Из Википедии, бесплатной энциклопедии
  (Перенаправлено из границ зерен )
Перейти к навигации Перейти к поиску
Микрофотография из поликристаллического металла; границы зерен подтверждены кислотным травлением.
Разноориентированные кристаллиты в поликристаллическом материале

Граница зерна представляет собой интерфейс между двумя зернами или кристаллитами в поликристаллическом материале. Границы зерен являются 2D дефектов в кристаллической структуре, и , как правило , чтобы уменьшить электрическую и тепловую проводимость материала. Большинство границ зерен являются предпочтительными участками для начала коррозии [1] и для выделения новых фаз из твердого тела. Они также важны для многих механизмов ползучести . [2] С другой стороны, границы зерен нарушают движение дислокаций.через материал, поэтому уменьшение размера кристаллитов является обычным способом повышения механической прочности, как описано соотношением Холла – Петча . Изучение границ зерен и их влияния на механические, электрические и другие свойства материалов является важной темой в материаловедении .

Границы высоких и низких углов [ править ]

Границы зерен удобно классифицировать в соответствии со степенью разориентации между двумя зернами. Малоугловые границы зерен ( LAGB ) или границы субзерен - это границы с разориентацией менее примерно 15 градусов. [3] Вообще говоря, они состоят из массива дислокаций, а их свойства и структура являются функцией разориентации. В отличие от свойств большеугловых границ зерен, разориентация которых превышает примерно 15 градусов (угол перехода варьируется от 10 до 15 градусов в зависимости от материала), как правило, не зависят от разориентации. Однако существуют «особые границы» при определенных ориентациях, межфазная энергия которых заметно ниже, чем у общих большеугловых границ зерен.

Схематические изображения границы наклона (вверху) и границы закрутки между двумя идеализированными зернами.

Самая простая граница - это граница наклона, ось вращения которой параллельна плоскости границы. Эту границу можно представить как образующуюся из одного непрерывного кристаллита или зерна, которое постепенно изгибается под действием некоторой внешней силы. Энергия, связанная с упругим изгибом решетки, может быть уменьшена путем вставки дислокации, которая по сути представляет собой полуплоскость атомов, действующих как клин, что создает постоянную разориентацию между двумя сторонами. По мере дальнейшего изгиба зерна необходимо вводить все больше и больше дислокаций, чтобы приспособиться к деформации, приводящей к растущей стенке дислокаций - малоугловой границе. Теперь можно считать, что зерно разделилось на две части кристаллографии, но заметно различающиеся ориентацией.

Альтернативой является граница скручивания, когда разориентация происходит вокруг оси, перпендикулярной плоскости границы. Этот тип границы включает два набора винтовых дислокаций . Если векторы Бюргерса дислокаций ортогональны, то дислокации не сильно взаимодействуют и образуют квадратную сетку. В других случаях дислокации могут взаимодействовать, образуя более сложную гексагональную структуру.

Эти концепции границ наклона и поворота представляют собой несколько идеализированные случаи. Большинство границ имеют смешанный тип, содержат дислокации разных типов и векторы Бюргерса, чтобы обеспечить наилучшее совпадение между соседними зернами.

Если дислокации на границе остаются изолированными и отчетливыми, границу можно считать малоугловой. Если деформация продолжится, плотность дислокаций увеличится и, таким образом, уменьшится расстояние между соседними дислокациями. В конце концов ядра дислокаций начнут перекрываться, и упорядоченный характер границы начнет нарушаться. На этом этапе граница может считаться высокоугловой, а исходное зерно разделено на два совершенно отдельных зерна.

По сравнению с малоугловыми границами зерен, большеугловые границы значительно более неупорядочены, с большими площадями плохого прилегания и сравнительно открытой структурой. Действительно, изначально они считались некой формой аморфного или даже жидкого слоя между зернами. Однако эта модель не могла объяснить наблюдаемую прочность границ зерен, и после изобретения электронной микроскопии прямые доказательства структуры зерен означали, что эту гипотезу пришлось отвергнуть. Теперь принято, что граница состоит из структурных единиц, которые зависят как от разориентации двух зерен, так и от плоскости границы раздела. Существующие типы структурных единиц могут быть связаны с концепцией решетки узлов совпадений., в котором повторяющиеся блоки образуются из точек совпадения двух разориентированных решеток.

