固态相变 第二章 界面1.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第三章 晶体中的界面,晶体中的三类界面：,1),自由表面 蒸发 凝聚,2),晶界 单相固溶体,3),相界,a-b,之间的界面,1,界面的自由能,系统的自由能,G=G,0,+A,g,其中,G,0,为体积自由能；,g,为单位面积表面能。,什么条件下,g=,F(,表面张力）？,对固体表面，,什么条件下,g,和,F两者相近？,2,固气界面,一、表面是低指数晶面,表面能随指数升高而升高；,表面的原子数随晶面指数的升高而减少。,2,）表面能,g=,E+PV,TS,内能,E,的计算 和断键有关,3,）考虑熵增后表面能的表达式,二、任意表面的表面能,1,）小台阶界面,2,）表面能与,q,角的关系,三、,g,极图,1),作法,2),作用,3,单相固溶体中的晶界,晶界的性质取决于：,两相邻晶粒位向的差别,界面相对于相邻晶粒的取向,晶界的含义 过渡层,倾转晶界和扭转晶界,q,角的定义。,一、小角度晶界和大角度晶界,1,）小角度晶界的晶体结构,2,）晶界能和影响因素,3,）大角度晶界 界面能,二、特殊大角度晶界,含义 特殊的位向（,q,某一固定值）,此时,g(,界面能）低,2,）孪晶界 共格孪晶,非共格孪晶,3,）孪晶界的界面能与,f,的关系,三、晶界的平衡,1,）多晶体中准平衡态的建立,多晶体中可能存在各种晶界（小角度、大角度等）。,显微组织是各种晶界的组合,多晶是非平衡态，因此晶界迁移；但是室温下晶界迁移很慢。,退火时晶界迁移加快。,2,）扭矩项,torque term,表达式、物理意义,3,）时，如果三晶面相交，晶界平衡的条件,4,）晶界能的金相法测定,5,）孪晶界的界面能 非共格孪晶的平衡条件,1,、表面自由能和哪些因素有关？在等压条件下表面能由哪两项组成？分,别叙述其物理意义。,2,、,什么情况下,g,=F,（表面张力）？,3,、推导,表面为密排面时,表面能表达式，并说明为什么表面是密排面时表面能,最低？为什么是近似的？（分别与任意面及其它有理指数面）。,4,、表面为任意指数面时，如何计算表面能？5,、什么是,极图？叙述它的作法和用途。,极图上为什么会出现脐点？,6,、如何区分倾转晶界和扭转晶界？,角是如何定义的？,7,、小角度晶界的原子结构呈现什么样的特征？能量与什么因素有关？,8,、什么是大角度晶界？它的原子结构及晶界能与小角度晶界有何不同？,9,、共格孪晶界与非共格孪晶界的区别是什么？孪晶界的能量与晶界取向之,间有什么关系？,10,、多晶体中一段晶界平衡的条件是什么？什么是,torque term?,在多晶体,中它由何处提供？,11,、当晶界能和,角无关时，若,3,段晶界相交，平衡条件是什么？,12,、共格和非共格孪晶界的平衡条件是什么？,13,、当晶界能和,角无关时，如何测定晶界能？,14,、解释晶粒长大时晶界向曲率中心迁移，而再结晶时背向曲率中心？,1,、表面自由能和哪些因素有关？在等压条件下表面能由哪两项组成？分 别叙述其物理意义。,a,）,g=,E+PV,TS,，和,E,、,P,、,T,、,S,有关,b,）等压过程,g=,E,TS,可见内能越高，表面能越高；温度越高，表面能越低；熵越高，表面能越低。,2,、,什么情况下,g=,F,（表面张力）？,液态下,固态下，当,3,、推导表面为密排面时表面能表达式，并说明为什么表面是密排面时表面能最低？（分别与任意面及其它有理指数面）。