[科普中國(guó)]-晶界

晶界（grain boundary ）是結(jié)構(gòu)相同而取向不同晶粒之間的界面。在晶界面上，原子排列從一個(gè)取向過渡到另一個(gè)取向，故晶界處原子排列處于過渡狀態(tài)。 晶粒與晶粒之間的接觸界面叫做晶界。無機(jī)非金屬材料是由微細(xì)粉料燒結(jié)而成的。在燒結(jié)時(shí)，眾多的的微細(xì)顆粒形成大量的結(jié)晶中心。當(dāng)它們發(fā)育成晶粒并逐漸長(zhǎng)大到相遇時(shí)就形成晶界。

簡(jiǎn)介在多晶體中，由于晶粒的取向不同，晶粒間存在分界面，該分界面，稱為晶界。由 于晶界連接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(guī)則的，所以晶界上的原 子往往比晶粒內(nèi)的原子具有更高的能量，當(dāng) 晶粒間位向差別越大，在晶界處的原子排列 就越不規(guī)則。此外，金屬中的雜質(zhì)往往易于 富集在晶界上。晶界的結(jié)構(gòu)、成分和多少， 對(duì)金屬的各種性能和金屬內(nèi)的各種過程 (如結(jié)晶、擴(kuò)散、變形等) 有重大影響，金 屬中晶界愈多，即意味著晶粒愈細(xì)。1

一般說 來，細(xì)晶粒金屬的機(jī)械性能 (強(qiáng)度、塑性和 韌性) 總是優(yōu)于粗晶粒的金屬。根據(jù)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(dāng)位向差小于10°時(shí)稱 小角度晶界，它是由一系列相隔一定距離的 刃型位錯(cuò)所組成，晶界層比較薄。當(dāng)位向差 的角度大于10°時(shí)，金屬晶體中多數(shù)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(jié)晶物質(zhì)在生長(zhǎng)過程中，由于受到外界空間的限制，未能發(fā)育成具有規(guī)則形態(tài)的晶體，而只是結(jié)晶成顆粒狀，稱晶粒，晶粒的內(nèi)部晶胞方向與位置基本一致而外形不規(guī)則。有時(shí)候晶粒一詞也用來泛指巖石中晶質(zhì)礦物的顆粒。此時(shí)又可根據(jù)其晶形發(fā)育程度分為：自形——具有該種礦物比較完整的應(yīng)有的晶形特征；半自形——僅具有該種礦物應(yīng)有晶形的大致輪廊；他形——因受周圍晶粒的限制而生長(zhǎng)成任意的不規(guī)則狀。

在燒結(jié)體內(nèi)晶界移動(dòng)有以下七種方式： 氣孔靠晶格擴(kuò)散移動(dòng)； 氣孔靠表面擴(kuò)散移動(dòng)； 氣孔靠氣相傳遞； 氣孔靠晶格擴(kuò)散聚合； 氣孔靠晶界擴(kuò)散聚合； 單相晶界本征遷移； 存在雜質(zhì)牽制晶界移動(dòng)。

