Зернограничных дислокаций

Причиной этих упругих искажений, по-видимому, являются дальнодействующие напряжения от неравновесных границ зерен, содержащих внесенные зернограничные дислокации высокой плотности (см. гл. 2).

упругих полей рассматривают дискретные нарушения этого строения — зернограничные дислокации и их комплексы.

щихся большеугловыми, но сильно неравновесными границами зерен, содержащими внесенные зернограничные дислокации, следствием чего является появление значительных напряжений и искажений кристаллической решетки вблизи границ.

В работе [150] была сделана попытка рассчитать кривые релаксации избыточного объема в УМЗ №. Данные расчеты основывались на аналитических выражениях, описывающих релаксацию трех компонент дислокационной структуры границ зерен, отжиг неравновесных вакансий и рост зерен. В качестве указанных компонент дислокационной структуры границ зерен рассматривались неупорядоченные сетки внесенных зернограничных дислокаций, диполи стыковых дисклинаций, а также тангенциальные внесенные зернограничные дислокации. При построении кривых релаксации в [150] использовали подход, согласно которому каждый быстропротекающий процесс возврата может ускорить кинетику более медленного процесса. Полученные теоретические кривые в рамках сделанных предположений о дефектной структуре границ зерен достаточно хорошо описали экспериментальные за кономерности изменения длины наноструктурного ИПД Ni при ег. последующем отжиге при различных температурах.

Таким образом, приведенные данные ясно демонстрируют, что в результате взаимодействия решеточных дислокаций с границами зерен обычно образуются внесенные зернограничные дислокации. Границы зерен при этом становятся неравновесными.

Полагая, что в неравновесных границах зерен наноструктурных металлов существует несколько типов внесенных дефектов [12, 118], а именно: сидячие зернограничные дислокации с векторами Бюргерса, нормальными к плоскости границы, скользящие или тангенциальные ЗГД с векторами Вюргерса, касательными к

Следуя [208], рассмотрим модельный поликристалл, состоящий из зерен квадратной формы с двумя ортогональными системами бесконечных границ зерен (рис. 2.23). Было предположено, что все границы зерен содержат внесенные зернограничные дислокации одинаковой средней плотности г. Для того чтобы рассчитать среднеквадратичную деформацию EJ оценили сначала нормальную деформацию ex
Рис. 2.23. Модельный поликристалл, состоящий из зерен квадратной формы с двумя ортогональными системами бесконечных границ зерен и содержащий внесенные зернограничные дислокации одинаковой средней плотности р

всего повышенная подвижность границ зерен, обусловленная низкой энергией активации зернограничной диффузии. Из проведенных сопоставлений рассчитанных кривых кинетики роста зерен с экспериментальными данными следует, что энергия активации роста зерен в наноструктурных материалах возрастает с увеличением размера зерен. Объяснить этот факт можно в рамках представлений о существовании неравновесных границ зерен, содержащих внесенные зернограничные дислокации высокой плотности. Известно, что неравновесное состояние может обеспечить высокую подвижность атомов в границах зерен и существенно уменьшить энергию активации роста зерен [172].

Электросопротивление Ni, отожженного выше температуры Кюри, не может описываться простой зависимостью от размера зерен. Здесь наблюдается значительный рост электросопротивления. Известно, что в Ni, отожженном выше температуры Кюри, появляются внесенные зернограничные дислокации [278]. Показано также, что плотность внесенных зернограничных дислокаций увеличивается с ростом температуры выше температуры Кюри (рис. 4.5). Тем не менее, только ростом плотности внесенных зернограничных дислокаций нельзя объяснить наблюдаемое изменение электросопротивления. Вместе с тем данные рентгено-структурного анализа показывают, что выше температуры Кюри микроискажения кристаллической решетки растут в образцах Ni с увеличением температуры отжига [231]. Очевидно, что эти микроискажения связаны с неоднородными упругими деформациями в зернах в результате явления магнитострикции, имеющего место при температуре Кюри. Рост микроискажений и плотности внесенных зернограничных дислокаций коррелирует с ростом электросопротивления (рис. 4.5).

ницы зерен все еще сохраняют их неравновесный характер. Об этом свидетельствует то, что они по-прежнему не являются плоскими на атомном уровне и содержат высокую плотность дефектов, таких как фасетки и зернограничные дислокации (рис. 5.12в). Как уже отмечалось (см. гл. 1), такая структура характерна для многих металлов после ИПД кручением.

поскольку эти материалы обладают высокой плотностью внесенных зернограничных дислокаций (см. гл.2). В то же время в теле зерен плотность дислокаций существенно ниже. Известно, что в случае хаотического распределения дислокаций в теле зерен их плотность phki может быть выражена через полученные в результате анализа профиля рентгеновских пиков величины размера зерен и микроискажений кристаллической решетки [96, 97]

дут при дальнейшей деформации к увеличению разориентировок и превращению ячеек в зерна. В то же время скользящие дислокации ответственны за дальнодействующие поля напряжений. При этом границы зерен являются сильно неравновесными. Вокруг границ зерен существуют области значительных искажений кристаллической решетки, вызванных полями дальнодействую-щих упругих напряжений внесенных зернограничных дислокаций (ЗГД), что проявляется в росте упругих микроискажений и атомных смещений из узлов кристаллической решетки (см. § 2.2). Более того, скользящие ЗГД при своем движении приводят к зер-нограничному проскальзыванию и относительному смещению зерен.

