6.3 界面結(jié)構(gòu)(1)

    多晶體的性質(zhì)不僅由晶粒內(nèi)部結(jié)構(gòu)和它們的缺陷所決定，而且還與晶界結(jié)構(gòu)、所占比例等因素有關。圖6-18表示多晶體中晶粒尺寸與晶界所占體積分數(shù)的關系。顯然當晶粒很小時，晶界的影響不可忽視。
           
    如同表面結(jié)構(gòu)，晶界上由于原子(離子)間結(jié)合鍵的變化及結(jié)構(gòu)畸變，界面將存在著比體內(nèi)高的剩余能量，這就是界面能。晶界上兩個晶粒的質(zhì)點排列取向有一定的差異，兩者都力圖使晶界上的質(zhì)點排列符合于自己的取向，當達到平衡時，晶界上的原子就形成某種過渡的排列，簡單的模型方式如圖6-19所示。顯然，晶界上原子排列的結(jié)構(gòu)缺陷集中，這給晶界帶來了不同于晶粒的一些特殊性質(zhì)。

   6.3.1界面的空間表示

    構(gòu)成晶界的兩個相鄰晶粒的相對取向?qū)�晶界結(jié)構(gòu)有重要的影響。如何確定兩個晶粒的相對取向，首先考慮一個坐標系中原來位向一致的兩個晶粒，沿著坐標系中的某一旋轉(zhuǎn)軸u互相旋轉(zhuǎn)一個角度θ的情況。在一個三維坐標系中，u軸取向的確定需要2個變量，即u軸的3個方向余弦中的任意2個，這樣u軸的2個方向余弦和θ共同決定了兩晶粒的相對取向，即共需3個自由度。對于位向不一致的兩個晶粒，晶界相對其中一個晶粒的位向可用該晶界面的法線n來描述，這樣n在坐標系中的方向確定又需要2個自由度。因此，從幾何上描述一個晶界的空間方位最多需要5個自由度。
   6.3.2 小角晶界及界面能

    根據(jù)相鄰晶粒取向角的大小，可將晶界分為小角晶界和大角晶界。當兩晶粒取向的位向差小于10°時稱小角晶界，超過10°歸于大角晶界。小角晶界一般又分為傾轉(zhuǎn)晶界和扭轉(zhuǎn)晶界，前者由一系列刃位錯組成，后者由螺位錯組成。
    （1）對稱傾轉(zhuǎn)晶界
    對稱傾轉(zhuǎn)晶界可以看作是取向一致的兩個晶體相互旋轉(zhuǎn) 角形成的界面，如圖6-20 (a)。它可用一系列平行的刃位錯來描述，如圖6-21所示。圖中n = [100]，u = [001]，還有一個變量 。前章已介紹，位錯間距D與柏氏矢量b的關系為：
                                               （6-36）
    當 很小時，sin（ /2）≈ /2，于是：
              D = b/                 （6-37）
    由上式可看出， 較大時D就會變得很小，致使位錯中心發(fā)生重疊，因此該模型不適于描述大角晶界。
     
    （2）不對稱傾轉(zhuǎn)晶界
    如果傾轉(zhuǎn)晶界的界面是任意的(h k 0)面，這種非對稱的晶界就需要用柏氏矢量分別為[100]及[010]的兩組平行的刃位錯來表示。設(h k 0)面和[100]方向的夾角為  (圖6-22)，則沿AC單位距離內(nèi)兩種位錯的數(shù)目分別為：  （6-38）                                                  
           （6-39）
    于是兩組位錯的間距分別為：
                     （6-40）
                                   （6-41）
    （3）扭轉(zhuǎn)晶界
    如果旋轉(zhuǎn)軸垂直于晶界平面，即u∥n，就形成扭轉(zhuǎn)晶界，圖6-23所示是以[001]方向為旋轉(zhuǎn)軸的扭轉(zhuǎn)晶界位錯模型。由圖看出，晶界兩側(cè)的原子位置一部分是重合的，另一部分是不重合的，不重合的部分形成了螺位錯。整個扭轉(zhuǎn)晶界就是由兩組交叉的螺位錯構(gòu)成的網(wǎng)格，一組是平行于[100]軸向，另一組平行于[010]方向，網(wǎng)格的間距D也滿足：
                          D=b∕                        （6-42）
    純的傾轉(zhuǎn)晶界和扭轉(zhuǎn)晶界是晶界模型的兩種特殊形式。對一般的晶界，旋轉(zhuǎn)軸和晶界可以有任意的取向關系，需要用5個自由度才能將晶界完全確定，描述將更為復雜。