2022年2022年晶界和亞晶界

1、精選學(xué)習(xí)資料 - - - 歡迎下載3.3.2 晶界和亞晶界屬于同一固相但位向不同的晶粒之間的界面稱(chēng)為晶界grain boundary ；而每個(gè)晶粒有時(shí)又由 如干個(gè)位向稍有差異的亞晶粒所組成,相鄰亞晶粒間的界面稱(chēng)為亞晶界sub-grain boundary ；晶粒的平均直徑通常在0.015 0.25mm 范疇內(nèi),而亞晶粒的平均直徑就通常為0.001mm 的范疇內(nèi)；二維點(diǎn)陣中晶界位置可用兩個(gè)晶粒的位向差和晶界相對(duì)于一個(gè)點(diǎn)陣某一平面的夾角來(lái)確定,如下列圖；依據(jù)相鄰晶粒之間位向差角的大小不同可將晶界分為兩類(lèi)：1.小角度晶界 small-angle grain boundary 相鄰晶粒的位向差小于10

2、°的晶界；亞晶界均 屬小角度晶界,一般小于2°；2.大角度晶界 large-angle grain boundary 相鄰晶粒的位向差大于10°的晶界,多晶體中 90以上的晶界屬于此類(lèi)；3.3.2.1 小角度晶界的結(jié)構(gòu)依據(jù)相鄰亞晶粒間位向差的型式不同,小角度晶界可分為傾斜晶界.扭轉(zhuǎn)晶界和重合晶界等；它們的結(jié)構(gòu)可用相應(yīng)的模型來(lái)描述；1.對(duì)稱(chēng)傾斜晶界對(duì)稱(chēng)傾斜晶界 symmetricaltiltboundary 可看作為把晶界兩側(cè)晶體相互傾斜的結(jié)果；由于相鄰兩晶粒的位向差角很小,其晶界可看成為由一列平行的刃型位錯(cuò)所構(gòu)成；2.不對(duì)稱(chēng)傾斜晶界假如傾斜晶界的界面繞 x 軸轉(zhuǎn)了

3、一角度, 就此時(shí)兩晶粒之間的位向差仍為角, 但此時(shí)晶界的界面對(duì)于兩個(gè)晶粒為不對(duì)稱(chēng)的,故稱(chēng)不對(duì)稱(chēng)傾斜晶界 unsymmetrical tilt boundary ；它有兩個(gè)自由度和； 該晶界結(jié)構(gòu)可看成由兩組柏氏矢量相互垂直的刃型位錯(cuò)交叉排列而構(gòu)成的；3.扭轉(zhuǎn)晶界扭轉(zhuǎn)晶界 twist boundary 為小角度晶界的一種類(lèi)型；它可看成為兩部分晶體繞某一軸在一個(gè) 共同的晶面上相對(duì)扭轉(zhuǎn)一個(gè)角所構(gòu)成的,扭轉(zhuǎn)軸垂直于這一共同的晶面；該晶界的結(jié)構(gòu)可看成為由相互交叉的螺型位錯(cuò)所組成,如圖 3-71 ；扭轉(zhuǎn)晶界和傾斜晶界均為小角度晶界的簡(jiǎn)潔情形,不同之處在于傾斜晶界形成時(shí),轉(zhuǎn)軸在晶界內(nèi)； 扭轉(zhuǎn)晶界的轉(zhuǎn)軸就垂直于

4、晶界；一般情形下, 小角度晶界都可看成為兩部分晶體繞某 一軸旋轉(zhuǎn)一角度而形成的,只不過(guò)其轉(zhuǎn)軸既不平行于晶界也不垂直于晶界；對(duì)于這樣的小角度晶界,可看作為由一系列刃位錯(cuò).螺位錯(cuò)或混合位錯(cuò)的網(wǎng)絡(luò)所構(gòu)成；精品學(xué)習(xí)資料精選學(xué)習(xí)資料 - - - 歡迎下載3.3.2.2 大角度晶界的結(jié)構(gòu)晶粒之間的晶界通常為大角度晶界；大角度晶界的結(jié)構(gòu)較復(fù)雜,原子排列很不規(guī)章,有人認(rèn)為大角度晶界的結(jié)構(gòu)接近于圖示的模型；取向不同的相鄰晶粒的界面不為光滑的曲面,而為由不規(guī)章的臺(tái)階組成的；分界面上既包含有同時(shí)屬于兩晶粒的原子d,也包含有不屬于任一晶粒的原子a；既包含有壓縮區(qū)b,也包含有擴(kuò)張區(qū)c；這為由于晶界上的原子同時(shí)受 到位向

5、不同的兩個(gè)晶粒中原子的作用所致；總之, 大角度晶界上原子排列比較紊亂,但也存在一些比較整齊的區(qū)域；因此, 晶界可看成壞區(qū)與好區(qū)交替相間組合而成；隨著位向差分的增大,壞區(qū)的面積將相應(yīng)增加；純金屬中大角度晶界的寬度一般不超過(guò)3 個(gè)原子間距；近年來(lái),有人應(yīng)用場(chǎng)離子顯微鏡討論晶界,提出了大角度晶界的“重合位置點(diǎn)陣”模型coincidence lattice model ,如圖 3-73 所示,在二維正方點(diǎn)陣中,當(dāng)兩個(gè)相鄰晶粒的位向差為 37°時(shí) 相當(dāng)于晶粒2 相對(duì)晶粒1 繞某固定軸旋轉(zhuǎn)了37° ,設(shè)想兩晶粒的點(diǎn)陣彼此通過(guò)晶界向?qū)Ψ窖娱L(zhǎng), 其中一些原子將顯現(xiàn)有規(guī)律的相互重合,由這些原

