クリスタライト

微結晶とは、例えば多くの材料を冷却する過程で形成される小さな結晶、あるいは顕微鏡レベルの結晶のことです。微結晶は粒子とも呼ばれます。

バシライトは結晶子の一種である。^[1]棒状で、平行な細長い結晶がある。^[2]

結晶子の配向は、ランダムテクスチャと呼ばれる、特定の方向を持たないランダムな場合もあれば、成長や処理条件により方向性がある場合もあります。単結晶の構造は高度に整然としており、格子は連続的で途切れていませんが、ガラスや多くのポリマーなどの非晶質材料は非晶質であり、その構成物質が整然と配置されていないため、いかなる構造も示しません。多結晶構造と準結晶相は、これら 2 つの極端な構造の中間にあります。多結晶材料、または多結晶は、さまざまなサイズと方向の多数の結晶子で構成される固体です。ほとんどの材料は多結晶であり、多数の結晶子が薄い層の非晶質固体でまとめられています。ほとんどの無機固体は多結晶であり、一般的なすべての金属、多くのセラミック、岩石、氷が含まれます。^{[出典が必要]}

結晶が出会う領域は粒界として知られています。

単分散微細構造の結晶子サイズは、通常、X線回折パターンと透過型電子顕微鏡などの他の実験技術による粒径から概算されます。目視および取り扱い可能な大きさの固体物体は、いくつかの例外（宝石、電子産業用のシリコン単結晶、特定の種類の繊維、ターボジェットエンジン用のニッケルベースの超合金の単結晶、直径が0.5メートルを超える氷の結晶）を除いて、単結晶で構成されていることはほとんどありません。^[3]結晶子サイズは、数ナノメートルから数ミリメートルまで変化します。

固体がどの程度結晶性であるか（結晶度）は、その物理的特性に重要な影響を及ぼします。^[4] 硫黄は通常多結晶ですが、全く異なる特性を持つ他の同素体として存在することもあります。 ^[5]微結晶は粒子と呼ばれますが、粉末粒子はそれとは異なり、より小さな多結晶粒子で構成されることがあります。^{[6]一般に、多結晶は}過熱されず、十分な高温になるとすぐに溶けます。これは、粒界が非晶質であり、液相の核生成点として機能するためです。対照的に、液体が冷却するときに固体の核が存在しない場合は、過冷却になる傾向があります。これは機械材料には望ましくないため、合金設計者はしばしばこれに対する対策を講じます（結晶粒の微細化）。

材料の破壊は、粒界破壊または粒内破壊のいずれかです。粉末粒子には曖昧さがあります。粉末粒子は複数の微結晶で構成されている可能性があります。したがって、レーザー粒度測定法で測定された (粉末の)「粒径」は、X 線回折(シェラー法など)、偏光光学顕微鏡法、または走査型電子顕微鏡法(後方散乱電子) で測定された「粒径」(むしろ微結晶サイズ) とは異なる場合があります。

個々の結晶子が完全にランダムに配向されている場合、多結晶材料の十分な体積はほぼ等方性になります。この特性は、連続体力学の仮定を単純化して実際の固体に適用するのに役立ちます。ただし、ほとんどの製造材料は結晶子に何らかの配列があるため、その挙動と特性を正確に予測するには、テクスチャを考慮する必要があります。結晶子がランダムに配向して大部分が整列している場合は、モザイク結晶になります。異常な粒成長、つまり少数の結晶子が平均結晶子サイズよりも大幅に大きい状態は、さまざまな多結晶材料でよく見られ、その結果、平均結晶子サイズが類似した単分散の結晶子サイズ分布を持つ類似の材料とは異なる機械的特性と光学的特性が生じます。

地質学的時間スケールで見ると、粗粒の岩石は非常にゆっくりと形成され、細粒の岩石は急速に形成されます。火山から噴出した溶岩が固まるなど、岩石が非常に急速に形成される場合、結晶がまったく存在しないことがあります。これが黒曜石の形成方法です。

粒界は、異なる方向の結晶が出会う界面です。粒界は単相界面であり、境界の両側の結晶は方向以外は同一です。「結晶粒界」という用語は、まれにしか使用されませんが、時々使用されます。粒界領域には、元の格子位置から乱された原子、転位、およびエネルギーの低い粒界に移動した不純物が含まれます。

