государственного физико-технического института

А граница зерна это граница между двумя зернами, или кристаллиты, в поликристаллическом материале. Границы зерен 2D дефекты в кристалл структуры и имеют тенденцию к уменьшению электрические и теплопроводность материала. Большинство границ зерен - предпочтительные места для начала коррозии. [1] и для осадки новых фаз из твердого тела. Они также важны для многих механизмов слизняк. [2] С другой стороны, границы зерен нарушают движение вывихи через материал, поэтому уменьшение размера кристаллитов является обычным способом повышения механической прочности, как описано в Холл – Петч отношение. Изучение границ зерен и их влияния на механические, электрические и другие свойства материалов является важной темой в материаловедение.

Содержание

Границы высоких и низких углов

Схематические изображения границы наклона (вверху) и границы закрутки между двумя идеализированными зернами.

Самая простая граница - это граница наклона, ось вращения которой параллельна плоскости границы. Эту границу можно представить как образующуюся из единой непрерывной кристаллит или зерно, которое постепенно сгибается под действием некоторой внешней силы. Энергия, связанная с упругим изгибом решетки, может быть уменьшена путем вставки дислокации, которая по сути представляет собой полуплоскость атомов, действующих как клин, что создает постоянную разориентацию между двумя сторонами. По мере дальнейшего изгиба зерна необходимо вводить все больше и больше дислокаций, чтобы приспособиться к деформации, приводящей к растущей стенке дислокаций - малоугловой границе. Теперь можно считать, что зерно разделилось на две субзерна связанной кристаллографии, но заметно различающиеся ориентацией.

Альтернативой является граница скручивания, когда разориентация происходит вокруг оси, перпендикулярной плоскости границы. Этот тип границы включает два набора винтовые дислокации. Если Гамбургеры векторы Если дислокации ортогональны, то дислокации сильно не взаимодействуют и образуют квадратную сетку. В других случаях дислокации могут взаимодействовать, образуя более сложную гексагональную структуру.

Эти концепции границ наклона и поворота представляют собой несколько идеализированные случаи. Большинство границ имеют смешанный тип, содержат дислокации разных типов и векторы Бюргерса, чтобы обеспечить наилучшее совпадение между соседними зернами.

Если дислокации на границе остаются изолированными и отчетливыми, границу можно считать малоугловой. Если деформация продолжится, плотность дислокаций увеличится и, таким образом, уменьшится расстояние между соседними дислокациями. В конце концов ядра дислокаций начнут перекрываться, и упорядоченный характер границы начнет нарушаться. На этом этапе границу можно рассматривать как высокоугловую, а исходное зерно разделилось на два совершенно отдельных зерна.

По сравнению с малоугловыми границами зерен, большеугловые границы значительно более неупорядочены, с большими площадями плохого прилегания и сравнительно открытой структурой. Действительно, изначально они считались некой формой аморфного или даже жидкого слоя между зернами. Однако эта модель не могла объяснить наблюдаемую прочность границ зерен, и после изобретения электронная микроскопия, прямые доказательства зернистой структуры означали, что эту гипотезу пришлось отвергнуть. Теперь принято, что граница состоит из структурных единиц, которые зависят как от разориентации двух зерен, так и от плоскости границы раздела. Существующие типы структурных единиц могут быть связаны с концепцией решетка узлов совпадений, в котором повторяющиеся блоки образуются из точек совпадения двух разориентированных решеток.

В теории решетки совпадающих узлов (CSL) степень соответствия (Σ) между структурами двух зерен описывается взаимный отношения совпадений сайтов к общему количеству сайтов. [4] В этой структуре можно нарисовать решетку для 2 зерен и подсчитать количество общих атомов (узлов совпадения) и общее количество атомов на границе (общее число узлов). Например, когда Σ = 3, будет один атом из каждых трех, которые будут разделены между двумя решетками. Таким образом, можно ожидать, что граница с высоким Σ будет иметь более высокую энергию, чем граница с низким Σ. Малоугловые границы, на которых искажение полностью компенсируется дислокациями, - это Σ1. Некоторые другие границы с низким значением Σ обладают особыми свойствами, особенно когда граничная плоскость содержит высокую плотность совпадающих узлов. Примеры включают последовательные близнец границ (например, Σ3) и границ с высокой подвижностью в материалах FCC (например, Σ7). Отклонения от идеальной ориентации CSL могут быть компенсированы локальной атомной релаксацией или включением дислокаций на границе.

