CC BY
29
УДК 538.91
DOI: 10.20310/1810-0198-2016-21-3-1334-1337
ВЛИЯНИЕ КРИСТАЛЛОГРАФИИ ПЛОСКОСТИ ДВОЙНИКОВАНИЯ НА ПОДВИЖНОСТЬ ДВОЙНИКОВЫХ НЕКОГЕРЕНТНЫХ ГРАНИЦ
© В.Г. Сурсаева, А.С. Горнакова, С.И. Прокофьев
Институт физики твердого тела РАН, г. Черноголовка, Российская Федерация, e-mail: sursaeva@issp.ac.ru
Изучено движение двойниковой некогерентной границы в двойниках двух систем двойникования в цинке. Стационарная форма фиксировалась, и скорость перемещения вершины двойника измерялась с использованием поляризованного света оптического микроскопа в температурном интервале 330^415 °С. Выше 340 °С двойниковые некогерентные границы перемещались безактивационно с различной подвижностью. Делается предположение, что структура движущейся некогерентной границы зависит от залегания плоскости двойникования. Ключевые слова: двойниковая некогерентная граница; зернограничная подвижность; зернограничное ребро.
Двойникование является одним из видов деформации гексагональных плотноупакованных кристаллов. При двойниковании отдельные области кристалла приобретают новую симметричную по отношению к остальной части кристалла ориентировку. Двойники наблюдаются в кристаллах в виде плоскопараллельных прослоек. Монокристаллы цинка, ориентировка которых допускает скольжение по плоскости базиса, начинают двойниковаться, когда скалывающее напряжение cts кр изменяется от 300 до 500 г/мм2. Механическое двойникование в них можно вызвать, нажимая на кристалл ножом.
В цинке реализуются шесть возможных плоскостей двойникования. Традиционно двойник характеризуют элементами двойникования: плоскостью Kl= (1012) и
направлением двойникования Ц!=[ 101 1 ]. Решетка внутри двойникового образования является зеркальным отображением решетки в остальной части кристалла. Когерентные границы параллельны плоскости двойникования. Структура двойников изучена намного лучше, чем кинетические свойства. Исчезновение относительно малоподвижных когерентных двойниковых границ (КДГ) облегчается боковым движением высокоподвижных некогерентных двойниковых границ (НКДГ). Если рост двойников идет за счет движения двойникующих дислокаций при любой температуре, то исчезновение их сопровождается движением НКДГ вдоль КДГ при отжиге. КДГ практически неподвижны, что объясняется их низкой энергией. Поэтому изучение движения КДГ пока не представляется возможным. НКДГ подвижны, поскольку их структура отличается от КДГ, и они характеризуются энергией, сравнимой с энергией большеугловых границ зерен. Мигрирующая граница в вершине двойника представляет собой НКДГ. Решетки двойниковых компонент сопрягаются вдоль границ и не должны вызывать появление в кристалле макроскопических напряжений. Однако при таком сопряжении возможно нарушение ближнего порядка расположенных в плоскости контакта атомов, и это должно сказаться на подвижности НКДГ.
Цель работы - с помощью in situ экспериментов измерить и сравнить подвижность НКДГ в двойниках с различными плоскостями двойникования в Zn. Например, сравнивая движение НКДГ вдоль КДГ в параллельных и почти перпендикулярных двойниках.
