[科普中國(guó)]-晶界能

不論是小角度晶界或大角度晶界，這里的原子或多或少地偏離了平衡位置，所以相對(duì)于晶體內(nèi)部，晶界處于較高的能量狀態(tài)，高出的那部能量稱(chēng)為晶界能，或稱(chēng)晶界自由能，記作γG，其單位為J/m-2。有時(shí)晶界能以界面張力的形式表示，其單位采用N·m-1 (=J·m-2)，記作σ。

晶界能的分類(lèi)從理論上講，晶界處的能量包括兩部分，即彈性畸變能和化學(xué)交互作用能。彈性畸變能的大小取決于失配度的大小，而化學(xué)交互作用能取決于界面上原子與周?chē)拥幕瘜W(xué)鍵結(jié)合狀況。相界面結(jié)構(gòu)不同,這兩部分能量所占的比例也不同。對(duì)于共格晶界來(lái)說(shuō)，由于界面上原子保持著匹配關(guān)系故界面上原子結(jié)合鍵數(shù)目不變，此時(shí)應(yīng)變能是主要的。而對(duì)于非共格晶界，由于界面上原子的化學(xué)鍵數(shù)目和強(qiáng)度與晶內(nèi)相比發(fā)生了很大變化，故其界面能以化學(xué)能為主，而總界面能較高。

當(dāng)形成共格晶界所產(chǎn)生的晶界能增加到一定程度，如再共格相連所產(chǎn)生的彈性應(yīng)變能將大于引人界面位錯(cuò)所引起的能量增加，這時(shí)以半共格晶界相連比以共格晶界相連在能量上更趨于穩(wěn)定。如果假設(shè)相鄰晶粒的原子(離子)彼此無(wú)作用，那么，每單位面積晶界的晶界能將等于兩晶粒的表面能之和。但是實(shí)際上兩個(gè)相鄰晶粒的表面層上的原子間的相互作用是很強(qiáng)的，并且可以認(rèn)為在每個(gè)表面上的原子(離子)周?chē)纬闪艘粋€(gè)完全的配位球，其差別在于此處的配位多面體是變了形的，并在某種程度上，這種配位多面體周?chē)闆r與內(nèi)部結(jié)構(gòu)是不相同的。1

金屬的晶界能固體金屬中也存在著各式各樣的界面。 比如，晶粒之間的晶界、晶粒內(nèi)部的孿晶界、不同相之間的相界等。一般的晶界可以用下圖的模型說(shuō)明。在這個(gè)模型中，兩晶體基本處于完整的狀態(tài)，只是在二者的相鄰區(qū)域有不規(guī)則的原子排列。我們把兩個(gè)晶體之間存在原子不規(guī)則排列的這個(gè)區(qū)域稱(chēng)為晶界區(qū)。晶界區(qū)的寬度只有零點(diǎn)n個(gè)納米，它所包含的原子有的是兩個(gè)晶體所共有(D)，有的 (A)則不屬于任何一方。在晶界區(qū)還存在壓縮區(qū)(B)和拉伸區(qū)(C)。麥克林(Mclean)曾根據(jù)這個(gè)模型粗略地認(rèn)為，在晶界區(qū)中，壓縮區(qū)、拉伸區(qū)和吻合區(qū)(D)各占約三分之一。

對(duì)于一個(gè)具體的晶界區(qū)而言，上述三個(gè)區(qū)域的比例與兩個(gè)晶體之間的傾斜角有關(guān)。吻合區(qū)的數(shù)目越多，則晶界區(qū)的失配度越小，晶界能就越低。對(duì)于具有高對(duì)稱(chēng)性的簡(jiǎn)單立方晶體。1

晶界的區(qū)分依據(jù)通常按晶界之向的傾角將晶界分成以下類(lèi)型：

1、小角度晶界θ=0°~ (3°~10°)

2、中角度晶界θ=3°~ (10°~15°

3、大角度晶界θ>15

如果二晶體之向的取向差很小，則形成小角度晶界。這種小角度晶界可以看作是由許多刃型位錯(cuò)疊砌而成的，其界面能可以通過(guò)計(jì)算求之。1

晶界能的實(shí)際意義在單相合金中，晶界能的大小取決于晶界的面積．所以．在平衡時(shí)，晶界能的減小，就是兩晶粒晶界的平直化過(guò)程。實(shí)際上，接近平衡狀態(tài)的單相臺(tái)金，絕大部分為大角度晶界，其界面能是相等的。二維組織的三叉晶界各晶界角相等。ψ1=ψ2=ψ3=120°，而在兩相合金中的情況比較復(fù)雜。當(dāng)合金中含有第二相時(shí)，這個(gè)相可能存在于基體晶粒內(nèi)部，也可能存在于界面、界棱或界角上，而第二相的形貌則取決于界面能、畸變能以及相變時(shí)的動(dòng)力學(xué)因素。如果兩相具有完全不同的晶體結(jié)構(gòu)，或處于隨機(jī)的相對(duì)位向，其間的界面即為非共格的高能相界面，且界面能與兩相的相對(duì)位向無(wú)關(guān)，此時(shí)第二相的平衡形狀將為球形。鋼中粒狀球光體中的球狀滲碳體就是一個(gè)典型例子。如果兩相晶體結(jié)構(gòu)相同，點(diǎn)陣常數(shù)也接近，并且具有平行一致的位向關(guān)系，則在兩相的界面上都可能形成低能的共格界面，這時(shí)第二相也應(yīng)為球狀。如果兩相的晶體結(jié)溝雖然不同，但有一個(gè)結(jié)構(gòu)相相似原子間距相近的晶面，且在兩相之間具有某一確定的位向關(guān)系的條件下，可以在這個(gè)共有的晶面中形成共格或半共格界面。因?yàn)橹挥幸粋€(gè)共有晶面．所以第二相顆粒只能有平行的兩個(gè)界面足低能的共格或半共格界面，其余周緣都由高能的非共格界面構(gòu)成。如果忽略畸變能，由于冬照減少界面能的關(guān)系，第二相將成為圓盤(pán)狀或片狀。2

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

黎明 - 副教授 - 西南大學(xué)