LIBM
ЛПРМ
Laboratory of Internal Boundaries in Metals
Лаборатория Поверхностей Раздела в Металлах
Важнейшие результаты
Most important results
Переходы огранения – потери огранки на внутренних поверхностях раздела (границах зерен)
Впервые подробно изучены переходы огранения – потери огранки на внутренних поверхностях раздела (границах зерен). Важное принципиальное отличие границ зерен состоит в том, что их структура формируется под влиянием кристаллических решеток двух соседних кристаллов, а не одного – как в случае внешней поверхности. Решетки двух зерен могут образовывать сверхрешетку, т.н. решетку совпадающих узлов (РСУ). Самый простой случай: двойниковые границы зерен, когда период РСУ минимален. Были изучены переходы огранения – потери огранки двойниковых границ в металлах с гранецентрированной кубической (медь), объемноцентриро-ванной кубической (молибден) и гексагональной плотноупа-кованной (цинк) решетками.
В теоретических работах было предсказано, что плоская грань на поверхности теряет устойчивость с повышением температуры, когда свободная энергия элементарной ступени на данной грани становится равной нулю. Чем выше кристаллографические индексы грани, тем ниже температура TR, при которой наступает потеря огранки. Такое явление (три последовательных перехода потери огранки для граней с разной плотностью упаковки) экспериментально наблюдалось на внешней поверхности только в гелии (благодаря аномально высокой подвижности атомов гелия при низких температурах). В металлах подвижность атомов на внешней поверхности быстро падает с понижением температуры, и наблюдения возможны только вблизи температуры плавления Tm. Граница зерен может медленно изменять свою форму даже при T < 0.5 Tm [1]. Это обстоятельство позволило наблюдать на двойниковый границах в меди последовательное появление все новых граней при понижении температуры [1] (Рис. 1). Если вблизи Tm таких граней (фасеток) две, то при T » 0.5 Tm их число возрастает до шести [1].
Рис. 1. Грани (фасетки) на двойниковой границе зерен в меди при разных температурах.
Наблюдалось и другое важное отличие границ зерен от внешней поверхности в металлах с гранецентрированной кубической (ГЦК) решеткой. Вблизи температуры плавления Tm на внешней поверхности в свинце и золоте наблюдаются небольшие грани, разделенные между собой обширными участками неограненной поверхности. Двойниковые границы в меди полностью огранены до самой температуры плавления [1]. При небольшом изменении угла разориентации и отклонении его от угла идеального соответствия решеток двух зерен изменяется соотношение энергий граней на двойниковых границах в меди [2]. Чем дальше от угла идеального соответствия двух решеток, тем выше становится энергия симметричной границы зерен. Это дает возможность метастабильным граням превратиться в стабильные и появиться на равновесной огранке границы.
В металле с объемноцентрированной кубической решеткой (молибден) такая же двойниковая граница выглядит вблизи Tm совершенно иначе [3]. Она – подобно внешней поверхности в свинце и золоте – почти неогранена, а единственная плоская грань (симметричная двойниковая граница) переходит в неограненный искривленный участок границы без разрыва первой производной (точки А и В на рис. 2). Иными словами: на двойниковой границе зерен в молибдене наблюдается (как ранее на внешней поверхности в свинце) фазовый переход огранения – потери огранки второго рода. Это явление, теоретически описанное в работах Андреева (приближение среднего поля) а также Покровского-Талапова (модель с учетом флуктуаций) наблюдается на границах зерен впервые [3]. Впервые определены и критические показатели для потери огранки второго рода на границах зерен [3].
Кроме того, в работе [3] также впервые наблюдался еще один феномен, ранее теоретически предсказанный в работах ден Найса, но никогда не наблюдавшийся даже на внешней поверхности. Речь идет о том, что две неограненные поверхности могут образовывать т.н. ребро первого рода, то есть переходить одна в другую в разрывом первой производной. Такие изломы наблюдались нами на линии пересечения цилиндрической двойниковой границы с плоскостью сечения образца в четырех кристаллографически одинаковых позициях (точки E и F на рис. 2). Дифракция обратно-рассеянных электронов показала, что в этих местах к двойниковой границе не подходят малоугловые границы зерен. Следовательно наблюдаются истинные ребра первого рода, а не тройные стыки границ.
Рис. 2. Форма двойниковой границы наклона в коаксиальном бикристалле молибдена (контраст от зерен получен с помощью дифракции обратно-рассеянных электронов). Единственная плоская грань (симметричная двойниковая граница) переходит в неограненный искривленный участок границы без разрыва первой производной в точках А и В. Ребро первого рода в точках E и F.
В цинке – как и во всех других металлах с гексагональной плотноупакованной (ГП) решеткой – отношение периодов решетки а и с отличается от рационального, которое получается при плотнейшей упаковке идеальных сфер. Более того, отношение заметно с/а изменяется с температурой. Поэтому двойниковые границы в цинке описываются не идеальной а т.н. «напряженной» РСУ, которая – к тому же – может изменяться с температурой. Это и служит причиной необычного поведения огранки двойниковых границ в цинке [4]. А именно – при понижении температуры наблюдается не рост чиста разных граней (как в меди), а замена одной грани на другую. Это может быть вызвано переходом РСУ1 ® РСУ2.
В работе [4] были изучены фасетирование и миграция асимметричных границ зерен на вершинах двойниковых пластин в слегка деформированных плоских [1,1,–2,0] монокристаллах цинка. Изучалась стационарная форма и измерялась скорость перемещения медленно мигрирующей вершины двойниковой пластины в интервале температур от 592 до 692 К в высокотемпературной ячейке для оптического микроскопа в поляризованном свете. Ниже 632 К и выше 682 К вершина двойниковой пластины состоит только из одной фасетки, параллельной, соотвественно, плоскостям (–1,1,0,–2) и (1,–1,0,0) “внешнего” зерна. За 1-3 градуса до температуры плавления вершиа двойниковой пластины теряет огранку почти полностью теряет огранку. Между 632 К и 682 К вершина двойниковой пластины состоит из двух фасеток. Значения кажущейся энергии активации миграции между 632 К и 682 К нефизически высоки. Они объясняются в рамках модели средневзвешенной кривизны одновременно мигрирующих сосуществующих фасеток.
1. B. B. Straumal, S. A. Polyakov, E. J. Mittemeijer
Temperature influence on the faceting of S3 and S9 grain boundaries in Cu. Acta Mater. 54 (2006) 167–172 PDF
2. B. Straumal, S. Polyakov, E. Bischoff, E. Mittemeijer
Grain boundary faceting close to the S3 coincidence misorientation in copper. Zt. Metallkd. 95 (2004) 939–944 PDF
3. B.B. Straumal, V.N. Semenov, O.A. Kogtenkova, T. Watanabe
Pokrovsky-Talapov critical behavior and rough-to-rough ridges of the S3 coincidence tilt boundary in Mo PDF
Phys. Rev. Lett. 192 (2004) 196101
4. B.B. Straumal, E. Rabkin, V.G. Sursaeva, and A.S. Gornakova
Faceting and migration of twin grain boundaries in zinc PDF
Zt. Metallkd. 96 (2005) 161–166