晶界（晶粒与晶粒之间的接触界面）

简介

在多晶体中，由于晶粒的取向不同，晶粒间存在分界面，该分界面，称为晶界。由于晶界连接着不同排列方向的晶粒，从一种排列方向过渡到另一种排列方向，因此晶界处的原子排列是不规则的，所以晶界上的原子往往比晶粒内的原子具有更高的能量，当晶粒间位向差别越大，在晶界处的原子排列就越不规则。此外，金属中的杂质往往易于富集在晶界上。晶界的结构、成分和多少，对金属的各种性能和金属内的各种过程(如结晶、扩散、变形等)有重大影响，金属中晶界愈多，即意味着晶粒愈细。

一般说来，细晶粒金属的机械性能(强度、塑性和韧性)总是优于粗晶粒的金属。根据相邻晶粒间位向差的大小，晶界可以分为小角度晶界及大角度晶界两种，当位向差小于10°时称小角度晶界，它是由一系列相隔一定距离的刃型位错所组成，晶界层比较薄。当位向差的角度大于10°时，金属晶体中多数晶粒间的位向差在30°～40°左右，因而其晶界多属大角度晶界。

晶粒

结晶物质在生长过程中，由于受到外界空间的限制，未能发育成具有规则形态的晶体，而只是结晶成颗粒状，称晶粒，晶粒的内部晶胞方向与位置基本一致而外形不规则。有时候晶粒一词也用来泛指岩石中晶质矿物的颗粒。此时又可根据其晶形发育程度分为：自形——具有该种矿物比较完整的应有的晶形特征；半自形——仅具有该种矿物应有晶形的大致轮廊；他形——因受周围晶粒的限制而生长成任意的不规则状。

在烧结体内晶界移动有以下七种方式：气孔靠晶格扩散移动；气孔靠表面扩散移动；气孔靠气相传递；气孔靠晶格扩散聚合；气孔靠晶界扩散聚合；单相晶界本征迁移；存在杂质牵制晶界移动。

研究

由于晶界上两个晶粒的质点排列取向有一定的差异，两者都力图使晶界上的质点排列符合于自己的取向。当达到平衡时，晶界上的原子就形成某种过渡的排列，其方式如图4-14所示显然，晶界上由于原子排列不规则而造成结构比较疏松，因而也使晶界具有一些不同于晶粒的特性。晶界上原子排列较晶粒内疏松，因而晶界易受腐蚀（热侵蚀、化学腐蚀）后，很易显露出来；由于晶界上结构疏松，在多晶体中，晶界是原子（离子）快速扩散的通道，并容易引起杂质原子（离子）偏聚，同时也使晶界处熔点低于晶粒；晶界上原子排列混乱，存在着许多空位、位错和键变形等缺陷，使之处于应力畸变状态。故能阶较高，使得晶界成为富态相变时代先成核的区域。利用晶界的一系列特性，通过控制晶界组成、结构和相态等来制造新型无机材料是材料科学工作者很感兴趣的研究领域。但是多晶体晶界尺度仅在0.lum以下，并非一般显微工能研究的。而要采用俄歇谱仪及离子探针等。由于晶界上成分复杂，因此对晶界的研究还有待深入。

分类

有二种不同的分类方法，一种简单地按两个晶粒之间夹角的大小来分类。分成小角度晶界和大角度晶界。小角度晶界是相邻两个晶粒的原子排列组合的角度很小，约2～3°。两个晶粒间晶界由完全配合部分与失配部分组成。当一颗晶粒绕垂直晶粒界面的轴旋转微小角度，也能形成由螺旋位错构成的扭转小角度晶界。大角度晶界在多晶体中占多数，这时晶界上质点的排列已接近无序状态。

另一种分类是根据晶界两边原子排列的连贯性来划分的。当界面两侧的晶体具有非常相似的结构和类似的取向，越过界面原子面是连续的。这样的界面称为共格晶界。例如，氢氧化镁加热分解成氧化镁，就形成这样的间界。这种氧化物的氧离子密堆平面通过类似堆积的氢氧化物的平面脱氢而直接得到。因此当Mg（OH）。结构内有转变为MgO结构的畴出现时，则阴离子面是连续的。然而，两种结构的晶面间距彼此不同，分别为C1和C2，(C2-C1)/C1=Q被定义为品面间距的失配度。为了保个相或二个相发生弹性应变，或通过引入位错来达到。失配度Q是弹性应变的一个量弹性应变的存在，使系统的能量增大，系统能量与cQ2成正比，C为常数。另一种类型的晶界称做半共格晶界。在这种结构中，最简单的看只有晶面间距C1比较小的一个相发生应变。弹性应变可以成引入半个原子晶面进入应变相下降，这样就生成所谓界面位错。位错的引入、使在位错线附近发生局部的晶格畸变。显然晶体的能量也增加。

三叉

三叉晶界是三条晶界相遇时形成的线缺陷，具有不同于晶界的独特热力学和动力学性质。三叉晶界作为新相形核、空洞和腐蚀的首选位置以及溶质原子扩散的有利通道，在晶粒长大及塑性变形过程中起重要作用。因此研究三叉晶界的迁移过程及其影响因素具有重要意义。

三叉晶界对晶界运动和晶粒长大动力学均有显著影响。三叉晶界及其晶界的迁移量随着变形量的增加而增大，且三叉晶界的迁移距离比晶界的小。三叉晶界不能阻止晶粒旋转，但可以显著减缓旋转过程。

在演化初期环形晶粒顶部的晶界曲率发生了部分变化，之后晶界曲率保持稳定。这是因为初态的三叉晶界为不稳定状态(相邻晶界夹角不为120°)，当相邻晶界夹角达到120°的稳态时，三叉晶界形状保持稳定。由于环形晶界曲率的驱动作用，环形晶粒顶部的弧形晶界不断向其曲率中心收缩直至三叉晶界消失，变成一条平直晶界。

在整个演化过程中，晶界栻和晶界栿中平直晶界始终保持平直，说明三叉晶界迁移具有自相似性。3个晶粒的取向角度在演化过程中均保持不变，表明晶粒均未发生旋转。晶界曲率影响三叉晶界迁移速率，并且两者成正比关系。三叉晶界对晶界迁移有拖曳作用，晶界曲率越小，三叉晶界的拖拽作用越明显。