2
Как живут кристаллы в металле
Кандидат физико-математических наук
А. Л. ПЕТЕЛИН,
А. И. ФЕДОСЕВ
Когда речь заходит о кристаллах, то обычно представляют себе красивые многогранички, сверкающие в лучах света. Однако встречалосься в природае кристаллические материалы чаще всего не обладают столбцовшенными формами. Как правило, это поликристаллы — вещества, состоящие из множества плотно упакованных мелчайших кристалlikов, поразному ориентированных в пространстве.
Такую структуру обычно имеют и металлы. Она формируется уже в процессе кристаллизации, когда зародышки кристалlikов возникают в различных точках жидкого металла, зернакристаллики растут, встречаются и тесят друг друга. Постепенно расплавленный металл превращается в поликристалл.
Многие важные свойства металла зависит не только от устойчивости отделных зерен, но и от того, как они упакованы в поликристалле, каковы границы между зернами. Физические процессы, проискоды на этих границах, порой оказывают определенное влияние на свойства металла.
Лазейки для примесей
Что бы придать стали нужные свойства, ее поддержот термической обработке — закалке (резкому охлаждению от высокой температуры) и отпуск (повторному нагреву до менее высокой температуры). Закалка делает сталь упругой и твердой; отпуск смягчает сталь, придает ей пластичность. Меняя химический состав стали, температуры закалки и отпуска, люди на протяжении тисечетей научились добаваться нужного сочетания прочности, пластичности, твердости и т. д.
За последние полвека условия эксплуатации стальных деталей сильноужестоились, и инженеры все чаще стали заменать, что и после отпуска, проведенного по всем правилам, некоторых виды стали все равно
Так выглядит под микросомом (увеличение 500) плоский сред куска меди. (При протравлении поверхности среда кислотой на границах между отделными кристалlikами травлениеidet быстрее — там образуется углубления). Не напоминает ли вам это кукурузные зернышки в початке? Может быть, именно поэтому говорят, что металл имеет зеренную структуру?
5
близкими углами разворота зерен.
Но как они отличются! Глубина проникновения по двум почти одинаковым границам совершено разная!
В рамках островковой модели это вызывает удивление.
В целом зависимости глубины проникновения при диффузии по ГЗ от угла разворота зерен выглядит так, как показано на рисунке 3,— она немонотонна. В свете этих экспериментальных результатов ни о какой плаваности изменения свойств ГЗ говорить уже не приходится.
Порядок и беспорядок на границе
Внести относительноясность в вопрос о том, почему свойства ГЗ так сильно зависит от угла разворота зерен, помог геометрической подход к проблеме контакта двух кристаллических решеток, начало которого было положено в работах английских кристаллографов М. Кронберга и Ф. Вильсона в 1947 году. Остановимся на этом подходе подробнее.
Нам по-прежнему достаточно будет рассматривать плоские квадратные кристаллические решетки.
Вудем разворочивать две квадратные сетки друг относительно друга вокруг оси, перpendикулярной плоскости сеток, постепенно увеличивая угол разворота. При некоторых, вполне определенных, углах разворота вдоль линии контакта сеток возникнут узлы, общее для обеих сеток,— совпадающее узлы (на рисунке 4 они помещены красным цветом). Эти узлы
Рис. 3. Зависимость глубины проникновения при диффузии по ГЗ от угла разворота зерен. Кривая построена по экспериментальным результатам, полученным при диффузии цинка в алюминый.
Рис. 4. Схема возникновения РСУ. Красные точки — совпадающее узлы.
расположены на плоскости с определенной периодичностью и образуют так называемую решетку совпадающих узлов (дальше мы будем обозначать ее РСУ).
Для двух границших зерен есть несколько так называемых спецальных, «хороших» углов разворота, при которых возникют РСУ с большими плотностями совпадающих узлов.*) Границца зерен в случае таких углов имеет премиущество по сравнению с границами без РСУ — она более упорядочена, значительная часть узлов находится на местах, обусловленных кристаллическими решетками обихих зерен.
