晶界
二 晶界结构与分类
• 1 、按两个晶粒间夹角的大小来分类，可分为 小角度晶界和大角度晶界。 –小角度晶界：相邻两个晶粒的原子排列错 合的角度很小，约2º -3º 。
–大角度晶界：晶界上质点的排列已接近无 序状态。
2据晶界两边排列的连贯性来划分，可分 为共格晶界、半共格晶界和非共格晶界。
• 共格晶界：界面两侧的晶体结构相似，晶粒 取向相近，穿越晶界的原子面是连续的。 • 半共格晶界：存在位错。 • 非共格晶界：晶界结构差别很大，而相邻晶 体间必有畸变的原子排列。
1 3 ~ 2 2
120～60°
<60 0
局部
润湿 全润湿
3
>2
3 2
1
(B)开始渗透 晶界 (C)在晶界渗 开 (D)浸湿整个 材料
THE END OF CHAPTER ONE
1 ss cos 2 2 sl
—二面角
讨论：
ss 2 cos 1 0 • （1）若 2 sl
即液相穿过晶界，晶粒完全被液相分隔浸湿，晶粒成孤 岛状分布在液相中 ss 1 1 cos 120 • （2）若 2 2 sl 三个晶粒交界处形成孤岛状液滴(不润湿) • （3）若
ss 3 3 cos 60 sl 2 2
液相沿晶界渗开，在三个晶粒交界处，液相形成三角棱柱体。 （润湿）
ss 比值与的关系见下表： sl 二面角与润湿关系
SS SL
<1
cos
2 1 2
>120
润湿性 不
相分布 (A)孤立液滴
1~ 3
第 三 节
晶 界
一 定义及特点
• 1、晶界：凡结构相同而取向不同的晶体相互 接触，其接触界面称为晶界。 相界面（或界面）：如果相邻晶粒不仅位 向不同，且结构、组成也不相同，即它们 代表不同的两个相，则其间界称为相界面 或界面。
2
晶界的பைடு நூலகம்点
–（ 1 ）晶界结构疏松，晶界易受腐蚀、易 显露； –（ 2 ）晶界结构疏松，是原子（离子）快 速扩散的通道，并易引起杂质偏聚； –（3）晶界处熔点低于晶粒； –（4）晶界上具有应力； –（ 5 ）晶界是固态相变时优先成核的区域。
三 多晶体组织
• 晶界构形：晶界在多晶体中的形状、构造和 分布称为晶界构形,由表面张力的相互关系决 定。
–1、S-S-V系统 （二维界面） 两相为相同的晶粒，第三相为气相，
－槽角
ss 2 sv cos
2
2
–2、S-S-L系统 两相为相同的晶粒，第三相为液相，
ss 2 sl cos
第4章 晶界
界面能与位相差的关系
4.3大角度晶界
每个相邻晶粒的位向不同，由晶界把各晶粒分开。 晶界是原子排列异常的狭窄区域，一般仅几个原子 间距。晶界处某些原子过于密集的区域为压应力，原子 过于松散的区域为拉应力区。 与小角度晶界相比，大角度晶界能较高，大致在 0.5～0.6J/m2，与相邻晶粒取向无关。
2018年11月2日7时11分
2018年11月2日7时11分
——古一——
由上所述，可知小角度晶界是由一系列位错阵列 组成，其中，倾侧晶界是由一系列刃位错组成。 一般来说，倾侧晶界可由一系列刃位错和螺位错 组成，只是螺位错的符号交替变化，其平均效果 为零；同样的，扭转晶界也不都是全由螺位错组 成，当组成晶界的位错线的柏矢不在晶界上时， 这些柏矢不一定与位错线平行，因此位错线有刃 位错和螺位错两种，只是刃型的符号交替变化， 总效果为零而已。
2018年11月2日7时11分
——古一——
2、面缺陷——晶界和亚晶界 实际金属材料是多晶体材料，则在晶体内部存在着大量的晶 界和亚晶界。晶界和亚晶界实际上是一个原子排列不规则的区域 （如图），该处晶体的晶格处于畸变状态，能量高于晶粒内部， 在常温下强度和硬度较高，在高温下则较低，晶界容易被腐蚀等。
＝（ 0 sin cos ) 式中0为对称倾侧晶界位错密 度。
