Генезис и морфология структуры материалов

Любая структура создается в процессах первичной или вторичной кристаллизации. Первичная кристаллизация – это кристаллизация из жидкого состояния, при которой обычно формируется дендритная или полиэдрическая структура с полным набором макро-, мезо- микродефектов строения. Вторичная кристаллизация – это перекристаллизация в твердом состоянии, при которой также возникают макро-, мезо- и микродефекты и внутренние напряжения всех трех уровней.

Вторичная кристаллизация в материале возникает по трем основным причинам:

- при фазовых превращения, вызванных сменой модификаций в одном из компонентов сплава (например, при переходе в железе, что связано с превращением феррит аустенит);

- при частичном распаде твердых растворов за счет уменьшения растворимости компонентов одного в другом и выделении вторичных избыточных фаз (например, выделение фазы CuAl2 в дуралюмине при его старении);

- при деформации в холодном или горячем состояниях с последующим развитием фрагментации, полигонизации или рекристаллизации.

Таким образом, реальная структура материала возникает и преобразуется в условиях его обработки и конкретно зависит от многих факторов либо первичной, либо вторичной рекристаллизации.

Любая структура на макро-, мезо- и микроструктурных уровнях имеет свои количественные характеристики: во-первых, это средний размер структурного элемента (зерна, субзерна, фрагмента, ячейки, блока, полигона) и во-вторых – это степень разориентировки этого элемента относительно соседних объемов. Причем степень разориентировки является решающим фактором при решении вопроса – к какому из подразделений (зерну или субзерну) отнести анализируемый объем? Отдельные зерна, разделенные, как правило, узкими высокоугловыми границами, имеют значительнуюразориентировку (от ~ 5^о до 90^о). Фрагменты, блоки, полигоны разделяются широкими, малоугловыми границами, имеют малую взаимную разориентировку (~ 0^о…4^о).

Субграницы раздела фрагментов, ячеек, блоков, полигонов построены из систем краевых дислокаций (субграницы наклона) или систем винтовых дислокаций (субграницы кручения). В реальных условиях часто наблюдаются смешанные дислокационные ансамбли.

Границы зерен состоят из специальных граничных дислокаций, отличающихся геометрически от решеточных дислокаций.

Таким образом реальная структура материалов на макро-, мезо- и микроструктурном уровнях отличается от идеальной (представляемой физическими моделями, например кристаллической решеткой) наличием многих дефектов, которые можно объединить в следующие группы:

- макродефекты (особая направленная форма зерен – дендриты, полиэдры, искривленные границы зерен, тройные границы зерен;

- мезодефекты (сложная форма фрагментов, ячеек, блоков, полигонов, дисклинации, субграницы);

- микродефекты (точечные дефекты: вакансии и дислоцированные ионы, степень упругой искаженности элементарной ячейки кристаллической решетки).

Все эти дефекты реальной структуры определяются тремя основными факторами:

- степенью разориентировки структурных объемов (зерен, субзерен, фрагментов и т.д.);

- степенью упорядоченности внутренних объемов этих структурных подразделений;

- физическими моделями и реальными схемами границ и субграниц раздела.

Следует иметь в виду, что степень реальности структуры материала может оцениваться с современных позиций фрактальной геометрии объектов природы.