Двойникование кристаллов: механизм и виды

Двойникование кристаллов это перестройка части кристаллической решётки в положение, зеркальное по отношению к исходному. Граница между двумя областями называется плоскостью двойникования: по одну сторону от неё атомы лежат как в исходном кристалле, по другую как его зеркальное отражение. В отличие от обычного скольжения, где целые плоскости проскальзывают друг относительно друга на одинаковые векторы, при двойниковании каждая последующая атомная плоскость смещается на строго пропорциональную её расстоянию от границы величину, и решётка переориентируется как единое целое.

Ниже разберём, чем двойникование отличается от скольжения, какие бывают двойники, при каких условиях этот механизм включается и как он сказывается на прочности и пластичности. Если нужно решить конкретную учебную задачу, заполните форму.

Что такое двойник и плоскость двойникования

Двойник это сросток двух кристаллов одной фазы, ориентированных закономерно относительно друг друга: одна часть переходит в другую отражением, поворотом или инверсией по строго определённому элементу симметрии. Чаще всего речь идёт о зеркальном отражении в кристаллографической плоскости, которая и называется плоскостью двойникования (плоскость двойникования $K_1$).

На схеме обложки видно главное: атомы по обе стороны границы лежат в узлах одной и той же решётки, но решётка справа повёрнута зеркально. Граница оказывается когерентной, то есть атомные ряды по обе стороны от неё стыкуются без разрывов и оборванных связей. Именно поэтому когерентная двойниковая граница обладает очень низкой энергией и почти не мешает прохождению, например, тепла или электронов сквозь кристалл.

Двойниковую ориентацию описывают четырьмя кристаллографическими элементами: плоскость двойникования $K_1$, плоскость сдвига $K_2$, направление сдвига $\eta_1$ и направление $\eta_2$. Величина сдвига $s$ зависит от структуры: для ОЦК-железа по системе $\{112\}\langle111\rangle$ она равна $s = 1/\sqrt{2} \approx 0{,}707$, для ГЦК-металлов по системе $\{111\}\langle112\rangle$ тоже $s \approx 0{,}707$. Эта величина фиксирована для данной решётки, тогда как при скольжении сдвиг может быть любым.

Деформационные двойники и двойники роста

Рассчитать для своей задачи

По происхождению двойники делят на три большие группы.

• Двойники роста. Возникают прямо при кристаллизации из расплава или раствора, когда зародыш закладывается с зеркально-ошибочной ориентацией и дальше растёт уже как двойник. Типичный пример отжиговые двойники в латуни и аустенитной нержавейке: при рекристаллизации новое зерно нередко содержит ровные параллельные полосы двойников.
• Деформационные (механические) двойники. Образуются под нагрузкой как один из способов пластической деформации. Это быстрый, почти бездиффузионный процесс: область решётки скачком переходит в двойниковую ориентацию. В стали такие двойники называют полосами Неймана.
• Двойники превращения. Появляются при полиморфных переходах и мартенситном превращении, когда новая фаза вынуждена согласовать свою форму с матрицей и делает это, чередуя двойниковые варианты.

На схеме слева деформационный двойник: атомные плоскости сдвинуты последовательно стрелками сдвига, и решётка постепенно переходит в зеркальное положение. Справа двойник роста два готовых блока, сросшихся вдоль общей когерентной границы.

Двойникование против скольжения

Скольжение и двойникование это два конкурирующих механизма пластической деформации, и понять разницу между ними важнее всего. При скольжении дислокации движутся по плоскостям, и соседние участки кристалла смещаются на целое число векторов Бюргерса при этом кристаллографическая ориентация решётки не меняется. При двойниковании смещение каждой плоскости пропорционально расстоянию до границы, оно меньше межатомного, зато решётка меняет ориентацию.

Ключевые различия удобно держать рядом:

• Величина сдвига. При скольжении кратна вектору Бюргерса; при двойниковании дробная и строго фиксированная для решётки.
• Ориентация. Скольжение её сохраняет; двойникование переориентирует решётку зеркально.
• Скорость. Двойник зарождается почти мгновенно, иногда со звуковым щелчком (крик олова при изгибе как раз результат двойникования).
• Обратимость. Деформационный двойник может частично рассасываться при снятии нагрузки или нагреве.

Понять, как устроена сама решётка и чем отличаются её типы, помогает разбор кристаллической решётки ОЦК, ГЦК и ГПУ: от типа упаковки напрямую зависит, какие системы двойникования и скольжения вообще доступны.