2018年11月2日7时11分 ——古一——
2）扭转晶界（tarist boundary）
如果相邻两晶体绕垂直于界面的旋转轴相 对转动就构成扭转晶界。形成这样的晶界 需要两组螺位错构成网络，一组的柏矢平 行于[100]轴，另一组的柏矢平行于[010]轴， 网络的间距D也满足D=b/θ 。 扭转晶界也是一个自由度的晶界，晶界面 是两晶粒的共同结晶学面。
晶界内聚力-概述说明以及解释
晶界内聚力-概述说明以及解释1.引言1.1 概述第一个要点我们将探讨晶界内聚力的概念和作用。
晶界是晶体中相邻晶粒之间的界面，晶界内聚力是指晶界内部相邻晶粒对彼此的吸引力和稳定力。
晶界内聚力的大小和性质对于晶体的性能、结构和行为具有重要影响。
晶界内聚力的存在和强度决定了晶体的力学强度、相变行为和界面扩散等过程。
在晶粒的生长和晶体的形成过程中，晶界内聚力起到了关键作用。
它通过影响晶粒的尺寸、形状、取向以及晶格缺陷和位错的运动等方面，决定了晶体的晶格结构和晶粒的排列方式。
晶界内聚力的研究对于理解晶体的性质和改善材料的性能具有重要意义。
通过控制晶界的形成和内聚力的调控，可以改善材料的强度、塑性、热稳定性以及其他功能性能。
因此，深入研究晶界内聚力的性质、机制和调控方法成为了材料科学领域的重要研究方向。
本文将从概述晶界内聚力的概念和作用开始，通过分析已有的研究成果和实验数据，探讨晶界内聚力的形成机制、影响因素以及表征方法。
同时，还将介绍晶界内聚力在材料科学中的应用和相关技术的发展。
最后，我们将总结已有的研究成果，对晶界内聚力的研究意义进行探讨，并展望未来的研究方向。
通过对晶界内聚力的深入研究，我们有望揭示晶体结构与晶界性质之间的相互关系，为设计和制备具有优异性能的材料提供理论指导和实验基础。
同时，晶界内聚力的研究也对于解决材料界面问题、减轻材料劣化和提高材料可靠性具有重要意义。
因此，加强对晶界内聚力的研究，将对材料科学领域的发展和应用产生深远的影响。
1.2文章结构文章结构部分的内容如下：2. 文章结构本文分为三个主要部分，分别是引言、正文和结论。
2.1 引言引言部分对本文所讨论的主题进行了概述，介绍了晶界内聚力的背景和重要性。
在概述部分，将讨论晶界内聚力的定义、作用和相关研究的现状。
同时，介绍了本文的研究目的和意义，以及本文的结构安排。
2.2 正文正文是本文的核心部分，包含了三个重要的要点。
在第一个要点部分，将详细介绍晶界内聚力的形成机理和影响因素，探讨晶界内聚力对材料性能的影响，并举例说明。
晶粒和晶界的关系-概述说明以及解释
晶粒和晶界的关系-概述说明以及解释1. 引言1.1 概述概述晶粒和晶界是固体材料中的两个重要组成部分，它们之间密切相关并相互作用。
在材料科学领域，研究晶粒和晶界的关系对于理解材料性质和开发新材料具有重要的意义。
晶粒是由具有相同晶体结构的原子或分子组成的，而晶界则是相邻晶粒之间的界面。
晶粒可以理解为材料的一些微小的晶体，它们具有相同的晶体结构，即具有同一种晶格。
晶粒的大小和形状可以受到多种因素的影响，如材料的化学成分、晶体生长过程中的温度和压力等。
晶粒的不同特征可以直接影响材料的力学性能、热传导性能和电导性能等。
而晶界则是相邻晶粒之间的分界面，它起着连接晶粒的作用。
晶界不仅具有不同的化学成分，还可能存在结构缺陷和位错等。
晶界对材料的性能和行为具有重要影响，它可以影响晶粒的各种行为，如晶粒的生长、变形和退化等。
晶界的性质会影响材料的强度、韧性、导电性和热稳定性等。
晶粒和晶界之间的相互作用也是研究的重点之一。
晶界能够对晶粒的生长和晶界迁移产生影响，并且可以通过晶界扩散来促进材料中的相变。
此外，晶界还可以作为晶粒内部的阻碍因素，阻碍晶粒的滑移和剧烈变形。
