什么是晶界(Grain Boundary)？

当固体材料的外部被抛光然后用酸腐蚀时，通过光学显微镜可以在它的表面上看到线。这些线是晶界，或者说是晶粒外部边缘的线，当一种材料从液态冷却到固态时形成的晶体状形状。不形成晶粒的固体称为无定形，因为构成它们的原子...

当固体材料的外部被抛光然后用酸腐蚀时，通过光学显微镜可以在它的表面上看到线。这些线是晶界，或者说是晶粒外部边缘的线，当一种材料从液态冷却到固态时形成的晶体状形状。不形成晶粒的固体称为无定形，因为构成它们的原子并不像它们在晶体固体中那样组织成模式。科学家用烧杯将晶体材料中的颗粒组成类似于雪花晶体在水结冰时的行为。在液体冻结之前，内部有些地方比其他地方的液体温度低。颗粒从这些地方向外生长，直到到达另一个颗粒并停止。当颗粒之间的所有液体相互靠近时，都冻结成固体，当生长停止时，晶界就形成了。金属和金属合金是结晶固体的好例子。冶金学家，他们负责设计金属的性能，发现晶界对改变金属在各种应用中的功能起着重要作用。通过以不同的速率加热和冷却金属，或通过冷加工晶粒，可以改变晶粒的大小和形状及其边界，在室温下通过压缩使其变薄。为了改变一种金属的性能，它暴露在足够的热量下，使晶界溶解并重新形成，这一过程称为退火，冷却速度越慢，形成的晶粒越大。当金属零件受到应力时，金属原子层中的缺陷和孔洞称为位错，从晶粒内部向晶界移动如果金属冷却得快，晶粒长大的时间就越短，晶粒会变小，位错会遇到抵抗的边界，从而增加金属的强度——例如，小晶粒铁合金。如果金属冷却缓慢，晶粒就越大，因为位错有更多的时间向边界移动，而不会导致一个更大的孔或裂纹的开始。在金属中可以看到大晶粒，比如铜和铝，它们具有延展性，容易扩展，并且很容易开裂。晶界是晶粒表面上更容易受到化学污染物的腐蚀和裂纹的强迫扩展的区域，而这些物质最终会导致失效，或金属零件的断裂。小晶粒的金属比大晶粒的金属更坚固，但在其边界处开裂的机会更大，容易使其变脆，并导致其在没有任何警告的情况下断裂。韧性金属零件的裂纹，如喷射用铝合金，由于晶界处的位错很少，生长缓慢。随着时间的推移，可以安全地跟踪这些位错，以预测金属零件中还剩下多少寿命，或者该零件在不能正常工作之前还有多少时间。

发表于 2020-09-18 05:25
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分类：科学教育

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