Спосіб визначення енергії границь розділу в голчастих зразках з бамбуковою структурою

Реферат: Спосіб визначення енергії границь розділу в голчастих кристалах з бамбуковою структурою, причому значення енергії визначають завдяки вимірюванню параметрів діючого електричного поля на зразок під час його розриву по границі міжзеренного сполучення при об'ємному скануванні в польовому іонному мікроскопі, причому шукану величину розраховують за формулами в залежності від знання відповідних характеристик кристалічної решітки зразка та вимірюваних параметрів: UA 93787 U (54) СПОСІБ ВИЗНАЧЕННЯ ЕНЕРГІЇ ГРАНИЦЬ РОЗДІЛУ В ГОЛЧАСТИХ ЗРАЗКАХ З БАМБУКОВОЮ СТРУКТУРОЮ UA 93787 U UA 93787 U 5 10 15 Корисна модель належить до галузі металознавства, а саме визначення властивостей полікристалічних матеріалів. Відомі способи визначення енергії міжзеренних границь у полікристалах базуються на вимірюванні рівно зважених конфігурацій трьох стикованих границь розділу [Келли Α., Гровс Г. Кристаллография и дефекты в кристаллах. - Μ.: Мир, 1974. - 496 с. Г. Гляйтер, Б. Чалмерс. Большеугловые границы зёрен. - М.: "Мир", 1975. - 375 с]. Недоліком цих способів є необхідність абсолютного знання параметрів однієї з цих границь, яка є еталонною. В основу корисної моделі поставлено задачу визначення абсолютного значення енергії міжзеренної чи міжфазної границі в голчастих зразках з бамбуковою структурою. Запропонований спосіб визначення абсолютного значення енергії міжзеренної чи міжфазної границі в голчастих зразках з бамбуковою структурою, здійснюють у польовому іонному мікроскопі (ПІМ) при умові, коли площина залягання границі нормальна вісі зразка (Фіг.1), де 1 перший мікрокристал; 2 - міжзеренний прошарок; 3 - другий мікрокристал. Спостереження подібних границь вперше було виконано заявником у співавторстві [Гарбер Р.И., Афанасьев В.И., Михайлов А.Ф., Левандовский Б.И. Автоионномикроскопическое исследование межзеренной прослойки в вольфраме. Известия вузов. - Физика. 1971. - № 2. - С. 122-123.]. Під дією електричного поля в ПІМ виникає механічне напруження σ n нормальне до поверхні зразка:  n  0,5 0 U / 2R2 , (1) 20 25 30 35 де ε0 - електрична стала; β - фактор електричного поля в ПІМ; U - різниця потенціалів між зразком та екраном; R - радіус кривизни верхів'я голчастого зразка. Під дією згаданого напруження (1) відбувається руйнування зразка, що має бамбукову структуру (Фіг. 2), по межі спайності, тобто по міжфазній чи міжзеренній границі, де R1, R2, R3 радіуси верхів'я зразка, О1, О2, О3 - центри відповідних напівсфер. Вважаючи таке інтеркристалічне руйнування ідеально крихким, роботу виникнення одиниці площі нової поверхні обчислюють за формулою: σna = γеф (2) де а - параметр кристалічної решітки; γеф - ефективна енергія, яка припадає на одиницю площі поверхні, що виникає. Оскільки границями розділу в полікристалах є ділянки, де сполучаються зерна однієї чи різних фаз, тому більша частина атомів в цих ділянках зміщена з позицій, котрі вони займають у досконалій кристалічній решітці. Отже, енергія атомів на границі розділу вище, ніж у атомів досконалої решітки. Ефективну енергію, що виникає під час ідеально крихкого розривання зразка, представимо співвідношенням [Трефилов В.И., Мильман Ю.В. Фирстов С.А. Физические основы прочности тугоплавких металлов. - К.: Наукова думка, 1975. - 315 с.]: 1 2  еф     r , (3) 40 де γ - поверхнева енергія металу відносно вакууму; γr - енергія границі розділу. Абсолютні значення γr та γеф залежить від низки факторів: кут стикування зерен, кристалічна структура, фазовий склад. Враховуючи записані вище рівняння, енергію границь розділу обчислюють за формулою:  r  2  0,5 0 aU / 2R2 45 50 Якщо поверхнева енергія металу відносно вакууму не відома, її можливо визначити під час транскристалітнього розриву іншого зразка даного хімічного складу [Дранова Ж.