因此，深入理解晶粒和晶界之间的关系对于优化材料组织和改善材料性能具有重要意义。
本文将重点介绍晶粒和晶界的定义和特征，并探讨晶粒和晶界之间的相互作用。
在结论部分，我们将总结晶粒和晶界的关系，并讨论影响晶粒和晶界特性的因素。
最后，我们还将提出进一步研究的方向，以期能够更深入地理解和应用晶粒和晶界相关知识。
1.2 文章结构文章结构部分内容可以包括以下内容：文章结构部分的目的是介绍整篇文章的组织结构和各个部分的内容。
通过明确文章的结构，读者可以更好地理解文章的内容和逻辑关系。
本文分为引言、正文和结论三个部分。
引言部分包括概述、文章结构和目的三个小节。
在概述中，介绍了晶粒和晶界的概念及其在材料学中的重要性。
在文章结构中，展示了本文的整体组织结构和各个部分的主题。
在目的中，解释了本文的写作目的和意义。
晶界和亚晶界
3.3.2 晶界和亚晶界属于同一固相但位向不同的晶粒之间的界面称为晶界(grain boundary)；而每个晶粒有时又由若干个位向稍有差异的亚晶粒所组成，相邻亚晶粒间的界面称为亚晶界(sub-grain boundary)。
晶粒的平均直径通常在0.015—0.25mm范围内，而亚晶粒的平均直径则通常为0.001mm的范围内。
二维点阵中晶界位置可用两个晶粒的位向差θ和晶界相对于一个点阵某一平面的夹角φ来确定，如图所示。
根据相邻晶粒之间位向差θ角的大小不同可将晶界分为两类：1.小角度晶界(small-angle grain boundary)——相邻晶粒的位向差小于10°的晶界；亚晶界均属小角度晶界，一般小于2°；2.大角度晶界(large-angle grain boundary)——相邻晶粒的位向差大于10°的晶界，多晶体中90％以上的晶界属于此类。
3.3.2.1小角度晶界的结构按照相邻亚晶粒间位向差的型式不同，小角度晶界可分为倾斜晶界、扭转晶界和重合晶界等。
它们的结构可用相应的模型来描述。
1.对称倾斜晶界对称倾斜晶界(symmetrical tilt boundary)可看作是把晶界两侧晶体互相倾斜的结果。
由于相邻两晶粒的位向差θ角很小，其晶界可看成是由一列平行的刃型位错所构成。
2.不对称倾斜晶界如果倾斜晶界的界面绕x轴转了一角度φ，则此时两晶粒之间的位向差仍为θ角，但此时晶界的界面对于两个晶粒是不对称的，故称不对称倾斜晶界(unsymmetrical tilt boundary)。
它有两个自由度θ和φ。
该晶界结构可看成由两组柏氏矢量相互垂直的刃型位错交错排列而构成的。
3.扭转晶界扭转晶界(twist boundary)是小角度晶界的一种类型。
它可看成是两部分晶体绕某一轴在一个共同的晶面上相对扭转一个θ角所构成的，扭转轴垂直于这一共同的晶面。
该晶界的结构可看成是由互相交叉的螺型位错所组成，如图3-71 。
材料科学基础-晶界与界面
C. 二面角的用途 （a）杂质在金属压力加工中影响 Cu中Bi有 热脆是因为Bi低熔点液相薄膜分布 （b）粉末冶金烧结时润湿性：选Co与WC （c）对焊料影响：焊接时用助焊剂使焊料润 湿被焊金属表面
7.晶界偏聚平衡偏聚及非平衡偏聚 A. 平衡偏聚 平衡条件下由于溶质与溶剂原子尺寸相差很 大，溶质原子在晶内、晶界的畸变能差很大， 造成溶质原子在晶界富集 ，如Cu-1Sn%合 金，：Sn的偏析，Sn的原子半径比Cu大9%， 发生严重点阵畸变
扭转晶界：两晶体绕轴旋转后相差θ后螺型位 错。 网络组成扭转晶界示意图如下：
扭转晶界 位错模型
4.亚晶界
每个晶粒中直径10~100μm的晶块（亚晶粒） 之的界面 溶质原子优先聚集和第二相优生析出的地方 可阻碍位错运动，影响材料力学性能
金属晶粒内的重结构示意图 Fe-4Si合金中的亚晶界
8.晶界的其它特性
