Файл: Лодиз, Р. Рост монокристаллов.pdf

вырастили кристаллы железа методом деформационного отжига. Этим способом удается выращивать кристаллы железа удовлет­ ворительного качества, но условия выращивания сильно зави­ сят от чистоты исходного материала. Железо с содержанием свыше 0,05% углерода (мягкая сталь) не рекристаллнзуется. Для рекристаллизации требуется его обезуглероживание в вос­ становительной атмосфере (до концентрации углерода —• 0,01 % ) . Проще же взять армко-железо или железо вакуумного пере­ плава (99,99%). Оптимальный размер зерен в исходном мате­ риале составляет около 0,1 мм. Как правило, образцы предвари­

ванием зародышей целесообразно локализовать область крити­ ческой деформации [40]. После создания критической деформа­ ции поверхностные слои стравливают или удаляют электрополи­ ровкой. Затем образец отжигают 72 ч при 880—900 °С. Отжиг в поле температурного градиента, по-видимому, улучшает ка­ чество материала [39, 42]. Иногда после окончания ростового от­ жига поверхностный поликристаллический слой образца необхо­ димо стравить, чтобы выявить крупные кристаллы.

В очень чистом железе (существенно выше 99,99%) отчетливо проявляется тенденция (как и в случае алюминия) к полигонизации, благодаря чему выращивание крупных кристаллов прихо­ дится проводить специальными технологическими приемами. Ча­ ще всего в этом случае в металл добавляют углерод и затем образцы отжигают в восстановительной атмосфере, чтобы удалить большую часть углерода из выращенных кристал­ лов [7].

По-видимому, существует тенденция к росту сдвойникованных кристаллов с преимущественной ориентацией. Аллен и др. [41] отметили преобладание направлений, близких к (011). Кри­ сталлы с заданной ориентацией выращивались по методу Фудзивары [27, 39, 72]. В этом методе один конец образца, в котором предварительно создана критическая деформация, помещают в отжиговую печь с температурным градиентом. Через некоторое время рост прерывают и образец разрезают таким образом, что­ бы монокристальное зерно с нужной ориентацией превалировало на поверхности роста. Затем образец изгибают так, что это «затравочное» зерно в процессе последующего отжига вызывает развитие нужной ориентации в остальном объеме стержня. Спе­ циальные технологические приемы позволяют выращивать кри­ сталлы с требуемой ориентацией по всему объему образца: уда­ лось даже вырастить стержень, содержащий всего лишь два монокристалла [73]. В табл. 4.1 обобщены способы выращива­ ния кристаллов железа.

162 Р. ЛОДЙЗ. POCt МОНОКРИСТАЛЛОВ

материала. Следовательно, ряд металлических систем, рост зе­ рен в которых можно по формальным признакам рассматривать как спекание, фактически уже был рассмотрен в разд. 4.2. По­ этому в настоящем разделе обсуждение ограничивается спека­ нием одних неметаллов, хотя в ряде случаев упоминаются и металлы.

Кристаллы гранатов размером до 5 мм удавалось выращи­ вать спеканием поликристаллического порошка иттрий-желези­ стого граната Y3 Fe5 0j2 при температурах выше 1450 °С [74]. Образование довольно крупных зерен медно-марганцевого феррита наблюдалось Харрисоном [75]. Посредством спекания выращивали довольно крупные кристаллы ВеО [76], А1 2 0 3 [77] и Zn [78, 7]. В общем пока что спеканием эффективнее всего вы­ ращиваются кристаллы в неметаллических системах. Не исклю­ чено, что это объясняется меньшей изученностью воможностей выращивания кристаллов металлов посредством спекания из-за наличия иных эффективных способов. Бурке [79] установил, что неорганические керамические материалы гораздо пористее ме­ таллов и что поры подавляют рост всех зерен, кроме отдельных, которые и разрастаются в пористом материале до больших раз­ меров. Присадки, например MgO к А12 03 [80] или Ag к Аи [78],

Zn [78]. Механизм действия этих присадок не ясен. Несомненно влияние первоначального размера зерен. Спекание мелкозерни­ стой окиси алюминия А12 0з проходит с трудом, по «затравки» несколько помогают росту [7].

материалов. При производстве последних большой размер зе­ рен, как правило, нежелателен, поскольку множество мелких кристаллов обеспечивают характерную для керамики изотроп­ ность свойств. При горячем прессовании давление должно быть достаточно большим, чтобы обеспечить уплотнение материала, а температуру выбирают таким образом, чтобы, с одной стороны,

ную миграцию границ зерен. Горячее прессование особенно эффективно для MgO и А12 03 . Постепенное повышение темпера­ туры в процессе прессования может приводить к заметному ро­ сту зерен при спекании, в результате чего часто образуются моно­ кристаллы, которые могут оказаться полезными. Остаточные деформации w в уравнении (4.2) можно увеличить до уровня, достигаемого ими при деформационном отжиге. При горячем прессовании продольное сжатие или растяжение часто более эффективно, чем всестороннее давление. Лодиз [81] наблюдал

4. РОСТ КРИСТАЛЛОВ В ПРОЦЕССЕ ТВЕРДОФАЗНОГО ПРЕВРАЩЕНИЯ 163

рост зерен ZnW0 4 при отжиге с одновременным сжатием, а Сел-

лерс и др. [82] по аналогичной методике выращивали кристаллы AI2O3 объемом до 7 см3 .

При выращивании посредством деформационного отжига значение w в уравнении (4.2) обусловлено деформацией, остаю­ щейся в образце из-за дефектов, образовавшихся при пластиче­ ском деформировании материала, после снятия деформирующего усилия. Из фиг. 4.2 видно, что остаточное напряжение на образце после снятия деформирующего усилия должно быть гораздо меньше Fb- Если предел упругости не превзойден (как правило, неметаллы тогда разрушаются), то сила, создающая w, может приблизиться к Fa. Поскольку Fa « Fb, a Fb вносит малый вклад в w после снятия деформирующего усилия, деформация w будет больше в том случае, когда усилие поддерживается на образце и в процессе отжига. Этот метод для металлов может быть даже более эффективным, чем деформационный отжиг, а для неметал­ лов является по существу единственным. Такой подход был использован Лодизом [81] при выращивании кристаллов ZnW04 , а также Селлерсом и др. [82] для А12 0з.

Вообще говоря, спекание малоэффективно в целях выращи­ вания кристаллов. Кристаллизация здесь не является само­ целью, а анализируется лишь для изучения процессов, протекаю­ щих при спекании, причем отдельные кристаллы образуются бо­ лее или менее случайно при изготовлении керамики.

4.4. РОСТ КРИСТАЛЛОВ П Р И ПОЛИМОРФНЫХ ПРЕВРАЩЕНИЯХ

Чтобы вырастить монокристалл нужной модификации в про­ цессе полиморфного превращения, необходима соответствующая методика для предварительного получения исходной полиморф­ ной модификации в виде монокристалла. Таким образом, поли­ морфный переход по существу представляет собой второй этап, следующий за первоначальным выращиванием. Как показывает практика, когда можно, целесообразнее сразу выращивать нуж­ ную полиморфную модификацию. Тем не менее известен ряд примеров, когда посредством полиморфного превращения уда­ валось выращивать монокристаллы. Некоторые основные пред­ ставления о полиморфных превращениях были изложены в разд. 2.3. Для осуществления фазового перехода необходимо варьировать давление или температуру, а иногда и оба эти пара­ метра одновременно. Обычно изменяют температуру при нор­ мальном давлении1 ).