基本介紹
- 中文名：晶界
- 外文名：grain boundary
- 又稱：晶粒邊界
- 實質：晶粒與晶粒之間的接觸界面
- 領域：冶金
- 分類：小角晶界，混亂大角晶界等
簡介,晶粒,晶界的研究,分類,三叉晶界,
簡介
在多晶體中，由於晶粒的取向不同，晶粒間存在分界面，該分界面，稱為晶界。由 於晶界連線著不同排列方向的晶粒，從一種 排列方向過渡到另一種排列方向，因此晶界 處的原子排列是不規則的，所以晶界上的原 子往往比晶粒內的原子具有更高的能量，當 晶粒間位向差別越大，在晶界處的原子排列 就越不規則。此外，金屬中的雜質往往易於 富集在晶界上。晶界的結構、成分和多少， 對金屬的各種性能和金屬內的各種過程 (如結晶、擴散、變形等) 有重大影響，金 屬中晶界愈多，即意味著晶粒愈細。
一般說 來，細晶粒金屬的機械性能 (強度、塑性和 韌性) 總是優於粗晶粒的金屬。根據相鄰晶 粒間位向差的大小，晶界可以分為小角度晶界及大角度晶界兩種，當位向差小於10°時稱 小角度晶界，它是由一系列相隔一定距離的 刃型位錯所組成，晶界層比較薄。當位向差 的角度大於10°時，金屬晶體中多數晶粒間 的位向差在30°～40°左右，因而其晶界多屬大角度晶界。
晶粒
結晶物質在生長過程中，由於受到外界空間的限制，未能發育成具有規則形態的晶體，而只是結晶成顆粒狀，稱晶粒，晶粒的內部晶胞方向與位置基本一致而外形不規則。有時候晶粒一詞也用來泛指岩石中晶質礦物的顆粒。此時又可根據其晶形發育程度分為：自形——具有該種礦物比較完整的應有的晶形特徵；半自形——僅具有該種礦物應有晶形的大致輪廊；他形——因受周圍晶粒的限制而生長成任意的不規則狀。
在燒結體內晶界移動有以下七種方式： 氣孔靠晶格擴散移動； 氣孔靠表面擴散移動； 氣孔靠氣相傳遞； 氣孔靠晶格擴散聚合； 氣孔靠晶界擴散聚合； 單相晶界本徵遷移； 存在雜質牽制晶界移動。
晶界的研究
由於晶界上兩個晶粒的質點排列取向有一定的差異，兩者都力圖使晶界上的質點排列符合於自己的取向。當達到平衡時，晶界上的原子就形成某種過渡的排列，其方式如圖4-14所示顯然，晶界上由於原子排列不規則而造成結構比較疏鬆，因而也使晶界具有一些不同於晶粒的特性。晶界上原子排列較晶粒內疏鬆，因而晶界易受腐蝕（熱侵蝕、化學腐蝕）後，很易顯露出來；由於晶界上結構疏鬆，在多晶體中，晶界是原子（離子）快速擴散的通道，並容易引起雜質原子（離子）偏聚，同時也使晶界處熔點低於晶粒；晶界上原子排列混亂，存在著許多空位、位錯和鍵變形等缺陷，使之處於應力畸變狀態。故能階較高，使得晶界成為富態相變時代先成核的區域。利用晶界的一系列特性，通過控制晶界組成、結構和相態等來製造新型無機材料是材料科學工作者很感興趣的研究領域。但是多晶體晶界尺度僅在0.lum以下，並非一般顯微工能研究的。而要採用俄歇譜儀及離子探針等。由於晶界上成分複雜，因此對晶界的研究還有待深入。
分類
有二種不同的分類方法，一種簡單地按兩個晶粒之間夾角的大小來分類。分成小角度晶界和大角度晶界。小角度晶界是相鄰兩個晶粒的原子排列組合的角度很小，約2～3°。兩個晶粒間晶界由完全配合部分與失配部分組成。當一顆晶粒繞垂直晶粒界面的軸旋轉微小角度，也能形成由螺旋位錯構成的扭轉小角度晶界。大角度晶界在多晶體中占多數，這時晶界上質點的排列已接近無序狀態。
另一種分類是根據晶界兩邊原子排列的連貫性來劃分的。當界面兩側的晶體具有非常相似的結構和類似的取向，越過界面原子面是連續的。這樣的界面稱為共格晶界。例如，氫氧化鎂加熱分解成氧化鎂，就形成這樣的間界。這種氧化物的氧離子密堆平面通過類似堆積的氫氧化物的平面脫氫而直接得到。因此當Mg（OH）。結構內有轉變為MgO結構的疇出現時，則陰離子面是連續的。然而，兩種結構的晶面間距彼此不同，分別為C1和C2，(C2-C1)/C1=Q被定義為品面間距的失配度。為了保個相或二個相發生彈性應變，或通過引入位錯來達到。失配度Q是彈性應變的一個量彈性應變的存在，使系統的能量增大，系統能量與cQ2成正比，C為常數。另一種類型的晶界稱做半共格晶界。在這種結構中，最簡單的看只有晶面間距C1比較小的一個相發生應變。彈性應變可以成引入半個原子晶面進入應變相下降，這樣就生成所謂界面位錯。位錯的引入、使在位錯線附近發生局部的晶格畸變。顯然晶體的能量也增加。
三叉晶界
三叉晶界是三條晶界相遇時形成的線缺陷，具有不同於晶界的獨特熱力學和動力學性質。三叉晶界作為新相形核、空洞和腐蝕的首選位置以及溶質原子擴散的有利通道，在晶粒長大及塑性變形過程中起重要作用。因此研究三叉晶界的遷移過程及其影響因素具有重要意義。
三叉晶界對晶界運動和晶粒長大動力學均有顯著影響。三叉晶界及其晶界的遷移量隨著變形量的增加而增大,且三叉晶界的遷移距離比晶界的小。三叉晶界不能阻止晶粒旋轉,但可以顯著減緩旋轉過程。
在演化初期環形晶粒頂部的晶界曲率發生了部分變化，之後晶界曲率保持穩定。這是因為初態的三叉晶界為不穩定狀態(相鄰晶界夾角不為120°)，當相鄰晶界夾角達到120°的 穩 態 時，三 叉 晶 界 形 狀 保 持 穩 定。由於環形晶界曲率的驅動作用，環形晶粒頂部的弧形晶界不斷向其曲率中心收縮直至三叉晶界消失，變成一條平直晶界。
在整個演化過程中，晶界栻和晶界栿中平直晶界始終保持平直，說明三叉晶界遷移具有自相似性。3個晶粒的取向角度在演化過程中均保持不變，表明晶粒均未發生旋轉。晶界曲率影響三叉晶界遷移速率，並且兩者成正比關係。三叉晶界對晶界遷移有拖曳作用，晶界曲率越小,三叉晶界的拖拽作用越明顯。