a. 晶界熔点低，易过烧 b. 晶界是易扩散通道 c. 晶界易形核 d. 晶界易受腐蚀 e. 晶界常温下强化，高温下弱化
9.孪晶界：共格、非共格孪晶
A.共格孪晶界：界面上原子正好在两侧晶粒点 阵位置上多通过形变后退火而形成，与堆垛 层错密切相关，如fcc(111)面通常是ABCAB CABC……，从某一层开始堆垛变成ABC ACBACBA…… 则形成孪晶，CAC为堆垛层 错界面. B. 非共格孪晶界：由许多位错构成
F. 晶界偏聚意义 对强韧性、晶间腐蚀、应力腐蚀、蠕变断裂强度、 钢回火脆性，钢淬透性有重要影响： a. 纯铁中氧含量增至0.057%，由于氧在晶界偏聚降 低晶界结合力，脆性转变温度提高至300℃以上， Ni-Cr合金钢经250~350℃回火后脆性增大，是因为 P（磷）在奥氏体化时在晶界偏聚。 b. Ni3Al金属间化合物加入0.1%B后，B在晶界偏聚 提高Ni3Al室温塑性 c. 中、低碳钢中加入0.0005~0.003%B可提高淬透 性，即是硼（B）偏聚在晶界降低奥氏体晶界能，抑 制奥氏体分解时的先共析铁素体形成
晶界和晶界模型
前苏联学者斯莫留乔符斯基(R．Smoluchowshi) 根据沿晶界扩散各向异性的实验结果，对小岛模 型进行了补充：他认为在大角度晶界处位错结构 仍有某种程度的残留。残留的多少随晶界角θ 而变.
（3）、重合模型
1964年Brandon等人提出一个重合模型：晶界是 由晶体绕某些特殊轴旋转一定的角度之后而成。转 动后晶格上一些原子位于 一个比原点阵大的“超点 阵”上，这种较大的点阵称为重合位置点阵。
（1）、过冷液体模型
过冷液体模型是认为晶界中原子排列是长程无 序、短程有序，具有过冷液体(非晶态)特征。 晶界是各向同性的。在应力作用下会发生粘滞 运动，由此可以解释我国著名金属学家葛庭燧发 现的晶界滑移引起的内耗。 为了使定量上与实验结果相符，要求晶界厚度 很薄，一般不超过2—3个原子，这种情况看来比 较适合金属与合金.
（2）、小岛模型
Mott根据场离子显微镜对大角度晶界的观察结果提 出了晶界的小岛模型。 Mott认为晶界区中存在有原 子排列匹配良好的“岛”(只有晶 态特态)，岛散布在原子排列匹配 不好的区域(非晶态区域，有的资 料上形象化地称为“海”)。小岛 尺寸约几个到几十个原子距。 在场和转角．其重合位置的分数叫重
叠数。下表是立方晶系中转轴-转角对应的重叠数 。
重叠模型认为，在组成的晶界中如果其中 的原子与原先点阵重叠愈多，这样的晶界的 界能就愈低，也就愈稳定，出现的可能性就 愈大。
从结构周期性上来看， 重合模型中有相当一部分原 子是处于晶格畸变状态，因 此晶界原子是易动的，活动 性也较大。 在重叠模型（CSL)的基 础上、又发展出O点阵（Olattice）模型和全同位移点 阵（DSC）等概念。
4、大角度晶界
晶界角大于10°以上的晶界称大角度晶界(largeangle)，由式D=b/θ可估算出，当 θ ＝30°，位错间 距D约等于1．936，这个尺寸不到两个原子间距离. 由于大角度晶界处的 复杂性，很难用一个 数学模型来进行处理。 下面介绍几种可以用 来解释晶界现象的大 角度晶界的模型。
第八章 表面、相界和晶界
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（3）清洁表面 清洁表面是指不存在任何吸附、催化反应、杂质扩散等 物理化学效应的表面。这种清洁表面的化学组成与体内 相同，但周期结构可以不同于体内。根据表面原子的排 列，清洁表面又可分为：
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（2）原因 液膜中不仅有凹面，还有凸面。设凹的曲率半径为
