學術干貨 | 你不可不知的金屬界面類型

界面主要包括外表面（自由表面）與內界面，與金屬材料的性能有著密切的關系。通過調控材料界面結構，可改善材料性能，例如通過“納米雕刻”改變金屬表面特性，從而增強金屬表面的抗腐蝕性和提高金屬與人體的相容性。本文主要從結構和特性方面介紹金屬材料界面類型。

1 晶界、亞晶界

晶界為屬于同一固相但位向不同的晶粒之間的界面。其位置一般可用兩個晶粒的位向差θ和晶界相對于一個點陣某一平面夾角φ或五個自由度確定。晶界處一般點陣畸變大，原子排列不規則，具有較高的動能，是較易成核處。亞晶界為晶粒內部位向差稍有差異的亞晶粒之間的界面。根據晶粒之間的位向差θ可將晶界、亞晶界分成二類，即大角度晶界（>15°）、小角度晶界（<15° ）二類，其中亞晶界因其晶粒位向差一般小于2°，將其歸為小角度晶界，不過多贅述。

1.1 小角度晶界

小角度晶界一般在凝固以及冷變形金屬回復過程中形成，其存在將晶粒分割為若干區域，區域內點陣接近理想晶體。根據相鄰亞晶粒之間位向差形式的不同，可將小角度晶界分為對稱傾斜晶界、不對稱傾斜晶界、扭轉晶界。對稱傾斜晶界一般可看成由一組平行的刃位錯構成，其位錯間距D、位向差θ、伯氏矢量b存在以下數量關系：

不對稱傾斜晶界由兩組伯氏矢量相互垂直的刃位錯交錯排列構成，其位錯間距為

扭轉晶界可看做相互交叉的螺形位錯構成，其特點是旋轉軸與晶界面垂直。

圖一 (a)傾斜晶界 (b)扭轉晶界

1.2 大角度晶界

目前，大角度晶界結構尚不十分清楚，主要有重合位置點陣模型、O點陣理論、密排面晶界理論等。界面上原子排列狀態取重合點陣的密排面即為重合點陣模型，由重合位置點陣構成的大角度晶界處的原子由于有較好的匹配，晶界核心能量較低，其長程應力場作用范圍較小，彈性應變能較低，使得其遷移率、雜質偏析等行為有一定特殊性質。如晶界與重合位置點陣的密排面成一定角度，則晶界為密排面構成的臺階狀。

圖二 (a)重合點陣模型 (b)大角度晶界模型

2 孿晶界

均勻切變區與未切變區的分界面即為孿晶界。在眾多的晶界中，孿晶界面在保持材料的強度、韌性以及導電性能等方面遠優于一般晶界，且孿晶結構可使材料表現出良好的熱穩定性和力學穩定性。近年來，盧柯院士等將孿晶界引入金屬納米材料，大大提高了金屬強度、硬度以及高穩定性。

孿晶界分為共格孿晶界和非共格孿晶界二類。共格孿晶界是最簡單的大角度晶界，無彈性形變，能量低，較穩定，能夠強烈地阻礙位錯的運動，提高材料的強度，晶界自由體積及自由能十分低，具有優良的性能，較為常見，并且共格孿晶界即為孿晶面，孿晶面上原子為兩個晶體所共有。非共格孿晶界孿晶面與孿晶界呈一定角度，只有部分原子為兩部分晶體所共有，可認為是一系列不全位錯組成的位錯壁，原子錯排較為嚴重，能量相對較高。

圖三 奧氏體不銹鋼孿晶組織

3 相界

具有不同結構的兩相之間的分界面稱為相界。根據其結構特點，可分為共格相界、半共格相界、非共格相界。共格相界界面原子完全為兩個晶體所共有，即界面上的原子保持完全匹配，只有在界面上兩相的晶體結構和晶格常數非常接近的情況下才能形成共格相界。理想的共格相界無畸變，在馬氏體相變過程中或沉淀脫溶初期可觀察到共格相界。半共格相界部分原子處于相界共格位置，其特征是通過界面位錯（或稱為錯配位錯）松弛因共格引起的彈性應變能。非共格相界由幾個原子層厚的原子排列混亂區組成，兩相原子在界面上完全不匹配。與大角度晶界特征有許多相同點，它們的能量都很高(大約500～1000 mJ/m²)，界面能對界面取向都不敏感等。

相界一般引入錯配度來表征其原子匹配程度。其定義式為

。δ越大，界面產生的應變能越大，界面便由共格界面逐漸演變為非共格界面。一般認為，δ＜0.05，相界面為共格界面；0.05＜δ＜0.25，為半共格界面；δ＞0.25，為非共格界面。從共格至半共格到非共格相界相界能依次遞增。

圖四 (a)共格相界 (b)半共格相界 (c)非共格相界

參考文獻：

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[5] 百度百科

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