,推导表面为密排面内能表达式,对于立方晶体密排面为（,111,）面，,若从内部沿（,111,）面切开，每个原子失去三个键，,设：每个键的键能为,e,，每个断键使原子内能的变化为,e/2,，,表面上每个原子的能量升高为,:,当,1,mol,固体升华时，可形成,12,Na,个短键，,汽化热,L,s,=12N,a,e/,2,*这里未考虑次邻近,原子间的相互作用,对于纯金属当,T,T,m,时，,g,sv,=0.15L,sv,/N,a,T,m,越高，,g,sv,值越高。,表面熵增 短键使表面混乱度提高，补偿了内能增加引起的表面能增加。,2,）对于非密排面 短断键多，所以表面能高。可做,3.2,题,4,、表面为任意指数面时，如何计算表面能？,对于任意（无理指数）面，界面是小台阶结构，,5,什么是,极图？叙述它的作法和用途。,极图上为什么会出现脐点？,g,极图的作法：,1),从原点作射线，以每个方向上的表面能为截据作射线的垂线，,所得图形为,g,极图。,2),用途：若已知,g,极图，可推出晶体外形，,若已知晶体外形，可判别各表面的晶面指数。,6,、如何区分倾转晶界和扭转晶界？,角是如何定义的？,若转轴和晶界平行，则是倾转晶界，,若转轴和晶界垂直，则是扭转晶界。,q,角是指倾转角或扭转角,如右图所示。,7,、小角度晶界的原子结构呈现什么样的特征？,能量与什么因素有关？,小角度晶界是位错的组合。小角度倾转晶界是一组刃位错的组合；而小角度扭转晶界是两组螺位错交错成网格。,在两个位错之间，晶界两侧原子匹配良好，但在位错芯部原子的排列不规则。,晶界可能是两个相邻晶粒的对称面，也可能不是。若不是对称面，晶界可能是不同柏氏矢量的位错的组合。,小角度晶界的能量与位错间距有关，而位错间距与,q,角有关，因此，能量与,q,有关。,g,1/,D,D=,b/,q,g q,8,、什么是大角度晶界？它的原子结构及晶界能与小角度晶界有何不同？,大角度晶界是两晶粒之间的过渡层，原子排列不规整。能量高，与小角度晶界不同，大角度晶界的能量,q,角之间没有定量的关系。,9,、共格孪晶界与非共格孪晶界的区别是什么？孪晶界的能量与晶界取向之间有什么关系？,1),孪晶 经某一对称变化后，晶界两,侧的点阵完全重合,2,）共格和非共格孪晶,共格孪晶：孪晶面与晶界重合,非共格孪晶：,孪晶面与晶界不重合,3),界面能,一般情况：共格孪晶界面能最低，,非共格孪晶界面能远,高于共格孪晶,特殊情况：,当晶界处于某种特殊位向,时界面能能低，称之为特,殊大角度孪晶界。,10,、多晶体中一段晶界平衡的条件是什么？什么是,torque term,?,在多晶体,中它由何处提供？,晶界端点必需有一个力阻止晶界转动，其大小为：,推导：,在多晶体中，,torque term,是由其它晶界提供,11,、当晶界能和,角无关时，若,3,段晶界相交，平衡条件是什么？,证明：,12,、共格和非共格孪晶界的平衡条件是什么？,共格和非共格孪晶界处于最低能量状态，,对于非共格界面和共格界面，界面能都必需小于扭矩项。,13,、当晶界能和,角无关时，,如何测定晶界能？,四、晶界的热激活迁移,（一）晶界的平衡和迁移,1,、晶界上有曲率，则有迁移的趋势：,平面,120,、三维,109.28,亚稳状态,讨论：当某一段晶界呈现曲率时，晶界上为什么会有一个作用力？,如果界面是圆柱面，该力的大小和方向是什么？,这样的晶界什么时候处于平衡态？,2,、若 ，或双向弯曲曲面晶界，合力为零,3,、晶界长大机制,讨论：若晶体是一个柱状晶，它在什么情况下最稳定？什么情况下它会长大或缩小？