晶界和亞晶界

1、晶界和亞晶界晶界和亞晶界晶界和亞晶界晶界和亞晶界屬于同一固相但位向不同樣的晶粒之間的界面稱為晶界(grainboundary)；而每個(gè)晶粒有時(shí)又由若干個(gè)位向稍有差其他亞晶粒所組成，相鄰亞晶粒間的界面稱為亞晶界(sub-grainboundary)。晶粒的平均直徑平常在0.0150.25mm范圍內(nèi)，而亞晶粒的平均直徑則平常為0.001mm的范圍內(nèi)。二維點(diǎn)陣中晶界地址可用兩個(gè)晶粒的位向差和晶界相關(guān)于一個(gè)點(diǎn)陣某一平面的夾角來確定，以以下圖。依照相鄰晶粒之間位向差角的大小不同樣可將晶界分為兩類：1.小角度晶界(small-anglegrainboundary)相鄰晶粒的位向差小于10的晶界；亞晶界均屬

2、小角度晶界，一般小于2；2.大角度晶界(large-anglegrainboundary)相鄰晶粒的位向差大于10的晶界，多晶體中90以上的晶界屬于此類。小角度晶界的構(gòu)造依照相鄰亞晶粒間位向差的型式不同樣，小角度晶界可分為傾斜晶界、扭轉(zhuǎn)晶界和重合晶界等。它們的構(gòu)造可用相應(yīng)的模型來描繪。1.對稱傾斜晶界對稱傾斜晶界(symmetricaltiltboundary)可看作是把晶界兩側(cè)晶體互相傾斜的結(jié)果。由于相鄰兩晶粒的位向差角很小，其晶界可看作是由一列平行的刃型位錯(cuò)所組成。2.不對稱傾斜晶界若是傾斜晶界的界面繞x軸轉(zhuǎn)了一角度，則此時(shí)兩晶粒之間的位向差仍為角，但此時(shí)晶界的界面關(guān)于兩個(gè)晶粒是不對稱的，

3、故稱不對稱傾斜晶界(unsymmetricaltiltboundary)。它有兩個(gè)自由度和。該晶界構(gòu)造可看作由兩組柏氏矢量互相垂直的刃型位錯(cuò)交叉排列而構(gòu)成的。3.扭轉(zhuǎn)晶界扭轉(zhuǎn)晶界(twistboundary)是小角度晶界的一各樣類。它可看作是兩部分晶體繞某一軸在一個(gè)共同的晶面上相對扭轉(zhuǎn)一個(gè)角所組成的，扭轉(zhuǎn)軸垂直于這一共同的晶面。該晶界的構(gòu)造可看作是由互相交叉的螺型位錯(cuò)所組成，如圖3-71。扭轉(zhuǎn)晶界和傾斜晶界均是小角度晶界的簡單情況，不同樣之處在于傾斜晶界形成時(shí)，轉(zhuǎn)軸在晶界內(nèi)；扭轉(zhuǎn)晶界的轉(zhuǎn)軸則垂直于晶界。一般情況下，小角度晶界都可看作是兩部分晶體繞某一軸旋轉(zhuǎn)一角度而形成的，只可是其轉(zhuǎn)軸既不平行于

4、晶界也不垂直于晶界。關(guān)于這樣的小角度晶界，可看作是由一系列刃位錯(cuò)、螺位錯(cuò)或混淆位錯(cuò)的網(wǎng)絡(luò)所組成。大角度晶界的構(gòu)造晶粒之間的晶界平常為大角度晶界。大角度晶界的構(gòu)造較復(fù)雜，原子排列很不規(guī)則，有人認(rèn)為大角度晶界的構(gòu)造湊近于圖示的模型。取向不同樣的相鄰晶粒的界面不是圓滑的曲面，而是由不規(guī)則的臺階組成的。分界面上既包含有同時(shí)屬于兩晶粒的原子D，也包含有不屬于任一晶粒的原子A；既包含有壓縮區(qū)B，也包含有擴(kuò)大區(qū)C。這是由于晶界上的原子同時(shí)受到位向不同樣的兩個(gè)晶粒中原子的作用所致?？傊?，大角度晶界上原子排列比較凌亂，但也存在一些比較齊整的地區(qū)。因此，晶界可看作壞區(qū)與好區(qū)交替相間組合而成。隨著位向差分的增大，壞

5、區(qū)的面積將相應(yīng)增加。純金屬中大角度晶界的寬度一般不高出3個(gè)原子間距。近來幾年來，有人應(yīng)用途離子顯微鏡研究晶界，提出了大角度晶界的“重合地址點(diǎn)陣”模型(coincidencelatticemodel)，如圖3-73所示，在二維正方點(diǎn)陣中，當(dāng)兩個(gè)相鄰晶粒的位向差為37時(shí)(相當(dāng)于晶粒2相對晶粒1繞某固定軸旋轉(zhuǎn)了37)，設(shè)想兩晶粒的點(diǎn)陣互相經(jīng)過晶界向?qū)Ψ窖娱L，其中一些原子將出現(xiàn)有規(guī)律的互相重合，由這些原子重合地址所組成比原來晶體點(diǎn)陣大的新點(diǎn)陣，平常稱為重合地址點(diǎn)陣。在上述詳細(xì)圖例中，每5個(gè)原子即有一個(gè)是重合地址，故重合地址點(diǎn)陣密度為15或稱為15重合地址點(diǎn)陣。由于晶體構(gòu)造及所選旋轉(zhuǎn)軸與轉(zhuǎn)動角度的不同樣

