Кристаллические твердые тела, страница 9

По современным представлениям, сформированным благодаря электронной микроскопии высокого разрешения, структура границы мало отличается от структуры объема, однако плотность вещества в границе несколько ниже, чем средняя для объема. Большие средние расстояния между атомами на границе допускают большую их подвижность и активность, склонность к вступлению в реакции с другими атомами, например, примесей или движущимися (диффундирующими) в объеме. В результате на границах зерен образуются сегрегации - пленочные фазы с иными, чем объем зерен, свойствами. Кроме того, повышенная подвижность атомов в границе способствует появлению здесь пор, особенно при повышенных температурах и, как следствие, ведет к интеркристаллитному разрушению - разрушению по границам зерен (зерна иначе называют кристаллитами).

Поскольку материал границ зерен обладает повышенной энергией, здесь вещество сильнее взаимодействует с растворителями. Границы зерен могут служить эффективными барьерами дислокациям при деформации скольжением  и двойникованием и тем самым снижать пластичность и повышать прочность, способствуют росту электрического сопротивления в металлах и пр.

Поликристаллы с равноосными зернами изотропны, если зерна достаточно мелкие по сравнению с размером тела. Текстурованные поликристаллы проявляют анизотропию относительно направлений вдоль и поперек текстуры. Зеренная структура зачастую является фактором, определяющим макроскопические свойства тела, его эксплуатационные характеристики и потому зачастую служит контролируемым параметром микроструктуры вещества. Существуют и способы регулирования размера зерна. В частности, термической обработкой можно добиться как увеличения, так и уменьшения размеров зерна.

Д в о й н и к о в ы е     г р а н и ц ы

          Особый вид двумерных дефектов кристаллической модели - двойниковые границы, представляющие собой, как правило, довольно ровную поверхность, разделяющую две области кристалла с регулярным атомным строением (рис. 1.5.26). Этот тип дефектов обладает энергией, меньшей, чем у границ зерен. Он характерен для многочисленных природных минералов, а также проявляет себя при деформации материалов с гексагональной симметрией, где затруднена деформация сдвигом-скольжением.

Двойники роста - макроскопического размера, так как кристаллизация равновероятна при обеих ориентациях сдвойникованных областей. Размеры двойников деформации могут варьироваться в широких пределах - от долей микрона толщиной и нескольких миллиметров длиной в сталях и прочных металлах до макроскопических размеров в кристаллах кальцита, в висмуте, цинке. Характерная особенность неотожженной сдвойникованной структуры - наличие в решетке около границ двойников упругих напряжений различного знака, достаточных для возбуждения локальной сдвиговой деформации, способствующих или препятствующих, в зависимости от взаимной кристаллографической ориентации, развитию хрупких трещин в объеме кристалла или на границе двойник-матрица.

Рис. 1.5.26. Двойник в ОЦК - структуре. С плоскостью рисунка совпадает плоскость (110) кристалла, плоскость двойниковой границы (112) перпендикулярна чертежу. Обе части кристалла расположены относительно (112) зеркально. Некоторая деформация повернутой решетки условно иллюстрирует возникновение механических напряжений, в данном случае – растяжения, при других ориентациях плоскости раздела матрица-двойник возможно возникновение напряжений сжатия.

С в о б о д н а я    п о в е р х н о с т ь     к р и с т а л л а

          Совершенно особую роль в свойствах и поредении конденсированного тела играет его свободная поверхность. Асимметрия окружения атомов поверхностного слоя - низкая концентрация атомов в газовой фазе - приводит к существованию поверхностного натяжения в верхнем слое, обладающем повышенной потенциальной энергией.

В поверхностном слое межатомные связи частично растянуты, частично свободны, что приводит к повышенной химической активности атомов этого слоя по сравнению с объемом. Известно, что скорость самодиффузии атомов по поверхности заметно выше, чем в объеме. При вскрытии новых поверхностей  (путем раскола, дробления макроскопических тел) на свежих поверхностях происходят эффекты реконструкции - передвижение атомов - приводящие к минимальной потенциальной энергии. Эти поверхности более энергично взаимодействуют с гидроксильньми группами воды и легче переходят в раствор. Сам процесс дробления сырья в значительной мере предполагает увеличение свободной поверхности минералов с целью ускорения взаимодействия его с другими компонентами.

Таблица 1.5.3

Поверхностная энергия некоторых материалов

Вещество	NaCl	MgO монокр.	KCl	Ge монокр	Mo	Fe + 3% Si монокр.	SiO2 (стекло)	Cu
Поверхностная Энер. g, мДж/м2	330	1310	148	968	2000	1200	1200	1700

Работа, затрачиваемая на создание новых свободных поверхностей, характеризуется поверхностной энергией, имеющей такой же физический смысл, как и поверхностное натяжение. Значения этой величины для некоторых материалов приведены в табл.1.5.3. 

Важным фактом  является недолговечность существования чистых открытых поверхностей. Определено, что даже при давлении 10^-6 мм рт. столба вновь вскрытые поверхности уже через одну секунду покрываются монослоем молекул остаточной атмосферы, состоящей из молекул СО,  СО₂, N₂, O₂, H₂O,  удерживаемых около поверхности связями ван-дер-ваальсового или химического типов.

При обычном атмосферном давлении новые поверхности пассивируются этими углеводородными слоями за сотые и тысячные доли секунды. Последующая активизация поверхностных слоев для, например, их склеивания, нанесения гальванических или иных защитных или специальных покрытий,  требует удаления этих слоев.