ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Неравновесное состояние границ зереи. 2.2.2. Описание структурной модели. 2.2.3. Численные оценки и сравненне с экспериментальными данными Устойчивость наноструктур к внешним воздействиям из "Наноструктурные материалы, полученные интенсивной пластической деформацией" Экспериментальные данные о необычной дефектной структуре границ зерен в наноструктурных материалах, полученных интенсивной пластической деформацией, наблюдение искажений кристаллической решетки вблизи границ зерен легли в основу развиваемых модельных представлений об атомной структуре и свойствах этих материалов [12]. Данные представления базируются на концепции неравновесных границ зерен, которая была введена в научную литературу в 70-80-х годах [110,111] и позднее стала широко использоваться при описаниях взаимодействий решеточных дислокаций и границ зерен, для анализа рекристаллизационных и деформационных процессов в поликристаллах [3,172]. Ниже будут кратко рассмотрены основные положения физики неравновесных границ, дано описание структурной модели нанокристаллов и ее развитие для понимания их необычных свойств. [c.87] Однако в последние годы благодаря достижениям высокоразрешающих экспериментальных методов и машинного моделирования развиты достаточно ясные представления о строении таких большеугловых границ зерен. Эти представления о строении произвольных границ основаны на том, что любую границу можно представить как смесь структурных элементов каких-то низкоэнергетических структур. Такая концепция впервые использовалась в ранней островковой модели Мотта и ее дальнейших модификациях [155]. [c.88] Предпринимались разные попытки выявить характерные атомные конфигурации в зернограничной структуре, но пути рещения этого вопроса удалось найти используя результаты геометрического анализа [164] и моделирования на ЭВМ [165-167], которые позволили выявить те кирпичики , из которых построена любая граница. Оказалось, что существует строго ограниченный набор координационных многогранников, по вершинам которых могут располагаться атомы в границе зерен. Эта многогранники совпадают с берналовскими полиэдрами, предложенными для описания структуры жидкостей и аморфных тел. В работе [168] показано, что многогранники можно разбить на тетраэдры и октаэдры, т. е. на основные элементы, характерные для кристаллической структуры металлов, однако искажения этих тетраэдров и октаэдров по сравнению с правильными формами довольно велики. В отличие от структуры аморфных тел, где атомные полиэдры расположены неупорядочено, в границе полиэдры располагаются в один слой, для них имеются жесткие граничные условия, обусловленные периодичностью кристаллов по обе стороны границы, что приводит к строго упорядоченному построению атомных групп в структуре границ. Упорядоченность структуры характерна для всех границ зерен. [c.89] В последние годы благодаря развитию экспериментальной техники, в первую очередь электронной микроскопии высокого разрешения и высокоразрешающих методов рентгеновской и электронной дифракции, стали возможными экспериментальные исследования структуры границ на атомном уровне. С помощью этих методов, а также ионной микроскопии получены убедительные доказательства справедливости кристаллогеометрических теорий для описания структуры границ. Эти выводы относятся как к межзе-ренным, так и к межфазным границам. [c.90] Для цели нашего рассмотрения особый интерес имеют линейные дефекты границ зерен, к которым относятся зернограничные дислокации. По своему происхождению ЗГД делятся на две группы — собственные (структурные, вторичные) и внесенные. [c.91] Собственные ЗГД являются необходимыми в границе при данных ее параметрах с точки зрения граничной кристаллогеоме-трии, например для обеспечения отклонения разориентировки от специальной, поэтому они не являются дефектами структуры границы в прямом смысле этого слова. Согласно анализу [173], отклонение поверхности большеугловой специальной границы от плоскости хорошего сопряжения также может осуществляться с помощью системы ЗГД. Структурные ЗГД имеют векторы Бюргерса, соответствующие полной решетке наложения (ПРН) [160, 174], возможны также частичные ЗГД [175-180]. Упругие поля собственных ЗГД взаимно скомпенсированы, поэтому они не создают у границ дальнодействующих напряжений. [c.91] Внесенные ЗГД не являются кристаллогеометрически необходимыми структурными особенностями границ. Они могут зарождаться непосредственно в границе путем действия какого-либо зернограничного источника. Наиболее достоверно экспериментально установленный путь образования внесенных ЗГД — это взаимодействие решеточных дислокаций с границами [172]. Захваченная границей решеточная дислокация имеет решеточный вектор Бюргерса одного из зерен и представляет собой частный случай внесенных ЗГД. Чисто геометрически решеточный вектор Бюргерса может быть представлен суммой базисных трансляций ПРН [160], поэтому решеточная дислокация может распадаться в границе на ЗГД с ПРН-векторами Бюргерса [181-184]. Эти ЗГД являются внесенными. Такие ЗГД имеют нескомпенсированные упругие поля, следовательно, границы, их содержащие, могут быть определены как неравновесные [146, 173]. Поэтому внесенные ЗГД принято называть неравновесными дефектами в отличие от собственных ЗГД. [c.91] Перейдем теперь к рассмотрению неравновесных границ зерен, т. е. границ, содержащих избыточные дефекты в структуре, обычно привнесенных при различных воздействиях на материал. Термин неравновесные границы был введен Грабским и Кор-ским еще в 1970 г. [189], но его стали использовать в научной литературе значительно позже [106, 111, 146, 190-201], причем им обозначали самые разные состояния