Описание границы

Границу можно описать ориентацией границы по отношению к двум зернам и трехмерным вращением, необходимым для совмещения зерен. Таким образом, граница имеет 5 макроскопических степени свободы. Однако обычно границу описывают только как ориентационное отношение соседних зерен. Как правило, удобство игнорирования ориентации граничной плоскости, которую очень трудно определить, перевешивает ограниченную информацию. Взаимная ориентация двух зерен описывается с помощью матрица вращения:

Характерное распределение граничных разориентаций в полностью случайно ориентированном наборе зерен для материалов с кубической симметрией.

Используя эту систему, угол поворота θ равен:

а направление [uvw] оси вращения:

Природа кристаллография вовлеченные ограничивает разориентацию границы. Таким образом, полностью случайный поликристалл без текстуры имеет характерное распределение разориентаций границ (см. Рисунок). Однако такие случаи редки, и большинство материалов будут отклоняться от этого идеала в большей или меньшей степени.

Граничная энергия

Энергия наклона границы и энергия, приходящаяся на одну дислокацию при увеличении разориентации границы

Энергия малоугловой границы зависит от степени разориентации между соседними зернами вплоть до перехода в высокоугловое состояние. В случае простого границы наклона энергия границы, составленной из дислокаций с вектором Бюргерса б и интервал час предсказывается Уравнение Рида – Шокли:

Ситуация в большеугловых границах сложнее. Хотя теория предсказывает, что энергия будет минимальной для идеальных конфигураций CSL, с отклонениями, требующими дислокаций и других энергетических характеристик, эмпирические измерения показывают, что связь более сложна. Некоторые прогнозируемые спады энергии обнаруживаются, как и ожидалось, в то время как другие отсутствуют или существенно сокращаются. Обзор имеющихся экспериментальных данных показал, что простые зависимости, такие как низкий Σ < displaystyle Sigma>вводят в заблуждение:

Сделан вывод о том, что никакой общий и полезный критерий низкой энергии не может быть описан в простых геометрических рамках. Любое понимание изменений межфазной энергии должно учитывать атомную структуру и детали связывания на границе раздела. [5]

Избыточный объем

Избыточный объем - еще одно важное свойство при описании границ зерен. Избыточный объем впервые был предложен Бишопом в частном общении с Аароном и Боллингом в 1972 году. [6] Он описывает, насколько расширение вызвано наличием ГБ, и считается, что степень и восприимчивость к сегрегации прямо пропорциональны этому. Несмотря на название, избыточный объем на самом деле является изменением длины, это связано с двумерной природой ГБ, интересующей длиной является расширение, перпендикулярное плоскости ГБ. Избыточный объем ( δ V < displaystyle delta V>) определяется следующим образом:

Были разработаны экспериментальные методы, позволяющие непосредственно исследовать избыточный объем, и которые использовались для исследования свойств нанокристаллической меди и меди. никель. [8] [9] Также были разработаны теоретические методы. [10] и хорошо согласны. Ключевое наблюдение заключается в том, что существует обратная зависимость от модуля объемного сжатия, означающая, что чем больше модуль объемного сжатия (способность сжимать материал), тем меньше будет избыточный объем, также существует прямая взаимосвязь с постоянной решетки, это обеспечивает методологию найти материалы с желаемым избыточным объемом для конкретного применения.

Граничная миграция

Движение границ зерен (HAGB) имеет значение для перекристаллизация и рост зерна в то время как движение субзеренной границы (LAGB) сильно влияет восстановление и зарождение рекристаллизации.

Граница перемещается из-за действующего на нее давления. Обычно предполагается, что скорость прямо пропорциональна давлению, причем константа пропорциональности является подвижностью границы. Подвижность сильно зависит от температуры и часто зависит от Отношения типа Аррениуса:

Кажущаяся энергия активации (Q) может быть связана с термически активируемыми атомистическими процессами, которые происходят во время движения границы. Однако существует несколько предложенных механизмов, в которых подвижность будет зависеть от давления движения, и предполагаемая пропорциональность может нарушиться.

