Двумерные дефекты (границы зерен)

Применяемые в технике материалы обычно относятся к поликристаллическим. Если твердое тело содержит более одного “кристалла”, то возникают области несогласованности в местах соприкосновения соседних кристаллов. Каждый отдельный кристалл называют зерном, а область несогласованности - границей зерен. Ориентировка плоскостей кристалла и анизотропные свойства факти­чески претерпевают скачок при переходе через границу зерен. Этот скачок оказывается важным фактором, определяющим поведение мате­риала при механических нагрузках. Кроме того, атомы на границе зерен имеют повышенную энергию по сравнению с атомами внутри зерна и, следовательно, более склонны вступать в реакции.

Все вышесказанное указывает на важное значение площади границ зерен, приходящихся на единицу объема. Если предположит, что произвольная прямая, проведенная на участке микроструктуры, пересекает ряд границ зерен и на единицу длины этой прямой прихо­дится P_L точек пересечения, то площадь границ зерен в единице объема S_V может быть найдена из соотношения:

(4.7)

Пока еще невозможно вычислить энергию границ зерен, как это было сделано в отношении энергии дислокаций. Однако эта энергия была измерена экспериментально; обычно она равна от 0.1 до 10 Дж/м² и сильно зависит от таких факторов, как состав и ориен­тировка соседних зерен. Так как границы зерен обладают определен­ной энергией, то они обнаруживают склонность сокращать занимаемую ими поверхность. Движущей силой такого уменьшения энергии повер­хности зерен является поверхностное натяжение. Энергия, присущая границе зерна, может быть истолкована на основе представлений об относительной плотности упаковки атомов и энергиях связей. Атомы, расположенные вдоль границы, имеют меньшие координационные числа, чем атомы, расположенные в правильной решетке кристалла. Кроме того, границы зерен с присущей им рыхлой упаковкой образуют эффективные диффузионные каналы, способствующие перемещению атомов в твердом теле.