CC BY
17
УДК 538.91
DOI: 10.20310/1810-0198-2016-21-3-1330-1333
ВЛИЯНИЕ ЗЕРНОГРАНИЧНОГО РЕБРА НА ДВИЖЕНИЕ ДВОЙНИКОВЫХ НЕКОГЕРЕНТНЫХ ГРАНИЦ
© В.Г. Сурсаева
Институт физики твердого тела РАН, г. Черноголовка, Российская Федерация, e-mail: sursaeva@issp.ac.ru
Представлены экспериментальные результаты изучения движения некогерентных двойниковых границ зерен в Zn. Изучено движение зернограничной системы из некогерентной и когерентных двойниковых границ с ребрами на них. Наблюдалось активационное и безактивационное движение некогерентных двойниковых границ. Безактивационное движение является следствием движения плоских участков границы с ребрами, углы в вершине которых превышают 90°. Определено значение энтальпии активации движения зернограничного ребра с углом в вершине 45°.
Ключевые слова: двойниковая некогерентная граница; зернограничная подвижность; зернограничное ребро; зернограничная фасетка.
Поликристалл представляет собой сетку связанных между собой тройными и четверными стыками границ зерен, свойства которых могут влиять на эволюцию микроструктуры, т. к. миграция одной границы зерна вызывает обязательно соответствующее движение других зернограничных элементов [1-2]. Следовательно, пониженная скорость миграции любого элемента окажет влияние на общее развитие зеренной структуры. Несмотря на то, что эти элементы являются деталями зеренной структуры, необходимыми для топологических связей в поликристалле [3], известно, что из-за анизотропии зернограничных свойств могут появляться другие элементы микроструктуры на самих границах. Так как поверхностная энергия границы зависит от ее пространственной ориентации, могут появляться плоские участки на границе с определенной ориентацией (фасетки). Влияние на границу зерна крутящего момента [4] вынуждает границу принимать форму с самой низкой энергией, как того требует минимум зер-нограничной энергии. Так как зернограничная энергия в значительной степени зависит от атомной структуры границы зерна, залегание фасеток в микроструктуре может существенно меняться в зависимости от характеристик самой границы зерна (угла разориентации, плоскости залегания границы). Хотя зернограничное фасетирование изучалось многочисленными исследователями, его влияние на зернограничную миграцию еще не понято, т. к. изучение влечет за собой изучение сложных динамических систем, например, рекристаллизацию или рост зерен, когда движение границ зерен подвергается влиянию множества факторов, что усложняет определение фундаментальных зависимостей микроструктурных параметров. Тем не менее, последние исследования показали [5-6], что фасетки и пересечение их друг с другом могут оказывать влияние на миграцию границ, если их кинетика отличается от кинетики границ зерен. В работе [5] детально разработана теория стационарного движения зернограничной полупетли с фасетками и ребрами, и приведена формула для
определения тормозящего влияния ребра Лг из измерений угла между касательными в вершине ребра 0.
Л.
9
cos 9
(1)
Чем больше значение угла, тем больше значение Лг и меньше его тормозящее влияние на движение границы. Впервые измерены важные кинетические параметры (подвижность и энтальпия активации миграции) зернограничного ребра первого рода, образованного скругленными участками границы [5].
Богатыми на экспериментальные результаты объектами исследования являются двойниковые границы, поскольку кристаллография двойниковых границ четко определена. Так как ребра между плоскими и скругленными сегментами двойниковых границ являются естественными образованиями, воспроизводимость экспериментальных результатов высокая. Однако экспериментально определенные значения подвижности двойниковых границ и влияние формы движущихся границ на подвижность даже на таких естественных объектах не легко интерпретировать.