r1，凸面的半径为r2。对于非球面： Ρs＝γ(1/r2-1/r1) r :主曲率半径。
当液膜非常薄时, r2»r1 ,或r2＝∞, 即为两块相互平行的 平板间的液体液面
Ρ＝-γ/r1 负号表示液内压力小，相当于两边给玻璃有正的γ/r1 的推力，这一推力使二块玻璃拉近拉紧。
于B/r3 , 故范得华力只表现出引力作用。
对不同物质，上述三种作用并非均等的。例如对 于非极性分子，定向作用和诱导作用很小，可以忽 略，主要是分散作用。
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二、固体的表面结构 1.表面结构
（1）静态表面原子状态 1）表面:是指（固体）晶体的三维周期性结构开始破坏一直
到真空之间的整个过渡区域，其厚度一般为几个原子层。 2）静态表面原子状态：是指在0K时，表面原子静止地（无
开尔文公式的结论说明凸面蒸气压＞平面＞凹面 由于颗粒表面各处的曲率不同，按开尔文公式可
知，各处相应的蒸气压大小也不同。故质点容易从 高能阶的凸处（如表面）蒸发，然后通过气相传递 到低能阶的凹处(如颈部）凝结，使颗粒的接触面 增大，颗粒和空隙形状改变而使成型体变成具有一 定几何形状和性能的烧结体。这一过程也称蒸发冷凝。
多数情况下吸附是介于上述二者之间，即在固体吸附剂 和吸附物之间共有电子，并且经常是不对称的。
(完整版)晶界和亚晶界
3.3.2 晶界和亚晶界属于同一固相但位向不同的晶粒之间的界面称为晶界(grain boundary)；而每个晶粒有时又由若干个位向稍有差异的亚晶粒所组成，相邻亚晶粒间的界面称为亚晶界(sub-grain boundary)。
晶粒的平均直径通常在0.015—0.25mm范围内，而亚晶粒的平均直径则通常为0.001mm的范围内。
二维点阵中晶界位置可用两个晶粒的位向差θ和晶界相对于一个点阵某一平面的夹角φ来确定，如图所示。
根据相邻晶粒之间位向差θ角的大小不同可将晶界分为两类：1.小角度晶界(small-angle grain boundary)——相邻晶粒的位向差小于10°的晶界；亚晶界均属小角度晶界，一般小于2°；2.大角度晶界(large-angle grain boundary)——相邻晶粒的位向差大于10°的晶界，多晶体中90％以上的晶界属于此类。
3.3.2.1小角度晶界的结构按照相邻亚晶粒间位向差的型式不同，小角度晶界可分为倾斜晶界、扭转晶界和重合晶界等。
它们的结构可用相应的模型来描述。
1.对称倾斜晶界对称倾斜晶界(symmetrical tilt boundary)可看作是把晶界两侧晶体互相倾斜的结果。
由于相邻两晶粒的位向差θ角很小，其晶界可看成是由一列平行的刃型位错所构成。
2.不对称倾斜晶界如果倾斜晶界的界面绕x轴转了一角度φ，则此时两晶粒之间的位向差仍为θ角，但此时晶界的界面对于两个晶粒是不对称的，故称不对称倾斜晶界(unsymmetrical tilt boundary)。
它有两个自由度θ和φ。
该晶界结构可看成由两组柏氏矢量相互垂直的刃型位错交错排列而构成的。
3.扭转晶界扭转晶界(twist boundary)是小角度晶界的一种类型。
它可看成是两部分晶体绕某一轴在一个共同的晶面上相对扭转一个θ角所构成的，扭转轴垂直于这一共同的晶面。
该晶界的结构可看成是由互相交叉的螺型位错所组成，如图3-71 。
晶界对性能的影响
晶界对合金性能的影响机理晶界是固体材料中的一种面缺陷，根据晶界角度的大小可以分为小角晶界（θ<10°）和大角晶界，亚晶界均属小角度晶界，一般小于2°，多晶体中90％以上的晶界属于大角度晶界。
根据晶界上原子匹配优劣程度可以分为重位晶界和混乱晶界。
