Рост зерна

Эта статья требует дополнительных ссылок для проверки . Пожалуйста, помогите улучшить эту статью , добавив цитаты из надежных источников . Материал, не полученный от источника, может быть оспорен и удален Найти источники:  «Рост зерна»  -  новости  · газеты  · книги  · ученый  · JSTOR ( июль 2009 г. ) ( Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения )

В материаловедении рост зерен - это увеличение размера зерен ( кристаллитов ) в материале при высокой температуре. Это происходит, когда восстановление и рекристаллизация завершены, и дальнейшее снижение внутренней энергии может быть достигнуто только за счет уменьшения общей площади границ зерен. Этот термин обычно используется в металлургии, но также используется в отношении керамики и минералов.

Важность роста зерна [ править ]

Большинство материалов проявляют эффект Холла – Петча при комнатной температуре и поэтому демонстрируют более высокий предел текучести при уменьшении размера зерна (при условии, что не произошло аномального роста зерна ). При высоких температурах верно обратное, поскольку открытая, неупорядоченная природа границ зерен означает, что вакансии могут быстрее диффундировать вниз по границам, что приводит к более быстрой ползучести по Коблу . Поскольку границы представляют собой области с высокой энергией, они представляют собой отличные места для зарождения выделений и других вторых фаз, например фаз Mg – Si – Cu в некоторых алюминиевых сплавах или мартенситных пластинок в стали. В зависимости от рассматриваемой второй фазы это может иметь положительные или отрицательные последствия.

Правила выращивания зерна [ править ]

Рост зерен давно изучается, прежде всего, путем изучения срезов, полированных и протравленных образцов под оптическим микроскопом . Хотя такие методы позволили собрать множество эмпирических данных, особенно в отношении таких факторов, как температура или состав , отсутствие кристаллографической информации ограничивало развитие понимания фундаментальной физики . Тем не менее, следующие признаки роста зерна стали устоявшимися:

1. Рост зерен происходит за счет движения границ зерен, а не за счет коалесценции (например, как капли воды).
2. Граничное движение прерывистое, и направление движения может внезапно измениться.
3. Одно зерно может перерасти в другое зерно, когда оно потребляется с другой стороны.
4. Норма потребления часто увеличивается, когда зерно почти съедено.
5. Изогнутая граница обычно смещается к центру кривизны.
6. Когда границы зерен в одной фазе встречаются под углами, отличными от 120 градусов, зерно, включенное под более острым углом, будет поглощено, так что углы приближаются к 120 градусам.

Движущая сила [ править ]

Граница между одним зерном и его соседом ( граница зерна ) является дефектом в кристаллической структуре и поэтому связана с определенным количеством энергии. В результате возникает термодинамическая движущая сила для уменьшения общей площади границы. Если размер зерна увеличивается, что сопровождается уменьшением фактического количества зерен в объеме, то общая площадь границ зерен будет уменьшена.

Локальная скорость границы зерна в любой точке пропорциональна локальной кривизне границы зерна, то есть:

${\ Displaystyle v = М \ сигма \ каппа}$,

где - скорость границы зерен, - подвижность границ зерен (обычно зависит от ориентации двух зерен), - энергия границы зерен и является суммой двух основных кривизны поверхности. Например, скорость усадки сферического зерна, заключенного в другое зерно, равна${\ displaystyle v}$${\ displaystyle M}$${\ displaystyle \ sigma}$${\displaystyle \kappa }$

${\displaystyle v=M\sigma {\frac {2}{R}}}$,

где - радиус сферы. Это движущее давление очень похоже по своей природе на давление Лапласа, которое возникает в пенах.${\displaystyle R}$

По сравнению с фазовыми превращениями энергия, доступная для роста зерен, очень мала, поэтому она имеет тенденцию происходить с гораздо более медленными скоростями и легко замедляется присутствием частиц второй фазы или растворенных атомов в структуре.

Идеальный рост зерна [ править ]

Компьютерное моделирование роста зерна в 3D с использованием модели фазового поля . Щелкните, чтобы увидеть анимацию.