Целью работы является количественное определение подвижности зернограничного ребра на двойниковой границе между плоскими участками границы. С помощью метода Бриджмена из цинка чистотой 99,999 % были выращены плоские монокристаллы цинка с нормалью [112о] к поверхности монокристалла [2; 5-6]. Отдельные продолговатые двойниковые пластины были получены деформацией монокристалла. Параллельные удлиненные стороны двойника сформированы когерентными симметричными двойниковыми границами (КДГ) (1102X // (1102)2 . Благодаря своей оптической анизотропии, цинк позволяет изучать форму границы с помощью поляризованного света. Стационарная форма мигрирующей вершины (некогерентной двойниковой границы, НКДГ) двойниковой пла-
стины была исследована in situ в высокотемпературной приставке к оптическому микроскопу в температурном интервале от 200 до 414 °С. В том же температурном интервале одновременно измерялась скорость миграции и, затем, рассчитывалась подвижность А. Форма границы фиксировалась в оптическом микроскопе в поляризованном свете с помощью цветной видеокамеры. Для плоской границы в вершине двойника, залегающей в локальном минимуме диаграммы Вульфа-Геринга, скорость нормального движения v определяется значением взвешенной средней кривизны, rm:
■ A ■ r
(2)
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 [7]. 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 длины величина, но зависящая от температуры по закону Аррениуса. Для двойников, рассмотренных в этой работе (рис. 1), значение взвешенной средней кривизны определяется выражением
2у
о
a sm а
(3)
а - ширина двойника; уо - энергия плоской границы на рис. 1, а угол плоской НКДГ с КДГ.
Для изучения влияния формы двойника на миграцию НКДГ использовались двойники шириной от 10 до 150 мкм. На двойниковых границах, как и на случайных и особых границах, существует особый вид линейных зернограничных дефектов - зернограничные ребра. Микрофотография рис. 1 показывает форму НКДГ в вершине двойниковых пластин в цинке при 414 °С. Форма вершины двойниковых пластин отличается радикально от скругленной формы границы зерна, имеющей вид полупетли в бикристаллах цинка [2]. Вершина двойника представляет собой плоскую границу, лежащую почти перпендикулярно к КДГ, и два ребра с углом 90° к КДГ (рис. 1). При 412 °С появляется фасетка (рис. 2), также представляющая собой плоский участок НКДГ, но расположенный под углом 135° к первоначальному положению плоской НКДГ. Ребро с углом 90° исчезает, и появляются два новых ребра, с углами в вершине 135°. С понижением температуры длина нового плоского участка увеличивается, а длина первоначального плоского участка уменьшается. При 340 °С остается новое положение НКДГ и два ребра под углом 45° и 135° к КДГ рис. 3. Новое положение плоского участка почти параллельно плоскости
(1100)!. Первоначально плоское положение плоского
участка почти параллельно плоскости (1102)2 .
На рис. 4 показана температурная зависимость подвижности НКДГ в интервале 340^414 °С. Подвижность А рассчитывалась по формулам (2) и (3) используя измеренные значения скорости движения V при условии
Рис. 1. Двойник шириной 135 мкм. Движущийся фронт представляет собой плоский участок НКДГ под углом 90° к КДГ. Температура изотермического отжига 414 °С
Рис. 2. Двойник шириной 135 мкм. Форма движущегося фронта изменилась: плоский участок НКДГ под углом 90° к КДГ сократился до 75 мкм, далее следует ребро между первоначальным и вновь образованным плоскими участками НКДГ с углом 135°, далее следует вновь образованный плоский сегмент НКДГ - под углом 135° к КДГ. Температура изотермического отжига 412 °С
Рис. 3. Двойник шириной 70 мкм. Движущийся фронт представляет собой плоский участок границы под углом 45° к КДГ. Температура изотермического отжига 340 °С
v
r
m
• о • п
С) • W .
; •
1.5 1.55 1.6 1.65 1.7 1.75
1/Т,К-1
Рис. 4. Температурная зависимость (300^380 °С) подвижности системы из плоских участков НКДГ и тремя ребрами, как показано на рис. 2. Ширина 10 мкм. Движение безактиваци-онное в пределах ошибки измерения
1.65 1.7 1.75 1.8 1.85 1.9 1.95 2 2.05 2. 1 1/Т, К-1
Рис. 5. Температурная зависимость (210^340 °С) подвижности системы из плоского участка НКДГ с двумя ребрами, как показано на рис. 3. Ширина 15 мкм. Энтальпия активации движения системы 0,25 эВ
стационарного движения границы с постоянной формой. Как видно, движение безактивационное. Это означает, что первоначально плоские участки границы перемещается с нулевой энтальпией активации и ребра не вносят существенного торможения.
