多數(shù)晶體物質由許多晶粒所組成，屬于同一固相但位向不同的晶粒之前的界面稱為晶界，它是一種內界面；而每個晶粒有時又由若干個位向稍有差異的亞晶粒所組成，相鄰亞晶粒間的界面稱為亞晶界。晶粒的平均直徑通常在0.015~0.25mm范圍內，而亞晶粒的平均直徑通常為0.001mm數(shù)量級。

相對于理想完整晶體來說，界面是晶體缺陷，它們是二維(嚴格說不完全是二維的）的結構缺陷。界面的結構不同于晶體內部，因而具有很多重要的不同于晶體內部的性質，這些性質不僅在晶體的一系列物理化學過程中起重要作用，而且對固態(tài)晶體的整體性能也具有很重要的影響。晶體中的界面遷動、異類原子在晶界的偏聚、界面的擴散率、材料的力學和物理性能等也都和界面結構有直接的關系。晶體的斷裂也常發(fā)生在特定的晶面上，人們常希望能較容易確定斷裂界面的類型。正因為如此，對界面結構的研究是現(xiàn)代材料學科中一個活躍的課題。

為了描述晶界和亞晶界的幾何性質，需說明晶界的取向及其兩側晶粒的相對位向。二維點陣中的晶界和幾何關系可用下圖來描述，即晶界位置可用兩個晶粒的位向差θ和晶界的相對于一個點陣某一平面的夾角Φ來確定。

而三維點陣的晶界幾何關系應由五個位向角度確定。EBSD技術在分析界面時可起重要作用，但首先要注意，晶界的描述要5個自由度。測出的晶界兩側的取向差只提供了3個自由度，晶界在樣品水平面的截線又只提供了一個參數(shù)，必須再在另一個截面上測該晶界的走向，才能夠最終確定晶界面的取向。多數(shù)情況下EBSD使用者未完成最后這一參數(shù)的測定，因而只給出定性的分析。

根據(jù)相鄰晶粒之間的位向差θ角的大小不同可將晶界分為兩類：

①小角度晶界——相鄰晶粒位向差小于10°的晶界；亞晶界均屬小角度晶界，一般小于2°；

②大角度晶界——相鄰晶粒位向差大于10°的晶界，多晶體中的晶界大多屬于此類。

一、小角度晶界的結構

按照相鄰亞晶粒之間位向差的型式不同，可將小角度晶界分為傾斜晶界、扭轉晶界和重合晶界等，它們的結構可用相應的模型來描述。

01

對稱傾斜晶界

對稱傾斜晶界可看作把晶界兩側晶體相互傾斜的結構如下圖所示：

對稱傾斜晶界的形成

由于相鄰量晶粒的位向差θ角很小，其晶界可看成功一列平行的刃型位錯所構成（見下圖）

傾轉晶界

位錯的間距D與伯氏矢量b之間的關系為：

當θ很小時，b/D≈θ。

02

不對稱傾斜晶界

如果對稱傾斜晶界的界面繞x軸轉了一角度Φ，如下圖，則此時兩晶粒之間的位向差仍為θ角，但此時晶界的界面對于兩晶粒是不對稱的，因此，稱為不對稱傾斜晶界。

不對稱傾斜晶界

它有兩個自由度 θ和Φ。該晶界結構可看成由兩組伯氏矢量相互垂直的刃型位錯交錯b┻b├排列而構成。兩組刃型位錯各自的間距D┻D├可根據(jù)幾何關系分別求得，即：

03

扭轉晶界

扭轉晶界可看成是兩部分晶體繞某一軸在一個共同的晶面上相對扭轉一個θ角所構成的，扭轉軸垂直于這一共同的晶面，如圖所示：

扭轉晶界的形成過程

它的自由度是1。該晶界的結構可看成由相互交叉的螺型位錯所組成。如下圖，

扭轉晶界位錯模型

純扭轉晶界和傾斜晶界均是小角度晶界的簡單情況，兩者不同之處在于傾斜晶界形成時，轉軸在晶界內；而扭轉晶界的轉軸則垂直于晶界。

在一般情況下，小角度晶界都可看成是兩部分晶體繞某一軸旋轉一角度而形成的，只不過其轉軸既不平行于晶界也不垂直于晶界。對這樣的任意小角度晶界，可看作由一系列刃型位錯、螺型位錯或混合位錯的網(wǎng)絡鎖構成。

二、大角度晶界的結構

多晶體材料中各晶粒之間的晶界通常為大角度晶界。大角度晶界的結構較復雜，其中原子排列較不規(guī)則，不能用位錯模型來描述，對于大角度晶界結構的了解遠不如小角度晶界清楚。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，晶界可看成由壞區(qū)和好區(qū)交替相間組合而成。隨著位向差θ的增大，壞區(qū)的面積將相應增加。純金屬中大角度晶界的寬度不超過3個原子間距。有人利用場離子顯微鏡研究晶界，提出了大角度晶界的“重合位置點陣”模型，并得到試驗證實。感興趣的小伙伴可自行查閱相關資料了解哦，本期推文就不展開了。

三、晶界的特性

1、晶界處點陣畸變大，存在著晶界能，因此，晶粒的長大和晶界的平直話都能減小晶界面積，從而降低晶界的總能量，這是一個自發(fā)的過程。然而晶粒的長大和晶界的平直化均須通過原子的擴散來實現(xiàn)，因此，隨著溫度升高和保溫時間的增長，均有利于這兩過程的進行。

2、晶界處原子排列不規(guī)則，因此在常溫下晶界的存在會對位錯的運動起阻礙作用，致使塑性變形抗力提高，宏觀變現(xiàn)為晶界較晶內具有較高的強度和硬度。晶粒越細，材料的強度越高，這就是細晶強化；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；

3、晶界處原子偏離平衡位置，具有較高的動能，并且晶界處存在較多的缺陷，如空穴、雜質原子和位錯等，故晶界處原子的擴散速度比在晶內快得多。

4、在固態(tài)相變過程中，由于晶界能量較高且原子活動能力較大，所以新相易于在晶界處優(yōu)先形核。顯然，原始晶粒越細，晶界越多，則新相形核率也相應越高。

5、由于成分偏析和內吸附現(xiàn)象，特別是晶界富集雜質原子情況下，往往晶界熔點較低，故在加熱過程中，因溫度過高將引起晶界熔化和氧化，導致“過燒”現(xiàn)象的發(fā)生。

6、由于晶界能量較高、原子處于不穩(wěn)定狀態(tài)，以及晶界富集雜質原子的緣故，與晶內相比，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。

編輯：黃飛