Рис. 2.3. Распределение полей внутренних упругих напряжений в зависимости от расстояния от границы зерна: 1 — экспериментальная кривая; 2 — расчетная кривая при средней плотности зернограничных дислокаций 1 х 108м~1

вблизи границ зерен может быть описано конфигурацией краевых скользящих зернограничных дислокаций (рис. 2.4), которая дает в согласии _ с теорией дислокаций [117] следующее вы-

Рис. 2.4. Схема, иллюстрирующая расположение краевых зернограничных дислокаций в границе зерна. Здесь D — среднее расстояние между дислокациями

В работе [150] была сделана попытка рассчитать кривые релаксации избыточного объема в УМЗ №. Данные расчеты основывались на аналитических выражениях, описывающих релаксацию трех компонент дислокационной структуры границ зерен, отжиг неравновесных вакансий и рост зерен. В качестве указанных компонент дислокационной структуры границ зерен рассматривались неупорядоченные сетки внесенных зернограничных дислокаций, диполи стыковых дисклинаций, а также тангенциальные внесенные зернограничные дислокации. При построении кривых релаксации в [150] использовали подход, согласно которому каждый быстропротекающий процесс возврата может ускорить кинетику более медленного процесса. Полученные теоретические кривые в рамках сделанных предположений о дефектной структуре границ зерен достаточно хорошо описали экспериментальные за кономерности изменения длины наноструктурного ИПД Ni при ег. последующем отжиге при различных температурах.

Прямые наблюдения границ зерен, выполненные методом высокоразрешающей просвечивающей электронной микроскопии, дают доказательства их специфической дефектной структуры в наноструктурных материалах вследствие присутствия атомных ступенек и фасеток, а также зернограничных дислокаций. В свою очередь, высокие напряжения и искажения кристаллической решетки ведут к дилатациям решетки, проявляющимся в изменении межатомных расстояний, появлении значительных статических и динамических атомных смещений, которые экспериментально наблюдались в рентгеновских и мессбауэрографических исследованиях.

При отклонении разориентировки соседних зерен от ориентации, точно соответствующей специальной, особые свойства специальных границ изменяются не резко, а постепенно. Структура таких границ может быть представлена как специальная, но с наложенной сеткой структурных зернограничных дислокаций, компенсирующей отклонение от идеальной ориентировки. В общем случае для описания структуры границ, близких к специальным, требуются три сетки параллельных ЗГД, величина вектора Бюргерса которых обратно пропорционально Е"1/3. Согласно геометрическому анализу Боллманна [160], при увеличении угла отклонения от разориентировки, соответствующей определенному S, происходит уменьшение расстояния между ЗГД. Этот вывод подтвержден во многих экспериментах для границ, близких к специальным. Более сложен вопрос о структуре произвольных границ, т. е. границ с промежуточной между специальными разориентировкой зерен.

К настоящему времени накоплен обширный экспериментальный материал, касающийся образования неравновесных границ зерен при их взаимодействии с решеточными дислокациями [172]. Под взаимодействием границ зерен с дислокациями понимают действие большеугловых границ как источников и стоков для дислокаций решетки. Достижением недавних исследований, включая компьютерное моделирование, явилось доказательство того, что решеточные дислокации, попадая в границу, остаются дискретными дефектами кристаллического строения и взаимодействие дислокаций с границами должно заключаться в достаточно сложных перестройках. Решеточная дислокация не может просто оборваться на границе, она должна продолжаться в границе зерно-граничной дислокацией (одной или несколькими). Поэтому в поликристалле решеточные дислокации вместе с зернограничными должны образовывать единую замкнутую систему (рис. 2.19) [172]. Следовательно, взаимодействие решеточных дислокаций с больше-угловыми границами сводится, по существу, к взаимным превращениям внутризеренных и зернограничных дислокаций. Как и

Рис. 2.19. Схема взаимосвязи внутризеренных и зернограничных дислокаций

Рассмотрим сначала результаты анализа неравновесных границ зерен, в которых предполагается существование хаотических ансамблей внесенных зернограничных дислокаций [208]. Данный подход позволил исследовать поля внутренних упругих напряжений в наноструктурных материалах и сравнить результаты теоретических расчетов с экспериментальными данными. Показана возможность оценить избыточную энергию границ зерен, связанную с появлением полей упругих напряжений. Кроме того, основываясь на нелинейной теории упругости, удалось сделать простую оценку дилатации кристаллической решетки, вызванную внесенными зернограничными дислокациями.