Принято считать, что подвижность малоугловых границ намного ниже, чем подвижность большеугловых. Следующие наблюдения, по-видимому, верны для ряда условий:

• Подвижность малоугловых границ пропорциональна действующему на них давлению.
• В ставка процесс контроля - это массовый распространение
• Подвижность границ увеличивается с разориентацией.

Поскольку малоугловые границы состоят из массивов дислокаций, их движение может быть связано с теорией дислокаций. Наиболее вероятным механизмом, согласно экспериментальным данным, является механизм переползания дислокации, скорость которого ограничена диффузией растворенного вещества в объеме. [11]

Движение большеугловых границ происходит за счет переноса атомов между соседними зернами. Легкость, с которой это может произойти, будет зависеть от структуры границы, которая сама зависит от кристаллографии участвующих зерен, примесных атомов и температуры. Возможно, что какая-то форма бездиффузионного механизма (сродни бездиффузионным фазовым превращениям, таким как мартенсит) может работать в определенных условиях. Некоторые дефекты на границе, такие как ступеньки и выступы, также могут предлагать альтернативные механизмы для переноса атомов.

Поскольку высокоугловая граница упакована неидеально по сравнению с нормальной решеткой, она имеет некоторое количество свободное место или же свободный объем где растворенные атомы могут обладать более низкой энергией. В результате граница может быть связана с растворенная атмосфера это замедлит его движение. Только при более высоких скоростях граница сможет вырваться из атмосферы и возобновить нормальное движение.

Как малоугловые, так и высокоугловые границы задерживаются присутствием частиц через так называемые Зинеровское закрепление эффект. Этот эффект часто используется в промышленных сплавах для минимизации или предотвращения рекристаллизации или рост зерна в течение термическая обработка.

Цвет лица

Границы зерен являются предпочтительным местом для сегрегации примесей, которые могут образовывать тонкий слой с составом, отличным от основного. Например, в нитриде кремния часто присутствует тонкий слой кремнезема, который также содержит примесные катионы. Эти зернограничные фазы термодинамически стабильны и могут рассматриваться как квазидвумерные фазы, которые могут претерпевать переход, аналогичный фазам объемных фаз. В этом случае возможны резкие изменения структуры и химического состава при критическом значении термодинамического параметра, такого как температура или давление. [12] Это может сильно повлиять на макроскопические свойства материала, например, на электрическое сопротивление или скорость ползучести. [13] Границы зерен можно анализировать с помощью равновесной термодинамики, но нельзя рассматривать как фазы, поскольку они не удовлетворяют определению Гиббса: они неоднородны, могут иметь градиент структуры, состава или свойств. По этой причине они определяются как цвет лица: межфазный материал или состояние, которое находится в термодинамическом равновесии со своими прилегающими фазами, с конечной и стабильной толщиной (обычно 2–20 Å). Для цвета лица необходима фаза примыкания, а ее состав и структура должны отличаться от фазы прилегания. В отличие от объемных фаз, цвет лица также зависит от фазы стыка. Например, аморфный слой с высоким содержанием кремнезема, присутствующий в Si₃N₃, имеет толщину около 10 A, но для особых границ эта равновесная толщина равна нулю. [14] Цвет лица можно разделить на 6 категорий в зависимости от толщины: однослойный, двухслойный, трехслойный, нанослой (с равновесной толщиной от 1 до 2 нм) и смачивание. В первых случаях толщина слоя будет постоянной; если присутствует дополнительный материал, он будет сегрегировать на стыке нескольких зерен, тогда как в последнем случае нет равновесной толщины, и это определяется количеством вторичной фазы, присутствующей в материале. Одним из примеров перехода цвета на границах зерен является переход от сухой границы к двухслойному в Si, легированном Au, который возникает в результате увеличения содержания Au. [15]

Влияние на электронную структуру

Границы зерен могут вызвать механическое разрушение из-за охрупчивания из-за сегрегации растворенных веществ (см. Хинкли Пойнт А атомная электростанция), но они также могут отрицательно повлиять на электронные свойства. В оксидах металлов теоретически показано, что на границах зерен в Al₂О₃ и MgO изоляционные свойства могут быть значительно уменьшены. [16] С помощью теория функционала плотности компьютерное моделирование границ зерен показало, что запрещенная зона может быть уменьшена до 45%. [17] В случае границ зерен металлов увеличивается удельное сопротивление, поскольку размер зерен относительно длины свободного пробега других рассеивателей становится значительным. [18]

