Межзёренная граница | это... Что такое Межзёренная граница? (original) (raw)

Микрофотография поликристаллического металла. Межзёренные границы проявлены кислотным травлением.

Схема различно ориентированных кристаллистов в поликристаллическом материале.

Межзёренная граница — поверхность раздела двух зёрен (кристаллитов) в поликристаллическом материале. Межзёренная граница является дефектом кристаллической структуры и имеет тенденцию к понижению электрической проводимости и температуропроводности. Высокая энергия границ и относительно слабая связь в большинстве межзёренных границ часто делает их предпочтительным местом для возникновения коррозии и выделения второй фазы.

Высоко- и малоугловые границы

Традиционно межзёренные границы разделяют по пространственной разориентациии между двумя зернами. Малоугловыми границами являются границы с углом разориентации менее 15°. Иногда применяют меньшее пороговое значение вплоть до 11°. Обычно их описывают с точки зрения дислокационной теории. А их свойства и структура является функцией разориентации. С другой стороны, свойства высокоугловых границ, чья разориентация выше 15°, обычно не зависят от разориентации. Однако существуют 'специальные границы' - при определённых ориентациях энергия границ раздела заметно ниже, чем в основном у высокоугловых границ.

Описание границ

Границы могут быть описаны посредством ориентации границы к двум зернами и необходимым трехмерным поворотом для приведения зерен к точному совпадению решеток. Так, границы имеют 5 степеней свободы. Однако это является общим для описания границы только как ориентационного соотношения между соседними зернами. Как правило, преимущество игнорирования ориентации плоскости границы, которая сложна в определении, перевешивает уменьшение информации. Относительная ориентация двух зерен описывается с помощью матрицы поворота:

$R = \begin{bmatrix} a_{11} & a_{12} & a_{13} \\ a_{21} & a_{22} & a_{23} \\ a_{31} & a_{32} & a_{33} \end{bmatrix}$

Используя эту систему поворота, угол вращения θ определяется следующим образом:

$2\cos\;\theta\;+1 = a_{11} + a_{22} + a_{33} \,\!$

когда направление [uvw] оси вращения:

$[(a_{32}-a_{23}),(a_{13}-a_{31}),(a_{21}-a_{12})] \,\!$

Кристаллографическая природа налагает ограничения на разориентацию границ. Полностью произвольный поликристалл без текстуры имеет характерное распределение границ разориентации. Однако такие случаи редки, и большинство материалов будут отличаться от этого идеализированного представления в большую или меньшую сторону.

Энергия межзёренных границ

Энергия малоугловых границ зависит от угла разориенрации между соседними зернами вплоть до перехода в высокоугловое состояние. В случае простых простой наклонной границы энергия границы состоящей из дислокации с вектором Бюргерса b и шагом решетки h определяется уравнением Рида–Шокли:

$\gamma _s = \gamma _0 \theta (A - \ln \theta) \,\!$

где θ = b/h, γ0 = Gb/4 π(1-ν), A = 1 + ln(b/2 πr0), G - модуль сдвига, ν - коэффициент Пуассона, и r0 - радиус ядра дислокации. Отсюда видно, что с увеличением энергии границы, энергия на дислокацию уменьшается. Так существует движущая сила для создания меньшего количества более разориентированных границ (т.е. роста зерна).