2.5. Зеренное строение материалов. 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

77

самым разнообразным. В зависимости от угла разориентировки 0 принято выделять малоугловые и высокоугловые границы (рис.45). К первым относятся межзеренные границы с углом разориентировки не более 5^о. Если этот угол превышает 10^о, то такие границы считаются высокоугловыми (при 0 « 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.

Для высокоугловых границ (рис.45а) 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 объясняет их высокую подвижность.

в)

Рис. 45. Границы зерен:

а) - модель высокоугловой границы;

б) - зеренная структура молибдена (х240);

в) - модель малоугловой границы

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 существенно более высокая травимость границ зерен (рис.45б).

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 10 . 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.45в). Такие границы, состоящие из дислокационных стенок, называются субграницами, а сами зерна, которые ими разделяются, - субзернами .

Показано, что чем больше дислокаций в стенке п и меньше, следовательно, расстояние между ними, тем выше угол разориентировки соседних зерен 0. 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

79

пластической и при низкотемпературном нагреве предварительно холоднодеформированного материала.