結晶粒界

結晶粒界：材料の強度と耐久性を左右する界面

多結晶体において、個々の結晶（結晶粒）同士が接する境界面を結晶粒界と呼びます。これは材料の性質に大きな影響を与える重要な構造要素です。本記事では、結晶粒界の成因、性質、分類について解説します。

結晶粒界の起源

結晶粒界は、液体から固体への相転移過程で生じます。液体状態では原子が不規則に運動していますが、冷却によって固化が始まると、複数の場所で同時に微小な結晶核が形成されます。これらの結晶核はそれぞれ独立に成長し、多結晶体を構成します。この際、それぞれの結晶の配向はランダムであるため、結晶同士の間に不連続な界面、つまり結晶粒界が生じます。

粉末冶金法など、固体粒子を焼結して多結晶体を生成する場合でも、個々の粒子の結晶方位を完全に揃えることは困難なため、結晶粒界が形成されます。さらに、高温下で結晶に力が加わると、結晶内部の転位が二次元的に配列し、結晶方位が変化した領域が生じます。この界面も結晶粒界として扱われます。

結晶粒界の性質

結晶粒界は、転位の集積体とみなすことができます。刃状転位が集まると傾斜粒界、らせん転位が集まるとねじれ粒界を形成します。転位密度が高いほど、結晶方位の差は大きくなります。結晶方位差が小さい粒界は低角粒界と呼ばれ、転位の性質で説明できますが、方位差が大きい高角粒界では、単純な転位モデルでは説明できません。

結晶粒界は結晶内部よりもエネルギーが高く、このエネルギー差を粒界エネルギーと呼びます。低角粒界では、粒界エネルギーは結晶方位差に比例します。これは、低角粒界のエネルギーが転位のエネルギーの和で近似できるためです。

結晶粒界は格子欠陥の一種であり、点欠陥が集積している場合もあります。そのため、拡散速度が高くなったり、電荷を帯びたりすることがあります。また、結晶粒界は不純物が蓄積しやすい場所でもあります。液体からの結晶成長過程では不純物が結晶内部に取り込まれにくく、粒界に偏析します。

結晶粒界は結晶内部よりも強度が低いため、材料の破壊起点となることが多く、粒界に沿って破壊が進行する粒界破壊が起こることがあります。また、腐食やエッチングも粒界で加速されるため、粒界を選択的にエッチングすることで、その構造を観察できます。

結晶粒界の分類

結晶粒界はいくつかの方法で分類されます。

1. 回転角による分類: 隣り合う2つの結晶粒の相対方位差（回転角）によって、15度以下の低角粒界と15度以上の高角粒界に分類されます。低角粒界は規則的な転位配列として記述できますが、高角粒界では転位が重なり合い、単純な転位モデルでは説明できません。かつては非晶質構造と考えられていましたが、電子顕微鏡観察により規則的な原子配列を持つことが明らかになっています。

2. 回転軸による分類: 回転軸と粒界面の角度関係によって、傾角粒界（回転軸が粒界面と平行）、ねじれ粒界（回転軸が粒界面と垂直）、混合粒界（上記以外）に分類されます。

結晶粒界と材料特性

結晶粒界は材料の強度、延性、耐食性、電気伝導性など様々な特性に影響を与えます。粒界工学は、結晶粒界の制御を通じて材料特性を向上させるための重要な研究分野です。結晶粒界の特性を制御することで、より高性能な材料の開発が可能になります。

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