Концентрация дефектов вблизи границ зерен

Известно, что большинство материалов являются поликристаллическими и содержат границы зерен, и что границы зерен могут действовать как поглотители и пути переноса точечных дефектов. Однако экспериментально и теоретически определить влияние точечных дефектов на систему сложно. [19] [20] [21] Интересные примеры сложности поведения точечных дефектов проявились в температурной зависимости эффекта Зеебека. [22] Кроме того, диэлектрический и пьезоэлектрический отклик можно изменять за счет распределения точечных дефектов вблизи границ зерен. [23] На механические свойства также можно значительно повлиять с такими свойствами, как модуль объемной упругости и демпфирование, на которые влияют изменения распределения точечных дефектов в материале. [24] [25] Также было обнаружено, что эффект Кондо в пределах графен можно настроить из-за сложной взаимосвязи между границами зерен и точечными дефектами. [26] Недавние теоретические расчеты показали, что точечные дефекты могут быть чрезвычайно выгодными вблизи определенных типов границ зерен и существенно влиять на электронные свойства при уменьшении ширины запрещенной зоны. [27]

Идеальная кристаллическая решетка представляет собой многократное повторение элементарных кристаллических ячеек. Для реального металла характерно наличие большого количества дефектов строения, нарушающих периодичность расположения атомов в кристаллической решетке.

Различают три типа дефектов кристаллического строения:

Точечные дефекты характеризуются малыми размерами (несколько атомных диаметров) во всех трех измерениях.

Вакансии – свободные места в узлах кристаллической решетки	Дислоцированные атомы – атомы, сместившиеся из узлов кристаллической решетки в межузельные промежутки	Примесные атомы – атомы других элементов, находящиеся как в узлах, так и в междоузлиях кристаллической решетки

Искажая кристаллическую решетку, способствуют некоторому упрочнению кристаллов и повышает их электросопротивление

2) Линейные дефекты характеризуются малыми размерами в двух измерениях, но имеют значительную протяженность в третьем измерении – дислокации.

Краевая дислокация (наличие экстраплоскости)	Винтовая дислокация (сдвиг атомных слоев по плоскости)

Установлено, что дислокации притягивают в свою зону атомы примесей, которые осаждаются в виде цепочки вдоль края экстраплоскости (атмосферы Коттрелла).

Общее количество дислокаций в кристалле характеризуют плотностью дислокаций. Это суммарная длина линий дислокаций в единице объёма [см/см 3 ] или, что то же самое, число пересечений дислокациями единичной площадки [1/см 2 ].

Кривая И.А. Одинга

Теоретическая прочность – определяется силами межатомного сцепления. Усы – нитевидные кристаллы железа 0,5-2 мкм ´ 100 мм без дефектов с прочностью sВ = 13 500 МПа, что близко к теоретической прочности. Плотность дислокаций в кристалле определяется как среднее число линий дислокаций, пересекающих внутри тела площадку в 1 м 2 , или как суммарная длина дислокаций в 1 м 3 . При плотности дислокаций более 10 12 в металле образуются субмикроскопические трещины, вызывающие разрушение.

3) Поверхностные дефекты имеют малую толщину и значительные размеры в двух других измерениях. Обычно это места стыка двух ориентированных участков кристаллической решетки. Ими могут быть, например, границы зерен.

Зерно – это кристалл неправильной формы, выросший из одного зародыша. Соседние зерна по своему кристаллическому строению имеют неодинаковую ориентировку решеток.

Граница между зернами представляет собой узкую переходную зону шириной 5-10 атомных расстояний с нарушенным порядком расположения атомов. В граничной зоне кристаллическая решетка одного зерна переходит в решетку другого зерна. Неупорядоченное строение переходного слоя усугубляется скоплением в этой зоне дислокаций и повышенной концентрацией примесей.

Границы зерен препятствуют перемещению дислокаций и являются местом повышенной концентрации примесей, что оказывает существенное влияние на механические свойства металла. Измельчение зерна увеличивает пластичность и вязкость металла.

Помимо перечисленных дефектов в металле имеются макродефекты объемного характера: поры, газовые пузыри, неметаллические включения, микротрещины. Эти дефекты снижают прочность металла.

НАКЛЁП и РЕКРИСТАЛЛИЗАЦИЯ