Остается только один вопрос: «чувствует» ли реальная ГЗ в металле, что есть такие спецальные углы разворота? Ведь пока что речь шла только о плоской геометрической модели ГЗ, не учитываюсь, что атомы имеют конечные, а не точные размеры, что между ними существует взаимодействие, что они могут смешаться относительно кристаллической решетки…
Вернемся к photographer на рисунке 2. Междуглубиной границ с меньшей глубиной проникновения цинка (рис. 2, а) — это граница с углом
*) Нахождение хороших углов — красивая геометрическая задача, связанная с нахождением точки с целочисленными координатами на окружности. Это вопрос посылается частью А. В. Гончарова «Арифметика гаussовых чисел» (см. с. 13) и «Задачи для исследований» (с. 45) в этом номере журнала.
6
разворота, почти в точности равным специальному углу. Значит, диффузия по границе зерен с решеткой совпадающих узлов идет медленнее, чем по границам без РСУ. Это подтверждается и зависитностью на рисунке 3 — все миниммы глубины проникновения при зернографии диффузии соответствуют углам разворота, при которых, согласно вычислениям, возникает РСУ. С точки зрения нашей геометрической модели это можно объяснить — специальные границы более упорядочены, они по структуре близке к кристаллической решетке зерен, чем границы без РСУ. Поэтому и скорость диффузии в них близке к скорости диффузии в решетке.
Самым впечатляющим подтверждением того, что решетки совпадающих узлов реализно существует на границах зерен, является прямое наблюдание расположения atomов на границе, ставшее возможным только в последнее время благодаря развитию высококорзшающего электронной микрокосолики. На рисунке 5 приведена фотография atomного строения ГЗ с углом разворота, близким к специальному, полученная на электронном микрокосоле. Сравните рисунки 4 и 5. Неправда ли, заменаительное сходство простой геометрической схемы и физического объекта — межзеренной границы, которое эта схема моделирует?
Геометрическая модель — первый шаг на пути построения общей теории границ зерен. Она дает представление об их структуре только при разорентировках, отвечающих специальному углам, остальные границы остаются неохваченными этим расстоянием. Сейчас на основе модели РСУ разработаны физические модели, учитывающие искажения кристаллических решеток при ориентациях, на несколько граducов отличающихся от специальных. Однако, как устроены ГЗ с углами разворота, далеко от специальных, пока остается неясным.
Структура и текстура
Do схх пор мы говорили об отдельных зернах и о том, как на границах между зернами из хаоса возникает порядок. В металле зерен очень много, причем их расположение и форма, как правило, не бывают совершенно случайными. Практически всегда имеет какая-то преимущественная ориентация кристаллических зерен. В таких случаях говорят, что материал обладает текстурой (от латинского слова textura — ткани, упорядоченная структура).
Причны возникновения текстур и сами текстуры бывают различные. На 2-ой странице обложки этого номера приведены две фотографии явно выраженных текстур. Однако из них возникла в металле после значительных деформаций: металлический слиток «прокатали» между двумя твердыми цилиндрами-валками так, что получился тонкий лист (такой метод обработки металлов давлением и называют прокаткой). В результате зерна вытянулись вдоль направления прокатки, и сплошились в направлении, перpendикулярном плоскости листа. Это — пример текстуры деформации.
Определению текстуры имеют и сами слитки (верхнее левое фото на 2-ой странице обложки). Она возникает в процессе затвердевания расплавленного металла и называют ее текстурой роста, текстурой кристаллизации. Процесс кристаллизации жидкого металла, находящемся в специальной ванне, изложенное, начинается в наиболее холодных областях — у стенок. Вначале формируется множество мелких кристаллов, ориентированных беспорядочно. Разрастая во все стороны, они как бы «натыкаются» на своих растуших соседей, после чего дальнейший свободный рост их воз-