Дислокационная модель границ зерен
Образование границ зерен - структурное превращение, присущее литому металлу (сварному шву, отливке) в период завершения его кристаллизации из жидкого расплава. Границы образуются непосредственно при срастании первичных кристаллитов. Поскольку кристаллические решетки кристаллитов ориентированы произвольно, то их сопряжение при срастании кристаллитов сопровождается их существенными искажениями, которые приводят к образованию граничной поверхности (так называемой физической границы зерен).
Существует также мнение, что границы образуются путем собирания дислокаций, неупорядоченно расположенных в металле после затвердевания в одну граничную поверхность в результате процесса полигонизации. Однако более обоснован первый вариант механизма образования границ.
Современные представления о строении границ сводятся к тому, что на границах чередуются участки хорошего и плохого соответствия кристаллических решеток соседних зерен. Это так называемые «островные» модели границ зерен. Строение и протяженность участков плохого соответствия зависят от угла разориентации кристаллических решеток смежных кристаллитов, характеризующего степень их несоответствия. Сопряжение узлов кристаллической решетки на участках плохого соответствия сопровождается ее деформацией. Накопленная деформация на ряде кристаллических решеток компенсируется появлением нарушений кристаллического строения в виде дислокаций.
Различают малоугловые (угол до 15°) и большеугловые (угол свыше 15°) границы. Малоугловые границы описывают как ряд отдельных дислокаций (рис. 12.28, а). Расстояние D между ними определяется соотношением
где b - модуль вектора Бюргерса дислокаций; 0 - угол разориента - ции.
Большеугловая граница рассматривается как область скоплений дислокаций, а сопряжение узлов достигается в результате значительных локальных искажений кристаллической решетки. При произвольном значении угла 0 отсутствует какая-либо периодичность в расположении узлов совмещения и дефектов кристаллической решетки, и это распространяется на приграничную зону относительно большой ширины (примерно до 100 периодов решетки) (рис. 12.28, б). При нескольких определенных углах разориента - ции, характерных для каждого типа решетки, образуются так называемые специальные границы. Они имеют определенную
|
а б в Рис. 12.28. Дислокационные модели границ зерен: а - малоугловая; б - большеугловая; в - специальная |
периодичность совмещенных узлов и практически идеальное сопряжение решеток (рис. 12.28, в). При этом толщина приграничного слоя с искаженной решеткой составляет всего 2-3 периода решетки.
Искажения решетки на границе и в приграничных зонах приводят к повышению на этом участке металла удельной потенциальной
энергии, которая равна 1...10 Дж/м^ и сильно зависит от состава соседних зерен и разориентации их кристаллических решеток.
|
Рис. 12.29. Зоны срастания кристаллитов |
В момент образования физические границы зерен располагаются в зоне срастания первичных кристаллитов и по форме совпадают с их разветвленными контурами. Зоны срастания (так называемые первичные границы) выявляются как обогащенные примесями ликвационные участки, имеющие отличную от центральных участков кристаллитов степень травления реактивами. Интенсивность травления плавно изменяется по ширине зоны, составляющей 1...100 мкм (рис. 12.29).
При травлении физические границы зерен проявляются в
виде четкой тонкой линии ши - .л-1
ринои около 10 мкм, т. е. на два порядка меньшей, чем ширина зон срастания (рис. 12.30).
|
Рис. 12.30. Соотношение между зонами срастания элементов первичных кристаллитов границами зерен (В) |
Эффект травления границ связан со скоплением примесей в результате процесса их сегрегации в приграничных зонах с искаженной решеткой. В случае малого количества примесей в металле или быстрого охлаждения, когда диффузионный процесс сегрегации не успевает произойти, эффект
|
(А) и |
травления ослабевает или исчезает полностью. На свободной, чистой от оксидов поверхности границы зерен выявляются в виде канавок
термического травления. Канавки образуются в результате местной пластической деформации, вызванной уравновешиванием сил граничного и поверхностного
натяжения. Термическое травление не связано с сегрегацией примесей, поэтому оно выявляет границы в низколегированных сплавах и чистых металлах, а также в случае больших скоростей охлаждения после затвердевания литого металла.