На рис. 5 показана линейная (в Аррениусовских координатах) температурная зависимость подвижности НКДГ в интервале 200^340 °С, это означает, что миграция может быть описана с помощью единственного
значения энтальпии активации. Эффективная подвижность НКДГ в вершине двойниковой пластины в ходе совместного движения плоских участков и ребер является комбинацией их подвижностей. Но поскольку плоские участки перемещаются безактивационно и, согласно формуле (1), ребро с углом 135° не тормозит движение границы, значение энтальпии активации миграции 0,25 эВ относится к ребру между новым плоским участком и КДГ, угол, в вершине которого составляет 45°. Численное значение энтальпии активации в несколько раз меньше энтальпии активации зерно -граничных ребер на специальных границах зерен в цинке [5].
ВЫВОДЫ
1. Наблюдали за движением НКДГ в двойниках. Установили, что мигрирующая НКДГ при температурах 340^414 °С движется безактивационно.
2. Экспериментально показали, что ребра на двойниковых границах между плоскими участками НГДГ и КДГ с углами 90°^135° не тормозят движение НДГ.
3. Измерена энтальпия активации движения зерно-граничного ребра между плоскими участками КДГ и НКДГ с углом 45° , которая составляет 0,25 эВ.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Protasova S.G., Gottstein G., Molodov D.A., Sursaeva V.G., Shvin-dlerman L.S. Triple junction motion in aluminum tricrystals // Acta Mater. 2001. V. 49. P. 2519-2525.
2. 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.
3. Rhines R.N. Microstructology: Behaviour and Microstructure of Materials. Stuttgart: Dr. Riederer-Verlag, 1886.
4. Barrales Mora L.A., Mohles V., Gottstein G., Shvindlerman L.S. Network and vertex models for grain growth // Fundamentals of modeling for metals processing, ASM handbook. Ohio, 2009. V. 22.
5. 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.
6. 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.
7. Straumal B.B., Rabkin E., Gornakova A.S., Sursaeva V.G., Gornako-va A.S. Faceting and migration of twin grain boundaries in zinc // Z. Metallkd. 2005. V. 2. P. 161-166.
БЛАГОДАРНОСТИ: Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (грант № 16-03-00248).
Поступила в редакцию 10 апреля 2016 г.
-10
10
-11
10
-12
10
-10
10
S 10-11
-12
10
-13
10
UDC 538.91
DOI: 10.20310/1810-0198-2016-21-3-1330-1333
THE INFLUENCE OF GRAIN BOUNDARY RIDGE ON INCOHERENT TWIN GRAIN BOUNDARY MIGRATION
© V.G. Sursaeva
Institute of Solid State Physics RAS, Chernogolovka, Russian Federation, e-mail: sursaeva@issp.ac.ru
Migration of incoherent twin grain boundary in Zn|ii2oJ flat single crystals has been investigated. The steady state shape of the migrating incoherent twin grain boundary of the twin plate tip was studied and migration velocity was measured in situ in the range from 200 to 412 °C using polarized light. Above 340 °C the incoherent twin grain boundary represents the facet which forms at a 90° angle to the coherent twin grain boundary and demonstrates nonactivated motion. Below 340 °C the incoherent twin grain boundary represents the facet which forms at a 45° angle to the coherent twin grain boundary and moves at very low experimentally determined activation enthalpy 0.25 eV. We suppose grain boundary ridge with angle in the tip more then 90° do not drags the twin grain boundary motion, and less than 90° - drags. Key words: incoherent twin boundary; non-activated migration; grain boundary ridge.
REFERENCES
1. Protasova S.G., Gottstein G., Molodov D.A., Sursaeva V.G., Shvindlerman L.S. Triple junction motion in aluminum tricrystals. Acta Mater, 2001, vol. 49, pp. 2519-2525.
2. 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.
3. Rhines R.N.Microstructology: Behaviour and Microstructure ofMaterials. Stuttgart, Dr. Riederer Publ., 1886.
4. Barrales Mora L.A., Mohles V., Gottstein G., Shvindlerman L.S. Network and vertex models for grain growth. Fundamentals of modeling for metals processing, ASM handbook. Ohio, 2009, vol. 22.
5. 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.
6. 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.
7. 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. 2, pp. 161-166.
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
