6.3 界面结构(1)

    多晶体的性质不仅由晶粒内部结构和它们的缺陷所决定，而且还与晶界结构、所占比例等因素有关。图6-18表示多晶体中晶粒尺寸与晶界所占体积分数的关系。显然当晶粒很小时，晶界的影响不可忽视。
           
    如同表面结构，晶界上由于原子(离子)间结合键的变化及结构畸变，界面将存在着比体内高的剩余能量，这就是界面能。晶界上两个晶粒的质点排列取向有一定的差异，两者都力图使晶界上的质点排列符合于自己的取向，当达到平衡时，晶界上的原子就形成某种过渡的排列，简单的模型方式如图6-19所示。显然，晶界上原子排列的结构缺陷集中，这给晶界带来了不同于晶粒的一些特殊性质。

   6.3.1界面的空间表示

    构成晶界的两个相邻晶粒的相对取向对晶界结构有重要的影响。如何确定两个晶粒的相对取向，首先考虑一个坐标系中原来位向一致的两个晶粒，沿着坐标系中的某一旋转轴u互相旋转一个角度θ的情况。在一个三维坐标系中，u轴取向的确定需要2个变量，即u轴的3个方向余弦中的任意2个，这样u轴的2个方向余弦和θ共同决定了两晶粒的相对取向，即共需3个自由度。对于位向不一致的两个晶粒，晶界相对其中一个晶粒的位向可用该晶界面的法线n来描述，这样n在坐标系中的方向确定又需要2个自由度。因此，从几何上描述一个晶界的空间方位最多需要5个自由度。
   6.3.2 小角晶界及界面能

    根据相邻晶粒取向角的大小，可将晶界分为小角晶界和大角晶界。当两晶粒取向的位向差小于10°时称小角晶界，超过10°归于大角晶界。小角晶界一般又分为倾转晶界和扭转晶界，前者由一系列刃位错组成，后者由螺位错组成。
    （1）对称倾转晶界
    对称倾转晶界可以看作是取向一致的两个晶体相互旋转 角形成的界面，如图6-20 (a)。它可用一系列平行的刃位错来描述，如图6-21所示。图中n = [100]，u = [001]，还有一个变量 。前章已介绍，位错间距D与柏氏矢量b的关系为：
                                               （6-36）
    当 很小时，sin（ /2）≈ /2，于是：
              D = b/                 （6-37）
    由上式可看出， 较大时D就会变得很小，致使位错中心发生重叠，因此该模型不适于描述大角晶界。
     
    （2）不对称倾转晶界
    如果倾转晶界的界面是任意的(h k 0)面，这种非对称的晶界就需要用柏氏矢量分别为[100]及[010]的两组平行的刃位错来表示。设(h k 0)面和[100]方向的夹角为  (图6-22)，则沿AC单位距离内两种位错的数目分别为：  （6-38）                                                  
           （6-39）
    于是两组位错的间距分别为：
                     （6-40）
                                   （6-41）
    （3）扭转晶界
    如果旋转轴垂直于晶界平面，即u∥n，就形成扭转晶界，图6-23所示是以[001]方向为旋转轴的扭转晶界位错模型。由图看出，晶界两侧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错。整个扭转晶界就是由两组交叉的螺位错构成的网格，一组是平行于[100]轴向，另一组平行于[010]方向，网格的间距D也满足：
                          D=b∕                        （6-42）
    纯的倾转晶界和扭转晶界是晶界模型的两种特殊形式。对一般的晶界，旋转轴和晶界可以有任意的取向关系，需要用5个自由度才能将晶界完全确定，描述将更为复杂。