晶界能

不论是小角度晶界或大角度晶界，这里的原子或多或少地偏离了平衡位置，所以相对于晶体内部，晶界处于较高的能量状态，高出的那部能量称为晶界能，或称晶界自由能，记作γG，其单位为J/m-2。有时晶界能以界面张力的形式表示，其单位采用N·m-1 (=J·m-2)，记作σ。

晶界能的分类从理论上讲，晶界处的能量包括两部分，即弹性畸变能和化学交互作用能。弹性畸变能的大小取决于失配度的大小，而化学交互作用能取决于界面上原子与周围原子的化学键结合状况。相界面结构不同,这两部分能量所占的比例也不同。对于共格晶界来说，由于界面上原子保持着匹配关系故界面上原子结合键数目不变，此时应变能是主要的。而对于非共格晶界，由于界面上原子的化学键数目和强度与晶内相比发生了很大变化，故其界面能以化学能为主，而总界面能较高。

当形成共格晶界所产生的晶界能增加到一定程度，如再共格相连所产生的弹性应变能将大于引人界面位错所引起的能量增加，这时以半共格晶界相连比以共格晶界相连在能量上更趋于稳定。如果假设相邻晶粒的原子(离子)彼此无作用，那么，每单位面积晶界的晶界能将等于两晶粒的表面能之和。但是实际上两个相邻晶粒的表面层上的原子间的相互作用是很强的，并且可以认为在每个表面上的原子(离子)周围形成了一个完全的配位球，其差别在于此处的配位多面体是变了形的，并在某种程度上，这种配位多面体周围情况与内部结构是不相同的。1

金属的晶界能固体金属中也存在着各式各样的界面。 比如，晶粒之间的晶界、晶粒内部的孪晶界、不同相之间的相界等。一般的晶界可以用下图的模型说明。在这个模型中，两晶体基本处于完整的状态，只是在二者的相邻区域有不规则的原子排列。我们把两个晶体之间存在原子不规则排列的这个区域称为晶界区。晶界区的宽度只有零点n个纳米，它所包含的原子有的是两个晶体所共有(D)，有的 (A)则不属于任何一方。在晶界区还存在压缩区(B)和拉伸区(C)。麦克林(Mclean)曾根据这个模型粗略地认为，在晶界区中，压缩区、拉伸区和吻合区(D)各占约三分之一。

对于一个具体的晶界区而言，上述三个区域的比例与两个晶体之间的倾斜角有关。吻合区的数目越多，则晶界区的失配度越小，晶界能就越低。对于具有高对称性的简单立方晶体。1

晶界的区分依据通常按晶界之向的倾角将晶界分成以下类型：

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

如果二晶体之向的取向差很小，则形成小角度晶界。这种小角度晶界可以看作是由许多刃型位错叠砌而成的，其界面能可以通过计算求之。1

晶界能的实际意义在单相合金中，晶界能的大小取决于晶界的面积．所以．在平衡时，晶界能的减小，就是两晶粒晶界的平直化过程。实际上，接近平衡状态的单相台金，绝大部分为大角度晶界，其界面能是相等的。二维组织的三叉晶界各晶界角相等。ψ1=ψ2=ψ3=120°，而在两相合金中的情况比较复杂。当合金中含有第二相时，这个相可能存在于基体晶粒内部，也可能存在于界面、界棱或界角上，而第二相的形貌则取决于界面能、畸变能以及相变时的动力学因素。如果两相具有完全不同的晶体结构，或处于随机的相对位向，其间的界面即为非共格的高能相界面，且界面能与两相的相对位向无关，此时第二相的平衡形状将为球形。钢中粒状球光体中的球状渗碳体就是一个典型例子。如果两相晶体结构相同，点阵常数也接近，并且具有平行一致的位向关系，则在两相的界面上都可能形成低能的共格界面，这时第二相也应为球状。如果两相的晶体结沟虽然不同，但有一个结构相相似原子间距相近的晶面，且在两相之间具有某一确定的位向关系的条件下，可以在这个共有的晶面中形成共格或半共格界面。因为只有一个共有晶面．所以第二相颗粒只能有平行的两个界面足低能的共格或半共格界面，其余周缘都由高能的非共格界面构成。如果忽略畸变能，由于冬照减少界面能的关系，第二相将成为圆盘状或片状。2

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黎明 - 副教授 - 西南大学