晶界滑动（Grain boundary sliding，GBS）是一种材料，其中晶粒彼此相对滑动。此现象发生在多晶材料在外加应力作用下、较高的同系温度（高~0.4）和较低的应变速率条件下，并与蠕变密切相关。同系温度描述的是工作温度相对于材料熔点的大小。晶界滑动主要有两种类型：Rachinger（拉钦格）滑移和 Lifshitz（利夫希茨）滑移。晶界滑动通常是这两种类型的组合。晶界的形状往往决定了晶界滑动的速率和程度。
晶界滑动是一种能防止晶间裂纹形成的运动。需要注意的是，在高温下有许多过程同时进行，晶界滑动只是其中之一。因此，Nabarro–Herring蠕变和Coble蠕变与晶界滑动的相关性并不令人意外。在高温蠕变过程中，常观察到波状晶界。我们可以用正弦曲线来模拟这种晶界，振幅为h、波长为λ。稳态蠕变速率会随着λ/h比的增大而增大。在λ较大且同系温度较高时，晶界滑动受晶格扩散控制（Nabarro–Herring机制）；而在另一种情况下，则由晶界扩散控制（Coble蠕变）。此外，当λ/h比很高时，可能阻碍扩散流动，从而产生扩散空洞，最终导致蠕变断裂。
许多研究者已经对晶界滑动对金属、陶瓷与地质材料等不同材料群总体应变的贡献进行了估算。晶界滑动对总应变的贡献在细晶材料和高温条件下尤为显著。该机制也是高温下陶瓷失效的主要原因之一，常因晶界处形成玻璃相而引起失效。
Rachinger（拉钦格）滑移
Rachinger滑移是纯弹性的；晶粒保留其大部分原始形状。已经提出了多种适应机制来解释这一问题。
- 位错运动： 位错可以通过诸如爬升和滑移等过程在材料中移动，从而实现相容性。
- 弹性形变： 当滑移距离较小时，晶粒可以通过弹性（有时可恢复的）形变来满足相容性。
晶界滑移引起的变形速率
一般而言，扩散控制的最小蠕变速率可表示为：
实验证据
晶界滑动已通过多种显微技术在实验上被观测到。1962 年，Adams与Murray在NaCl与MgO的双晶中首次直接观察到晶界滑动。他们通过在样品表面划上标线，观察到标线在晶界处因相邻晶粒相对滑动而产生的偏移。此后在其他体系中也观察到类似现象，包括在Zn-Al合金中通过电子显微镜观察到的，以及使用原位技术在八氯丙烷中的观测。
纳米材料
纳米晶材料（纳米材料）具有细小晶粒，有助于抑制晶格控制的蠕变。这在相对较低温度下是有利的，因为大量晶界体积分数会阻碍位错运动或扩散。然而，在高温下，细晶却是不利的，因为晶界滑动的概率会增加。
预防
晶粒形状对滑动速率和程度有重要影响。因此，通过控制晶粒的尺寸和形状，可以限制晶界滑动的程度。通常优先采用较粗晶粒的材料，因为这将减少晶界数量。理想情况下，单晶材料可以完全抑制该机制，因为样品没有晶界。
另一种方法是在晶界处通过析出相来强化晶界。位于晶界的小尺度析出相可以钉扎晶界，防止晶粒彼此滑动。然而，并非所有析出相在晶界处都是理想的。较大的析出相可能产生相反效果，因为它们在晶粒之间允许更多空隙或空位以容纳析出相，从而降低钉扎效果。
在高强度钢中对晶界滑动（GBS）影响的建模
高强度钢在工程领域的应用十分广泛。为了为实际工程提供充足的依据，对高强度钢进行建模非常重要。
通过输入如弹性模量、屈服强度、泊松比以及两个温度下的比热等参数，可以导出与温度相关的 GBS 能量，从而得到材料屈服强度随温度变化的函数关系。
实验研究：通过GBS的超塑性成形技术
超塑性成形技术是一种在材料超过屈服应力下使其形成复杂轻量构件的工艺。这一现象得益于晶界滑动，并由位错滑移/蠕变与扩散蠕变共同促成。
例如，对于工业用的细晶Al-Mg合金，在超塑性变形初期观察到异常弱的晶界滑动。通过拉伸试验，晶粒沿拉伸方向被拉伸至约50-70%。这种变形与增加的析出相贫化区比例、纵向晶界上的颗粒偏聚、位错活动以及亚晶的形成共同作用。提高Mg含量会导致晶界滑动增加。将Mg含量从4.8%提升到约6.5-7.6%有助于在升温过程中保持晶粒尺寸稳定，简化晶界滑动并减少扩散蠕变的贡献，同时将断裂应变从约300%提高到约430%。
在钨丝上的应用
白炽灯中使用的钨丝工作温度大约在2000-3200 K，接近钨的熔点（3695 K）。由于白炽灯需在同系温度可达约0.8的条件下长期工作，理解并抑制蠕变机制对应延长其使用寿命至关重要。
研究者发现，这些钨丝失效的主要机制是由扩散蠕变所耦合的晶界滑动。这是因为钨丝非常细，通常只由少数延长的晶粒组成；事实上在钨丝线圈中，每一圈通常不到一个晶界。经适当制造工艺处理后，钨丝内部会分布纳米尺度的液态或气态钾气泡。这些气泡与丝内的各种缺陷相互作用，钉扎位错，并且尤为重要的是钉扎晶界。即使在高温下，钉扎晶界也能显著降低晶界滑动。由于晶界滑动减少，这类钨丝被称为“不下垂灯丝”，在自重作用下不再发生弯曲下垂。因此，这种乍看上去反直觉的强化方法被广泛用于几乎所有白炽灯的钨丝制造，从而大幅延长其使用寿命。
参考
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