,（二）晶界迁移的驱动力,驱动力：两晶粒的,D,G,v,不同,原子从高能量晶粒流向低能量晶粒,晶界从低能量晶粒向高能量晶粒迁移,d,x,，,则从高能量晶粒向低能晶粒流入的原子摩尔数：,其中晶界的面积为,1,（单位面积），,d,x,为迁移距离，,V,m,摩尔体积,释放的能量为：,相当于有一个力作用在晶界上，,它作的功为：,讨论：再结晶和再结晶后晶粒长大时晶界迁移的驱动力是否相同？为什么？,1,）再结晶驱动力：新旧晶粒位错应变能差,2,）晶粒长大的驱动力：曲率半径，界面能差,Reaction fronts(high angle boundaries)migrating during recrystallization:a)TEM of an austenitic stainless steel containing 15%Cr and 15%Ni,cold worked to a 50%area reduction and annealed at 800 for 3 hours;and b)micrograph of a sample of pure tantalum cold worked to 72%area reduction and annealed at 900 for 30 minutes(SEM,BSE).,（三）晶界迁移的动力学,从,高能晶粒（晶粒,1,）跃迁至低能晶粒（晶粒,2,）的原子流为：,从,低能晶粒（晶粒,2,）跃迁至高能晶粒（晶粒,1,）的原子流为：,G,a,为跨越晶界所需的激活能,G,为两个晶粒内部体积自由能之差,A,1,A,2,分别为晶粒,1,和,2,接纳外来原子的几率,n,1,n,2,分别为晶粒,1,和,2,单位体积中适合跃迁的原子数，,n,1,n,2,分别为晶粒,1,和,2,中原子的振动频率,当,G,0,时,J,21,=J,12,A,2,n,1,n,1,=,A,1,n,2,n,2,=,An,n,实际上对于同一种晶体，,A,1,=A,2,n,1,=n,2,n,1,=n,2,每个原子的体积为,V,m,/N,a,M,为晶界迁移率，单位驱动力下的晶界位移速度,M,和温度有关，温度越高，,M,值越大；,讨论：单相固溶体中的杂质原子对晶界的迁移回产生什么样的影响？,为什么一些特殊大角度晶界的迁移对杂质原子不敏感？,讨论：什么是再结晶织构？它与形变织构有何不同？,讨论：大角度晶界和小角度晶界、排列紧密的特殊晶界迁移率有何区别？,300,锡对铅晶界迁移速度的影响,溶解度低的溶质原子在晶界偏析的程度大。,随着温度增加，由于溶质原子在晶内和在晶界的能量差别减小，晶界偏析也减弱。,合金系的溶质固溶度和溶质在晶界富化程度间的关系,（四）晶粒长大动力学,1,、正常生长,正常长大：晶体中没有第二相颗粒,2,、非正常生长,非正常长大：少数晶粒异常长大，主要是因为晶粒长大时晶界迁移受第二相颗粒阻碍。,一个粒子的阻力：,(,2p,rcos,q,g),sin,q,当,q=45,时，,sin,q,cos,q,=1/2,阻力大最大值,:,p,r,g,单位面积晶界上的阻力：,阻力和驱动力,F,的方向相反。,当,P=F,时，,讨论：要获得细小的高温组织，可以采取何种措施？,采用铝处理的镇静钢为何在,1000,加热时会发生晶粒显著长大的现象？,Transmission electron micrograph showing the interaction between intermetallic particles and migrating boundaries during recrystallization of an aluminum alloy,2,固溶体中的相界,（一）相界的共格性,1,、完全共格,2,、半共格,3,、非共格,4,、复杂共格,讨论：什么是共格相界？