Зачем металлу зёрна и что это такое?⁠⁠

Вероятно, вам приходилось слышать, что структура любого металла представлена зёрнами. Это не те зёрна, которые клюют куры и едят мыши. Но тогда какие?

Если распилить металлический образец, отшлифовать его и посмотреть на это творение в микроскоп, то увидишь особую структуру. Она так и называется - зернистая. Всё из-за схожего внешнего вида зерна для курицы и элемента структуры. Стандартный пример микроструктуры металла приведён на картинке ниже.

По параметрам зерна можно сделать полезные выводы о свойствах металла, с которым мы имеем дело. Поэтому, специфика металлических зёрен изучается материаловедами.

Вы наверняка уже слышали и про кристаллическое строение металлов. Большинство металлов в обычных условиях имеют именно кристаллическую структуру. Кристаллическая структура подразумевает кристаллическую решётку. А решётка состоит из элементарных ячеек. Это своеобразный "строительный блок", из которого потом строится вся решетка. На самом деле никаких решеток в реальности не существует. Это упрощение, которое позволяет описать закономерность расположения атомов в объеме.

Исходя из вида элементарной ячейки, если распилить металл, мы должны увидеть никакие ни зёрна, а именно кубики. Что-то типа армированного бетона. На деле же в микроскопе мы видим картинку, эквивалентную высохшей пустыне. Как такое получается?

Металл состоит из кристаллов, при этом кристаллы имеют характерные кристаллические решетки из элементарных ячеек. Из групп решёток построены и сами зерна.

Зёрна - это более крупные (чем решётка) объекты, в которых объединились сотни элементарных ячеек. Но почему тогда эти ячейки просто не объединялись одна за другой и так в объеме всего образца?

Вопрос правильный и очень хороший. Тут скажем вскользь, что бывают поликристаллические и монокристаллические тела. В монокристалле всё было бы именно так. Но преимущественно мы работаем с поликристаллами. А там есть границы зёрен.

Каждое зерно - это кристалл. Кристалл - это "группа" кристаллических решеток, объединенных в единое целое и образовавшая в итоге зерно. Зерна имеют самую различную форму и размеры, но преимущественно они выглядят примерно одинаково. Хитрая форма зерна, которая далеко не всегда правильная. Объясняется это тем, что кристаллическая решетка имеет незначительные размеры и нам кажется, что зерна имеют плавную границу. На самом же деле, если увеличить границу зерна, то она будет ступенчатая при больших масштабах.

И теперь самое важное. Многозернистость получается в результате того, что при формировании металла появляется множество центров кристаллизации, вокруг которых и начинают расти новые кристаллики. Энергетическая выгодность каждого из процессов определяет наличие множества маленьких кристаллов, вместо одного большого.

Кристаллик растёт и пока энергии на рост хватает, зерно увеличивается в размерах. Когда энергия израсходована, то рост останавливается. Зернышки располагаются друг от друга на близком расстоянии и растут не всегда равномерно. Так получается, что они контактируют и на механическом уровне, и оказывают друг на друга влияние на атомарном уровне. Это прослеживается на картинке выше.

Между зернышками образуются связи на уровне притяжения атомов и формируется целый материал. Это хорошо видно, например, вот здесь.

Границы зерен - это вечная аномальная зона. По сути дела это дефект. Там наблюдаются проблемы с прохождением электрического тока, там выделяются различные второстепенные фазы, ну а заодно там же меняются и механические свойства (и обычно не в лучшую сторону). Напрашивается каждый раз растить монокристалл, но это уже совсем другая история...

👉 Ну а здесь я собираю коллекцию информативных картинок, схем и gif. По ним проще и интереснее изучать физику.