Podwójne Powiązania Kryształów: Siatka Punktów Współpadających i Granica Sigma-3

Powłoka w kryształu

Granica ziaren krystalicznych to po prostu interfejs, gdzie dwie strefy tego samego kryształu spotykają się o różnych orientacjach. Granica podwójna jest specjalnym, wysoce uporządkowanym przypadkiem: pryzmat układu siatki po jednej stronie jest lustrzanym odbiciem (lub okreconym obrotem) siatki po drugiej stronie, co oznacza, że atomy na płaszczyźnie granicznej są współdzielone spójnie przez oba ziarenka – nie ma rozłączonych wiązań, ani zaburzonych stref przejściowych, tylko siatka, która zmienia orientację czysto w jednym atomowym planie.

Pomiar jakości dopasowania granicy: CSL

Nie każda para orientacji tworzy dobrej jakości granicę. Model siatki koincydencji miejsc (CSL) analizuje dwie przenikające się siatki i sprawdza, jaki ułamek miejsc w siatce pokrywa się dokładnie. Ten ułamek wyrażony jest jako 1/Σ, gdzie Σ (zawsze liczba nieparzysta dla kryształów kuliastosych) jest odwrotną gęstością miejsc koincydencji:

Sigma = (objętość superlattixa z miejsc koincydencji) / (objętość jednostkowej komórki kryształu)

Sigma = 1 -> oba krystalitów stanowią jeden kryształ (brak granicy)

Sigma = 3 -> klasyczna jednolita granica dwuwymiarowa w metalach FCC

niskie Sigma -> więcej miejsc koincydencji, zazwyczaj niższa energia granicy

Jednolita granica dwuwymiarowa w metalu kuliściecznym, takim jak miedź lub stal astenitowa, to siatka koincydencji: w każdym trzecim atomie na płaszczyźnie interfejsowej znajduje się atom zajmujący miejsce współdzielone przez oba krystality. Energia granicy jest wtedy wyjątkowo niska (często poniżej dziesiątej części energii losowej granicy o dużym kącie), a granica jest zasadniczo nieruchoma w normalnych warunkach, ponieważ jej przesunięcie wymagałoby przerwania tego specjalnego koincydencji.

Sigma = (volume of the coincidence-site superlattice)
        / (volume of one crystal's unit cell)

  Sigma = 1   -> the two grains are actually one crystal (no boundary)
  Sigma = 3   -> the classic coherent twin boundary in FCC metals
  low Sigma   -> more coincident sites, generally lower boundary energy

Dlaczego niektóre granice poruszają się, a inne nie

Mobilność granic ziarnowych podczas wyżarzania lub deformacji silnie zależy od tego współwystępowania. Granice o wysokiej sumie (Σ) i losowe, pod kątem wysokim, są strukturalnie zdezorganizowane i migrują stosunkowo łatwo, co jest przyczyną wzrostu ziarna oraz recrystalizacji materiałów. Granice o niskiej sumie (Σ), zwłaszcza trójkrawędziowe bliźniczki (Σ3 twins), są strukturalnie specyficzne, o niskiej energii i stosunkowo nieporuszone – pełnią rolę punktów blokujących, które opóźniają wzrost ziarna i mogą zatrzymać rozprzestrzeniający się pęknięcia, co jest jedną z przyczyn, dla których bliźniczki są celowo wprowadzane do niektórych stopów.

Dwa sposoby powstawania bliżeniów

Bliżenice wzrostowe powstają podczas krystalizacji lub depozycji cienkowarstwowej, kiedy energetycznie jest tańsze dla kryształu nakłonić się w bliźniaczej orientacji niż tworzyć defekt wokół rozbieżności – to typowe dla minerałów takich jak kwarc i feldspar, a także dla elektrowodnych lub parowo-wodniczych powłok.

Bliżenice deformacyjne powstają, gdy kryształ jest poddawany dużemu naprężeniu tak szybko lub w tak niskiej temperaturze, że ślizg dyslokacji nie nadąża, a zamiast tego siatka kooperatywnie odkształca się płaszczyzną po płaszczyźnie do odbitego ułożenia – to mechanizm odpowiedzialny za prążkowane paski Neumanna obserwowany w meteorytach obciążonych szokiem oraz w tytanie i magnezji posiadających bliźniace deformacje mechaniczne.

Plastyczność indukowana twinningiem w stali

Niektóre stopy stali o wysokiej zawartości manganu są zaprojektowane tak, aby ulegały deformacji poprzez twinning, a nie zwykłe ścinanie – tzw. stopy TWIP (twinning-induced plasticity). Podczas rozciągania materiału gęsta sieć nanoskalowych podwójnych zrywów stale dzieli ziarna, stale tworząc nowe przeszkody granicy podwójnej, które blokują ruch dyslokacji (dynamiczny efekt Hall–Petch). Rezultatem jest rzadka kombinacja bardzo wysokiej wytrzymałości i bardzo wysokiej plastyczności jednocześnie, dlatego stopy TWIP są wykorzystywane w elementach konstrukcyjnych krytycznych pod względem bezpieczeństwa w niektórych nadwozach samochodów.

Frequently asked questions

Wypróbuj na żywo

Wszystko powyżej działa bezpośrednio w Twojej przeglądarce — otwórz Crystal Twinning i zmieniaj parametry podczas działania. Nic nie jest instalowane ani przesyłane na serwer, cały model działa w jednej karcie.