[科普中國]-亞晶界

概述

屬于同一固相但位向不同的晶粒之間的界面稱為晶界，而每個(gè)晶粒有時(shí)又由若干個(gè)位向稍有差異的亞晶粒所組成。在多晶體中，每一晶粒還包含更細(xì)小的“亞組織”。這種亞組織是由10～100的若干晶塊所組成，彼此之間的位向差很?。ㄍǔＰ∮?°）。這些晶塊之間的分界面稱為“亞晶界”。

亞組織和亞晶界的涵義比較廣泛，它們分別指尺寸比晶粒更小的所有細(xì)微組織和這些細(xì)微組織的分界面。因此，金屬凝固時(shí)晶粒內(nèi)部出現(xiàn)的胞狀組織和它們的界面、以及經(jīng)變形和退火后晶粒內(nèi)部出現(xiàn)的亞晶粒和它們的界面等均屬此范疇。

亞晶界同樣具有界面能，但其界面能比晶界能低。亞晶界也是溶質(zhì)原子聚集和第二相優(yōu)先析出的地方。

和晶界一樣，亞晶界可阻礙位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，故亞晶粒的細(xì)化將使金屬的強(qiáng)度提高。1

亞晶界遷移亞晶結(jié)構(gòu)拓?fù)鋵W(xué)上非常類似于一個(gè)泡沫，其結(jié)點(diǎn)受到與表面張力相類似的力的作用。所以，在如右圖所示的二維情況下，三晶結(jié)點(diǎn)A受到了來自晶界、和的力的作用。如果晶界比能相等，那么當(dāng)晶界間夾角為120°時(shí)三晶結(jié)點(diǎn)將處于平衡狀態(tài)。因此，晶界被迫變成彎曲（點(diǎn)劃線），并將趨于向箭頭方向移動(dòng)以減小它們的長度。于是結(jié)點(diǎn)將隨之移動(dòng)，當(dāng)達(dá)到某一位置時(shí)晶界伸直（虛線）并成180°夾角，此時(shí)結(jié)點(diǎn)變得穩(wěn)定。這一過程與大角晶界的遷移極為相似。

通過上述這種Y型連接遷移，結(jié)點(diǎn)將移動(dòng)，小的亞晶粒將被大的亞晶粒所吞食，并且平均亞晶粒尺寸將會(huì)增大。因?yàn)樾〗蔷Ы缒苋Q于相鄰亞晶粒問的位向差，所以平衡時(shí)晶界間夾角通常不是120°。

小角晶界移動(dòng)的速度可以表示為

式中為凈驅(qū)動(dòng)力，為晶界可動(dòng)性。

雖然有些類型的簡單傾側(cè)晶界能夠通過滑移進(jìn)行遷移，但是小角晶界的移動(dòng)通常需要位錯(cuò)的攀移和滑移，因此是一種熱激活過程。于是，小角晶界的可動(dòng)性常常由下列公式表示：

式中，是一個(gè)與材料及晶界特征有關(guān)的常數(shù)，為晶界遷移的激活能。有人發(fā)現(xiàn)對于銅小角晶界的激活能比大角晶界的激活能高得多。

我們知道，小角晶界的固有可動(dòng)性與晶界的類型及晶界間的位向差有關(guān)。對稱傾側(cè)晶界的可動(dòng)性很高，并且可能會(huì)在較低的溫度下發(fā)生晶界遷移。然而，其它類型的小角晶界的可動(dòng)性相對來講則較低。有人發(fā)現(xiàn)，在銅中，對于位向差大于2°的晶界，其可動(dòng)性隨著位向差的增大而增大，而激活能則隨之降低。在同一種材料中，小角晶界的可動(dòng)性要比大角晶界的可動(dòng)性小幾個(gè)數(shù)量級。我們可以對上述這些效應(yīng)做如下定性的解釋。我們知道，晶界的遷移需要原子的擴(kuò)散，而原子的擴(kuò)散在晶體的受擾區(qū)是最容易實(shí)現(xiàn)的。與較大位向差的晶界相比，具有較低位向差的晶界有間距較大的位錯(cuò)，因而具有較小的受擾區(qū)及較低的擴(kuò)散系數(shù)。

Sandstrom對因晶界遷移而引起的亞晶粒長大的動(dòng)力學(xué)作了數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)與大角晶界的長大相類似。在Sandstrom的模型中，晶界能保持不變，所得到的拋物線型長大法則可以表示為：

式中為初始亞晶粒直徑，為與溫度有關(guān)的常數(shù)，為時(shí)間。

1972年，Dillamore等人得出了一個(gè)與公式形式相同的模型，它起初是由Hillert在1965年為晶粒長大而推導(dǎo)的。

雖然更準(zhǔn)確的模型有了一定的發(fā)展，它們考慮了晶界能的變化以及亞晶粒尺寸的分布，但是上述亞晶粒長大動(dòng)力學(xué)的實(shí)驗(yàn)證據(jù)還很有限。2

晶界的特性（1）晶界處點(diǎn)陣畸變大，存在著晶界能，因此，晶粒的長大和晶界的平直化都能減小晶界面積，從而降低晶界的總能量，這是一個(gè)自發(fā)過程。然而晶粒的長大和晶界的平直化均須通過原子的擴(kuò)散來實(shí)現(xiàn)，因此，隨著溫度升高和保溫時(shí)間的增長，均有利于這兩過程的進(jìn)行。

（2）晶界處原子排列不規(guī)則，因此在常溫下晶界的存在會(huì)對位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)起阻礙作用，致使塑性變形抗力提高，宏觀表現(xiàn)為晶界較晶內(nèi)具有較高的強(qiáng)度和硬度。晶粒越細(xì)，材料的強(qiáng)度越高，這就是細(xì)晶強(qiáng)化；而高溫下則相反，因高溫下晶界存在一定的粘滯性，易使相鄰晶粒產(chǎn)生相對滑動(dòng)。

（3）晶界處原子偏離平衡位置，具有較高的動(dòng)能，并且晶界處存在較多的缺陷，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(dòng)能力較大，所以新相易于在晶界必優(yōu)先形核。顯然，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)原子情況下，往往晶界熔點(diǎn)較低，故在加熱過程中，因溫度過高將引起晶界熔化和氧化，導(dǎo)致“過燒”現(xiàn)象產(chǎn)生。

（6）由于晶界能量較高、原子處于不穩(wěn)定狀態(tài)，以及晶界富集雜質(zhì)原子的緣故，與晶內(nèi)相比，晶界的腐蝕速度一般較快。這就是用腐蝕劑顯示金相樣品組織的依據(jù)，也是某些金屬材料在使用中發(fā)生晶間腐蝕破壞的原因。3