С помощью метода Бриджмена из цинка чистотой 99,999 % были выращены плоские монокристаллы цинка, нормаль к поверхности которых совпадает с осью [ll2o] в монокристалле [1-3]. Двойниковые пластины были получены деформацией монокристалла. Параллельные удлиненные стороны двойника сформированы КДГ между областями кристалла с разной ориентацией по плоскостям (lTo2) //(lTo2)2. Благодаря своей оптической анизотропии цинк позволяет изучать форму границ с помощью поляризованного света. Стационарная форма мигрирующей вершины (НКДГ) двойниковой пластины была исследована in situ в высокотемпературной приставке к оптическому микроскопу в температурном интервале от 200 до 414 °С. В том же температурном интервале измерялась скорость миграции v и, затем, рассчитывалась подвижность А. Форма границы фиксировалась в оптическом микроскопе в поляризованном свете с помощью цветной видеокамеры. Для плоского участка НКДГ, залегающей в локальном минимуме диаграммы Вульфа-Ге-ринга, скорость нормального движения v определяется значением взвешенной средней кривизны, rm:
v = Axrm. (1)
Значение взвешенной средней кривизны определяется как отрицательное значение изменения общей межзеренной энергии системы после бесконечно малого перемещения плоской границы, деленное на объем, заметаемый плоской границей [4]. Подвижность плоской границы А зависит от атомного механизма движения. Для примера, при определенных условиях А может быть обратно пропорциональна ширине двойника. Подвижность плоской границы рассматривается как независимая от ее длины величина и зависящая от тем-
100 мкм
Рис. 1. Взаимное расположение двойников деформации на поверхности (1120) плоского монокристалла
1.20x10 1.00x10 -
2
£ 8.00x10 -£ X Л
& 6.00x10"
ш
х
§ 4.00x10 -
<а
2
О.....
•
• /
:
0 20 40 60 80 100 120
Время, сек
Рис. 3. Зависимости смещения от времени взаимноперпенди-кулярных НКДГ для двойников шириной 12 и 8 мкм (рис. 2) при изотермическом отжиге при 330 С. ® ширина двойника 12 мкм, скорость 1,25 10-6 м/с, подвижность 7,50-10-12 м2/с; ▲ ширина двойника 8 мкм, скорость 2,88-10-7 м/с, подвижность 1,161012 м2/с
00
0.00x10
100 мкм
Рис. 2. Взаимное расположение перпендикулярных двойников деформации на поверхности (1120) плоского монокристалла
пературы по закону Аррениуса. Для двойников, рассмотренных в этой работе (рис. 1), значение взвешенной средней кривизны гт определяется выражением
2Уо
а а
(2)
а - ширина двойника; уо - энергия плоской границы; а - угол НКДГ с КДГ.
На рис. 1 показано расположение параллельных и почти перпендикулярных КДГ (для краткости перпендикулярных) на поверхности монокристалла после деформации до отжигов. На рис. 2 видно пересечение двух перпендикулярных КДГ. Если предположить, что движение относительно малоподвижных КДГ происходит за счет движения высокоподвижных НКДГ, то можно сделать вывод, что подвижность взаимнопер-пендикулярных НКДГ отличается, т. к. после отжига двойниковые пластины имеют разную длину. Как показано в работе [5], мигрирующая НКДГ при температурах 210^340 °С представляет собой плоский сегмент под углом 45° к КДГ, а при температурах 340^414 °С
представляет собой плоский сегмент под углом 90° к КДГ. На рис. 3 представлены зависимости смещения от времени для взаимноперпендикулярных НКДГ для двойников шириной 12 и 8 мкм (рис. 2) при изотермическом отжиге 330 °С. Плоский участок НКДГ для двойника шириной 12 мкм составляет угол 45° с КДГ и перемещается со скоростью 1,25-10-6 м/с, подвижность составляет 7,5-10-12 м2/с.
Плоский участок НКДГ для двойника шириной 8 мкм составляет угол 45° с КДГ и перемещается со скоростью 2,88-10-7 м/с, подвижность составляет 1,16-10-12 м2/с. В обоих случаях НКДГ сопрягается с КДГ двумя ребрами под углом 45° и 135°. Поэтому мы можем сравнивать подвижность движущихся участков. Подвижность перпендикулярно расположенных НКДГ отличается в 6,4 раза.
На рис. 4 приведены температурные зависимости подвижности НКДГ для взаимноперпендикулярных двойников. Подвижность рассчитывалась при условии стационарного движения границы с постоянной формой. Удалось наблюдать движение НКДГ и померить подвижность для взаимноперпендикулярных двойников в температурном интервале изотермических отжигов 340^415 °С, где подвижная граница представляет собой плоский сегмент под углом 90° к КДГ, который сопрягается с КДГ двумя ребрами под углом 90°. Поэтому мы можем сравнивать подвижности НКДГ. Как было показано в работе [5], движение в этом температурном интервале безактивационное. Однако подвижности НКДГ взаимноперпендикулярных двойников отличаются на полпорядка, как видно из рис. 4. Это означает, что ближний порядок расположения атомов в области границы отличается. Безактивационное движение границ наблюдалось ранее при изучении движения большеугловых границ с высокой долей совпадающих узлов по границе в цинке в работе [6], в которой авторы предполагали, что работает механизм кооперативного перемещения атомов. Вероятно, разные значения подвижности границ в нашем эксперименте можно объяснить различным размером групп атомов, участвующих одновременно в кооперативном движении взаимноперпендикулярных НКДГ.