6、，能夠出現(xiàn)不同樣重合地址密度的重合點(diǎn)陣。）表中列出了立方晶系金屬中重要的重合地址點(diǎn)陣。依照該模型，在大角度晶界構(gòu)造中將存在必然數(shù)量重合點(diǎn)陣的原子。晶界上重合地址愈多，即晶界上愈多的原子為兩個(gè)晶粒所共有，原子排列的畸變程度愈小，則晶界能也相應(yīng)愈低。可是從表得悉，不同樣晶體構(gòu)造擁有重合點(diǎn)陣的特別位向是有限的。因此，重合地址點(diǎn)陣模型尚不能夠講解兩晶粒處于隨意位向差的晶界構(gòu)造。晶界能晶界上的原子排列是不規(guī)則的，存在畸變，進(jìn)而使系統(tǒng)的自由能增高。晶界能(Grainboundaryenergy)定義為形成單位面積界面時(shí)系統(tǒng)自由能的變化(dF/dA)，它等于界面區(qū)單位面積的能量減去無界面時(shí)該區(qū)單位面積的能量

7、。小角度晶界的能量主要來自位錯(cuò)能量(形成位錯(cuò)的能量和將位錯(cuò)排成相關(guān)組態(tài)所作的功)，而位密度又決定于晶粒間的位向差，因此，小角度晶界能也和位向差相關(guān)：(3.20)式中為常數(shù)，它取決于資料的切變模量G、泊桑比，和柏氏矢量b；A為積分常數(shù)，取決于位錯(cuò)中心的原子錯(cuò)排能。由上式可知，小角度晶界的晶界能是隨位向差增加而增大，但該公式只適用于小角度晶界，而對大角度晶界不適用。多晶體的晶界一般為大角度晶界，各晶粒的位向差大多在3040左右，實(shí)驗(yàn)測出各樣金屬大角度晶界能約在0.251.0J/m2范圍內(nèi),與晶粒之間的位向差沒關(guān),大概上為定值。晶界能也能夠界面張力的形式來表現(xiàn)，經(jīng)過界面交角的測定求出它的相對值。圖3

8、-74所示為3個(gè)晶粒相遇時(shí)，它們兩兩訂交于一界面，3個(gè)界面訂交于1個(gè)三叉界棱。在達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)，O點(diǎn)處的界面張力必定達(dá)到力學(xué)平衡，即其矢量和為零，故或(3.21)若取其中某一晶界能作為基準(zhǔn)，則經(jīng)過測量角即可求得其他晶界的相對能量。在平衡狀態(tài)下，三交叉晶界的各面角均趨向于最牢固的120，此時(shí)各晶粒之間的晶界能基真相等。晶界的特點(diǎn)1.晶界處點(diǎn)陣畸變大，存在晶界能。晶粒的長大和晶界的平直化都能減少晶界面積，進(jìn)而降低晶界的總能量，這是一個(gè)自覺過程。晶粒的長大和晶界的平直化均需經(jīng)過原子的擴(kuò)散來實(shí)現(xiàn)，因此，溫度高升和保溫時(shí)間的增加，均有利于這兩過程的進(jìn)行。2.晶界處原子排列不規(guī)則，在常溫下晶界的存在會對位

9、錯(cuò)的運(yùn)動起阻截作用，致使塑性變形抗力提高，宏觀表現(xiàn)為晶界較晶內(nèi)擁有較高的強(qiáng)度和硬度。晶粒越細(xì),資料的強(qiáng)度越高，這就是細(xì)晶加強(qiáng)；高溫下則由于晶界存在必然的粘滯性，易使相鄰晶粒產(chǎn)生相對滑動。3.晶界處原子偏離平衡地址，擁有較高的動能，并且晶界處存在很多的弊端如空穴、雜質(zhì)原子和位錯(cuò)等，故晶界處原子的擴(kuò)散速度比在晶內(nèi)快得多。4.在固態(tài)相變過程中,由于晶界能量較高且原子活動能力較大,因此新相易于在晶界處優(yōu)先形核.原始晶粒越細(xì),晶界越多,則新相形核率也相應(yīng)越高。5.由于成分偏析和內(nèi)吸附現(xiàn)象，特別是晶界富集雜質(zhì)原子的情況下，經(jīng)常晶界熔點(diǎn)較低，故在加熱過程中，因溫度過高將引起晶界消融和氧化，致使“過熱”現(xiàn)象產(chǎn)生。6.由于晶界能量較高、原子處于不牢固狀態(tài)，以及晶界富集雜質(zhì)原子的緣故，與晶內(nèi)對照晶界的腐化速度一般較快。這就是用腐化劑顯示金相樣品組織的依照，也是某些金屬資料在使用中發(fā)生晶間腐化損壞的原因。內(nèi)容總結(jié)（1）3.3.2晶界和亞晶界屬于同一固相但位向不同樣的晶粒之間的