Войти
Поликристаллические структуры, состоящие из кристаллитов. По часовой стрелке сверху слева:. а) ковкое железо. б) электротехническая сталь без покрытия. в) солнечные элементы из поликристаллический кремний. d) оцинкованная поверхность цинка. e) микрофотография протравленного кислотой металла, выделяющего границы зерен A кристаллит представляет собой небольшой или даже микроскопический кристалл, который образуется, например, при охлаждении многих материалов. Ориентация кристаллитов может быть случайной без предпочтительного направления, называемой случайной текстурой, или направленной, возможно, из-за условий роста и обработки. Волокнистая текстура является примером последнего. Кристаллиты также упоминаются как зерна . Области, где встречаются кристаллиты, известны как границы зерен. Поликристаллические материалы или поликристаллы - это твердые тела, которые состоят из множества кристаллитов разного размера и ориентации.
Большинство неорганических твердых веществ являются поликристаллическими, включая все обычные металлы, многие керамику, камни и лед. Степень, в которой твердое вещество является кристаллическим (кристалличность ), оказывает важное влияние на его физические свойства. Сера, хотя обычно поликристаллическая, может также встречаться в других аллотропных формах с совершенно разными свойствами. Хотя кристаллиты называются зернами, зерна порошка отличаются, поскольку сами могут состоять из поликристаллических зерен меньшего размера.
В то время как структура (одиночного ) кристалл высокоупорядочен и его решетка сплошная и неразрывная, аморфные материалы, такие как стекло и многие полимеры, некристаллические и не имеют никаких структур, поскольку их составляющие не являются организовано в упорядоченном порядке. Поликристаллические структуры и паракристаллические фазы находятся между этими двумя крайностями.
Различные степени упорядоченности структур: монокристаллический кристалл, поликристаллическая структура и аморфное или некристаллическое твердое тело Размер кристаллитов в монодисперсных микроструктурах обычно аппроксимируется по дифрактограммам рентгеновских лучей и размеру зерен другими экспериментальными методами. как просвечивающая электронная микроскопия. Твердые объекты, достаточно большие, чтобы их можно было видеть и с которыми можно было обращаться, редко состоят из монокристалла, за исключением нескольких случаев (драгоценных камней, кремниевых монокристаллов для электронной промышленности, некоторые типы волокна, монокристаллы суперсплава на основе никеля для турбореактивных двигателей и некоторые кристаллы льда, диаметр которых может превышать 0,5 метра). Большинство материалов являются поликристаллическими, состоящими из большого количества кристаллитов, удерживаемых вместе тонкими слоями аморфного твердого вещества. Размер кристаллитов может варьироваться от нескольких нанометров до нескольких миллиметров.
Бронзовый колокол с крупными кристаллитами внутри Если отдельные кристаллиты ориентированы полностью случайным образом, достаточно большой объем поликристаллического материала будет приблизительно изотропным. Это свойство помогает применять упрощающие допущения механики сплошной среды к реальным твердым телам. Однако большинство производимых материалов имеют некоторую ориентацию на свои кристаллиты, что приводит к текстуре, которую необходимо принимать во внимание для точного прогнозирования их поведения и характеристик. Когда кристаллиты в основном упорядочены с некоторым случайным разбросом ориентаций, получается мозаичный кристалл . Аномальный рост зерен, при котором небольшое количество кристаллитов значительно больше среднего размера кристаллитов, обычно наблюдается в различных поликристаллических материалах и приводит к механическим и оптическим свойствам, которые отличаются от аналогичных материалов, имеющих размер монодисперсных кристаллитов. распределение с аналогичным средним размером кристаллитов.
Материал перелом может быть либо межкристаллитным, либо трансгранулярным переломом. С зернами порошка возникает неоднозначность: зерно порошка может состоять из нескольких кристаллитов. Таким образом, «размер зерна» (порошка), определенный с помощью лазерной гранулометрии, может отличаться от «размера зерна» (скорее, размера кристаллитов), определенного с помощью дифракции рентгеновских лучей (например, Scherrer метод), с помощью оптической микроскопии в поляризованном свете или с помощью сканирующей электронной микроскопии (обратно рассеянные электроны).
Крупнозернистые породы образуются очень медленно, а мелкозернистые породы образуются быстро в геологических временных масштабах. Если порода образуется очень быстро, например, при затвердевании лавы, извергнутой из вулкана, кристаллов может вообще не быть. Так образуется обсидиан.
