Поликристаллическое (зернистое) строение материалов

Кристаллический материал может представлять собой единый, относительно крупный кристалл, который принято называть монокристаллом, а может состоять из множества мелких кристалликов, образующих некоторую целостность. Подобное строение материалов называют поликристаллическим или зёрнистым.

Поликристаллическое, т.е. зернистое строение наблюдается, в частности, у металлов и сплавов, затвердевших в обычных условиях. Каждое отдельное зерно поликристаллического металла или сплава является микроскопическим кристалликом неправильной формы. Размер зёрен колеблется в пределах от десятых долей микрона до нескольких миллиметров. Зёрна отделены друг от друга поверхностью раздела или границей, представляющей собой переходной слой, толщиной порядка 5-10 межатомных расстояний. На протяжении границы кристаллическая структура одного зерна плавно переходит в кристаллическую структуру соседнего зерна. Порядок расположения атомов на границах зёрен сильно нарушен. Угол разориентации кристаллических решёток в соседних зёрнах (угол α) является произвольным (рис 2.). Другими словами, зёрна случайным образом ориентированы в пространстве.

 

 

α - угол разориентации кристаллических решёток

в соседних зёрнах.

 

Рис. 2. Ориентация кристаллических решёток в соседних зёрнах.

Сами зёрна состоят из фрагментов, которые в свою очередь делятся на блоки. Угол разориентации кристаллических решёток в соседних фрагментах не превышает 5º, а для соседних блоков составляет величину от нескольких минут до нескольких секунд.

Причиной зернистого строения металлов и сплавов является то, что они кристаллизуются сразу из нескольких центров. В начальный момент затвердевания в жидком расплаве появляются зародыши кристаллов, которые начинают расти. В следующий момент времени появляется очередная порция зародышей, которые также растут. И так до тех пор, пока весь материал не закристаллизуется. На заключительном этапе кристаллизации соседние кристаллики приходят в соприкосновение и мешают друг другу расти. Поэтому они приобретают неправильную форму – форму зёрен.

Если в процессе кристаллизации создавать специальные условия, когда подавляются все зародыши кроме одного или нескольких, удаётся вырастить относительно крупный монокристалл металла или сплава, который приобретает правильную форму. В противном случае формируется поликристаллическая структура материала.

Наблюдать зернистую структуру металлических материалов можно только в микроскоп при большом увеличении на специально подготовленных образцах. Эту, наблюдаемую в микроскоп зернистую структуру материалов, называют микроструктурой.

Поскольку металлы и сплавы являются непрозрачными материалами, то для изучения их микроструктуры необходим специальный металлографический микроскоп, работающий по принципу отражения световых лучей от доведённой до зеркального блеска, полированной поверхности образца. Для выявления зёрен полированную поверхность образца подвергают травлению, т.е. обрабатывают различными реактивами, в частности, кислотами. Кислота в первую очередь разъедает границы зёрен и на их месте появляются углубления, которые не отражают, а рассеивают свет, падающий на поверхность образца. В результате границы зёрен становятся видимыми и обнаруживаются под микроскопом в виде тёмных полосок. Образец металлического материала, специально подготовленный для изучения его микроструктуры, называют микрошлифом.

 

Анизотропия кристаллов

Анизотропия – это зависимость свойств материала от направления.Материал считается изотропным, когда его свойства во всех направлениях одинаковые. Если же с изменением направления свойства материала изменяются, материал считается анизотропным.

Анизотропия характерна для кристаллов и обусловлена их упорядоченной структурой. В кристаллах в различных направлениях атомы располагаются с различной плотностью, т.е. на различном расстоянии друг от друга, что отражается на силе взаимодействия атомов. Как следствие, свойства кристаллов в различных направлениях оказываются различными. Например, в кубическом кристалле в направлении координатных осей атомы вещества располагаются на расстоянии друг от друга равном а (рис.1). В направлении диагонали атомы располагаются на расстоянии а , а в направлении пространственной диагонали – а . Очевидно, такой кристалл легче разорвать в направлении пространственной диагонали, чем в направлении координатных осей, где он обнаруживает наибольшую прочность из-за того, что атомы расположены ближе и сильнее взаимодействуют.

Анизотропия распространяется практически на все свойства кристаллов. Так, кристалл в одном направлении лучше, чем в другом может проводить тепло, электрический ток, свет, лучше намагничиваться и т.д. При этом, чем ниже система симметрии кристалла, тем сильнее проявляется анизотропия его свойств.

В аморфных материалах, из-за хаотического внутреннего строения, атомы в различных направлениях располагаются примерно с одинаковой плотностью. В результате свойства данных материалов в различных направлениях оказываются одинаковыми, т.е. вещество оказывается изотропным.

Металлы и сплавы, полученные в обычных условиях, также очень часто обнаруживают равенство свойств в различных направлениях, хотя и являются материалами кристаллическими, а не аморфными. Это объясняется их зернистым строением. Зёрна данных материалов, будучи кристаллами, в различных направлениях обнаруживают различные свойства, однако в целом материал оказывается изотропным, поскольку зёрна случайным образом ориентированы в пространстве и при сложении свойств в каждом направлении получается примерно одна, усреднённая величина. Такую изотропию называют ложной изотропией или квазиизотропией.

Иногда зёрна поликристаллических материалов оказываются ориентированными преимущественно в одном направлении. Например, зёрна металлов и сплавов при пластическом деформировании вытягиваются в направлении деформации. Такое явление называют текстурой. При появлении текстуры свойства кристаллических материалов вновь начинают зависеть от направления, т.е. материал оказывается анизотропным.