Làm thế nào để tinh thể sống trong kim loại?

2

Làm thế nào để tinh thể sống trong kim loại?
Ứng viên Khoa học Vật lý và Toán học
A. L. PETELIN,
A. I. FEDOSEV

Khi nói đến pha lê, chúng ta thường tưởng tượng ra những hình đa giác tuyệt đẹp lấp lánh dưới những tia sáng. Tuy nhiên, các vật liệu kết tinh tìm thấy trong tự nhiên thường không có dạng cột. Theo quy luật, đây là những đa tinh thể - những chất bao gồm nhiều tinh thể nhỏ dày đặc, định hướng khác nhau trong không gian.

Kim loại thường có cấu trúc này. Nó được hình thành trong quá trình kết tinh, khi hạt nhân tinh thể xuất hiện ở nhiều điểm khác nhau trong kim loại lỏng, các hạt tinh thể phát triển, gặp nhau và ép vào nhau. Dần dần kim loại nóng chảy biến thành đa tinh thể.

Nhiều tính chất quan trọng của kim loại không chỉ phụ thuộc vào độ ổn định của từng hạt mà còn phụ thuộc vào cách chúng được đóng gói trong một đa tinh thể và ranh giới giữa các hạt là gì. Các quá trình vật lý xảy ra tại các ranh giới này đôi khi có ảnh hưởng nhất định đến tính chất của kim loại.

Lỗ hổng cho tạp chất

Để mang lại cho thép những đặc tính mong muốn, nó được hỗ trợ bằng cách xử lý nhiệt - làm cứng (làm nguội mạnh từ nhiệt độ cao) và ủ (hâm nóng đến nhiệt độ thấp hơn). Quá trình ủ làm cho thép đàn hồi và cứng; ủ làm mềm thép và tạo cho nó độ dẻo. Bằng cách thay đổi thành phần hóa học của thép, nhiệt độ tôi và tôi, qua nhiều năm, con người đã học được cách bổ sung sự kết hợp mong muốn giữa độ bền, độ dẻo, độ cứng, v.v.

Trong nửa thế kỷ qua, điều kiện vận hành các bộ phận thép đã trở nên khó khăn hơn rất nhiều và các kỹ sư bắt đầu thay thế ngày càng nhiều, ngay cả sau một kỳ nghỉ thực hiện theo đúng quy định, một số loại thép vẫn như cũ.

Đây là hình dáng của một miếng đồng phẳng dưới microsome (độ phóng đại 500). (Khi khắc bề mặt bằng axit, quá trình ăn mòn xảy ra nhanh hơn ở ranh giới giữa các tinh thể riêng lẻ - các vết lõm được hình thành ở đó). Điều này có làm bạn nhớ đến những hạt ngô còn nguyên lõi không? Có lẽ đây là lý do tại sao người ta nói kim loại có cấu trúc hạt?

5

góc quay khép kín của hạt.
Nhưng chúng khác nhau làm sao! Độ sâu thâm nhập dọc theo hai ranh giới gần như giống hệt nhau là hoàn toàn khác nhau!
Trong khuôn khổ mô hình đảo, điều này thật đáng ngạc nhiên.

Nói chung, sự phụ thuộc của độ sâu thâm nhập trong quá trình khuếch tán dọc theo ranh giới hạt vào góc quay của hạt trông như thể hiện trong hình 3—nó không đơn điệu. Dựa trên những kết quả thử nghiệm này, không cần phải nói về bất kỳ sự thay đổi dần dần nào về các thuộc tính của GB nữa.

Trật tự, rối loạn ở biên giới

Cách tiếp cận hình học đối với vấn đề tiếp xúc giữa hai mạng tinh thể, bắt đầu từ công trình của các nhà tinh thể học người Anh M. Kronberg và F. Wilson vào năm 1947, đã giúp mang lại sự rõ ràng tương đối cho câu hỏi tại sao các tính chất của GB phụ thuộc rất nhiều vào góc quay của các hạt. Chúng ta hãy xem xét kỹ hơn về cách tiếp cận này.

Nó vẫn đủ để chúng ta xem xét các mạng tinh thể vuông phẳng.

Chúng ta sẽ xoay hai lưới vuông tương đối với nhau quanh một trục vuông góc với mặt phẳng của các lưới, tăng dần góc quay. Ở một số góc quay nhất định, khá chắc chắn dọc theo đường tiếp xúc của các lưới, sẽ xuất hiện các nút chung cho cả hai lưới - các nút trùng nhau (tại hình 4 chúng được tô màu đỏ). Các nút này

Hình 3. Sự phụ thuộc của độ sâu thâm nhập trong quá trình khuếch tán dọc theo ranh giới hạt vào góc quay của hạt. Đường cong được vẽ dựa trên kết quả thí nghiệm thu được trong quá trình khuếch tán kẽm vào nhôm.

Hình 4. Sơ đồ hình thành DCS. Các chấm đỏ là các nút phù hợp.

nằm trên mặt phẳng với một tính tuần hoàn nhất định và tạo thành cái gọi là mạng các nút trùng nhau (sau đây chúng ta sẽ ký hiệu nó bằng RSU).

Đối với hai hạt giáp, có một số góc quay được gọi là đặc biệt, góc quay “tốt”, tại đó các RSU có mật độ cao các nút trùng nhau xuất hiện.*) Ranh giới hạt trong trường hợp các góc như vậy có lợi thế hơn so với các ranh giới không có RSU - nó có trật tự hơn, một phần quan trọng của các nút nằm ở những vị trí được xác định bởi mạng tinh thể của cả hai hạt.

