晶界和亚晶界.doc

3.3.2 晶界和亚晶界 属于同一固相但位向不同的晶粒之间的界面称为晶界(grain boundary)；而每个晶粒有时又 由若干个位向稍有差异的亚晶粒所组成，相邻亚晶粒间的界面称为亚晶界(sub-grain boundary)晶粒的平均直径通常在 0.015—0.25mm 范围内，而亚晶粒的平均直径则通常为 0.001mm 的范围内二维点阵中晶界位置可用两个晶粒的位向差 θ 和晶界相对于一个点阵某一平面的夹角 φ 来确定，如图所示 根据相邻晶粒之间位向差 θ 角的大小不同可将晶界分为两类：1.小角度晶界(small-angle grain boundary)——相邻晶粒的位向差小于 10°的晶界；亚晶界 均属小角度晶界，一般小于 2°；2.大角度晶界(large-angle grain boundary)——相邻晶粒的位向差大于 10°的晶界，多晶体 中 90％以上的晶界属于此类3.3.2.1 小角度晶界的结构 按照相邻亚晶粒间位向差的型式不同，小角度晶界可分为倾斜晶界、扭转晶界和重合晶界 等它们的结构可用相应的模型来描述1.对称倾斜晶界对称倾斜晶界(symmetrical tilt boundary)可看作是把晶界两侧晶体互相倾斜的结果。

由于相 邻两晶粒的位向差 θ 角很小，其晶界可看成是由一列平行的刃型位错所构成2.不对称倾斜晶界如果倾斜晶界的界面绕 x 轴转了一角度 φ，则此时两晶粒之间的位向差仍为 θ 角，但此 时晶界的界面对于两个晶粒是不对称的，故称不对称倾斜晶界(unsymmetrical tilt boundary) 它有两个自由度 θ 和 φ该晶界结构可看成由两组柏氏矢量相互垂直的刃型位错交错排 列而构成的3.扭转晶界扭转晶界(twist boundary)是小角度晶界的一种类型它可看成是两部分晶体绕某一轴在一 个共同的晶面上相对扭转一个 θ 角所构成的，扭转轴垂直于这一共同的晶面该晶界的结 构可看成是由互相交叉的螺型位错所组成 ，如图 3-71 扭转晶界和倾斜晶界均是小角度晶界的简单情况，不同之处在于倾斜晶界形成时，转轴在 晶界内；扭转晶界的转轴则垂直于晶界一般情况下，小角度晶界都可看成是两部分晶体 绕某一轴旋转一角度而形成的，只不过其转轴既不平行于晶界也不垂直于晶界对于这样 的小角度晶界，可看作是由一系列刃位错、螺位错或混合位错的网络所构成3.3.2.2 大角度晶界的结构晶粒之间的晶界通常为大角度晶界。

大角度晶界的结构较复杂，原子排列很不规则， 有人认为大角度晶界的结构接近于图示的模型取向不同的相邻晶粒的界面不是光滑的曲 面，而是由不规则的台阶组成的分界面上既包含有同时属于两晶粒的原子 D，也包含有 不属于任一晶粒的原子 A；既包含有压缩区 B，也包含有扩张区 C这是由于晶界上的原子 同时受到位向不同的两个晶粒中原子的作用所致总之，大角度晶界上原子排列比较紊乱， 但也存在一些比较整齐的区域因此，晶界可看成坏区与好区交替相间组合而成随着位 向差分的增大，坏区的面积将相应增加纯金属中大角度晶界的宽度一般不超过 3 个原子 间距近年来，有人应用场离子显微镜研究晶界，提出了大角度晶界的“重合位置点阵”模 型(coincidence lattice model)，如图 3-73 所示，在二维正方点阵中，当两个相邻晶粒的位向 差为 37°时(相当于晶粒 2 相对晶粒 1 绕某固定轴旋转了 37°)，设想两晶粒的点阵彼此通 过晶界向对方延伸，其中一些原子将出现有规律的相互重合，由这些原子重合位置所组成 比原来晶体点阵大的新点阵，通常称为重合位置点阵在上述具体图例中，每 5 个原子即 有一个是重合位置，故重合位置点阵密度为 1／5 或称为 1／5 重合位置点阵。

