Современная классификация структур материалов

Под понятием структура (от лат. Structura – строение, расположение, порядок) подразумевается совокупность устойчивых связей рассматриваемого объекта. При исследовании материалов имеют в виде морфологию и внутренне строение. В большинстве случаев имеют дело с кристаллитами – реальными кристаллами. Структура реальных материалов – сложная динамическая система со свойствами нелинейности, неравновесности и необратимости.

Известно, что многие практически важные свойства кристаллов зависят не столько от правильного, периодического расположения атомов в объеме, сколько от различного типа нарушений этой периодичности. Исследование дефектов кристаллического строения является одной их важнейших задач современного материаловедения.

Реальные структуры материалов формируются в результате таких процессов, как первичная кристаллизация, пластическая деформация, фазовые переходы в твердом состоянии (вторичной кристаллизации или перекристаллизации) и рекристаллизации после деформационного упрочнения.

В металлографии размерный ряд структур традиционно подразделяют на четыре группы:

- Макроструктура (размеры крупных зерен, различные крупные включения, вид излома);

- Микроструктура (отдельные структурные составляющие в зеренном размере, дендриты, границы зерен);

- Субструктура (Структура внутри зерен, дислокации и их скопления, полигоны, ячейки, фрагменты);

- Субмикроструктура (точечные дефекты строения кристаллических решеток, размер решеток и их тип). Дополнительное название этой группы – рентгеноструктура, так как основным методом ее изучения является рентгеноструктурный анализ.

Однако успехи физики конденсированного состояния, механики твердого деформируемого тела и материаловедения привели к необходимости установления общего подхода к иерархии любых структур в этих науках.

Согласно представлениям, основанных на данных последнего времени целесообразно выделить три основных уровня исследования структуры материалов.

Макроструктурный уровень охватывает большие размерные интервалы (10^-3 – 10^{-1 м) объемных дефектов и включает изломы, несплошности (поры включения), микротрещины, исследует дендритное и октаэдрическое строение, размеры зерен и их ориентацию, особенности структурных составляющих. Основной метод макроструктурных исследований реализуется на базе оптической микроскопии до увеличений}

2 000х. Пластическая деформация на макроструктурном уровне описывается классической механикой с возможным учетом реальной структуры. Напряжения, вызывающие пластическую деформацию на макроструктурном уровне называют напряжениями первого рода, уравновешивающиеся в объеме всего образца (детали, заготовки и.т.п.).

Микроструктурный уровень включает дефекты строения кристаллических решеток (точечные и линейные дефекты) с малыми размерами (10^-10 – 10^{-7 м). К этому уровню следует отнести и наноструктуры}

(10^{-9 м). Основными методами исследований микроструктурных дефектов (вакансий, смещенных и внедренных атомов, отдельных дислокаций) являются рентгеноструктурный анализ, высокоразрешающая трансмиссионная (просвечивающая) электронная микроскопия, туннельная и автоионная микроскопия и др. Эти современные методы исследования позволяют исследовать объекты при увеличениях до 2 000 000х.}

Пластическая деформация на микроструктурном уровне описывается классической теорией дислокаций, которая успешно учитывает реальные микродефекты, но при этом значительные трудности возникают в количественных расчетах внутренних напряжений, которые называют напряжениями третьего рода, уравновешивающиеся в объеме кристаллической решетки.

Мезоструктурный уровень является промежуточным размерным интервалом (10^-7 – 10^{-3 м) между макро и микроуровнями и одновременно связывает их в единый структурно-физический ряд.}

Мезоструктура - это структура внутри зерна: дислокации и их ансамбли, дисклинации, блоки, фрагменты, ячейки, полигоны, их размеры и ориентация.

Основными методами исследований мезодефектов является просвечивающая электронная микроскопия, использующая увеличение объекта от 2 000 до 20 000х. Напряжения, вызывающие возникновение дефектов структуры на этом уровне – это напряжения второго рода, уравновешивающиеся в объеме зерна.

Методы исследования структур желательно использовать в связи с другими методами исследования свойств материалов: механическими, физическими и др.