亚晶界是指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。
基本信息
属于同一固相但位向不同的晶粒之间的界面称为
晶界,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。在多晶体中,每一晶粒还包含更细小的“亚组织”。这种亚组织是由10~100的若干晶块所组成,彼此之间的位向差很小(通常小于1°)。这些晶块之间的分界面称为“亚晶界”。
亚组织和亚晶界的涵义比较广泛,它们分别指尺寸比晶粒更小的所有细微组织和这些细微组织的分界面。因此,金属凝固时晶粒内部出现的胞状组织和它们的界面、以及经变形和退火后晶粒内部出现的亚晶粒和它们的界面等均属此范畴。
亚晶界同样具有界面能,但其界面能比晶界能低。亚晶界也是溶质原子聚集和第二相优先析出的地方。
和晶界一样,亚晶界可阻碍位错的运动,故亚晶粒的细化将使金属的强度提高。
亚晶界迁移
亚晶结构拓扑学上非常类似于一个泡沫,其结点受到与表面张力相类似的力的作用。所以,在如右图《小角晶界的迁移》所示的二维情况下,三晶结点A受到了来自晶界、和的力的作用。如果晶界比能相等,那么当晶界间夹角为120°时三晶结点将处于平衡状态。因此,晶界被迫变成弯曲(点划线),并将趋于向箭头方向移动以减小它们的长度。于是结点将随之移动,当达到某一位置时晶界伸直(虚线)并成180°夹角,此时结点变得稳定。这一过程与大角晶界的迁移极为相似。
通过上述这种Y型连接迁移,结点将移动,小的亚晶粒将被大的亚晶粒所吞食,并且平均亚晶粒尺寸将会增大。因为小角晶界能取决于相邻亚晶粒问的位向差,所以平衡时晶界间夹角通常不是120°。
小角晶界移动的速度可以表示为
式中为净驱动力,为晶界可动性。
虽然有些类型的简单倾侧晶界能够通过滑移进行迁移,但是小角晶界的移动通常需要位错的攀移和滑移,因此是一种热激活过程。于是,小角晶界的可动性常常由下列公式表示:
式中,是一个与材料及晶界特征有关的常数,为晶界迁移的激活能。有人发现对于铜小角晶界的激活能比大角晶界的激活能高得多。
我们知道,小角晶界的固有可动性与晶界的类型及晶界间的位向差有关。对称倾侧晶界的可动性很高,并且可能会在较低的温度下发生晶界迁移。然而,其它类型的小角晶界的可动性相对来讲则较低。有人发现,在铜中,对于位向差大于2°的晶界,其可动性随着位向差的增大而增大,而激活能则随之降低。在同一种材料中,小角晶界的可动性要比大角晶界的可动性小几个数量级。我们可以对上述这些效应做如下定性的解释。我们知道,晶界的迁移需要原子的扩散,而原子的扩散在晶体的受扰区是最容易实现的。与较大位向差的晶界相比,具有较低位向差的晶界有间距较大的位错,因而具有较小的受扰区及较低的扩散系数。
Sandstrom对因晶界迁移而引起的亚晶粒长大的动力学作了数值模拟,发现与大角晶界的长大相类似。在Sandstrom的模型中,晶界能保持不变,所得到的抛物线型长大法则可以表示为:
式中为初始亚晶粒直径,为与温度有关的常数,为时间。
1972年,Dillamore等人得出了一个与公式形式相同的模型,它起初是由Hillert在1965年为晶粒长大而推导的。
虽然更准确的模型有了一定的发展,它们考虑了晶界能的变化以及亚晶粒尺寸的分布,但是上述亚晶粒长大动力学的实验证据还很有限。
晶界的特性
(1)晶界处点阵畸变大,存在着晶界能,因此,晶粒的长大和晶界的平直化都能减小晶界面积,从而降低晶界的总能量,这是一个自发过程。然而晶粒的长大和晶界的平直化均须通过原子的扩散来实现,因此,随着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,因此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;而高温下则相反,因高温下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必优先形核。显然,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“过烧”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。