ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Экспериментальные исследования дефектной структуры наноматериалов из "Наноструктурные материалы, полученные интенсивной пластической деформацией" Для выяснения основных особенностей дефектной структуры ИПД материалов рассмотрим прежде всего результаты, полученные на чистых металлах и/или однофазных сплавах, где нет усложняющего влияния вторых фаз. [c.62] Электронно-микроскопические исследования. Уже в первых электронно-микроскопических исследованиях наноструктурных материалов, полученных ИПД, было обращено внимание на специфический вид границ зерен в сравнении с обычными отожженными материалами [8, 37]. Типичным примером такого дифракционного контраста является изображение микроструктуры сплава А1-4 %Си-0,5 %Zг [8], имевшего после ИПД кручением средний размер зерен около 0,2 мкм (рис. 2.2а). Для сравнения рядом приведена микроструктура этого же образца, подвергнутого дополнительному отжигу при 160°С в течение 1ч (рис. 2.26). В обоих случаях наблюдалась структура зеренного типа, имеющая преимущественно большеугловые границы. Тем не менее вид толщинных контуров экстинкции на границах зерен на рис. 2.2а отличается от такового на рис. 2.26 значительным уширением. [c.62] Согласно динамической теории дифракционного контраста [112-114], толщинные контуры экстинкции являются контурами одинаковой глубины в тонкой фольге и появляются на электронномикроскопическом изображении, когда некоторое семейство плоскостей данного зерна находится в брэгговских условиях отражения. В работах [115, 116] проанализирована физическая природа уширения толщинных контуров экстинции на электронномикроскопических изображениях границ зерен в наноструктурных материалах и показано, что оно связано с высоким уровнем внутренних напряжений и искажений кристаллической решетки вблизи границ зерен в образцах, подвергнутых ИПД. На основе этого анализа предложена методика определения величины упругих деформаций в зависимости от расстояния до границы зерна. [c.62] Расчетное распределение упругих деформаций вблизи границы зерна, содержащей такую конфигурацию дислокаций, в соответствии выражением (2.1) имеет аналогичные экспериментально построенной кривой 1 на рис. 2.3 особенности и показывает максимум упругих деформаций в приграничной области, а также экспоненциальный спад при больщих расстояниях от границы зерна. Отметим, что быстрое уменьщение величины упругих деформаций с увеличением расстояния от границы зерна предсказывалось также и в других работах [12, 118]. Из рис. 2.3 следует, что достаточно хорощее совпадение расчетных данных, полученных по формуле (2.1), с экспериментальными данными достигается при среднем расстоянии между краевыми зернограничными дислокациями D = 10 нм, что соответствует их плотности 1X10 м при величине вектора Бюргерса бзгд = Ь/6 где Ь = 2,56 X 10 м [Ш]. [c.64] Полученные результаты позволили заключить [116], что ущи-рение толщинных контуров экстинции на электронно-микроскопических изображениях границ зерен в наноструктурных материалах действительно связано с большими упругими деформациями. Более того, максимальные значения упругих деформаций наблюдаются в приграничных областях, где их уровень значительно вьппе, чем в теле зерен. При этом развитый метод может быть использован для количественных измерений упругих деформаций в индивидуальных границах. [c.64] Отметим, что близкие результаты, указывающие на значительные упругие деформации в приграничных областях, были получены недавно в работе [119], где наблюдали и измеряли методом просвечивающей электронной микроскопии кривизну кристаллической рещетки вблизи границ зерен, а также переменную разори-ентацию вдоль индивидуальных границ в N1, подвергнутом ИПД. В этой работе, используя изгибные контуры экстинкции, исследовали структурную кривизну рещетки, которая является кривизной кристаллографических плоскостей, параллельных волновому вектору, в отличие от обычной изгибной кривизны, относящейся к плоскостям, перпендикулярным волновому вектору. Вследствие этого структурная кривизна отражает реальную структуру объемных образцов, поскольку плоскости, параллельные волновому вектору, практически не меняют свою кривизну при возможном изгибе фольги при ее приготовлении. [c.65] Известно [112, 120], что использование картин Муара позволяет наиболее отчетливо выявлять небольшие искажения кристаллической решетки. Данный принцип основан на том факте, что небольшие изменения в трансляционной симметрии приводят к заметным изменениям в картинах Муара. Картины Муара часто наблюдаются в тех случаях, когда изображения кристаллических решеток двух соседних зерен накладываются друг на друга. Характерными чертами картин Муара при электронно-микроскопических исследованиях искажений кристаллической решетки являются искривления получаемых изображений кристаллографических плоскостей и часто изменение расстояния между ними. С другой стороны, наблюдаемые явления могут быть вызваны дифракционными эффектами. [c.66] Для однозначной трактовки результатов получаемые изображения должны анализироваться в сопоставлении с дифракционными картинами от отдельных зерен, что однако трудно сделать в случае наноструктур. В связи с этим в работе [121] для исследования малых искажений кристаллической решетки применялась методика, предложенная в работе [120], где картины Муара формировали искусственно. При этом использовали специальную сетку из строго параллельных линий, расстояние между которыми было близко к расстоянию между изображениями