晶界的研究由于晶界上兩個(gè)晶粒的質(zhì)點(diǎn)排列取向有一定的差異，兩者都力圖使晶界上的質(zhì)點(diǎn)排列符合于自己的取向。當(dāng)達(dá)到平衡時(shí)，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，晶界上由于原子排列不規(guī)則而造成結(jié)構(gòu)比較疏松，因而也使晶界具有一些不同于晶粒的特性。晶界上原子排列較晶粒內(nèi)疏松，因而晶界易受腐蝕（熱侵蝕、化學(xué)腐蝕）后，很易顯露出來；由于晶界上結(jié)構(gòu)疏松，在多晶體中，晶界是原子（離子）快速擴(kuò)散的通道，并容易引起雜質(zhì)原子（離子）偏聚，同時(shí)也使晶界處熔點(diǎn)低于晶粒；晶界上原子排列混亂，存在著許多空位、位錯(cuò)和鍵變形等缺陷，使之處于應(yīng)力畸變狀態(tài)。故能階較高，使得晶界成為富態(tài)相變時(shí)代先成核的區(qū)域。利用晶界的一系列特性，通過控制晶界組成、結(jié)構(gòu)和相態(tài)等來制造新型無機(jī)材料是材料科學(xué)工作者很感興趣的研究領(lǐng)域。但是多晶體晶界尺度僅在0.lum以下，并非一般顯微工能研究的。而要采用俄歇譜儀及離子探針等。由于晶界上成分復(fù)雜，因此對(duì)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(jiǎn)單地按兩個(gè)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(gè)晶粒的原子排列組合的角度很小，約2～3°。兩個(gè)晶粒間晶界由完全配合部分與失配部分組成。當(dāng)一顆晶粒繞垂直晶粒界面的軸旋轉(zhuǎn)微小角度，也能形成由螺旋位錯(cuò)構(gòu)成的扭轉(zhuǎn)小角度晶界。大角度晶界在多晶體中占多數(shù)，這時(shí)晶界上質(zhì)點(diǎn)的排列已接近無序狀態(tài)。2

另一種分類是根據(jù)晶界兩邊原子排列的連貫性來劃分的。當(dāng)界面兩側(cè)的晶體具有非常相似的結(jié)構(gòu)和類似的取向，越過界面原子面是連續(xù)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(dāng)Mg（OH）。結(jié)構(gòu)內(nèi)有轉(zhuǎn)變?yōu)镸gO結(jié)構(gòu)的疇出現(xiàn)時(shí)，則陰離子面是連續(xù)的。然而，兩種結(jié)構(gòu)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(gè)相或二個(gè)相發(fā)生彈性應(yīng)變，或通過引入位錯(cuò)來達(dá)到。失配度Q是彈性應(yīng)變的一個(gè)量彈性應(yīng)變的存在，使系統(tǒng)的能量增大，系統(tǒng)能量與cQ2成正比，C為常數(shù)。另一種類型的晶界稱做半共格晶界。在這種結(jié)構(gòu)中，最簡(jiǎn)單的看只有晶面間距C1比較小的一個(gè)相發(fā)生應(yīng)變。彈性應(yīng)變可以成引入半個(gè)原子晶面進(jìn)入應(yīng)變相下降，這樣就生成所謂界面位錯(cuò)。位錯(cuò)的引入、使在位錯(cuò)線附近發(fā)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(shí)形成的線缺陷，具有不同于晶界的獨(dú)特?zé)崃W(xué)和動(dòng)力學(xué)性質(zhì)。三叉晶界作為新相形核、空洞和腐蝕的首選位置以及溶質(zhì)原子擴(kuò)散的有利通道，在晶粒長(zhǎng)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。3

三叉晶界對(duì)晶界運(yùn)動(dòng)和晶粒長(zhǎng)大動(dòng)力學(xué)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(zhuǎn),但可以顯著減緩旋轉(zhuǎn)過程。4

在演化初期環(huán)形晶粒頂部的晶界曲率發(fā)生了部分變化，之后晶界曲率保持穩(wěn)定。這是因?yàn)槌鯌B(tài)的三叉晶界為不穩(wěn)定狀態(tài)(相鄰晶界夾角不為120°)，當(dāng)相鄰晶界夾角達(dá)到120°的 穩(wěn) 態(tài) 時(shí)，三 叉 晶 界 形 狀 保 持 穩(wěn) 定。由于環(huán)形晶界曲率的驅(qū)動(dòng)作用，環(huán)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(gè)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(gè)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(fā)生旋轉(zhuǎn)。晶界曲率影響三叉晶界遷移速率，并且兩者成正比關(guān)系。三叉晶界對(duì)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。

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

李勇 - 副教授 - 西南大學(xué)