Поверхностные дефекты

Поверхностными дефектами являются границы зерен. Межзеренная граница – это поверхность контакта двух кристаллов (зерен), отличающихся друг от друга ориентировкой. В области сопряжения зерен атомы сдвигаются из узлов кристаллической решетки, поэтому образуется двумерная дефектная поверхность, имеющая большие размеры в двух измерениях и атомные размеры в третьем измерении.

Атомы, расположенные в переходных зонах между смежными зернами, находятся под действием полей решеток обоих кристаллитов, и их расположение на границе является промежуточным между расположениями, свойственными каждому из этих кристаллитов. Вследствие этого атомы на границе обладают избыточной энергией, которая в природе кристаллитов играет роль, аналогичной роли поверхностной энергии на внешней поверхности твердого тела.

Границы зерен играют важную роль в формировании многих свойств поликристаллов. Присущие им искажения кристаллической решетки снижают энергетические барьеры между соседними атомами, в связи с чем существенно облегчаются элементарные акты диффузии и возникает явление предпочтительной межкристаллитной диффузии. Этим обусловлена, в частности, межкристаллитная коррозия или обратимая хрупкость при повторном отпуске закаленной стали. Границы зерен играют большую роль и в развитии пластической деформации поликристаллов, представляя собой препятствие на пути скольжения дислокаций.

Большинство кристаллических твердых веществ являются поликристаллами, т. е. состоят из множества небольших монокристаллических зерен, примыкающих друг к другу по границам таким образом, что отсутствует нарушение сплошности. Обычно монокристаллическое зерно разбито на более мелкие части, которые называются или субзернами, или блоками, имеющими незначительную разориентировку между собой. В равновесных условиях граница должна быть плоской, т.к. это уменьшает площадь ее поверхности, а, следовательно, поверхностную энергию.

В настоящее время общей теории, описывающей строение всех границ, не существует. Например, одна из первых гипотез предполагала, что материал в области границы находится в «стеклообразном» или «жидкоподобном» состоя­нии. Однако эта гипотеза противоречит термодинамическим расчетам и экспериментальным данным. Современные представления о строении границ исходят из того факта, что границы в поликристаллах обладают высокой прочностью, т.е. имеется большое сцепление между соприкасающимися кристаллами. Это свидетельствует о том, что между атомами на границе существует такая же связь, как и внутри кристалла, поэтому одни и те же атомы должны принадлежать одновременно обоим кристаллам.

Ниже приведены существующие представления о строении границ зерен, с позиции которых объясняются многие процессы, протекающие в металлах и сплавах.