т
о ■
X
0. -.-1-.-1-.-1-.-
со 1,50 1,55 1,60
1000/Т,К-1
Рис. 4. Температурные зависимости (340^400 °С) подвижности НКДГ взаимноперпендикулярных двойников. Движение безактивационное. ■ ширина двойника 33,6 мкм, температурный интервал 340^380 °С; • ширина двойника 33,6 мкм, температурный интервал 390^400 °С; ▲ ширина двойника 33,6 мкм, температурный интервал 402^409 °С; ▼ ширина двойника 20 мкм, температурный интервал 370^400 °С. Двойники, помеченные как ▲ и •, взаимноперпендикулярны. Двойники, помеченные как ▲ и^, взаимноперпендикулярны. Двойники, помеченные как ■ и •, взаимноперпендикулярны
ВЫВОДЫ
1. Наблюдали за движением НКДГ почти перпендикулярных двойников. Установили, что мигрирующая НКДГ при температурах 340^414 °С представляет собой плоский сегмент под углом 90° к КДГ.
2. Наблюдали безактивационное движение НКДГ в виде плоского сегмента границы, расположенного под углом 90° к КДГ и сопряженного с КДГ двумя ребрами с углом 90° при вершине.
3. Показали, что подвижность НКДГ в виде плоского сегмента границы, расположенного под углом 90° к КДГ, во взаимноперпендикулярных двойниках отличается на полпорядка.
4. Несмотря на то, что у цинка шесть возможных плоскостей двойникования, и плоскостью двойникова-ния служит грань пирамиды (ioT2) = К1, НКДГ демонстрирует разную подвижность в перпендикулярно расположенных двойниках. Сделано предположение, что ближний порядок расположения атомов в области границы отличается, по крайне мере, для двух возможных плоскостей двойникования.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Czubayko U., Sursaeva V.G., Gottstein G., Shvindlerman L.S. Effect of triple junction on grain boundary migration // Acta Mater. 1998. V. 46. P. 517-529.
2. Sursaeva V.G., Gottstein G., Shvindlerman L.S. Effect of the First Order Ridge on Grain Boundary Motion in Zn // Acta Mater. 2010. V. 41. P. 7725-7729.
3. Sursaeva V.G., Straumal B.B., Gornakova A.S., Shvindlerman L.S., Gottstein G. Effect of faceting on grain boundary motion // Acta Mater. 2008. V. 56. P. 2728-2734.
4. Straumal B.B., Rabkin E., Gornakova A.S., Sursaeva V.G., Gornakova A.S. Faceting and migration of twin grain boundaries in zinc // Z. Metallkd. 2005. V. 96. P. 161-166.
5. Сурсаева В.Г. Влияние зернограничного ребра на движение двойниковых некогерентных границ // Вестник Тамбовского университета. Серия Естественные и технические науки. Тамбов, 2016. Т. 21. Вып. 3. С. 1330-1333.
6. Копецкий Ч.В., Сурсаева В.Г., Швиндлерман Л. С. Эффект бездиффузионного движения границ зерен в цинке // Доклады Академии наук СССР. 1978. Т. 238. Вып. 4. С. 842-843.
7. Копецкий Ч.В., Сурсаева В.Г., Швиндлерман Л.С. Безактивационное движение границы зерен в цинке // ФТТ. 1979. Т. 21. Вып. 2. С. 401-405.
БЛАГОДАРНОСТИ: Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (грант № 16-03-00248).
Поступила в редакцию 10 апреля 2016 г.
