В условиях, исключающих множественное образование зародышей, в расплаве растет один кристалл (монокристалл). Существуют следующие методы выращивания монокристаллов:
а) введение в непереохлажденный расплав затравки (кристалла того же металла) и отвод тепла через нее, что исключает образование новых зародышей;
б) расплавление металла в лодочке и постепенное извлечение ее из печи;
в) перемещение нагретой зоны вдоль длинного тигля. В зоне нагрева происходит плавление, а затем, при удалении печи, кристаллизация на затравке. Этот метод зонной плавки используется и для очистки металла от примесей;
г) кристаллизация из раствора, в частности, при электроосаждении;
д) рост из газовой фазы – десублимация.
Последние два способа получения кристаллов отличаются от выращивания их в расплаве.
Промышленные отливки состоят обычно из большого числа кристаллов (зерен) и являются таким образом поликристаллическими. Поликристаллический металл обычно состоит из различно ориентированных зерен. Вследствие взаимодействия упаковка атомов в пограничном слое соприкасающихся кристаллов искажена. Под влиянием атомов одного зерна пограничные атомы стремятся занять одни положения (соответствующие размещению атомов данного кристалла), а под влиянием атомов соседнего, иначе ориентированного зерна, — другие положения. В результате размещение пограничных атомов будет компромиссным и всегда менее правильным, чем внутри кристалла. Пограничные атомы, выведенные из тех глубоких потенциальных ям, в которых они находятся при правильной упаковке, обладают избыточной энергией. Работу образования единицы межзеренной поверхности называют удельной межзеренной поверхностной энергией (натяжением).
При изменении относительной ориентации соприкасающихся зерен меняются строение пограничного переходного слоя и величина межзеренного натяжения. При малой разориентации кристаллические решетки сопрягаются на большей части межзеренного контакта при незначительных смещениях атомов. Лишь в отдельных участках границах сопряжение плохое и степень беспорядка в упаковке атомов велика. При большой разориентации зерен сопряженность невозможна и упаковка пограничных атомов почти повсеместно становится неправильной. Возможные виды упаковки атомов в пограничных слоях и соответствующие им значения межзеренной поверхностной энергии (γ) показаны на рис.1.
Величина смещений атомов относительно узлов решетки уменьшается с удалением от границы и зависит от разориенации зерен. Когда она невелика, смещения атомов малы. С увеличением разориентации кристаллов смещения увеличиваются.
Ширина границы зависит от разориентации зерен и наличия примесей. В чистых металлах пограничный слой, по-видимому, не шире нескольких межатомных расстояний. В технических металлах он шире, поскольку атомы и включения примесей, попадающие в пограничные слои, усиливают нарушения порядка.
Поскольку размещение атомов в межзеренной зоне менее правильно, чем внутри кристалла, переходы их из одних положений в другие происходят чаще. Особенно легко перемещаются атомы в рыхлом пограничном слое с высокой концентрацией вакансий. Энергия активации граничной диффузии в 2-3 раза меньше, а скорость в тысячи раз больше, чем в объеме кристаллов. Это различие диффузионной подвижности атомов ослабляется с уменьшением разориентации зерен.
Поскольку атомы на границе связаны друг с другом обычно слабее, чем внутри, при травлении шлифа образуются углубления. Эти углубления не всегда соответствуют границам кристаллов. Иногда углубления образуются между ветвями одного дендрита, особенно при скоплении здесь примесей. В этом случае граница не является непрерывной, поскольку каждая ветвь связана с другой ветвью более низкого порядка.