形成共格相界的条件是什么？在透射电镜中如何区别共格与非共格相界？,讨论：,半共格界面上的晶体结构呈现什么样的特征？半共格界面的界面能与什么因素有关？,讨论：,什么是复杂共格界面？叙述它的晶体学模型。,14,、当某一段晶界呈现曲率时，晶界上为什么会有一个作用力？说明它的大,小和方向。,由于晶界能，存在界面张力。如果是有曲率的柱面，作用力的大小为：,15,、若晶体是一个柱状晶，它在什么情况下最稳定？什么情况下它会长大或,缩小？,设：,如果晶粒是六边形q,1,=q,2,=q,3,=120,，,晶粒是稳定的。,如果边数小于,6,，晶粒收缩，反之膨胀。,16,、再结晶和再结晶后晶粒长大时晶界迁移的驱动力是否相同？为什么？,再结晶驱动力,两晶粒的,D,G,v,不同，形变的畸变能导致晶内能量升高，,原子从高能量晶粒流向低能量晶粒。,晶界从低能量晶粒向高能量晶粒迁移,d,x,，,则从高能量晶粒向低能晶粒流入的原子（摩尔数）为,其中晶界的面积为,1,（单位面积），,d,x,为迁移距离，,V,m,摩尔体积,释放的能量为：,相当于有一个力作用在晶界上，它作的功为：,2,）晶粒长大的驱动力：曲率半径。,17,、单相固溶体中的杂质原子对晶界的迁移回产生什么样的影响？,为什么一些特殊大角度晶界的迁移对杂质原子不敏感？,杂质原子进入晶界，使晶界上原子排列紧密，致密度提高，导致迁移率降低。,特殊大角度晶界因为原子排列紧密，杂质原子不易进入，所以对杂质原子不敏感。,只有少数取向的晶界迁移很快，其它晶界迁移很慢（由于杂质原子），,于是形成织构。,形变织构是在形变过程中形成的择优取向，形变后多晶体内晶粒有平行于,形变方向的趋势。,18,、什么是再结晶织构？它与形变织构有何不同？,19,、推导晶界迁移速率的表达式，并说明晶界迁移率与哪些因素有关。,从,高能晶粒（晶粒,1,）跃迁至低能晶粒（晶粒,2,）的原子流为：,从,低能晶粒（晶粒,2,）跃迁至高能晶粒（晶粒,1,）的原子流为：,G,a,为跨越晶界所需的激活能,G,为两个晶粒内部体积自由能之差,A,1,A,2,分别为晶粒,1,和,2,接纳外来原子的几率,n,1,n,2,分别为晶粒,1,和,2,单位体积中适合跃迁的原子数，,n,1,n,2,分别为晶粒,1,和,2,中原子的振动频率,当,G,0,时,J,21,=J,12,A,2,n,1,n,1,=,A,1,n,2,n,2,=,An,n,实际上对于同一中晶体，,A,1,=A,2,n,1,=n,2,n,1,=n,2,每个原子的体积为,V,m,/N,a,M,为晶界迁移率，和温度有关，温度越高，,M,值越大；,20,、晶粒正常长大和非正常长大的主要区别是什么非正常长大时晶,粒的最大直径与什么因素有关？,正常长大：晶体中没有第二相颗粒,非正常长大：晶粒长大时晶界迁移受第二相颗粒阻碍。,一个粒子的阻力：,(,2p,rcos,q,g),sin,q,当,q=45,时，,sin,q,cos,q,=1/2,阻力大最大值,:,p,r,g,单位面积晶界上的阻力：,阻力和驱动力,F,的方向相反。,当,P=F,时，,21,、什么是二次再结晶（又称为异常长大）？,由于非正常生长，大多数晶界迁移受阻，晶粒长大很慢，少数晶界不受阻，,晶粒长大很快，这些晶粒吞并其它晶粒，形成粗大、不均匀的的显微组织。,22,、单相固溶体中若出现大量第二相颗粒时会对合金的高温力学性能,产生什么影响？为什么？,阻止晶界迁移，提高抗蠕变性能。,23,、什么是共格相界？形成共格相界的条件是什么？在透射电镜中如,何区别共格与非共格相界？