1、定義
晶粒是由原子或分子排列組成的基本微觀結構單元，晶粒大小指的是晶體中晶粒的尺寸或平均尺寸。通常用顆粒分析法、金相顯微鏡觀察法、X射線衍射和透射電鏡等方法測定晶粒大小。
晶粒大小是影響材料性能的重要因素之一。晶粒大小的減小可以提高材料的強度和硬度，同時促進材料的塑性變形，然而過小的晶粒卻可能導致材料脆性的增加。
接下來將介紹幾個晶粒尺寸對材料性能產生影響的典型的例子。
2、三個典型例子
純鎂
鎂合金是密度最低的金屬結構材料，它具有比強度高、比剛度大、電磁屏蔽性能優異等突出特點。但是，鎂合金的絕對強度和室溫塑性都較低，這嚴重阻礙了鎂合金作為高性能結構材料的廣泛應用。根據經典的Hall-Petch關系，通過晶粒細化可大幅提高金屬材料的力學性能。
文中通過熱重結晶和退火成功地制備了組織結構完全再結晶的無雜質多晶純鎂試樣，其平均晶粒尺寸范圍從0.65微米到59.7微米不等。TEM圖和EBSD圖像表明，可以通過改變退火溫度和保溫時間對晶粒尺寸進行精確調控。
EBSD反極圖和晶界圖表明試樣均表現出典型的基面再結晶織構，證實了組織的再結晶。如下圖。
下圖是不同晶粒尺寸商業純Mg的室溫拉伸應力-應變曲線以及屈服強度和延伸率與晶粒尺寸的關系。隨著晶粒尺寸的降低，材料的強度和塑性同步提高，平均晶粒尺寸為1.57μm時達到最佳。
細晶區相當于一個過渡區域，多種機制均能促進塑性變形。而GBS是超細晶樣品的主要變形機制。下圖是細晶（d=2.46μm）樣品的拉伸變形組織。
總的來說，通過改變晶粒尺寸，可以大幅調控純Mg的強度和塑性。尤其當晶粒尺寸細化到1μm以下時，晶界滑移取代常規的基面滑移和孿晶變形成為其主導的變形機制，并帶來材料室溫塑性的巨大提高。進一步調控超細晶純Mg的晶界穩定性，將使設計強韌性鎂合金成為可能，用于未來的實際應用。
亞穩態高熵合金
下圖顯示了重結晶退火后不同晶粒尺寸的亞穩態高熵合金的微觀結構。圖中的反極圖（a1-d1）確認等軸晶粒的方向是隨機的，并且退火孿晶在所有樣品中都很容易辨別出來。每個樣品僅包含輕微的低角度晶界（a2-d2），表明晶粒處于完全再結晶狀態。其中HAGB、LAGB和γ分別指高角度晶界、低角度晶界和FCC相。
下圖（a）表示不同晶粒尺寸的亞穩態高熵合金在3.5 wt% NaCl溶液中的動電位極化曲線。
動電位極化后各試樣的腐蝕形貌：（b）FG試樣、（c）MG試樣和（d）CG試樣。圖中所有樣品的陰極分支幾乎彼此重合，表明晶粒尺寸的多樣性對陰極反應的影響很小。
下圖表示不同晶粒尺寸的亞穩態HEA在3.5wt%NaCl溶液中浸泡48h后的腐蝕形貌（a）FG樣品，（b）MG樣品和（c）CG樣品。盡管長時間浸泡后每個樣品表面形成鈍化膜，但它們的腐蝕形態卻有明顯差異。換言之，亞穩態高熵合金會受到不同程度的點蝕，顯示出隨機分布的腐蝕坑（用紅色箭頭標記）。
實驗結果表明，亞穩態HEA的耐蝕性隨晶粒尺寸的增加而增加，在MG樣品中表現出優異的防腐性能，然后隨著晶粒尺寸的進一步增大而降低。下圖表示不同晶粒尺寸亞穩態高熵合金腐蝕機理示意圖，（a）FG樣品，（b）MG樣品和（c）CG樣品。其中，鈍化膜中的化學成分在3.5重量%NaCl溶液中浸泡48小時后由主要物種表示。
從機械性能來看，晶粒尺寸增大，機械強度降低，而耐腐蝕性隨晶粒尺寸增大而呈現先增大后減小的趨勢。亞穩態高熵合金的耐腐蝕性隨著晶粒尺寸的增大而增加，在中晶中表現出優異的耐腐蝕性能，然后隨著晶粒進一步長大而惡化。這種耐腐蝕性的差異主要表現為不同程度的鈍化膜溶解和點蝕的形成。
壓電陶瓷
壓電陶瓷是一類通過壓電效應實現電能與機械能相互轉化的重要功能陶瓷。壓電陶瓷的介電、壓電及鐵電性能均會隨著其晶粒尺寸的改變而改變, 這種物理現象被稱作壓電陶瓷的晶粒尺寸效應。隨著電子工業的需要和陶瓷制備技術的發展, 壓電器件呈現微型化、薄層化和高集成的發展趨勢。
一般來講，陶瓷燒結過程可以劃分為3個階段: 燒結初期、燒結中期和燒結末期。如下圖所示，在燒結初期, 粉體顆粒之間相互接觸形成頸部; 在燒結中期, 致密化速率增加, 陶瓷快速收縮; 在燒結后期, 致密化速率急速下降, 晶界遷移并導致陶瓷晶粒長大, 改變該時期的能量可顯著影響陶瓷的晶粒尺寸。
上圖 (a) 是六種燒結機制的擴散路徑; (b)是燒結過程中致密化與晶粒長大示意圖, 黑色曲線表示相對密度的變化。
下圖展示了BT陶瓷典型的晶粒尺寸及形貌。利用不同的粉體制備方法結合多種燒結手段可以制備小至幾納米, 大至幾十微米晶粒尺寸的致密BT陶瓷。可以在較大尺寸的晶粒(腐蝕后)中觀察到條帶狀、魚骨狀和水印狀的鐵電疇。
研究人員通過控制燒結溫度得到了晶粒尺寸介于1.25—5.93 μm的PZT陶瓷, 其晶粒尺寸隨著燒結溫度的增長而逐漸變大, 如下圖所示。
研究人員通過PFM在材料中觀察到了導電疇壁，且該單位體積內導電疇壁的含量隨晶粒尺寸的減小而增加，下圖是KNN-x Sr陶瓷中鐵電疇尺寸隨著晶粒尺寸的變化; 在總體疇壁密度提升的同時, 導電疇壁的數量也大幅增加。
雖然在不同體系中壓電晶粒尺寸效應表現各異, 但不可否認的是, 調節晶粒尺寸是調控其壓電性能的有效手段。深入研究相關理論機制從而推動晶粒尺寸調控工程的進步將是未來研究的熱點方向。
3、總結
晶粒尺寸對不同的材料有著不同的性能的影響，對提高材料的性能有著很大的作用。
1、對強度的影響：
晶粒細化可以提高材料的強度。晶粒尺寸的減小能夠阻礙位錯運動并增加材料塑性變形的難度，從而提高材料的屈服強度、抗拉強度和硬度。此外，小晶粒還可以減小材料的斷裂韌性，從而在一定程度上增加材料的脆性。
2、對塑性變形的影響：
晶粒細化可以促進材料的塑性變形。隨著晶粒尺寸的減小，位錯的運動難度增大，塑性形變的能量將轉化為位錯運動的能量，在晶界處發生滑移和馬氏體變形等，從而促進了材料的塑性變形。此外，在小晶粒材料中，組織中的高密度位錯和開裂點減少，導致了更好的韌性和抗變形性能。
