亞晶界

亞晶界是指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。

基本介紹

• 中文名：亞晶界
• 外文名：subgrainboundary
• 拼音：yà jīng jiè
• 定義：相鄰亞晶粒間的界面
• 亞晶粒直徑：0.001mm的範圍內
• 套用學科：冶金工業

概述

屬於同一固相但位向不同的晶粒之間的界面稱為晶界，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。在多晶體中，每一晶粒還包含更細小的“亞組織”。這種亞組織是由10～100的若干晶塊所組成，彼此之間的位向差很小（通常小於1°）。這些晶塊之間的分界面稱為“亞晶界”。

亞組織和亞晶界的涵義比較廣泛，它們分別指尺寸比晶粒更小的所有細微組織和這些細微組織的分界面。因此，金屬凝固時晶粒內部出現的胞狀組織和它們的界面、以及經變形和退火後晶粒內部出現的亞晶粒和它們的界面等均屬此範疇。

亞晶界同樣具有界面能，但其界面能比晶界能低。亞晶界也是溶質原子聚集和第二相優先析出的地方。

和晶界一樣，亞晶界可阻礙位錯的運動，故亞晶粒的細化將使金屬的強度提高。

亞晶界遷移

亞晶結構拓撲學上非常類似於一個泡沫，其結點受到與表面張力相類似的力的作用。所以，在如右圖所示的二維情況下，三晶結點A受到了來自晶界、和的力的作用。如果晶界比能相等，那么當晶界間夾角為120°時三晶結點將處於平衡狀態。因此，晶界被迫變成彎曲（點劃線），並將趨於向箭頭方向移動以減小它們的長度。於是結點將隨之移動，當達到某一位置時晶界伸直（虛線）並成180°夾角，此時結點變得穩定。這一過程與大角晶界的遷移極為相似。

小角晶界的遷移

通過上述這種Y型連線遷移，結點將移動，小的亞晶粒將被大的亞晶粒所吞食，並且平均亞晶粒尺寸將會增大。因為小角晶界能取決於相鄰亞晶粒問的位向差，所以平衡時晶界間夾角通常不是120°。

小角晶界移動的速度可以表示為

式中為淨驅動力，為晶界可動性。

雖然有些類型的簡單傾側晶界能夠通過滑移進行遷移，但是小角晶界的移動通常需要位錯的攀移和滑移，因此是一種熱激活過程。於是，小角晶界的可動性常常由下列公式表示：

式中，是一個與材料及晶界特徵有關的常數，為晶界遷移的激活能。有人發現對於銅小角晶界的激活能比大角晶界的激活能高得多。

我們知道，小角晶界的固有可動性與晶界的類型及晶界間的位向差有關。對稱傾側晶界的可動性很高，並且可能會在較低的溫度下發生晶界遷移。然而，其它類型的小角晶界的可動性相對來講則較低。有人發現，在銅中，對於位向差大於2°的晶界，其可動性隨著位向差的增大而增大，而激活能則隨之降低。在同一種材料中，小角晶界的可動性要比大角晶界的可動性小几個數量級。我們可以對上述這些效應做如下定性的解釋。我們知道，晶界的遷移需要原子的擴散，而原子的擴散在晶體的受擾區是最容易實現的。與較大位向差的晶界相比，具有較低位向差的晶界有間距較大的位錯，因而具有較小的受擾區及較低的擴散係數。

Sandstrom對因晶界遷移而引起的亞晶粒長大的動力學作了數值模擬，發現與大角晶界的長大相類似。在Sandstrom的模型中，晶界能保持不變，所得到的拋物線型長大法則可以表示為：

式中為初始亞晶粒直徑，為與溫度有關的常數，為時間。

1972年，Dillamore等人得出了一個與公式形式相同的模型，它起初是由Hillert在1965年為晶粒長大而推導的。

雖然更準確的模型有了一定的發展，它們考慮了晶界能的變化以及亞晶粒尺寸的分布，但是上述亞晶粒長大動力學的實驗證據還很有限。

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化都能減小晶界面積，從而降低晶界的總能量，這是一個自發過程。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，因此，隨著溫度升高和保溫時間的增長，均有利於這兩過程的進行。

（2）晶界處原子排列不規則，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，巨觀表現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，易使相鄰晶粒產生相對滑動。

（3）晶界處原子偏離平衡位置，具有較高的動能，並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）在固態相變過程中，由於晶界能量較高且原子活動能力較大，所以新相易於在晶界必優先形核。顯然，原始晶粒越細，晶界越多，則新相形核率也相應越高。

（5）由於成分偏析和內吸附現象，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”現象產生。

（6）由於晶界能量較高、原子處於不穩定狀態，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，也是某些金屬材料在使用中發生晶間腐蝕破壞的原因。