В теории решетки совпадающих узлов (CSL) степень соответствия (Σ) между структурами двух зерен описывается обратной величиной отношения узлов совпадения к общему количеству узлов. [4]В этой структуре можно нарисовать решетку для 2 зерен и подсчитать количество общих атомов (узлов совпадения) и общее количество атомов на границе (общее число узлов). Например, когда Σ = 3, будет один атом из каждых трех, которые будут разделены между двумя решетками. Таким образом, можно ожидать, что граница с высоким Σ будет иметь более высокую энергию, чем граница с низким Σ. Малоугловые границы, на которых искажение полностью компенсируется дислокациями, - это Σ1. Некоторые другие границы с низким значением Σ обладают особыми свойствами, особенно когда граничная плоскость содержит высокую плотность совпадающих узлов. Примеры включают когерентный близнецграницы (например, Σ3) и границы с высокой подвижностью в материалах FCC (например, Σ7). Отклонения от идеальной ориентации CSL могут быть компенсированы локальной атомной релаксацией или включением дислокаций на границе.

Описание границы [ править ]

Границу можно описать ориентацией границы по отношению к двум зернам и трехмерным вращением, необходимым для совмещения зерен. Таким образом, граница имеет 5 макроскопических степеней свободы . Однако обычно границу описывают только как ориентационное отношение соседних зерен. Как правило, удобство игнорирования ориентации граничной плоскости, которую очень трудно определить, перевешивает ограниченную информацию. Взаимная ориентация двух зерен описывается с помощью матрицы вращения :

Характерное распределение граничных разориентаций в полностью случайно ориентированном наборе зерен для материалов с кубической симметрией.

Используя эту систему, угол поворота θ равен:

а направление [uvw] оси вращения:

Характер кристаллографии ограничивает разориентацию границы. Таким образом, полностью случайный поликристалл без текстуры имеет характерное распределение разориентаций границ (см. Рисунок). Однако такие случаи редки, и большинство материалов будут отклоняться от этого идеала в большей или меньшей степени.

Граничная энергия [ править ]

Энергия наклона границы и энергия, приходящаяся на одну дислокацию при увеличении разориентации границы

Энергия малоугловой границы зависит от степени разориентации между соседними зернами вплоть до перехода в высокоугловое состояние. В случае простых границ наклона энергия границы, состоящей из дислокаций с вектором Бюргерса b и расстоянием h , предсказывается уравнением Рида – Шокли :

куда:

с - модуль сдвига , - коэффициент Пуассона , - радиус ядра дислокации. Видно, что с увеличением энергии границы энергия, приходящаяся на одну дислокацию, уменьшается. Таким образом, существует движущая сила для создания меньшего количества разориентированных границ (т.е. роста зерен ).

Ситуация в большеугловых границах сложнее. Хотя теория предсказывает, что энергия будет минимальной для идеальных конфигураций CSL, с отклонениями, требующими дислокаций и других энергетических характеристик, эмпирические измерения показывают, что связь более сложна. Некоторые прогнозируемые спады энергии обнаруживаются, как и ожидалось, в то время как другие отсутствуют или существенно сокращаются. Исследования доступных экспериментальных данных показали, что простые отношения, такие как низкий , вводят в заблуждение:

Делается вывод, что никакой общий и полезный критерий низкой энергии не может быть описан в простых геометрических рамках. Любое понимание изменений межфазной энергии должно учитывать атомную структуру и детали связывания на границе раздела. [5]

Избыточный объем [ править ]

Избыточный объем - еще одно важное свойство при описании границ зерен. Избыточный объем был впервые предложен Бишопом в частной беседе с Аароном и Боллингом в 1972 году. [6] Он описывает, насколько расширение вызвано присутствием ГБ, и считается, что степень и восприимчивость к сегрегации прямо пропорциональны этому. Несмотря на название, избыточный объем на самом деле является изменением длины, это связано с двумерной природой ГБ, интерес представляет собой расширение, нормальное к плоскости ГБ. Избыточный объем ( ) определяется следующим образом:

при постоянной температуре , давлении и количестве атомов . Хотя существует грубая линейная зависимость между энергией ГЗ и избыточным объемом, ориентации, при которых это соотношение нарушается, могут вести себя по-разному, влияя на механические и электрические свойства. [7]

Были разработаны экспериментальные методы, которые непосредственно исследуют избыточный объем и используются для исследования свойств нанокристаллических меди и никеля . [8] [9] Теоретические методы также были разработаны [10] и хорошо согласуются друг с другом. Ключевое наблюдение заключается в том, что существует обратная зависимость от модуля объемного сжатия, означающая, что чем больше модуль объемного сжатия (способность сжимать материал), тем меньше будет избыточный объем, также существует прямая связь с постоянной решетки, это обеспечивает методологию найти материалы с желаемым избыточным объемом для конкретного применения.

Граничная миграция [ править ]

Движение границ зерен (HAGB) имеет значение для рекристаллизации и роста зерен, в то время как движение границ субзерен (LAGB) сильно влияет на восстановление и зарождение рекристаллизации.

Граница перемещается из-за действующего на нее давления. Обычно предполагается, что скорость прямо пропорциональна давлению, причем константа пропорциональности является подвижностью границы. Подвижность сильно зависит от температуры и часто следует соотношению типа Аррениуса :

Кажущаяся энергия активации (Q) может быть связана с термически активируемыми атомистическими процессами, которые происходят во время движения границы. Однако существует несколько предложенных механизмов, в которых подвижность будет зависеть от давления движения, и предполагаемая пропорциональность может нарушиться.

Принято считать, что подвижность малоугловых границ намного ниже, чем подвижность большеугловых. Следующие наблюдения, по-видимому, верны для ряда условий:

  • Подвижность малоугловых границ пропорциональна действующему на них давлению.
  • Процесс управления скоростью - это процесс объемной диффузии.
  • Подвижность границ увеличивается с разориентацией.

Поскольку малоугловые границы состоят из массивов дислокаций, их движение может быть связано с теорией дислокаций. Наиболее вероятным механизмом, согласно экспериментальным данным, является механизм переползания дислокации, скорость которого ограничена диффузией растворенного вещества в объеме. [11]

Движение большеугловых границ происходит за счет переноса атомов между соседними зернами. Легкость, с которой это может произойти, будет зависеть от структуры границы, которая сама зависит от кристаллографии участвующих зерен, примесных атомов и температуры. Возможно, что некоторая форма бездиффузионного механизма (сродни бездиффузионным фазовым превращениям, таким как мартенсит ) может работать в определенных условиях. Некоторые дефекты на границе, такие как ступеньки и выступы, также могут предлагать альтернативные механизмы для переноса атомов.

Рост зерна может подавляться частицами второй фазы посредством пиннинга Зенера .

Поскольку высокоугловая граница упакована неидеально по сравнению с нормальной решеткой, у нее есть некоторое количество свободного пространства или свободного объема, где растворенные атомы могут обладать более низкой энергией. В результате граница может быть связана с атмосферой растворенного вещества, которая будет замедлять ее движение. Только при более высоких скоростях граница сможет вырваться из атмосферы и возобновить нормальное движение.

Как малоугловые, так и высокоугловые границы задерживаются присутствием частиц из-за так называемого эффекта пиннинга Зенера . Этот эффект часто используется в промышленных сплавах для минимизации или предотвращения рекристаллизации или роста зерна во время термообработки .

Цвет лица [ править ]