,界面上原子排列完全连续,界面两侧原子排列规律相同，间距相同,TEM,衍衬像中有应变区,24,、半共格界面上的晶体结构呈现什么样的特征？半共格界面的界面,能与什么因素有关？,晶界两侧晶粒的原子排列规律相同，但原子间的间距不同。,能量于错配度有关。,25,、什么是复杂共格界面？叙述它的晶体学模型。,1,）有固定的位向关系。,2,）界面两侧原子在局部区域有良好匹配。,3,）有界面位错来调整原子间距，以形成在,更大范围内的良好匹配。,4,）具有小台阶结构，进一步降低界面能。,第二相形貌取决于：界面能、晶格畸变能,二、界面能对第二相颗粒形貌的影响,1,）完全共格 形貌一般为球状,2,）部分共格,理论上：盘状（哪一面共格？）,实际上：可能是杆状或针状,什么是魏氏组织？什么情况下会 形成魏氏组织？,魏氏组织是指金相组织中出现的针状或片状组织，这些针或片在显微镜下,只有少数的几种取向。,当 基体的对称性很高，析出相与基体呈现固定位向关系（部分共格或,复杂共格）则容易出现魏氏组织。,3,）非共格沉淀：球状 高界面能,多面体 特殊界面,4,）晶界沉淀 形貌特征。,当晶界上出现第二相颗粒时，为什么部分界面是平直界面，而其它部分是光滑曲面？,Constrained misfit,和,unconstrained misfit,的物理意义有何不同？,两者的数值 哪一个大？,unconstrained misfit,：,Constrained misfit,三、应变能对第二相形貌的影响,1,、共格沉淀（指半共格）,应变能,D,G,s,分三种情况讨论：,各向同性，弹性模量相同：,各向同性，弹性模量不同：,各向异性：,各为什么形貌？,2,、非共格沉淀,没有共格应变的问题，,体积失配,D,，,形貌和什么有关？,D,对形貌的影响,硬,-,球；软,-,片,片,四、共格的失落,1,、临界条件,2,、失落过程 几种模型,五、可滑动界面,1,）两种界面 外延界面,epitaxial,滑动界面,glissile,定义、区别,2,）,Schockley,位错,什么是,Schockley,位错,Schockley,位错和层错的关系,3,）,Schockley,位错和滑动位错的关系,5,界面的迁移和相变,大多数相变为不均匀相变,过程：形核界面形成,长大界面迁移,一、界面迁移和相变,1,、界面类型：,2,、相变按界面分类：,3,、相变按界面迁移速率分类,glissile,military,界面控制转变（长大）,non,glissile,civilian,扩散控制转变,（长大）,混合控制转变,（长大）,二、扩散控制长大和界面控制长大,1,、界面迁移的驱动力,2,、界面迁移的速率,3,、决定,non-,glissile,相变类型,(,界面迁移类型）的因素,26,、在,Al-Ag,系的,Al-4%Ag,的合金中，为什么析出的,GPZ,是球状，而时效处理后,呈现片 状？为什么部分共格或复杂共格界面呈片状？,27,、在立方金属基体中为什么出现盘状沉淀时，盘面平行与,100,面？,28,、铝基合金在时效过程中往往会形成,GP,区，为什么在,Al-Ag,和,Al-Zn,系中,GP,区 是球状，而,Al-Cu,系中,GP,区却是片状？,29,、什么是体积错配度,？,的大小对第二相颗粒的形貌起什么作用？,30,、应变能,G,s,和半共格相界界面能中的,st,项是否是一个概念？,31,、共格沉淀相长大时为什么会发生共格失落？共格失落的临界条件是什么？,32,、为什么实际的临界半径大于理论临界 径？,33,、滑动界面与非滑动界面的区别是什么？,34,、什么是,Shockley,位错？