Идеальный рост зерен - это частный случай нормального роста зерен, когда движение границ вызывается только локальной кривизной границы зерен. Это приводит к уменьшению общей площади поверхности границ зерен, то есть полной энергии системы. Дополнительным вкладом в движущую силу, например, упругими деформациями или температурными градиентами, пренебрегают. Если верно, что скорость роста пропорциональна движущей силе и что движущая сила пропорциональна общему количеству энергии границ зерен, то можно показать, что время t, необходимое для достижения заданного размера зерна, приблизительно равно уравнение

${\displaystyle d^{2}-{d_{0}}^{2}=kt\,\!}$

где d ₀ - начальный размер зерна, d - конечный размер зерна, а k - константа, зависящая от температуры, определяемая экспоненциальным законом:

${\displaystyle k=k_{0}\exp \left({\frac {-Q}{RT}}\right)\,\!}$

где k ₀ - постоянная величина, T - абсолютная температура, а Q - энергия активации для подвижности границы. Теоретически энергия активации для подвижности границы должна равняться энергии активации для самодиффузии, но часто оказывается, что это не так.

В целом эти уравнения справедливы для материалов сверхвысокой чистоты, но быстро перестают работать, когда вводятся даже крошечные концентрации растворенного вещества.

Самоподобие [ править ]

Щелкните, чтобы увидеть анимацию. Геометрия отдельного растущего зерна меняется в процессе роста зерна. Это извлечено из крупномасштабного моделирования фазового поля. Здесь поверхности - это «границы зерен», ребра - «тройные стыки», а углы - это вершины или стыки более высокого порядка. Для получения дополнительной информации см. ^[1]

Давно актуальной темой в области роста зерен является эволюция гранулометрического состава. Вдохновленный работой Лифшица и Слезова о созревании Оствальда , Хиллер предположил, что в нормальном процессе роста зерен функция распределения по размерам должна сходиться к автомодельному решению, то есть она становится инвариантной, когда размер зерна масштабируется с характерной длиной система , пропорциональная среднему размеру зерна .${\displaystyle R_{cr}}$${\displaystyle \langle R\rangle }$

Однако несколько имитационных исследований показали, что распределение по размерам отличается от автомодельного решения Хиллерта. ^[2] Таким образом, был начат поиск нового возможного автомодельного решения, которое действительно привело к новому классу автомодельных функций распределения. ^{[3] [4] [5]} Моделирование крупномасштабного фазового поля показало, что действительно существует возможность автомодельного поведения в новых функциях распределения. Было показано, что причиной отклонения от распределения Хиллерта действительно является геометрия зерен, особенно когда они сжимаются. ^[6]

Нормальный vs ненормальный [ править ]

Как и в случае восстановления и рекристаллизации , явления роста можно разделить на непрерывные и прерывистые механизмы. В первом случае микроструктура эволюционирует из состояния A в состояние B (в этом случае зерна становятся больше) однородным образом. В последнем случае изменения происходят гетерогенно, и могут быть идентифицированы специфические трансформированные и нетрансформированные области. Аномальный или прерывистый рост зернахарактеризуется подмножеством зерен, растущих с высокой скоростью и за счет своих соседей, и имеет тенденцию приводить к микроструктуре, в которой преобладают несколько очень крупных зерен. Для того, чтобы это произошло, подмножество зерен должно обладать некоторым преимуществом перед своими конкурентами, такими как высокая энергия границ зерен, локально высокая подвижность границ зерен, благоприятная текстура или более низкая локальная плотность частиц второй фазы. ^[7]

Факторы, препятствующие росту [ править ]

Если существуют дополнительные факторы, препятствующие перемещению границы, такие как закрепление Зенера частицами, то размер зерна может быть ограничен до гораздо меньшего значения, чем можно было бы ожидать в противном случае. Это важный промышленный механизм предотвращения размягчения материалов при высокой температуре.

Запрещение [ править ]

Некоторые материалы, особенно огнеупоры, которые обрабатываются при высоких температурах, в конечном итоге имеют слишком большой размер зерна и плохие механические свойства при комнатной температуре. Чтобы смягчить эту проблему в обычной процедуре спекания , часто используются различные легирующие добавки , препятствующие росту зерна.

Ссылки [ править ]

• Ф. Дж. Хамфрис и М. Хазерли (1995); Рекристаллизация и связанные с ней явления отжига , Elsevier