Границы зерен являются предпочтительным местом для сегрегации примесей, которые могут образовывать тонкий слой с составом, отличным от основного. Например, в нитриде кремния часто присутствует тонкий слой кремнезема, который также содержит примесные катионы. Эти зернограничные фазы термодинамически стабильны и могут рассматриваться как квазидвумерные фазы, которые могут претерпевать переход, аналогичный фазам объемных фаз. В этом случае возможны резкие изменения структуры и химического состава при критическом значении термодинамического параметра, такого как температура или давление. [12] Это может сильно повлиять на макроскопические свойства материала, например, на электрическое сопротивление или скорость ползучести. [13]Границы зерен можно анализировать с использованием равновесной термодинамики, но нельзя рассматривать как фазы, потому что они не удовлетворяют определению Гиббса: они неоднородны, могут иметь градиент структуры, состава или свойств. По этой причине они определяются как цвет лица: межфазный материал или состояние, которое находится в термодинамическом равновесии со своими прилегающими фазами, с конечной и стабильной толщиной (обычно 2–20 Å). Для цвета лица необходима фаза примыкания, а ее состав и структура должны отличаться от фазы прилегания. В отличие от объемных фаз, цвет лица также зависит от фазы стыка. Например, аморфный слой с высоким содержанием кремнезема, присутствующий в Si 3 N 3 , имеет толщину около 10 Å, но для особых границ эта равновесная толщина равна нулю.[14] Цвет лица можно разделить на 6 категорий в зависимости от толщины: однослойный, двухслойный, трехслойный, нанослой (с равновесной толщиной от 1 до 2 нм) и смачивание. В первых случаях толщина слоя будет постоянной; если присутствует дополнительный материал, он будет расслаиваться на стыке множества зерен, тогда как в последнем случае нет равновесной толщины, и это определяется количеством вторичной фазы, присутствующей в материале. Одним из примеров перехода цвета на границах зерен является переход от сухой границы к двухслойному в Si, легированном Au, который возникает в результате увеличения содержания Au. [15]

Влияние на электронную структуру [ править ]

Границы зерен могут вызвать механическое разрушение из-за охрупчивания из-за сегрегации растворенных веществ (см. АЭС «точка Хинкли» ), но они также могут отрицательно повлиять на электронные свойства. В оксидах металлов теоретически показано, что на границах зерен в Al 2 O 3 и MgO изоляционные свойства могут быть значительно ухудшены. [16] Компьютерное моделирование границ зерен с использованием теории функционала плотности показало, что ширина запрещенной зоны может быть уменьшена до 45%. [17] В случае границ зерен металлов увеличивается удельное сопротивление, поскольку размер зерен по сравнению с длиной свободного пробега других рассеивателей становится значительным. [18]

Концентрация дефектов вблизи границ зерен [ править ]

Известно, что большинство материалов являются поликристаллическими и содержат границы зерен, и что границы зерен могут действовать как поглотители и пути переноса точечных дефектов. Однако экспериментально и теоретически определить влияние точечных дефектов на систему сложно. [19] [20] [21] Интересные примеры сложностей поведения точечных дефектов проявились в температурной зависимости эффекта Зеебека. [22] Кроме того, диэлектрический и пьезоэлектрический отклик могут быть изменены за счет распределения точечных дефектов вблизи границ зерен. [23]На механические свойства также можно значительно повлиять с такими свойствами, как модуль объемной упругости и демпфирование, на которые влияют изменения распределения точечных дефектов в материале. [24] [25] Также было обнаружено, что эффект Кондо в графене можно регулировать из-за сложной взаимосвязи между границами зерен и точечными дефектами. [26] Недавние теоретические расчеты показали, что точечные дефекты могут быть чрезвычайно выгодными вблизи определенных типов границ зерен и существенно влиять на электронные свойства при уменьшении ширины запрещенной зоны. [27]

См. Также [ править ]

  • Сегрегация в материалах

Ссылки [ править ]

