什么是晶界 小角度晶界的结构分析

多数晶体物质由许多晶粒所组成，属于同一固相但位向不同的晶粒之前的界面称为晶界，它是一种内界面；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。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通常为0.001mm数量级。

相对于理想完整晶体来说，界面是晶体缺陷，它们是二维(严格说不完全是二维的）的结构缺陷。界面的结构不同于晶体内部，因而具有很多重要的不同于晶体内部的性质，这些性质不仅在晶体的一系列物理化学过程中起重要作用，而且对固态晶体的整体性能也具有很重要的影响。晶体中的界面迁动、异类原子在晶界的偏聚、界面的扩散率、材料的力学和物理性能等也都和界面结构有直接的关系。晶体的断裂也常发生在特定的晶面上，人们常希望能较容易确定断裂界面的类型。正因为如此，对界面结构的研究是现代材料学科中一个活跃的课题。

为了描述晶界和亚晶界的几何性质，需说明晶界的取向及其两侧晶粒的相对位向。二维点阵中的晶界和几何关系可用下图来描述，即晶界位置可用两个晶粒的位向差θ和晶界的相对于一个点阵某一平面的夹角Φ来确定。

而三维点阵的晶界几何关系应由五个位向角度确定。EBSD技术在分析界面时可起重要作用，但首先要注意，晶界的描述要5个自由度。测出的晶界两侧的取向差只提供了3个自由度，晶界在样品水平面的截线又只提供了一个参数，必须再在另一个截面上测该晶界的走向，才能够最终确定晶界面的取向。多数情况下EBSD使用者未完成最后这一参数的测定，因而只给出定性的分析。

根据相邻晶粒之间的位向差θ角的大小不同可将晶界分为两类：

①小角度晶界——相邻晶粒位向差小于10°的晶界；亚晶界均属小角度晶界，一般小于2°；

②大角度晶界——相邻晶粒位向差大于10°的晶界，多晶体中的晶界大多属于此类。

一、小角度晶界的结构

按照相邻亚晶粒之间位向差的型式不同，可将小角度晶界分为倾斜晶界、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。

01

对称倾斜晶界

对称倾斜晶界可看作把晶界两侧晶体相互倾斜的结构如下图所示：

对称倾斜晶界的形成

由于相邻量晶粒的位向差θ角很小，其晶界可看成功一列平行的刃型位错所构成（见下图）

倾转晶界

位错的间距D与伯氏矢量b之间的关系为：

当θ很小时，b/D≈θ。

02

不对称倾斜晶界

如果对称倾斜晶界的界面绕x轴转了一角度Φ，如下图，则此时两晶粒之间的位向差仍为θ角，但此时晶界的界面对于两晶粒是不对称的，因此，称为不对称倾斜晶界。

不对称倾斜晶界

它有两个自由度 θ和Φ。该晶界结构可看成由两组伯氏矢量相互垂直的刃型位错交错b┻b├排列而构成。两组刃型位错各自的间距D┻D├可根据几何关系分别求得，即：

03

扭转晶界

扭转晶界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θ角所构成的，扭转轴垂直于这一共同的晶面，如图所示：

扭转晶界的形成过程

它的自由度是1。该晶界的结构可看成由相互交叉的螺型位错所组成。如下图，

扭转晶界位错模型

纯扭转晶界和倾斜晶界均是小角度晶界的简单情况，两者不同之处在于倾斜晶界形成时，转轴在晶界内；而扭转晶界的转轴则垂直于晶界。

在一般情况下，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。对这样的任意小角度晶界，可看作由一系列刃型位错、螺型位错或混合位错的网络锁构成。

二、大角度晶界的结构

多晶体材料中各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，其中原子排列较不规则，不能用位错模型来描述，对于大角度晶界结构的了解远不如小角度晶界清楚。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，晶界可看成由坏区和好区交替相间组合而成。随着位向差θ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不超过3个原子间距。有人利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，并得到试验证实。感兴趣的小伙伴可自行查阅相关资料了解哦，本期推文就不展开了。

三、晶界的特性

1、晶界处点阵畸变大，存在着晶界能，因此，晶粒的长大和晶界的平直话都能减小晶界面积，从而降低晶界的总能量，这是一个自发的过程。然而晶粒的长大和晶界的平直化均须通过原子的扩散来实现，因此，随着温度升高和保温时间的增长，均有利于这两过程的进行。

2、晶界处原子排列不规则，因此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，宏观变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，这就是细晶强化；而高温下则相反，因高温下晶界存在一定的粘滞性，易使相邻晶粒产生相对滑动；

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。

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。显然，原始晶粒越细，晶界越多，则新相形核率也相应越高。

5、由于成分偏析和内吸附现象，特别是晶界富集杂质原子情况下，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“过烧”现象的发生。

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。

编辑：黄飞