границ. Этим термином называют, например, границы с неравновесной концентрацией точечных дефектов [190, 191], границы с искривленной поверхностью [191], границы, содержащие захваченные рещеточные дислокации и внесенные ЗГД [111, 146, 190-201] и т. д. При этом нужно учитывать, что любая граница сама по себе является неравновесным дефектом в кристалле, поэтому понятие о термодинамическом равновесии границ зерен в известной мере условно. Более строгое описание неравновесных границ было предложено Р. 3. Валиевым с соавторами [111, 146, 172]. [c.93] Энергии неравновесной и равновесной границ, создающих одинаковый разворот кристаллов вдали от границы, различаются величинами энергии упругого поля и энергии взаимодействия между элементами зернограничной структуры. Конечно, это не означает, что если две границы имеют различные значения собственной энергии, то одна из них является неравновесной, поскольку энергия этих границ может быть разной из-за различия их кристаллографических параметров. Известно, что энергия границы зависит от параметров разориентировки зерен и плоскости залегания границы [202], в каком-то смысле, например, специальная граница более равновесна, чем произвольная. Однако далее мы будем рассматривать в основном неравновесное состояние границ, обусловленное присутствием дефектов дислокационного характера, и, используя термин неравновесная граница зерен , будем подразумевать только то, что такая граница имеет нескомпенсированные дальнодействующие напряжения, и на элементы зернограничной структуры действуют нескомпенсированные напряжения от других элементов структуры границы. Изучение указанного вида неравновесных границ имеет особый интерес, поскольку такие границы играют определяющую роль во многих процессах пластической деформации и рекристаллизации [ПО, 111, 146, 193, 203], а также, как будет показано ниже, в необычных свойствах наноструктурных материалов. [c.94] В работе [111] сделана попытка развития подхода к описанию неравновесного состояния межзеренных границ также с позиции совместности кристаллографических параметров. Основная идея этого подхода заключается в том, что для равновесной границы все ее параметры не являются полностью независимыми друг от друга и можно выделить области совместности параметров, внутри которых любая граница является равновесной. Таким образом, вводится критерий для разделения границ на равновесные и неравновесные — критерий совместности кристаллографических параметров границы. [c.96] Рассмотренное неравновесное состояние зернограничной структуры относится к случаю, когда все параметры границы предполагаются фиксированными. Если фиксировать не все, а только часть параметров, то понятие неравновесная граница может иметь несколько другой смысл [190]. Дело в том, что в классе границ с совместными параметрами разные границы имеют разную энергию [202]. При фиксированных одних макроскопических параметрах можно найти минимум энергии по другим параметрам. В этом случае равновесной считается граница, имеющая минимальную энергию, однако другие границы здесь также имеют совместные параметры, т. е. их структуры по крайней мере метастабильны. [c.97] Неравновесное состояние зернограничной структуры рассмотренного типа обычно образуется в результате взаимодействия границ с рещеточными дислокациями. Когда дислокации выходят из кристалла на границу, поверхность зерна, образующая границу, меняется. При этом, если разориентировка (вдали от границы) не изменяется, параметры в, П1 и пг этой границы могут стать несовместными, у границы появятся дальнодействующие упругие поля, которые связаны с вощедщими в границу дислокациями. [c.97] Таким образом, приведенные данные ясно демонстрируют, что в результате взаимодействия решеточных дислокаций с границами зерен обычно образуются внесенные зернограничные дислокации. Границы зерен при этом становятся неравновесными. [c.99] Неравновесные границы зерен в наноструктурных материалах вследствие наличия в их структуре внесенных дефектов с предельно высокой плотностью обладают избыточной энергией и дальнодействуюшими упругими напряжениями. В результате действия этих напряжений вблизи границ зерен возникают значительные искажения и дилатации кристаллической решетки, которые экспериментально обнаруживаются методами просвечиваю-шей электронной микроскопии и рентгеноструктурного анализа. В свою очередь атомные смешения в приграничных областях изменяют динамику колебаний решетки и, как результат, приводят к изменению таких фундаментальных свойств, как упругие модули, температуры Дебая и Кюри и др. [c.99] Рассмотрим сначала результаты анализа неравновесных границ зерен, в которых предполагается существование хаотических ансамблей внесенных зернограничных дислокаций [208]. Данный подход позволил исследовать поля внутренних упругих напряжений в наноструктурных материалах и сравнить результаты теоретических расчетов с экспериментальными данными. Показана возможность оценить избыточную энергию границ зерен, связанную с появлением полей упругих напряжений. Кроме того, основываясь на нелинейной теории упругости, удалось сделать простую оценку дилатации кристаллической рещетки, вызванную внесенными зернограничньши дислокациями. [c.101] Предположение о том, что интенсивная пластическая деформация при получении наноструктурных материалов приводит к появлению высокой плотности ансамблей хаотически распределенных внесенных зернограничных дислокаций является первоосновой в данной модели. [c.101] Представим сначала границу зерна длиной L, содержащую сетку хаотически распределенных внесенных зернограничных дислокаций, располагающихся в плоскости ух некоторой системы координат (рис. 2.22). [c.101] Вернуться к основной статье