由于晶体结 构及所选旋转轴与转动角度的不同，可以出现不同重合位置密度的重合点阵 ）表中列出了 立方晶系金属中重要的重合位置点阵根据该模型，在大角度晶界结构中将存在一定数量重合点阵的原子晶界上重合位置 愈多，即晶界上愈多的原子为两个晶粒所共有，原子排列的畸变程度愈小，则晶界能也相 应愈低然而从表得知，不同晶体结构具有重合点阵的特殊位向是有限的所以，重合位 置点阵模型尚不能解释两晶粒处于任意位向差的晶界结构3.3.2.3 晶界能 晶界上的原子排列是不规则的，存在畸变，从而使系统的自由能增高晶界能(Grain boundary energy)定义为形成单位面积界面时系统自由能的变化(dF/dA)，它等于界面区单位 面积的能量减去无界面时该区单位面积的能量小角度晶界的能量主要来自位错能量(形成位错的能量和将位错排成有关组态所作的功)， 而位密度又决定于晶粒间的位向差，所以，小角度晶界能 γ 也和位向差 θ 有关：(3.20)式中为常数，它取决于材料的切变模量 G、泊桑比 ν，和柏氏矢量 b；A 为积分常数，取 决于位错中心的原子错排能由上式可知，小角度晶界的晶界能是随位向差增加而增大， 但该公式只适用于小角度晶界，而对大角度晶界不适用。

多晶体的晶界一般为大角度晶界，各晶粒的位向差大多在 30°～40°左右，实验测出各种 金属大角度晶界能约在 0.25—1.0J/m2 范围内,与晶粒之间的位向差无关,大体上为定值晶界能也可以界面张力的形式来表现，通过界面交角的测定求出它的相对值图 3-74 所示 为 3 个晶粒相遇时，它们两两相交于一界面，3 个界面相交于 1 个三叉界棱在达到平衡 状态时，O 点处的界面张力必须达到力学平衡，即其矢量和为零，故或 (3.21)若取其中某一晶界能作为基准，则通过测量 φ 角即可求得其他晶界的相对能量在平衡状 态下，三交叉晶界的各面角均趋向于最稳定的 120°，此时各晶粒之间的晶界能基本相等3.3.2.4 晶界的特性 1.晶界处点阵畸变大，存在晶界能晶粒的长大和晶界的平直化都能减少晶界面积，从而 降低晶界的总能量，这是一个自发过程晶粒的长大和晶界的平直化均需通过原子的扩散 来实现，因此，温度升高和保温时间的增长，均有利于这两过程的进行2.晶界处原子排列不规则，在常温下晶界的存在会对位错的运动起阻碍作用，致使塑性变 形抗力提高，宏观表现为晶界较晶内具有较高的强度和硬度晶粒越细,材料的强度越高， 这就是细晶强化；高温下则由于晶界存在一定的粘滞性，易使相邻晶粒产生相对滑动。

3.晶界处原子偏离平衡位置，具有较高的动能，并且晶界处存在较多的缺陷如空穴、杂质 原子和位错等，故晶界处原子的扩散速度比在晶内快得多4.在固态相变过程中,由于晶界能量较高且原子活动能力较大,所以新相易于在晶界处优先形 核.原始晶粒越细,晶界越多,则新相形核率也相应越高5.由于成分偏析和内吸附现象，特别是晶界富集杂质原子的情况下，往往晶界熔点较低， 故在加热过程中，因温度过高将引起晶界熔化和氧化，导致“过热”现象产生6.由于晶界能量较高、原子处于不稳定状态，以及晶界富集杂质原子的缘故，与晶内相比 晶界的腐蚀速度一般较快这就是用腐蚀剂显示金相样品组织的依据，也是某些金属材料 在使用中发生晶间腐蚀破坏的原因。