晶界迁移

晶界迁移属于物理学名词，是指在晶界两边物质的吉布斯自由能之差会使界面向曲率中心移动的现象。

简介晶粒长大并不是小晶粒的相互黏结，而是晶界移动的结果。晶界移动的速率是与晶界曲率以及系统的温度有关。温度升高和曲率半径越小，晶界向其曲率中心移动的速率也越快， 气孔在晶界上是随晶界移动还是阻止晶界移动，这与晶界曲率有关，也与气孔直径、数量、气孔作为空位源向晶界扩散的速率、气孔内气体压力大小、包围气孔的晶粒数等因素有关。 约束晶粒生长的另一个因素是有少量液相出现在晶界上。少量液相使晶界上形成两个新的固-液界面，从而界面移动的推动力降低和扩散距离增加。因此少量液相可以起到抑制晶粒长大的作用1。

多晶体界面移动规则根据由许多颗粒组成的多晶体界面移动情况得到以下几条规则：

（1）晶界上有界面能的作用，因此晶粒形成一个在几何学上与肥皂泡相似的三维阵列；

（2）晶粒边界如果都具有基本上相同的表面张力，晶粒呈正六边形；

（3）在晶界上的第二类夹杂物（杂质或气泡），如果它们在烧结温度下不与主晶相形成液相,则将阻碍晶界移动。

晶界移动方式在烧结体内晶界移动有以下七种方式：

（1）气孔靠晶格扩散移动；

（2）气孔靠表面扩散移动；

（3）气孔靠气相传递；

（4）气孔靠晶格扩散聚合；

（5）气孔靠晶界扩散聚合；

（6）单相晶界本征迁移；

（7）存在杂质牵制晶界移动2。

二次再结晶二次再结晶的推动力是大晶粒界面与临近高表面能和小曲率半径的晶面相比有较低的表面能，在表面能的驱动下，大晶粒界面向曲率半径小的晶粒中心推进，以致造成大晶粒进一步长大与小晶粒的消失。 晶粒生长与二次再结晶的区别在于前者坯体内晶粒尺寸均匀地生长，服从（9-42）公式。而二次再结晶是个别晶粒异常生长，不服从（9-42）式，晶粒生长是平均尺寸增长，不存在晶核，界面处于平衡状态，界面上无应力。二次再结晶的大晶粒界面上有应力存在。晶粒生长时气孔艘维持在晶界上或晶界交汇处，二次再结晶时气孔被包裹到晶粒内部。 从工艺控制考虑，造成二次再结晶的原因主要是原始粒度不均匀、烧结温度偏高和烧结速率太快。其他还有坯体成型压力不均匀，局部有不均匀液相等。为避免气孔封闭在晶粒内，避免晶粒异常生长，应防止致密化速率太快。

抑制晶界移动晶界在多晶体中不同晶粒之间的交界面，据估计晶界宽度约为5-60nm。晶界上原子排列疏松散乱，在烧结传质和晶粒生长过程中晶界对坯体致密化起着十分重要的作用。由于烧结体中气孔形状是不规则的，晶界上气孔的扩大、收缩或稳定与表面张力、润湿角、包围气孔的晶粒数有关，还与晶界迁移率、气孔半径、气孔内气压高低等因素有关。 在离子晶体中，晶界是阴离子快速扩散的通道。离子晶体的烧结与金属材料不同。阴、阳离子必须同时扩散才能导致物质的传递与烧结。晶界上溶质的偏聚可以延伸晶界的移动名家素坯体致密化，为了从坯体中完全排除气孔，获得致密烧结体，空位扩散必须在晶界上保持相当高的速率/只有通过抑制晶界的移动才能使气孔在烧结的始终都保持在晶界上，避免晶粒的不连续生长。利用溶质在晶界上偏析的特征，在坯体中添加少量溶质（烧结助剂），就能达到抑制晶界移动的目的3。

晶界结构晶界结构的一般几何模型包括重合位置点阵(CSL)模型、O点阵、DSC点阵、结构单元模型和多面体单元模型等，但应用最广的仍为重合位置点阵模型。在CSL模型中，由不同取向晶体中某些位置相互重合的原子组成一个新点阵，即CSL点阵，并用CSL单胞体积与晶体点阵单胞体积的比∑来表示其数值。∑越大，CSL密度越小。当晶界能量较高时，重合位置点阵晶界上的原子可能不严格占据规定的几何位置，而是具有能量自发降低的趋势，使晶界原子发生刚性松弛。

特殊晶界一般把具有特殊性能的晶界称为特殊晶界，它必须至少满足两个条件：

①界面为∑≤29的CSL晶界；

②重合位置点阵模型准则：取向差θ的最大偏离量Δθ应满足Brandon标准，即Δθ≤15°∑-1/2，或者Palumbo2Aust标准，即Δθ≤15°∑-5/6。而∑>29的CSL晶界和非CSL晶界则称为一般晶界。∑1(指∑=1，下同)小角度特殊晶界具有较低能量和迁移率，∑3晶界包括共格、非共格孪晶以及不对称的倾转、扭转和不规则界面等，而退火孪晶则属于具有∑3CSL晶界结构的“共格孪晶”。

在晶界迁移过程中，当三条晶界在同一结点相遇时，会发生3个晶界之间的聚合2分解作用，形成3条非特殊晶界、2条非特殊晶界和一条特殊晶界、1条非特殊晶界和2条特殊晶界以及3条特殊晶界等4种晶界形态。一般把含有2条或3条特殊晶界的三结点称为特殊三结点3。

其他晶界的迁移往往是断断续续进行的，加热时金属的晶界迁移速度也不恒定，甚至迁动方向也会变动。对冷加工金属再结晶时，晶界迁动的动力是形变金属的畸变能。晶粒长大也是靠晶界迁动而不是靠晶粒的并合，其动力来自晶界自由能；弯曲的晶粒间界一般向其曲率中心方向迁动，晶界曲率愈大，曲率半径愈小，晶界迁移的动力愈大。晶粒大小对晶界迁动没有直接作用，它的影响主要是通过晶界曲率不同来起作用。晶界迁动时晶界上杂质原子有一拖曳力阻碍晶界运动，因而杂质会影响晶界迁移速度3。

本词条内容贡献者为:

石季英 - 副教授 - 天津大学