кристаллографических плоскостей исследуемого наноструктурного материала. Данная специальная сетка была напечатана на прозрачной пленке с использованием компьютера и лазерного принтера и для получения картин Муара накладывалась на электронно-микроскопические фотографии атомных плоскостей нанокристаллов. [c.66] Такие исследования наноструктурных ИПД N1 с размером зерна 50 нм и интерметаллида А1 с размером зерна 70 нм показали [121], что линии Муара искривляются вблизи границ зерен на угол 10-15°, что соответствует искривлению кристаллической решетки на угол порядка 2°. Следует отметить, что подобные искривления кристаллической решетки наблюдались лишь вблизи границ зерен и отсутствовали в теле зерен. [c.66] Важнейшим моментом при структурной аттестации наноматериалов является достоверное определение размера зерен-кристаллитов. Особое место здесь отводится методу РСА, дающему статистически усредненную информацию. При РСА наноструктурных материалов разделение вкладов в уширение физического профиля рентгеновских пиков производится методами Шеррера, Уоррена-Авербаха (с использованием одного или двух рентгеновских пиков), Вильямсона-Холла [71, 85, 125] и др. [c.71] Метод Шеррера [88] основан на том, что при уменьшении размеров зерен растет доля рентгеновского излучения, рассеянного с отклонением от закона дифракции Вульфа-Брэгга, в результате чего рентгеновские пики на рентгенограммах уширяются. [c.71] Суть метода Уоррена-Авербаха с использованием двух рентгеновских пиков состоит в разделении вкладов размера зерен и микродеформаций в уширение рентгеновских пиков кк1), основанном на различной зависимости этих вкладов от порядка отражения. При этом считается, что составляющая коэффициентов разложения физического профиля в ряд Фурье, связанная с размером зерен, не зависит от индекса I, а составляющая, связанная с микродеформацией, зависит [87, 126-129]. [c.71] Метод Вильямсона-Холла применяют в тех случаях, когда рентгеновские пики, соответствующие отражениям разного порядка от одного семейства плоскостей, отсутствуют или не обладают формой, благоприятной для разложения в ряд Фурье. Размер зерен получают путем экстраполяции графика зависимости интегральной ширины рентгеновских пиков от величины вектора рассеяния на значение последнего, равное нулю. Величину микродеформации определяют из наклона данного графика [129, 130]. [c.71] Применение указанных методов для определения размеров зерен и величин микроискажений в наноструктурных материалах зачастую приводит к значительным различиям в получаемых результатах. Так, например, размер зерен Вш в наноструктурной Си, полученной ИПД кручением, оказался равным 53 нм (использовались пики (111)-(222) и 33 нм ((200)-(400)) в случае логарифмической и линейной версий метода Уоррена-Авербаха и 36 нм ((111)-(222)) и 25нм ((200)-(400)) в случае логарифмической и линейной версий альтернативного метода [125]. Аналогичный методу Вильямсона-Холла метод, использующий уравнение Шеррера и Вильсона, дает значения 95 и 88 нм соответственно. [c.71] Обнаруженные различия в размерах зерен, по-видимому, связаны с допущениями, заложенньпли в данные методы, а также с тем, что методом Уоррена-Авербаха и альтернативным методом получают усредненный по поверхности, а методом Шеррера усредненный по объему размер зерен. Кроме того, полученные методами РСА размеры зерен-кристаллитов обычно меньще среднего размера зерен, определенного методом электронной микроскопии и, например, равного для Си 170 нм. [c.72] Выделим возможные причины, приводящие к обнаруженной разнипе в размере зерен, определенном рентгеновским и электронно-микроскопическим методами. Во-первых, каждое зерно в зависимости от его размера может состоять из одного или нескольких кристаллитов (ОКР). Во-вторых, метод РСА, основанный на измерении интегрального ущирения профилей рентгеновских пиков, позволяет определять размер областей когерентного рассеяния, соответствующих внутренней области зерен, не включающей в себя приграничные сильно искаженные районы, существующие в наноструктурных материалах, полученных ИПД. Ширина таких районов составляет 6-10нм (см. 2.2). Их наличие приводит к умень-щению размера ОКР и, следовательно, к уменьшению измеряемого размера зерен. [c.72] Не следует также забывать, что с помощью просвечивающей электронной микроскопии обычно измеряется усредненный размер зерен в плоскости, совпадающей с поверхностью образна. Рентгеноструктурны анализ дает усредненный по поверхности или объему размер зерен-кристаллитов, измеренный в направлении, перпендикулярном поверхности образна. Рентгеноструктурный анализ дает усредненный по поверхности или объему размер зерен-кристаллитов, измеренный в направлении, перпендикулярном поверхности образца. [c.72] Наноструктурные ИПД материалы характеризуются также высоким уровнем внутренних напряжений и микроискажений. Например, полученные в [125] с использованием метода Уоррена-Авербаха значения упругих микроискажений кристаллической рещетки (eлJti) для Си, подвергнутой ИПД кручением, равны 6,1 х X 10 % и 11,8 X 10 % для направлений, перпендикулярных плоскостям (111) и (200) соответственно. Эти значения близки к значениям, вычисленным с помощью уравнения Шеррера и Вильсона, которые равны 4,8 х 10 % и 14,3 х 10 % соответственно. Другие многочисленные работы также показывают [71, 74, 75, 79-82, 124], что величина микроискажений в наноструктурных ИПД материалах велика и значительно превышает соответствующую величину в крупнокристаллических материалах. [c.72] Вернуться к основной статье