Когда включается двойникование

Двойникование редко бывает основным механизмом деформации при комнатной температуре в пластичных металлах. Оно выходит на первый план, когда обычное скольжение затруднено. Условия, благоприятные для двойникования:

• Низкая температура. На холоде термически активируемое скольжение замедляется, а двойникование почти не зависит от температуры.
• Высокая скорость деформации. При ударе и взрыве дислокации не успевают перестроиться, и кристалл выбирает быстрый путь.
• Дефицит систем скольжения. В ГПУ-металлах (магний, цинк, титан, кадмий, бериллий) базисное скольжение даёт мало независимых систем, и двойникование берёт на себя деформацию вдоль оси $c$.
• ОЦК-металлы на холоде. Железо, вольфрам, молибден при низких температурах дают полосы Неймана.

Поэтому двойникование особенно важно для гексагональных металлов: без него поликристалл магния или титана просто не смог бы деформироваться по всем направлениям и разрушался бы хрупко.

Как двойникование влияет на свойства

Рассчитать для своей задачи

Влияние двойникования двоякое и зависит от того, какие именно двойники присутствуют.

Деформационные двойники дробят зерно на узкие полосы и создают новые границы, которые тормозят дислокации. Это работает как дополнительное измельчение структуры и повышает прочность похоже на эффект Холла Петча, только границами служат двойниковые ламели. На этом основан класс сталей TWIP (twinning-induced plasticity), где интенсивное двойникование даёт одновременно высокую прочность и большое удлинение.

Двойники роста, особенно когерентные отжиговые двойники в меди и аустенитной стали, ведут себя иначе. Их граница имеет очень низкую энергию и почти не рассеивает носители заряда, поэтому нанодвойниковая медь сочетает прочность мелкозернистого металла с проводимостью, близкой к проводимости крупных кристаллов. Когерентные двойниковые границы заметно прочнее обычных большеугловых.

На шлифе двойники видны как прямые параллельные полосы внутри зерна (на схеме они пересекают зерно ровными лентами). По таким полосам металловед сразу опознаёт и сам факт двойникования, и его тип отжиговые двойники широкие и с ровными краями, деформационные тонкие, часто линзовидные.

Двойникование в минералах

Двойники характерны не только для металлов. В минералогии двойникование один из ключевых диагностических признаков. Полисинтетические двойники плагиоклазов дают на сколе тонкую штриховку, по которой их отличают от калиевых полевых шпатов. Карлсбадские двойники ортоклаза, коленчатые двойники рутила и кассерита, двойники прорастания флюорита всё это закономерные сростки по конкретным плоскостям. Механизм тот же зеркальная переориентация решётки, но в минералах двойники чаще ростовые, заложенные при кристаллизации.

Частые ошибки

• Путают двойникование со скольжением. Главный признак двойника переориентация решётки и фиксированный дробный сдвиг; скольжение ориентацию сохраняет.
• Считают все двойники результатом деформации. Большинство двойников в латуни, меди, аустените это отжиговые двойники роста, а не следы нагрузки.
• Думают, что двойникование всегда снижает пластичность. В ГПУ-металлах и TWIP-сталях оно, наоборот, главный источник пластичности.
• Игнорируют роль температуры и скорости. Один и тот же металл при медленной деформации в тепле скользит, а на холоде при ударе двойникуется.
• Считают границу двойника дефектом-помехой. Когерентная двойниковая граница имеет низкую энергию и часто улучшает, а не ухудшает свойства.

FAQ

Чем двойникование отличается от скольжения простыми словами? При скольжении части кристалла сдвигаются на целые межатомные шаги, а ориентация решётки остаётся прежней. При двойниковании часть решётки переходит в зеркальное положение: сдвиг каждой плоскости пропорционален расстоянию до границы и строго фиксирован для данной структуры.

Почему двойникование особенно важно для магния и титана? Это ГПУ-металлы с малым числом систем скольжения. Скольжение по базисной плоскости не позволяет деформироваться вдоль оси $c$, и двойникование берёт это направление на себя без него поликристалл был бы хрупким.

Двойники это всегда дефект и плохо? Нет. Когерентные двойниковые границы имеют низкую энергию, упрочняют металл, не ухудшая проводимости, и лежат в основе высокопрочных нанодвойниковых материалов и TWIP-сталей. Вред приносят скорее трещины, зарождающиеся на пересечении двойников.

Коротко

Двойникование это переориентация части кристалла в зеркальное положение через плоскость двойникования с фиксированным дробным сдвигом. Оно конкурирует со скольжением и побеждает там, где скольжение затруднено: на холоде, при ударе и в ГПУ-металлах с дефицитом систем скольжения. По происхождению двойники бывают ростовыми, деформационными и превращения. Когерентная двойниковая граница имеет низкую энергию, поэтому двойникование часто не ослабляет, а упрочняет металл и обеспечивает пластичность там, где одного скольжения не хватает.