6、子重合位置所組成比原來(lái)晶體點(diǎn)陣大的新點(diǎn)陣,通常稱(chēng)為重合位置點(diǎn)陣；在上述詳細(xì)圖例中,每 5 個(gè)原子即有一個(gè)為重合位置, 故重合位置點(diǎn)陣密度為1 5 或稱(chēng)為 15 重合位置點(diǎn)陣； 由于晶體結(jié)構(gòu)及所選旋轉(zhuǎn)軸與轉(zhuǎn)動(dòng)角度的不同,可以顯現(xiàn)不同重合位置密度的重合點(diǎn)陣；）表中列出了立方晶系金屬中重要的重合位置點(diǎn)陣；依據(jù)該模型, 在大角度晶界結(jié)構(gòu)中將存在肯定數(shù)量重合點(diǎn)陣的原子；晶界上重合位置愈精品學(xué)習(xí)資料精選學(xué)習(xí)資料 - - - 歡迎下載多,即晶界上愈多的原子為兩個(gè)晶粒所共有, 原子排列的畸變程度愈小, 就晶界能也相應(yīng)愈低；然而從表得知, 不同晶體結(jié)構(gòu)具有重合點(diǎn)陣的特殊位向?yàn)橛邢薜模?所以,重合位置點(diǎn)陣模型尚不

7、能說(shuō)明兩晶粒處于任意位向差的晶界結(jié)構(gòu)；3.3.2.3 晶界能晶界上的原子排列為不規(guī)章的,存在畸變, 從而使系統(tǒng)的自由能增高；晶界能 grain boundaryenergy定義為形成單位面積界面時(shí)系統(tǒng)自由能的變化df/da ,它等于界面區(qū)單位面積的能量減去無(wú)界面時(shí)該區(qū)單位面積的能量；小角度晶界的能量主要來(lái)自位錯(cuò)能量形成位錯(cuò)的能量和將位錯(cuò)排成有關(guān)組態(tài)所作的功,而位密度又打算于晶粒間的位向差,所以,小角度晶界能也和位向差有關(guān)：3.20式中為常數(shù),它取決于材料的切變模量g.泊桑比,和柏氏矢量b；a 為積分常數(shù),取決于位錯(cuò)中心的原子錯(cuò)排能；由上式可知, 小角度晶界的晶界能為隨位向差增加而增大,但該公式

8、只適用于小角度晶界,而對(duì)大角度晶界不適用；多晶體的晶界一般為大角度晶界,各晶粒的位向差大多在30° 40°左右,試驗(yàn)測(cè)出各種金屬大角度晶界能約在0.25 1.0j/m2 范疇內(nèi) 、與晶粒之間的位向差無(wú)關(guān)、大體上為定值；晶界能也可以界面張力的形式來(lái)表現(xiàn),通過(guò)界面交角的測(cè)定求出它的相對(duì)值；圖3-74 所示為 3 個(gè)晶粒相遇時(shí),它們兩兩相交于一界面,3 個(gè)界面相交于1 個(gè)三叉界棱；在達(dá)到平穩(wěn)狀態(tài)時(shí), o 點(diǎn)處的界面張力必需達(dá)到力學(xué)平穩(wěn),即其矢量和為零,故或 3.21如取其中某一晶界能作為基準(zhǔn),就通過(guò)測(cè)量角即可求得其他晶界的相對(duì)能量；在平穩(wěn)狀態(tài)下,三交叉晶界的各面角均趨向于最穩(wěn)固的

9、120°,此時(shí)各晶粒之間的晶界能基本相等；3.3.2.4 晶界的特性1.晶界處點(diǎn)陣畸變大,存在晶界能；晶粒的長(zhǎng)大和晶界的平直化都能削減晶界面積,從而降 低晶界的總能量, 這為一個(gè)自發(fā)過(guò)程；晶粒的長(zhǎng)大和晶界的平直化均需通過(guò)原子的擴(kuò)散來(lái)實(shí)現(xiàn),因此,溫度上升和保溫時(shí)間的增長(zhǎng),均有利于這兩過(guò)程的進(jìn)行；2.晶界處原子排列不規(guī)章,在常溫下晶界的存在會(huì)對(duì)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,這就為細(xì)晶強(qiáng)化；高溫下就由于晶界存在肯定的粘滯性,易使相鄰晶粒產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)；3.晶界處原子偏離平穩(wěn)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(guò)程中、由于晶界能量較高且原子活動(dòng)才能較大、所以新相易于在晶界處優(yōu)先形精品學(xué)習(xí)資料精選學(xué)習(xí)資料 - - - 歡迎下載核.原始晶粒越細(xì)、晶界越多 、就新相形核率也相應(yīng)越高；5.由于成分偏析和內(nèi)吸附現(xiàn)象,特殊為晶界富集雜質(zhì)原子