  1. ^ Lehockey, EM; Palumbo, G .; Lin, P .; Brennenstuhl, AM (1997-05-15). «О связи между распределением характера границ зерен и межкристаллитной коррозией» . Scripta Materialia . 36 (10): 1211–1218. DOI : 10.1016 / S1359-6462 (97) 00018-3 . ISSN  1359-6462 .
  2. ^ Raj, R .; Эшби, MF (1971-04-01). «О зернограничном скольжении и диффузионной ползучести». Металлургические операции . 2 (4): 1113–1127. DOI : 10.1007 / BF02664244 . ISSN 1543-1916 . S2CID 135851757 .  
  3. ^ Физические основы материаловедения; Готтштейн, Гюнтер; 2014, ISBN 978-3-662-09291-0 
  4. ^ Гриммер, H .; Bollmann, W .; Уоррингтон, DH (1 марта 1974 г.). «Решетки совпадений узлов и полный сдвиг узора в кубических кристаллах». Acta Crystallographica Раздел A . 30 (2): 197–207. Bibcode : 1974AcCrA..30..197G . DOI : 10.1107 / S056773947400043X .
  5. ^ Саттон, AP; Balluffi, RW (1987), "Обзор № 61: О геометрических критериях низкой энергии на границе раздела фаз.", Acta Metallurgica , 35 (9): 2177-2201, DOI : 10,1016 / 0001-6160 (87) 90067-8 - через ScienceDirect
  6. ^ Аарон, HB; Боллинг, Г. Ф. (1972). «Свободный объем как критерий для моделей границ зерен». Наука о поверхности . 31 (С): 27–49. Bibcode : 1972SurSc..31 ... 27A . DOI : 10.1016 / 0039-6028 (72) 90252-X .
  7. Перейти ↑ Wolf, D. (1989). «Корреляция между энергией и объемным расширением границ зерен в ГЦК металлах» . Scripta Metallurgica . 23 (11): 1913–1918. DOI : 10.1016 / 0036-9748 (89) 90482-1 .
  8. ^ Steyskal, EM; Обердорфер, Б .; Sprengel, W .; Zehetbauer, M .; Pippan, R .; Вюршум Р. (2012). «Прямое экспериментальное определение избыточного объема границ зерен в металлах» . Phys. Rev. Lett . 108 (5): 055504. Bibcode : 2012PhRvL.108e5504S . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.108.055504 . PMID 22400941 . 
  9. ^ Обердорфер, В .; Сетман, Д .; Стейскал Е.М. Hohenwarter, A .; Sprengel, W .; Zehetbauer, M .; Pippan, R .; Вюршум Р. (2014). «Избыточный объем межзеренной границы и дефектный отжиг меди после кручения под высоким давлением» . Acta Mater . 68 (100): 189–195. DOI : 10.1016 / j.actamat.2013.12.036 . PMC 3990421 . PMID 24748848 .  
  10. ^ Бин, Джонатан Дж .; Маккенна, Кейт П. (2016). «Происхождение различий в избыточном объеме границ зерен меди и никеля» . Acta Materialia . 110 : 246–257. DOI : 10.1016 / j.actamat.2016.02.040 .
  11. ^ Хамфрис, FJ; Хазерли М. (2004), Рекристаллизация и связанные с ней явления отжига , Elsevier , стр. Xxx + 628, ISBN 978-0-08-044164-1- через ScienceDirect
  12. ^ Саттон AP, Баллаффи RW. (1995) Интерфейсы в кристаллических материалах. Оксфорд: Oxford Scientific Publications.
  13. ^ Харт EW (1972). Природа и поведение границ зерен. Нью-Йорк: Пленум; п. 155.
  14. ^ Кантуэлл, PR; и другие. (2014). «Зерновой пограничный цвет лица» . Acta Materialia . 62 : 1–48. DOI : 10.1016 / j.actamat.2013.07.037 .
  15. ^ Ма С. и др. Scripta Mater (2012) n66, p203.
  16. ^ Guhl, Х. Ли, H.-S., Tangney П., Фоукс, WMC, Heuer, AH, Накагава, Т., ... Финнис, MW (2015). Структурные и электронные свойства границ зерен Σ7 в α-Al2O3. Acta Materialia, 99, 16–28. DOI : 10.1016 / j.actamat.2015.07.042
  17. ^ Бин, JJ, Сайто, М., Фуками, С., Сато, Х., Икеда, С., Оно, Х.,… Маккенна, КП (2017). Атомная структура и электронные свойства границ зерен MgO в туннельных магниторезистивных устройствах. Научные отчеты, 7 (январь), 45594. doi : 10.1038 / srep45594