И., Дьяченко A.M., Михайловский И.М. Зависимость свободной поверхностной энергии от размера микрокристаллов. - УФЖ, 1971. – 16, № 1. - С. 155-157.]:   0,5  0 a , (5) де О*о - теоретична межа міцності кристалу. Враховуючи останній вираз, отримаємо ще одне співвідношення для обчислення енергії границі розділу:  r  a  0  0 U / 2R2 55  . (4)  (6) Приклад 1. Використання даних для вольфраму марки ВА-3 [Гарбер Р.И., Афанасьев В.И., Михайлов А.Ф., Левандовский Б.И. Автоионномикроскопическое исследование межзеренной прослойки в вольфраме. Известия вузов. - Физика, 1971. - № 2. - С. 122-123.] та [Дранова Ж.И., Дьяченко A.M., Михайловский И.М. Зависимость свободной поверхностной энергии от размера 1 UA 93787 U 5 10 15 20 микрокристаллов. - УФЖ, 1971. – 16, № 1. - С. 155-157.] дозволило отримати чисельні значення для енергії границі та ефективної енергії: γr=0,85 Дж/м2 та γеф = 2,42 Дж/м2. Отримані результати з одного боку підтверджують результати, отримані іншими згаданими вище способами, а з другого - є ілюстрацією запропонованого способу визначення енергії границь та ефективної енергії. Вірогідність знаходження згаданих вище границь розділу у промислових матеріалах дуже мала. Для підвищення вірогідності спостереження таких границь в ПІМ видається необхідним вихідні дротяні заготовки чи голчасті зразки піддавати рекристалізаційному відпаленню до виникнення бамбукової структури та змінювати фізичні умови спостереження зразків в ПІМ [Ксенофонтов В.А., Соданов Е.В., Михайловский М.Н., Великондная О.А. Полевая ионная микроскопия объектов микрометрового масштаба. Письма в ЖТФ, 2005. - Т. 31. - Вып.20. - С. 76-81.]. Запропонований спосіб визначення енергії границь розділу в голчастих кристалах з бамбуковою структурою за відсутністю еталонних границь з відомою енергією, суттєво відрізняється від традиційних вимірювань тому, що відбувається на атомному рівні в польовому іонному мікроскопі (ПІМ) завдяки об'ємному скануванню зразка за допомогою атомного випаровування поверхні діючим електричним полем на зразок. Технічний результат: запропонований спосіб дає можливість не тільки визначити абсолютні значення енергії границь розділу в голчатих зразках з бамбуковою структурою, але й дозволяє визначити ефективну енергію, котра приходиться на одиницю площі поверхні, що виникає. Використання запропонованого способу дозволяє отримати низку абсолютних значень енергії границь розділу з різноманітними кутовими співвідношеннями і це буде досить актуальним для порівняння з теоретичними значеннями енергій зазначених границь. 25 ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 30 Спосіб визначення енергії границь розділу в голчастих кристалах з бамбуковою структурою, який відрізняється тим, що значення енергії визначають завдяки вимірюванню параметрів діючого електричного поля на зразок під час його розриву по границі міжзеренного сполучення при об'ємному скануванні в польовому іонному мікроскопі, причому шукану величину розраховують за формулами в залежності від знання відповідних характеристик кристалічної решітки зразка та вимірюваних параметрів:  r  2  0,5 0aU / 2R2  35 або 40 де r - абсолютне значення енергії міжзеренного сполучення;  - поверхнева енергія енергії металу відносно вакууму; а - параметр кристалічної решітки метала; 0 - електрична стала; β - фактор електричного поля, що діє на зразок з радіусом R кривизни його верхів'я з різницею потенціалів U між зразком та екраном; 0 - теоретична межа міцності кристалу.  r  a  0  0 U / 2R2 , 2 UA 93787 U Комп’ютерна верстка О. Рябко Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 3