Границы зерен - это границы раздела, на которых встречаются кристаллы разной ориентации. Граница зерен представляет собой однофазную границу раздела, причем кристаллы на каждой стороне границы идентичны, за исключением ориентации. Иногда, хотя и редко, используется термин «граница кристаллита». Области границ зерен содержат те атомы, которые были возмущены из своих исходных узлов решетки, дислокации и примеси, которые мигрировали к границе зерен с более низкой энергией.
Рассматривая границу зерен геометрически как поверхность раздела монокристалла, разделенного на две части, одна из которых вращается, мы видим, что для определения границы зерен требуется пять переменных. Первые два числа берутся из единичного вектора, определяющего ось вращения. Третье число обозначает угол поворота зерна. Последние два числа определяют плоскость границы зерна (или единичный вектор, нормальный к этой плоскости).
Границы зерен нарушают движение дислокаций в материале. Распространение дислокации затруднено из-за поля напряжений в области дефектов границ зерен и отсутствия плоскостей скольжения и направлений скольжения и общего выравнивания по границам. Следовательно, уменьшение размера зерна является обычным способом повышения прочности, часто без какого-либо ущерба для ударной вязкости, поскольку более мелкие зерна создают больше препятствий на единицу площади плоскости скольжения. Это соотношение размера кристаллитов и прочности дается соотношением Холла – Петча. Высокая межфазная энергия и относительно слабая связь на границах зерен делают их предпочтительными участками для начала коррозии и для выделения новых фаз из твердого тела.
Миграция границ зерен играет важную роль во многих механизмах ползучести. Миграция границ зерен происходит, когда напряжение сдвига действует на плоскость границы зерен и заставляет зерна скользить. Это означает, что мелкозернистые материалы на самом деле имеют плохое сопротивление ползучести по сравнению с более крупными зернами, особенно при высоких температурах, потому что более мелкие зерна содержат больше атомов в узлах границ зерен. Границы зерен также вызывают деформацию, поскольку они являются источниками и стоками точечных дефектов. Пустоты в материале имеют тенденцию собираться на границе зерен, и если это произойдет до критической степени, материал может сломаться.
Во время миграции границ зерен этап определения скорости зависит от угла между двумя соседними зернами. На малоугловой границе дислокаций скорость миграции зависит от диффузии вакансий между дислокациями. В случае высокоугловой дислокационной границы это зависит от переноса атомов посредством одиночных переходов атомов от сжимающихся к растущим зернам.
Границы зерен обычно имеют ширину всего несколько нанометров. В обычных материалах кристаллиты достаточно велики, чтобы границы зерен составляли небольшую часть материала. Однако достижимы очень маленькие размеры зерна. В нанокристаллических твердых телах границы зерен становятся значительной объемной долей материала, что оказывает сильное влияние на такие свойства, как диффузия и пластичность. В пределах мелких кристаллитов, когда объемная доля границ зерен приближается к 100%, материал перестает иметь какой-либо кристаллический характер и, таким образом, становится аморфным твердым телом.
Границы зерен также присутствуют в магнитных доменах в магнитных материалах. Например, жесткий диск компьютера изготовлен из жесткого ферромагнитного материала, который содержит области атомов, магнитные моменты которых могут быть перестроены с помощью индукционной головки. Намагниченность варьируется от региона к региону, и несовпадение между этими областями формирует границы, которые являются ключевыми для хранения данных. Индуктивная головка измеряет ориентацию магнитных моментов этих областей домена и считывает либо «1», либо «0». Эти биты представляют собой считываемые данные. Размер зерна важен в этой технологии, поскольку он ограничивает количество битов, которые могут поместиться на одном жестком диске. Чем меньше размер зерна, тем больше данных можно сохранить.
Из-за опасностей, связанных с границами зерен в некоторых материалах, таких как лопатки турбин из суперсплава ,, были предприняты большие технологические прорывы, чтобы минимизировать влияние границ зерен в лопатках. Результатом была обработка направленной кристаллизации, при которой границы зерен были удалены путем создания столбчатых структур зерен, выровненных параллельно оси лопасти, поскольку это обычно направление максимального растягивающего напряжения, ощущаемого лопаткой во время ее вращения в самолет. В результате лопатки турбины состояли из цельного зерна, что повысило надежность.
Как правило, поликристаллы нельзя перегревать ; они быстро тают, как только будут доведены до достаточно высокой температуры. Это связано с тем, что границы зерен аморфны и служат точками зарождения для жидкой фазы. Напротив, если при охлаждении жидкости нет твердого ядра, она имеет тенденцию к переохлаждению. Поскольку это нежелательно для механических материалов, разработчики сплавов часто принимают меры против этого (посредством измельчения зерна ).