  18. ^ Mayadas, AF, и Shatzkes, M. (1970). Модель электросопротивления для поликристаллических пленок: случай произвольного отражения от внешних поверхностей. Physical Review B, 1 (4), 1382–1389. DOI : 10.1103 / PhysRevB.1.1382
  19. ^ Маккласки, доктор медицины; Джокела, SJ (2009). «Дефекты в ZnO». Журнал прикладной физики . 106 (7): 071101–071101–13. Bibcode : 2009JAP ... 106g1101M . DOI : 10.1063 / 1.3216464 . S2CID 122634653 . 
  20. ^ Мейер, Рене; Васер, Райнер; Гельмбольд, Юлия; Борхардт, Гюнтер (2003). «Наблюдение миграции вакансионных дефектов в катионной подрешетке сложных оксидов в экспериментах с индикатором O18». Письма с физическим обзором . 90 (10): 105901. Bibcode : 2003PhRvL..90j5901M . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.90.105901 . PMID 12689009 . S2CID 11680149 .  
  21. ^ Уберуага, Блас Педро; Вернон, Луи Дж .; Мартинес, Энрике; Избиратель, Артур Ф. (2015). «Взаимосвязь между структурой границ зерен, подвижностью дефектов и эффективностью стока по границам зерен» . Научные отчеты . 5 : 9095. Bibcode : 2015NatSR ... 5E9095U . DOI : 10.1038 / srep09095 . PMC 4357896 . PMID 25766999 .  
  22. ↑ Кишимото, Кенго; Цукамото, Масаёси; Коянаги, Цуёси (2002). «Температурная зависимость коэффициента Зеебека и рассеяния на потенциальном барьере пленок Pb Te n-типа, полученных на нагретых стеклянных подложках путем высокочастотного распыления». Журнал прикладной физики . 92 (9): 5331–5339. Bibcode : 2002JAP .... 92.5331K . DOI : 10.1063 / 1.1512964 .
  23. ^ Бассири-Gharb, Назанин; Фуджи, Ичиро; Хонг, Ынки; Тролье-Маккинстри, Сьюзен; Тейлор, Дэвид В .; Дамьянович, Драган (2007). «Вклад доменных стенок в свойства тонких пьезоэлектрических пленок». Журнал Электрокерамики . 19 : 49–67. DOI : 10.1007 / s10832-007-9001-1 . S2CID 137189236 . 
  24. ^ Данг, Кхань Q .; Спирот, Дуглас Э. (2014). «Влияние точечных и зернограничных дефектов на механическое поведение монослоя MoS2 при растяжении посредством атомистического моделирования». Журнал прикладной физики . 116 (1): 013508. Bibcode : 2014JAP ... 116a3508D . DOI : 10.1063 / 1.4886183 .
  25. ^ Zhang, J .; Perez, RJ; Лаверния, EJ (1993). «Демпфирование дислокаций в композитах с металлической матрицей». Журнал материаловедения . 28 (3): 835–846. Bibcode : 1993JMatS..28..835Z . DOI : 10.1007 / BF01151266 . S2CID 137660500 . 
  26. ^ Чен, Цзянь-Хао; Ли, Лян; Каллен, Уильям Дж .; Уильямс, Эллен Д.; Фюрер, Майкл С. (2011). «Настраиваемый эффект Кондо в графене с дефектами». Физика природы . 7 (7): 535–538. arXiv : 1004.3373 . Bibcode : 2011NatPh ... 7..535C . DOI : 10.1038 / nphys1962 . S2CID 119210230 . 
  27. ^ Бин, Джонатан Дж .; Маккенна, Кейт П. (2018). «Стабильность точечных дефектов вблизи границ зерен MgO в магнитных туннельных переходах FeCoB / MgO / FeCoB» (PDF) . Материалы физического обзора . 2 (12): 125002. Bibcode : 2018PhRvM ... 2l5002B . DOI : 10.1103 / PhysRevMaterials.2.125002 .

Дальнейшее чтение [ править ]

  • RD Doherty; Д.А. Хьюз; Ф. Дж. Хамфрис; Джей Джей Джонас; D Juul Jenson; и другие. (1997). «Актуальные проблемы перекристаллизации: обзор». Материаловедение и инжиниринг . 238 (2): 219–274. DOI : 10.1016 / S0921-5093 (97) 00424-3 . ЛВП : 10945/40175 .
  • G Gottstein; Л.С. Швиндлерман (2009). Миграция границ зерен в металлах: термодинамика, кинетика, приложения, 2-е издание . CRC Press.