什么是晶界(Grain Boundary)？

當固體材料的外部被拋光然后用酸腐蝕時，通過光學顯微鏡可以在它的表面上看到線。這些線是晶界，或者說是晶粒外部邊緣的線，當一種材料從液態冷卻到固態時形成的晶體狀形狀。不形成晶粒的固體稱為無定形，因為構成它們的原子...

當固體材料的外部被拋光然后用酸腐蝕時，通過光學顯微鏡可以在它的表面上看到線。這些線是晶界，或者說是晶粒外部邊緣的線，當一種材料從液態冷卻到固態時形成的晶體狀形狀。不形成晶粒的固體稱為無定形，因為構成它們的原子并不像它們在晶體固體中那樣組織成模式。科學家用燒杯將晶體材料中的顆粒組成類似于雪花晶體在水結冰時的行為。在液體凍結之前，內部有些地方比其他地方的液體溫度低。顆粒從這些地方向外生長，直到到達另一個顆粒并停止。當顆粒之間的所有液體相互靠近時，都凍結成固體，當生長停止時，晶界就形成了。金屬和金屬合金是結晶固體的好例子。冶金學家，他們負責設計金屬的性能，發現晶界對改變金屬在各種應用中的功能起著重要作用。通過以不同的速率加熱和冷卻金屬，或通過冷加工晶粒，可以改變晶粒的大小和形狀及其邊界，在室溫下通過壓縮使其變薄。為了改變一種金屬的性能，它暴露在足夠的熱量下，使晶界溶解并重新形成，這一過程稱為退火，冷卻速度越慢，形成的晶粒越大。當金屬零件受到應力時，金屬原子層中的缺陷和孔洞稱為位錯，從晶粒內部向晶界移動如果金屬冷卻得快，晶粒長大的時間就越短，晶粒會變小，位錯會遇到抵抗的邊界，從而增加金屬的強度——例如，小晶粒鐵合金。如果金屬冷卻緩慢，晶粒就越大，因為位錯有更多的時間向邊界移動，而不會導致一個更大的孔或裂紋的開始。在金屬中可以看到大晶粒，比如銅和鋁，它們具有延展性，容易擴展，并且很容易開裂。晶界是晶粒表面上更容易受到化學污染物的腐蝕和裂紋的強迫擴展的區域，而這些物質最終會導致失效，或金屬零件的斷裂。小晶粒的金屬比大晶粒的金屬更堅固，但在其邊界處開裂的機會更大，容易使其變脆，并導致其在沒有任何警告的情況下斷裂。韌性金屬零件的裂紋，如噴射用鋁合金，由于晶界處的位錯很少，生長緩慢。隨著時間的推移，可以安全地跟蹤這些位錯，以預測金屬零件中還剩下多少壽命，或者該零件在不能正常工作之前還有多少時間。

發表于 2020-09-18 05:25
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分類：科學教育

什么是晶界(Grain Boundary)？

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