UDC 538.91
DOI: 10.20310/1810-0198-2016-21-3-1334-1337
THE INFLUENCE OF CRISTALLOGRAPHY ON INCOHERENT TWIN BOUNDARY MOBILITY
© V.G. Sursaeva, A.S. Gornakova, S.I. Prokofev
Institute of Solid State Physics RAS, Chemogolovka, Russian Federation, e-mail: sursaeva@issp.ac.ru
Migration of mutually perpendicular incoherent twin boundaries in Zn|ii2oJ flat single crystals has been investigated. The steady state shape of the migrating incoherent twin boundary of the twin plate tip was studied and migration velocity was measured in situ in the range from 330 to 412 °C using polarized light. Above 340 °C the incoherent twin boundary represents the facet which forms a 90° angle to the coherent twin boundary and demonstrates non-activated motion. It is found the motilities of mutually perpendicular incoherent twin boundaries are different. Probably this is due to their different structure or/and morphology. Key words: incoherent twin boundary; non-activated migration; grain boundary ridge.
REFERENCES
1. Czubayko U., Sursaeva V.G., Gottstein G., Shvindlerman L.S. Effect of triple junction on grain boundary migration. Acta Mater, 1998, vol. 46, pp. 517-529.
2. Sursaeva V.G., Gottstein G., Shvindlerman L.S. Effect of the First Order Ridge on Grain Boundary Motion in Zn. Acta Mater, 2010, vol. 41, pp. 7725-7729.
3. Sursaeva V.G., Straumal B.B., Gornakova A.S., Shvindlerman L.S., Gottstein G. Effect of faceting on grain boundary motion. Acta Mater, 2008, vol. 56, pp. 2728-2734.
4. Straumal B.B., Rabkin E., Gornakova A.S., Sursaeva V.G., Gornakova A.S. Faceting and migration of twin grain boundaries in zinc. Z. Metallkd, 2005, vol. 96, pp. 161-166.
5 Sursaeva V.G. Vliyanie zernogranichnogo rebra na dvizhenie dvoynikovykh nekogerentnykh granits. Vestnik Tambovskogo universiteta. Seriya Estestvennye i tekhnicheskie nauki — Tambov University Reports. Series: Natural and Technical Sciences. Tambov, 2016, vol. 21, no. 3, pp. 1330-1333.
6. Kopetskiy Ch.V., Sursaeva V.G., Shvindlerman L.S. Effekt bezdiffuzionnogo dvizheniya granits zeren v tsinke. Doklady Akademii nauk SSSR, 1978, vol. 238, no. 4, pp. 842-843.
7. Kopetskiy Ch.V., Sursaeva V.G., Shvindlerman L.S. Bezaktivatsionnoe dvizhenie granitsy zeren v tsinke. Fizika tverdogo tela - Physics of the Solid State, 1979, vol. 21, no. 2, pp. 401-405.
GRATITUDE: The work is fulfilled under financial support of Russian Fund of Fundamental Research (grant no. 16-03-00248).
Received 10 April 2016
Сурсаева Вера Григорьевна, Институт физики твердого тела РАН, г. Черноголовка, Российская Федерация, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник, e-mail: sursaeva@issp.ac.ru
Sursaeva Vera Grigorevna, Institute of Solid State Physics RAS, Chernogolovka, Russian Federation, Candidate of Physics and Mathematics, Senior Research Worker, e-mail: sursaeva@issp.ac.ru
Горнакова Алена Сеергеевна, Институт физики твердого тела РАН, г. Черноголовка, Российская Федерация, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник, e-mail: sursaeva@issp.ac.ru
Gornakova Alena Seergeevna, Institute of Solid State Physics RAS, Chernogolovka, Russian Federation, Candidate of Physics and Mathematics, Senior Research Worker, e-mail: alenahas@issp.ac.ru
Прокофьев Сергей Ильич, Институт физики твердого тела РАН, г. Черноголовка, Российская Федерация, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник, e-mail: prokof@issp.ac.ru
Prokofev Sergey Ilich, Institute of Solid State Physics RAS, Chernogolovka, Russian Federation, Candidate of Physics and Mathematics, Senior Research Worker, e-mail: prokof@issp.ac.ru
