基本介紹
- 中文名：晶界能
- 外文名：Grain boundary energy
- 又稱：晶界自由能
- 記作：γG
- 單位：J/m^2
- 其它表達形式：界面張力
分類,金屬晶界能,晶界區分依據,實際意義,
分類
從理論上講，晶界處的能量包括兩部分，即彈性畸變能和化學互動作用能。彈性畸變能的大小取決於失配度的大小，而化學互動作用能取決於界面上原子與周圍原子的化學鍵結合狀況。相界面結構不同,這兩部分能量所占的比例也不同。對於共格晶界來說，由於界面上原子保持著匹配關係故界面上原子結合鍵數目不變，此時應變能是主要的。而對於非共格晶界，由於界面上原子的化學鍵數目和強度與晶內相比發生了很大變化，故其界面能以化學能為主，而總界面能較高。
當形成共格晶界所產生的晶界能增加到一定程度，如再共格相連所產生的彈性應變能將大於引人界面位錯所引起的能量增加，這時以半共格晶界相連比以共格晶界相連在能量上更趨於穩定。如果假設相鄰晶粒的原子（離子）彼此無作用，那么，每單位面積晶界的晶界能將等於兩晶粒的表面能之和。但是實際上兩個相鄰晶粒的表面層上的原子間的相互作用是很強的，並且可以認為在每個表面上的原子（離子）周圍形成了一個完全的配位球，其差別在於此處的配位多面體是變了形的，並在某種程度上，這種配位多面體周圍情況與內部結構是不相同的。
金屬晶界能
固體金屬中也存在著各式各樣的界面。 比如，晶粒之間的晶界、晶粒內部的孿晶界、不同相之間的相界等。一般的晶界可以用下圖的模型說明。在這個模型中，兩晶體基本處於完整的狀態，只是在二者的相鄰區域有不規則的原子排列。我們把兩個晶體之間存在原子不規則排列的這個區域稱為晶界區。晶界區的寬度只有零點n個納米，它所包含的原子有的是兩個晶體所共有（D），有的（A）則不屬於任何一方。在晶界區還存在壓縮區（B）和拉伸區（C）。麥克林（Mclean）曾根據這個模型粗略地認為，在晶界區中，壓縮區、拉伸區和吻合區（D）各占約三分之一。
晶界構造模型
晶界構造模型對於一個具體的晶界區而言，上述三個區域的比例與兩個晶體之間的傾斜角有關。吻合區的數目越多，則晶界區的失配度越小，晶界能就越低。對於具有高對稱性的簡單立方晶體。
晶界區分依據
通常按晶界之向的傾角將晶界分成以下類型：
1、小角度晶界θ=0°~（3°~10°）
2、中角度晶界θ=3°~（10°~15°）
3、大角度晶界θ>15°
如果二晶體之向的取向差很小，則形成小角度晶界。這種小角度晶界可以看作是由許多刃型位錯疊砌而成的，其界面能可以通過計算求之。
實際意義
在單相合金中，晶界能的大小取決於晶界的面積。所以在平衡時，晶界能的減小，就是兩晶粒晶界的平直化過程。實際上，接近平衡狀態的單相台金，絕大部分為大角度晶界，其界面能是相等的。二維組織的三叉晶界各晶界角相等。ψ1=ψ2=ψ3=120°，而在兩相合金中的情況比較複雜。當合金中含有第二相時，這個相可能存在於基體晶粒內部，也可能存在於界面、界棱或界角上，而第二相的形貌則取決於界面能、畸變能以及相變時的動力學因素。如果兩相具有完全不同的晶體結構，或處於隨機的相對位向，其間的界面即為非共格的高能相界面，且界面能與兩相的相對位向無關，此時第二相的平衡形狀將為球形。鋼中粒狀球光體中的球狀滲碳體就是一個典型例子。如果兩相晶體結構相同，點陣常數也接近，並且具有平行一致的位向關係，則在兩相的界面上都可能形成低能的共格界面，這時第二相也應為球狀。如果兩相的晶體結溝雖然不同，但有一個結構相相似原子間距相近的晶面，且在兩相之間具有某一確定的位向關係的條件下，可以在這個共有的晶面中形成共格或半共格界面。因為只有一個共有晶面．所以第二相顆粒只能有平行的兩個界面足低能的共格或半共格界面，其餘周緣都由高能的非共格界面構成。如果忽略畸變能，由於冬照減少界面能的關係，第二相將成為圓盤狀或片狀。