粒界を、1 つの部分が回転している 2 つの部分に切断された単結晶の界面として幾何学的に扱うと、粒界を定義するために必要な変数が 5 つあることがわかります。最初の 2 つの数値は、回転軸を指定する単位ベクトルから取得されます。3 番目の数値は、粒子の回転角度を指定します。最後の 2 つの数値は、粒界の平面 (またはこの平面に垂直な単位ベクトル) を指定します。

粒界は、材料中の転位の動きを妨げます。転位の伝播は、粒界欠陥領域の応力場と、すべり面およびすべり方向の欠如、および粒界を横切る全体的な整列のために妨げられます。したがって、粒径を小さくすることは、強度を向上させる一般的な方法であり、多くの場合、より小さな粒子がすべり面の単位面積あたりの障害物を増やすため、靭性を犠牲にすることなく強度を向上させることができます。この結晶子サイズと強度の関係は、ホール–ペッチ関係によって与えられます。粒界では界面エネルギーが高く、結合が比較的弱いため、腐食が始まり、固体から新しい相が 析出する好ましい場所になります。

粒界移動は、クリープのメカニズムの多くで重要な役割を果たしています。粒界移動は、せん断応力が粒界面に作用して粒子が滑り出すときに発生します。これは、細かい粒子の材料は、特に高温では、粗い粒子に比べてクリープに対する耐性が低いことを意味します。これは、粒子が小さいほど、粒界サイトに多くの原子が含まれるためです。粒界は、点欠陥の発生源およびシンクとなるため、変形も引き起こします。材料内の空隙は粒界に集まる傾向があり、これが臨界レベルまで起こると、材料が破損する可能性があります。

粒界移動の際、速度決定段階は隣接する2つの粒子間の角度に依存します。小角転位境界では、移動速度は転位間の空孔拡散に依存します。高角転位境界では、これは収縮粒子から成長粒子への単一原子ジャンプによる原子輸送に依存します。^[7]

粒界は、通常、わずか数ナノメートルの幅しかありません。一般的な材料では、結晶子は十分に大きいため、粒界は材料のわずかな部分を占めます。ただし、非常に小さな粒径を実現することも可能です。ナノ結晶固体では、粒界は材料の大きな体積分率となり、拡散や可塑性などの特性に大きな影響を与えます。結晶子が小さい限界では、粒界の体積分率が 100% に近づくにつれて、材料は結晶特性を持たなくなり、非晶質固体になります。

粒界は磁性材料の磁区にも存在します。たとえば、コンピュータのハードディスクは、磁気モーメントを誘導ヘッドで再調整できる原子領域を含む硬質強磁性材料で作られています。磁化は領域ごとに異なり、これらの領域間のずれがデータ保存の鍵となる境界を形成します。誘導ヘッドはこれらのドメイン領域の磁気モーメントの方向を測定し、「1」または「0」を読み取ります。これらのビットが読み取られるデータです。この技術では、1 つのハードディスクに収まるビット数を制限するため、粒度が重要です。粒度が小さいほど、保存できるデータが多くなります。

超合金タービンブレードなどの特定の材料における粒界の危険性のため、ブレードにおける粒界の影響を可能な限り最小限に抑えるために、大きな技術的進歩が遂げられました。その結果、方向性凝固処理が実現しました。この処理では、ブレードの軸と平行に並ぶ柱状の結晶構造を生成することで粒界が排除されます。これは、通常、航空機内で回転するブレードが受ける最大引張応力の方向であるためです。その結果、タービンブレードは単一の結晶で構成され、信頼性が向上しました。

• アレン、サミュエル、トーマス、エドウィン (1999)。『材料の構造』ニューヨーク: John Wiley & Sons, Inc.
• ジレス、デイビッド（1998年）「磁性と磁性材料入門」ロンドン：チャップマン＆ホール／CRC。
• Lau , J. (2009). 「オブジェクト指向マイクロマグネティックフレームワークにおける2次元多結晶粒子の実装」。国立標準技術研究所研究ジャーナル。114 (1): 57–67。doi  : 10.6028 /jres.114.005。PMC 4651613。PMID 27504213。