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晶粒

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由许多晶粒组成的多晶结构。由左上角顺时针依序为:a) 展性铸铁(英语:malleable iron)(又称为可锻铸铁)b) 已除去表面镀膜的电工钢c) 多晶硅太阳能电池d) 经过热浸镀锌处理的钢铁表面e) VT22钛合金经酸性蚀刻液处理后的金相显微镜照片,晶界明显可见
由许多晶粒组成的多晶结构。由左上角顺时针依序为:
a) 展性铸铁英语malleable iron(又称为可锻铸铁)
b) 已除去表面镀膜的电工钢
c) 多晶硅太阳能电池
d) 经过热浸镀锌处理的钢铁表面
e) VT22钛合金经酸性蚀刻液处理后的金相显微镜照片晶界明显可见

晶粒(cystallite、crystal grain)是指微小的或微米尺度的晶体。多晶体由许多不同大小和取向的晶粒组成,视不同之成长与加工过程,多晶体中的晶粒取向可能都均匀地随机分布形成随机织构,也可能表现出多数晶粒都朝某一特定取向,而形成特定的择优取向。多晶体内晶粒之间的接触区域称为晶界。粉粒(powder grain)与晶粒的意义不同,它可指由许多晶粒组成的多晶体粉末颗粒。

晶粒度是评价晶粒大小(crystallite size、grain size)的度量。

细节

材料结构不同程度的秩序,图示为单晶、多晶,以及无秩序之非晶。
材料结构不同程度的秩序,图示为单晶、多晶,以及无秩序之非晶

晶体尺寸通常可以X光衍射图案衡量,而晶粒尺寸则须以其他实验方法,如穿透式电子显微镜等才能较精确量测。生活周遭可见的固体物件大多都不是纯粹的单晶,但也有一些例外,如部分宝石、电子业用的单晶硅英语Monocrystalline silicon、某些种类的纤维镍基超合金制成的涡轮引擎、雪地中的冰晶(直径有时可超过半米长)。[1]多数材料都是由有许多单晶晶粒组成的多晶结构,晶粒与晶粒之间有数层极薄的非晶固体接合,晶粒尺寸视不同情况小可至数奈米,大可至数毫米皆有。

青铜钟的一部分,肉眼可见其硕大之晶粒。
青铜钟的一部分,肉眼可见其硕大之晶粒。

多晶结构中,倘若各晶粒的排列方向杂乱而随机,则此多晶材料大略具有等向性。等向性的特色可以用来简化一些连续介质力学中的假设,让力学理论的计算也能套用在实际的材料运用上。然而,许多多晶材料的晶粒排列方向会或多或少朝特定的方向分布,形成所谓的织构,当需要精准预测多晶材料的性质与行为时,则定要将织构纳入考量。而当一多晶材料的晶粒大致整齐排列但略有随机方向分布,则吾人可称此材料趋近镶嵌晶体英语Mosaicity

材料破断时,可以依照裂缝通过晶粒的方式分为沿晶破坏英语intergranular fracture穿晶破坏英语transgranular fracture,是材料破损分析中重要的判断指标。晶粒也会对粉末大小的量测产生影响,因为一颗粉末颗粒可能含有数个晶粒,所以,用激光粒径分析仪测得的粉末颗粒大小可能会异于用谢乐法英语Scherrer equationX光衍射、极化光光学显微镜扫描式电子显微镜背向散射等方法所测得的粉末颗粒大小。

地质学家也可以利用岩石中的晶粒大小判断岩石生成时的地质环境,粗大的晶粒代表岩石形成的过程相当缓慢,反之细小的晶粒代表岩石形成的过程相当快速。如果岩石形成的过程相当快速,通常是火山喷出的岩浆快速冷凝的结果,甚至可能产生非晶结构,例如黑曜岩的形成。

参见

注记

  1. ^ J. R. Petit, R. Souchez, N. I. Barkov, V. Ya. Lipenkov, D. Raynaud, M. Stievenard, N. I. Vassiliev, V. Verbeke, and F. Vimeux. More Than 200 Meters of Lake Ice Above Subglacial Lake Vostok, Antarctica. Science. 10 December 1999, 286 (5447): 2138–41. PMID 10591641. doi:10.1126/science.286.5447.2138. 

参考文献

  • Allen, Samuel and Thomas, Edwin. The Structure of Materials. New York: John Wiley & Sons, Inc. 1999.
  • Jiles, David. Introduction to Magnetism and Magnetic Materials. London: Chapman & Hall/CRC, 1998.

延伸阅读

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