Chỉ còn lại một câu hỏi: GB thực sự có “cảm nhận” được kim loại có những góc quay đặc biệt như vậy không? Rốt cuộc, cho đến nay chúng ta chỉ nói về mô hình hình học phẳng của ranh giới mà không tính đến việc các nguyên tử có kích thước hữu hạn và không chính xác, rằng có sự tương tác giữa chúng, rằng chúng có thể trộn lẫn với mạng tinh thể…

Hãy quay lại với nhiếp ảnh gia ở hình 2. Các ranh giới giữa các độ sâu có độ sâu xuyên thấu nhỏ hơn của kẽm (hình 2, a) là các ranh giới có một góc

*) Tìm góc tốt là một hình học đẹp bài toán liên quan đến việc tìm một điểm có tọa độ nguyên trên một đường tròn. Câu hỏi này được gửi bởi phần “Số học số Gaussian” của A. V. Goncharov (xem trang 13) và “Bài toán dành cho nghiên cứu” (trang 45) trong số tạp chí này.

6

quay, gần như chính xác bằng góc đặc biệt. Điều này có nghĩa là sự khuếch tán dọc theo các ranh giới hạt với một mạng các nút trùng nhau sẽ chậm hơn so với dọc theo các ranh giới không có RCS. Điều này cũng được xác nhận bởi sự phụ thuộc vào hình 3 - tất cả các giá trị cực tiểu của độ sâu thâm nhập trong phân tích hạt khuếch tán tương ứng với các góc quay mà tại đó, theo tính toán, xảy ra RSU. Từ quan điểm của mô hình hình học của chúng tôi, điều này có thể được giải thích - các ranh giới đặc biệt có trật tự hơn, cấu trúc của chúng gần với mạng tinh thể của các hạt hơn là các ranh giới không có RCS. Do đó, tốc độ khuếch tán trong chúng gần bằng tốc độ khuếch tán trong mạng.

Sự xác nhận ấn tượng nhất rằng một mạng các vị trí trùng nhau thực sự tồn tại ở các ranh giới hạt là việc quan sát trực tiếp sự sắp xếp của các nguyên tử ở ranh giới, điều này chỉ mới có thể thực hiện được gần đây nhờ sự phát triển của các vi tia điện tử có độ ăn mòn cao. hình 5 hiển thị bức ảnh chụp cấu trúc nguyên tử của GB với góc quay gần bằng góc đặc biệt, thu được bằng chùm tia quay vi mô điện tử. So sánh hình 4 và 5. Có đúng không, một sự tương đồng thay thế giữa một sơ đồ hình học đơn giản và đối tượng vật lý - ranh giới hạt mà sơ đồ này mô hình hóa?

Mô hình hình học là bước đầu tiên hướng tới việc xây dựng một lý thuyết tổng quát về ranh giới hạt. Nó đưa ra ý tưởng về cấu trúc của chúng chỉ với những sai lệch tương ứng với các góc đặc biệt; các ranh giới còn lại vẫn không được bao phủ bởi khoảng cách này. Hiện nay, dựa trên mô hình DCS, các mô hình vật lý đã được phát triển có tính đến sự biến dạng của mạng tinh thể ở các hướng khác nhau vài độ so với các hướng đặc biệt. Tuy nhiên, các GB có góc quay được sắp xếp như thế nào, khác xa với những GB đặc biệt, vẫn chưa rõ ràng.

Cấu trúc và kết cấu

Cho đến nay chúng ta vẫn đang nói về từng hạt riêng lẻ và trật tự xuất hiện như thế nào từ sự hỗn loạn ở ranh giới giữa các hạt. Có rất nhiều hạt trong kim loại, vị trí và hình dạng của chúng, theo quy luật, không hoàn toàn ngẫu nhiên. Hầu như luôn luôn có một số hướng ưu tiên của các hạt tinh thể. Trong những trường hợp như vậy, vật liệu được cho là có kết cấu (từ tiếng Latin textura - vải, cấu trúc có trật tự).

Lý do cho sự xuất hiện của kết cấu và bản thân kết cấu là khác nhau. Trên trang 2 của trang bìa số này có hai bức ảnh có họa tiết rõ rệt. Tuy nhiên, chúng xuất hiện trong kim loại sau những biến dạng đáng kể: một thỏi kim loại được “cuộn” giữa hai cuộn hình trụ rắn để thu được một tấm mỏng (phương pháp xử lý kim loại bằng áp suất này được gọi là cán). Kết quả là các hạt bị kéo dài theo hướng cán và đông đặc lại theo hướng vuông góc với mặt phẳng của tấm. Đây là một ví dụ về kết cấu dọc.

Bản thân các thỏi cũng có định nghĩa về kết cấu (ảnh trên cùng bên trái ở trang bìa thứ 2). Nó phát sinh trong quá trình hóa rắn kim loại nóng chảy và được gọi là kết cấu tăng trưởng, kết cấu kết tinh. Quá trình kết tinh kim loại lỏng nằm trong một bồn tắm đặc biệt, như mô tả, bắt đầu ở những khu vực lạnh nhất - gần các bức tường. Ban đầu, nhiều tinh thể nhỏ được hình thành, định hướng ngẫu nhiên. Phát triển theo mọi hướng, chúng dường như “đụng phải” những người hàng xóm đang phát triển của mình, sau đó sự phát triển tự do hơn nữa của chúng bắt đầu.