金属晶体中的晶界及其特性的教学-教育文档

金属晶体中的晶界及其特性的教学
对于一般的金属材料来说，都是属于多晶体的，在多晶体的内部总是存在着晶界，它对金属的力学性能有很大影响。

在金属材料与热处理的课程教学中，学生对这部分的内容感觉难于掌握，为了帮助学生理解，在讲课时，我采用先讲晶界的概念、分类，然后对它的特性加以总结分析并举例说明，这样学生学起来比较容易接受，下面就具体谈谈晶界及其特性的教学过程。

首先讲述晶界的定义及分类。

在工业金属材料中，即使它的体积很小，其内部仍包含了许许多多颗粒状的小晶体，每个小晶体内部的晶格位向都是一致的，而各个小晶体彼此位向都不同，位向差为几度或几十度，在多晶体中，像这种结构、成分相同但位向不同的相邻晶粒之间的分界面，就称为晶界。

根据相邻晶粒粒向差的大小，可把晶界分为小角晶界和大角晶界两种类型，小角晶界是两相邻晶粒粒向差小于十度的晶界，它的结构都存在着位错网络。

大角晶界是两相邻晶粒粒向差大于十度的晶界，它的内部结构比较复杂，晶界处原子排列比较混乱。

由于晶界处原子排列是畸变的，所以晶界处的自由能是升高的。

然后，根据晶界处原子的不规则排列，使晶界处能量高于内部能量，从而引出晶界与晶粒内部就存在着一系列不同的特性。

具体讲述晶界的特性有以下几点：
一、晶界处能量较多，晶体中的晶粒具有自发长大和使界面
平直化以减小晶界总面积的趋势。

这样，晶粒会粗大，它将会降低金属的强度和韧度。

像冷变形金属在加热时回复再结晶后所发生的晶粒长大，以及钢在热处理时，奥氏体晶粒随加热温度升高或保温时间延长而长大，就是典型的实例。

二、晶界处原子排列为不规则性，会阻止位错通过，妨碍塑性变形，宏观上表现为晶界具有较高的强度，例如，一个只包含两个晶粒的试样经受拉伸时，变形情况是试样在晶界附近不易发生变形，出现了所谓“竹节”现象。

这说明晶界处的强度较高，显然，晶粒越细，晶界越多，多晶体的塑性变形拉力越大，强度就越高，故生产上总是力求获得具有细小晶粒的材料。

三、晶界处存在较多的晶体缺陷。

如空位，位错等原子在晶界上的扩散速度要比在晶内快得多，因此晶界的熔点较低，金属的熔化总是首先从晶界处开始。

四、晶界上具有较高的能量，易于满足相变所需的能量起伏条件，在固态相变时，新相往往首先在晶界上形核。

例如，在纯铁的同素异构转变时，随温度的降低，由转变为α-Fe时，α-Fe 的晶格的晶核最容易在γ- Fe晶格的晶界处形成，然后通过旧晶体中原子逐渐转移到新晶体的表面上来，新旧晶体的分界面逐渐向旧晶体迁移的方式进行，转变到旧晶体全部消失为止。

这时，控制冷却速度，可以改变同素异构转变后的晶粒大小，从而改善金属的性能。

五、晶界的腐蚀速度一般都比晶内快，这是晶界上原子处于
不稳定状态所致。

例如，在进行金相分析时，用化学试剂浸蚀表面已抛光铁试样，由于晶界腐蚀比晶内快，以致在晶界处形成凹槽，因此，在显微镜下很容易观察到黑色的晶界。

六、由于晶界处能量的存在，当金属中含有可降低界面能的异类原子时，它们会向晶界处偏聚，这种现象称为内吸附。

例如，当钢中含有硼元素时，它总是偏聚在奥氏体的晶界处，相反，凡是提高界面能的原子，将会偏聚于晶粒内部，称为反吸附。

内吸附和反吸附现象对金属材料的性能及相变过程都有重要影响。

通过以上对晶界及其特性的教学过程，使学生能够对晶界的概念及其特性较容易理解和掌握，也使学生能够理解晶界对金属力学性能的影响，为以后钢的热处理及专业理论课的学习打下基础。