精选学习资料 - - - 欢迎下载3.3.2 晶界和亚晶界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 如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 范畴内,而亚晶粒的平均直径就通常为 0.001mm 的范畴内；二维点阵中晶界位置可用两个晶粒的位向差θ和晶界相对于一个点阵某一平面的夹角φ来确定,如下列图；依据相邻晶粒之间位向差θ角的大小不同可将晶界分为两类：1.小角度晶界 〔small-angle grain boundary〕 ——相邻晶粒的位向差小于 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 〔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；3.3.2.1 小角度晶界的结构依据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；1.对称倾斜晶界对称倾斜晶界 〔symmetrical tilt boundary〕 可看作为把晶界两侧晶体相互倾斜的结果；由于相邻两晶粒的位向差θ角很小,其晶界可看成为由一列平行的刃型位错所构成；2.不对称倾斜晶界假如倾斜晶界的界面绕 x 轴转了一角度φ, 就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个晶粒为不对称的,故称不对称倾斜晶界 〔unsymmetrical tilt boundary〕 ；它有两个自由度θ和φ； 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叉排列而构成的；3.扭转晶界扭转晶界 〔twist boundary〕 为小角度晶界的一种类型； 它可看成为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； 该晶界的结构可看成为由相互交叉的螺型位错所组成 ,如图 3-71 ；扭转晶界和倾斜晶界均为小角度晶界的简洁情形, 不同之处在于倾斜晶界形成时, 转轴在晶界内； 扭转晶界的转轴就垂直于晶界； 一般情形下, 小角度晶界都可看成为两部分晶体绕某 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,可看作为由一系列刃位错.螺位错或混合位错的网络所构成；精品学习资料精选学习资料 - - - 欢迎下载3.3.2.2 大角度晶界的结构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, 原子排列很不规章, 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为光滑的曲面,而为由不规章的台阶组成的； 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；既包含有压缩区 B,也包含有扩张区 C；这为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；近年来,有人应用场离子显微镜讨论晶界,提出了大角度晶界的“重合位置点阵” 模型〔coincidence 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 〕,设想两晶粒的点阵彼此通过晶界向对方延长, 其中一些原子将显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； 在上述详细图例中, 每 5 个原子即有一个为重合位置, 故重合位置点阵密度为 1／ 5 或称为 1／5 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,可以显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；依据该模型, 在大角度晶界结构中将存在肯定数量重合点阵的原子； 晶界上重合位置愈精品学习资料精选学习资料 - - - 欢迎下载多,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, 就晶界能也相应愈低；然而从表得知, 不同晶体结构具有重合点阵的特殊位向为有限的； 所以,重合位置点阵模型尚不能说明两晶粒处于任意位向差的晶界结构；3.3.2.3 晶界能晶界上的原子排列为不规章的, 存在畸变, 从而使系统的自由能增高； 晶界能 〔Grain boundaryenergy〕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；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 〕,而位密度又打算于晶粒间的位向差,所以,小角度晶界能γ也和位向差θ有关：〔3.20〕式中为常数,它取决于材料的切变模量 G.泊桑比ν,和柏氏矢量 b；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为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；多晶体的晶界一般为大角度晶界,各晶粒的位向差大多在 30～ 40左右,试验测出各种金属大角度晶界能约在 0.25— 1.0J/m2 范畴内 、与晶粒之间的位向差无关 、大体上为定值；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；在达到平稳状态时, O 点处的界面张力必需达到力学平稳,即其矢量和为零,故或 〔3.21〕如取其中某一晶界能作为基准, 就通过测量φ角即可求得其他晶界的相对能量； 在平稳状态下,三交叉晶界的各面角均趋向于最稳固的 120,此时各晶粒之间的晶界能基本相等；3.3.2.4 晶界的特性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削减晶界面积,从而降 低晶界的总能量, 这为一个自发过程； 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,温度上升和保温时间的增长,均有利于这两过程的进行；2.晶界处原子排列不规章,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,这就为细晶强化；高温下就由于晶界存在肯定的粘滞性,易使相邻晶粒产生相对滑动；3.晶界处原子偏离平稳位置,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才能较大 、所以新相易于在晶界处优先形精品学习资料精选学习资料 - - - 欢迎下载核.原始晶粒越细 、晶界越多 、就新相形核率也相应越高；5.由于成分偏析和内吸附现象,特殊为晶界富集杂质原子的情形下,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.原子处于不稳固状态,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； 这就为用腐蚀剂显示金相样品组织的依据, 也为某些金属材料在使用中发生晶间腐蚀破坏的缘由；精品学习资料。