多數(shù)晶體物質(zhì)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(nèi)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(nèi)，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(yán)格說不完全是二維的）的結(jié)構(gòu)缺陷。界面的結(jié)構(gòu)不同于晶體內(nèi)部，因而具有很多重要的不同于晶體內(nèi)部的性質(zhì)，這些性質(zhì)不僅在晶體的一系列物理化學(xué)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(kuò)散率、材料的力學(xué)和物理性能等也都和界面結(jié)構(gòu)有直接的關(guān)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(jié)構(gòu)的研究是現(xiàn)代材料學(xué)科中一個活躍的課題。

為了描述晶界和亞晶界的幾何性質(zhì)，需說明晶界的取向及其兩側(cè)晶粒的相對位向。二維點(diǎn)陣中的晶界和幾何關(guān)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(diǎn)陣某一平面的夾角Φ來確定。

而三維點(diǎn)陣的晶界幾何關(guān)系應(yīng)由五個位向角度確定。EBSD技術(shù)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(cè)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(jié)構(gòu)

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(zhuǎn)晶界和重合晶界等，它們的結(jié)構(gòu)可用相應(yīng)的模型來描述。

01

對稱傾斜晶界

對稱傾斜晶界可看作把晶界兩側(cè)晶體相互傾斜的結(jié)構(gòu)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(gòu)成（見下圖）

傾轉(zhuǎn)晶界

位錯的間距D與伯氏矢量b之間的關(guān)系為：

當(dāng)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(zhuǎn)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(jié)構(gòu)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(gòu)成。兩組刃型位錯各自的間距D┻D├可根據(jù)幾何關(guān)系分別求得，即：

03

扭轉(zhuǎn)晶界

扭轉(zhuǎn)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(zhuǎn)一個θ角所構(gòu)成的，扭轉(zhuǎn)軸垂直于這一共同的晶面，如圖所示：

扭轉(zhuǎn)晶界的形成過程

它的自由度是1。該晶界的結(jié)構(gòu)可看成由相互交叉的螺型位錯所組成。如下圖，

扭轉(zhuǎn)晶界位錯模型

純扭轉(zhuǎn)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(zhuǎn)軸在晶界內(nèi)；而扭轉(zhuǎn)晶界的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)一角度而形成的，只不過其轉(zhuǎn)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(luò)鎖構(gòu)成。

二、大角度晶界的結(jié)構(gòu)

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(jié)構(gòu)較復(fù)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(jié)構(gòu)的了解遠(yuǎn)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(yīng)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(diǎn)陣”模型，并得到試驗證實(shí)。感興趣的小伙伴可自行查閱相關(guān)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(diǎn)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(kuò)散來實(shí)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(jìn)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(yùn)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(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，這就是細(xì)晶強(qiáng)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(zhì)原子和位錯等，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(xì)，晶界越多，則新相形核率也相應(yīng)越高。

5、由于成分偏析和內(nèi)吸附現(xiàn)象，特別是晶界富集雜質(zhì)原子情況下，往往晶界熔點(diǎn)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(dǎo)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(zhì)原子的緣故，與晶內(nèi)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