学术干货 | 你不可不知的金属界面类型

界面主要包括外表面（自由表面）与内界面，与金属材料的性能有着密切的关系。通过调控材料界面结构，可改善材料性能，例如通过“纳米雕刻”改变金属表面特性，从而增强金属表面的抗腐蚀性和提高金属与人体的相容性。本文主要从结构和特性方面介绍金属材料界面类型。

1 晶界、亚晶界

晶界为属于同一固相但位向不同的晶粒之间的界面。其位置一般可用两个晶粒的位向差θ和晶界相对于一个点阵某一平面夹角φ或五个自由度确定。晶界处一般点阵畸变大，原子排列不规则，具有较高的动能，是较易成核处。亚晶界为晶粒内部位向差稍有差异的亚晶粒之间的界面。根据晶粒之间的位向差θ可将晶界、亚晶界分成二类，即大角度晶界（>15°）、小角度晶界（<15° ）二类，其中亚晶界因其晶粒位向差一般小于2°，将其归为小角度晶界，不过多赘述。

1.1 小角度晶界

小角度晶界一般在凝固以及冷变形金属回复过程中形成，其存在将晶粒分割为若干区域，区域内点阵接近理想晶体。根据相邻亚晶粒之间位向差形式的不同，可将小角度晶界分为对称倾斜晶界、不对称倾斜晶界、扭转晶界。对称倾斜晶界一般可看成由一组平行的刃位错构成，其位错间距D、位向差θ、伯氏矢量b存在以下数量关系：

不对称倾斜晶界由两组伯氏矢量相互垂直的刃位错交错排列构成，其位错间距为

扭转晶界可看做相互交叉的螺形位错构成，其特点是旋转轴与晶界面垂直。

图一 (a)倾斜晶界 (b)扭转晶界

1.2 大角度晶界

目前，大角度晶界结构尚不十分清楚，主要有重合位置点阵模型、O点阵理论、密排面晶界理论等。界面上原子排列状态取重合点阵的密排面即为重合点阵模型，由重合位置点阵构成的大角度晶界处的原子由于有较好的匹配，晶界核心能量较低，其长程应力场作用范围较小，弹性应变能较低，使得其迁移率、杂质偏析等行为有一定特殊性质。如晶界与重合位置点阵的密排面成一定角度，则晶界为密排面构成的台阶状。

图二 (a)重合点阵模型 (b)大角度晶界模型

2 孪晶界

均匀切变区与未切变区的分界面即为孪晶界。在众多的晶界中，孪晶界面在保持材料的强度、韧性以及导电性能等方面远优于一般晶界，且孪晶结构可使材料表现出良好的热稳定性和力学稳定性。近年来，卢柯院士等将孪晶界引入金属纳米材料，大大提高了金属强度、硬度以及高稳定性。

孪晶界分为共格孪晶界和非共格孪晶界二类。共格孪晶界是最简单的大角度晶界，无弹性形变，能量低，较稳定，能够强烈地阻碍位错的运动，提高材料的强度，晶界自由体积及自由能十分低，具有优良的性能，较为常见，并且共格孪晶界即为孪晶面，孪晶面上原子为两个晶体所共有。非共格孪晶界孪晶面与孪晶界呈一定角度，只有部分原子为两部分晶体所共有，可认为是一系列不全位错组成的位错壁，原子错排较为严重，能量相对较高。

图三 奥氏体不锈钢孪晶组织

3 相界

具有不同结构的两相之间的分界面称为相界。根据其结构特点，可分为共格相界、半共格相界、非共格相界。共格相界界面原子完全为两个晶体所共有，即界面上的原子保持完全匹配，只有在界面上两相的晶体结构和晶格常数非常接近的情况下才能形成共格相界。理想的共格相界无畸变，在马氏体相变过程中或沉淀脱溶初期可观察到共格相界。半共格相界部分原子处于相界共格位置，其特征是通过界面位错（或称为错配位错）松弛因共格引起的弹性应变能。非共格相界由几个原子层厚的原子排列混乱区组成，两相原子在界面上完全不匹配。与大角度晶界特征有许多相同点，它们的能量都很高(大约500～1000 mJ/m²)，界面能对界面取向都不敏感等。

相界一般引入错配度来表征其原子匹配程度。其定义式为

。δ越大，界面产生的应变能越大，界面便由共格界面逐渐演变为非共格界面。一般认为，δ＜0.05，相界面为共格界面；0.05＜δ＜0.25，为半共格界面；δ＞0.25，为非共格界面。从共格至半共格到非共格相界相界能依次递增。

图四 (a)共格相界 (b)半共格相界 (c)非共格相界

参考文献：

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[5] 百度百科

本文由材料人编辑部金属材料学术组liunian供稿，材料牛编辑整理。

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