Прочность твердых тел

Границы зерен

Поликристаллы состоят из большого числа мелких монокристаллических зерен, разделенных некоторыми зонами перехода, получившими название границ зерен.

Граница зерна представляет собой поверхность между двумя монокристаллами различной ориентации, примыкающими друг к другу таким образом, что отсутствует нарушение сплошности вещества.

Долгое время считалось, что это аморфный слой толщиной в несколько десятков нанометров. Однако к настоящему времени надежно установлено, что ширина области «плохого» материала на границе между зернами не превышает одного - двух межатомных расстояний.

Границы с разориентацией соседних зерен менее 10° относятся к малоугловым, а с большей разориентацией - к высокоугловым. Все субзеренные границы состоят из дислокаций.

Малоугловые границы возникают при росте кристаллов из расплава и при пластической деформации. Малоугловая граница притягивает к себе точечные дефекты, в том числе и примесные атомы, вследствие упругого взаимодействия с ними дисло­каций, составляющих границу. Примесные атомы тормозят миграцию малоугловых границ, стабилизируя субструктуру.

Границы зерен, выросших из разных центров при кристаллизации и фазовых превращениях в твердом состоянии, чаще всего бывают высокоугловыми.

Границы зерен оказывают существенное влияние на многие свойства кристаллов, в частности на электропроводность, поглощение ультразвука, оптические свойства и т. д. Наличие границ приводит к тому, что в поликристаллах коэффициент диффузии примесей значительно больше, чем в монокристаллах.

Рассмотрим какое влияние оказывают дефекты кристалла на его прочность.

Прочность идеального кристалла можно рассчитать как силу, необходимую для того, чтобы оторвать атомы (ионы, молекулы) друг от друга, либо сдвинуть их, преодолев силы межатомного сцепления, т. е. идеальная прочность кристалла должна определяться произведением величины сил межатомной связи на количество атомов, приходящихся на единицу площади соответствующего сечения кристалла.

Прочность реальных кристаллов на сдвиг обычно на три - четыре порядка ниже расчетной идеальной прочности (см. таблицу 5.1). Такое большое снижение прочности кристалла нельзя объяснить уменьшением рабочей площади поперечного сечения образца за счет пор, каверн и микротрещин.

Таблица 5.1 - Значения скалывающих напряжений некоторых металлов

Причинами столь разительного несоответствия теоретической и практической прочности являются не свойства совершенной кристалличес­кой структуры тела, а наличие в кристалле разного рода несовершенств, дефектов, а также влияние на результаты исследования масштабного фактора при испытании образцов разного объема. Расчеты и опыт показывают, что зависимость между количеством дефектов и прочностью схематически можно представить кривой, изображенной на рисунке. 5.6.

Из рисунка 5.6 видно, что прочность материала высока, когда в нем либо совсем нет дислокаций, либо их очень много.

Практически все существующие и разрабатываемые способы упрочнения относятся к правой части этой кривой, т.е. имеют своей целью увеличение плотности дислокаций в металле. Дело в том, что бездислокационный кристалл нужных размеров вырастить практически невозможно. Исключение представляют материалы в виде нитевидных кристаллов.