晶界和亚晶界

1、袂 3.3.2 晶界和亚晶界 蚈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。 羄二维点阵中晶界位置可用两个晶粒的位向差0和晶界相对于一个点阵某一平面的夹角0 来确定，如图所示。 蚅根据相邻晶粒之间位向差0 角的大小不同可将晶界分为两类： 蚁1.小角度晶界 (small-angle grain boundary) 相邻晶粒的位

2、向差小于 10的晶界；亚晶界 均属小角度晶界，一般小于 2； 螈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。 莅 3.3.2.1 小角度晶界的结构 膂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。 蒀1.对称倾斜晶界 袈对称倾斜晶界 (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 0角很小，其晶界可看成是由一列平行的刃型位错所构成。 螆2.不对称倾斜晶界 袄

3、如果倾斜晶界的界面绕x 轴转了一角度 0 ，则此时两晶粒之间的位向差仍为 0 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 0 和0 。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。 膈 3. 扭转晶界 羈扭转晶界 (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 0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 。 膆扭转晶界和倾斜晶界均是

4、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。 节 3.3.2.2 大角度晶界的结构 芁 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

5、;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。 羈 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（coincidenee 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

6、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 15 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。 芃 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

7、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。 肄 3.3.2.3 晶界能 羀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。 肈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，小角度晶界能丫也和位向差B有关： 蚄 （3.20） 蒂式中为常数，它取决于材料的切变模量G、泊桑比v，和柏氏矢量 b;

8、 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。 蝿多晶体的晶界一般为大角度晶界，各晶粒的位向差大多在 3040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。 膇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 膅或 (3.21

9、) 膄若取其中某一晶界能作为基准，则通过测量 0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。 螂3.3.2.4 晶界的特性 芇 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。 薆 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

10、， 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。 蚂 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。 薁 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。 莇 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。 仅供个人用于学习、研究；不得用于商业用途 For personal use only in study and research; not for commercial use. Nur f u r den pers?nlichen f u r Studien, Forschung, zu kommerziellen Zwecken verwendet werden. Pour l e tude et la recherche