在晶界处存在一些特殊的性质：（1）晶界处点阵畸变大，存在晶界能。
晶粒的长大和晶界的平直化都能减少晶界面积，从而降低晶界的总能量，这是一个自发过程。
晶粒的长大和晶界的平直化均需通过原子的扩散来实现，因此，温度升高和保温时间的增长，均有利于这两过程的进行；（2）晶界处原子排列不规则，在常温下晶界的存在会对位错的运动起阻碍作用，致使塑性变形抗力提高，宏观表现为晶界较晶内具有较高的强度和硬度。
晶粒越细，材料的强度越高，这就是细晶强化；高温下则由于晶界存在一定的粘滞性，易使相邻晶粒产生相对滑动；（3）晶界处原子偏离平衡位置，具有较高的动能，并且晶界处存在较多的缺陷如空穴、杂质原子和位错等，故晶界处原子的扩散速度比在晶内快得多；（4）在固态相变过程中，由于晶界能量较高且原子活动能力较大，所以新相易于在晶界处优先形核。
原始晶粒越细，晶界越多，则新相形核率也相应越高；（5）由于成分偏析和内吸附现象，特别是晶界富集杂质原子的情况下，往往晶界熔点较低，故在加热过程中，因温度过高将引起晶界熔化和氧化，导致“过热”现象产生；（6）由于晶界能量较高、原子处于不稳定状态，以及晶界富集杂质原子的缘故，与晶内相比晶界的腐蚀速度一般较快。
这就是用腐蚀剂显示金相样品组织的依据，也是某些金属材料在使用中发生晶间腐蚀破坏的原因；（7）低温下晶界强度比晶粒内高，高温下晶界强度比晶内低，表现为低温弱化。
基于上述几点晶界的特殊性质，使得多晶材料的塑性变形、强度、断裂、脆性、疲劳和蠕变等性能与单晶材料相比存在很大差异，即晶界不同的特殊性质具体体现在了合金的不同性能。
但合金性能与晶界特性间绝不是一一对应的关系，而是几种甚至是所有特性的共同作用而表现出来，不同成分的合金在性能上也表现出各异。
晶界特性
晶界特性：5个特性由于晶界的结构与晶粒内部有所不同就使晶界具有一系列不同于晶粒内部的特性首先由于晶界上的原子或多或少地偏离了其平衡位置，因而就会或多或少地具有界面能或晶界能一般为1. 界面能越高，则晶界越不稳定。
2. 因此，高的界面能就具有向低的界面能转化的趋势，这就致了晶界的运动。
3. 晶粒长大和晶界的平直化都可减少晶界的总面积，从而降低晶界的总能量。
4. 理论和实验结果都表明，大角度晶界的界面能远髙于小角度晶界的界面能,所以大角度晶界的迁移速率较小角度晶界大。
5. 当然，晶界的迀移是原子的扩散过程，只有在比较高的温度下才有可能进行。
晶界偏聚特性：1. 由于界面能的存在，当金属中存在有能降低界面能的异类原子时，这些原子就将向品界偏聚，这种现象称为内吸附。
例如往钢中加入微量的硼，即向品界偏聚，这对钢的性能有重要影响2. 相反，凡是提高界面能的原子，将会在晶粒内部偏聚，这种现象叫做反内吸附。
3. 内吸附和反内吸附现象对金属及合金的性能和相变过程有着重要的影响晶界对金属材料的塑性变形起着阻碍作用1. 由于晶界上存在晶格畸变因而在室温下对金属材料的塑性变形起着阻碍作用2. 在宏观上表现为使金属材料具有更高的强度和硬度3. 显然，晶粒越细，金属材料的强度和硬度便越高因此对于在较低温度下使用的金属材料一般总是希望获得较细小的晶粒其他特性：1. 此外，由于界面能的存在，使晶界的熔点低于晶粒内部，且易于腐蚀和氧化。
2. 晶界上的空位、位错等缺陷较多，因此原子的扩散速度较快，在发生相变时，新相晶核往往首先在晶界形成。
金属由液态向固态的相变过程。
除某些液态金属合金在激冷条件下“冻结”成具有无定形结构的非晶态金属外，金属的凝固在多数情况下，是晶体或晶粒的生成和长大的过程。
金属凝固过程还伴随着体积变化、气体脱溶和元素偏析等现象。
绝大部分金属材料是在液态中纯化（去气、去杂质等），调整成分,而后浇铸成锭,再加工成材，或直接铸造成部件。