,fcc,结构中的,Shockley,位错如何能形成滑动界面？,35,、什么是相界迁移的驱动力？什么是相界的迁移率？这两者如何决,定了界面的迁移机制？,36,、为什么,military,型相变一定是界面控制长大？,Civilian,型相变呢？,37,、什么是局部平衡？什么情况下能实现局部平衡？,38,、沉淀（脱溶）转变是否一定是扩散控制长大？为什么？,39,、若共格相界两侧的两相晶体结构和化学成分均不相同，则相界具有怎样的微观结构？这种相界如何迁移,?,40,、什么是局部平衡？什么情况下能实现局部平衡？,41,、沉淀（脱溶）转变是否一定是扩散控制长大？为什么？,42,、共析分解属于哪一种的长大？为什么？,26,、在,Al-Ag,系的,Al-4%Ag,的合金中，为什么析出的,GPZ,是球状，,而时效处理后,呈现片 状？,Al,与,Ag,的原子半径相差很小,（,D,r=0.7%),，,因此决定第二相形貌的主要因素,是界面能，形貌为球状时，界面能最小；因而,GPZ,为球状。,时效析出的,是密排六方，与基体（,a-,Al,）结构不同，界面是部分（复杂）,共格界面，密排六方的（,0001)面与面心立方的（,111),共格，其它的面不共格，,根据,g,极图，应呈,片状。,28,、当晶界上出现第二相颗粒时，为什么部分界面是平直界面，,而其它部分是光滑曲面？,因为颗粒与一个晶粒共格，与另一晶粒不共格,30,、铝基合金在时效过程中往往会形成,GP,区，为什么在,Al-Ag,和,Al-Zn,系中,GP,区 是球状，而,Al-Cu,系中,GP,区却是片状？,Al-Ag,Al-Zn,d5%,应变能起主导作用，呈片状,30,、在立方金属基体中为什么出现盘状沉淀时，盘面平行于,100,面？,因为,方向是软位向，易变形。,在,方向上应变能小,31,、什么是体积错配度,？,的大小对第二相颗粒的形貌起什么作用？,若错配度很小，界面能起主要作用，颗粒为球状，若错配度大，应变能起主要作用，向针状或盘状过渡。,引入,形状因子：若颗粒是椭球，引入一因子,f(c,/a),它的最大值为,1,，,（,c/a,）,1,，,f,1,，球状；,（,c/a,）,，,f,，针状；,（,c/a,）,0,，,f,0,，盘状状；,很小时，界面能起主要作用，颗粒为球状,很大时，应变能起主要作用，,f,值缩小能降,低,D,G,s,，所以形貌向针状或盘状转,变。,32,、应变能,G,s,和半共格相界界面能中的,st,项是否是一个概念？,不是。,g,st,是由于错配而引起的界面能的变化；,G,s,是由于错配而引起的应变，导致体积自由能变化,33,、共格沉淀颗粒在长大过程中为什么会发生共格的失落？,共格失落的临界条件是什么？,作,G,g,曲线，,r,r,cri,非共格，,34,、为什么实际的临界半径大于理论临界 径？,因为界面位错形成困难。,35,、滑动界面与非滑动界面的区别是什么？,非滑动界面：位错的滑移面平行于界面,滑动界面：位错的滑移面不平行于界面,36,、什么是,Shockley,位错？,fcc,结构中的,Shockley,位错如何能形成滑动界面？,在,fcc,结构的相邻两个密排面之间移动一个,则形成一个,Shockley,位错。,如果每两层原子面有一个,Shockley,位错，则形成滑动界面。,37,、滑动界面两侧两相的晶体结构与化学成分是否相同？非滑动界 面两,侧 两相的晶体结构化学成分是否相同？,滑动界面两侧两相：成分相同，结构不同,非滑动界面两侧两相：成分不同，结构不同,成分不同，结构相同,成分相同，结构不同,38,、什么是相界迁移的驱动力？什么是相界的迁移率？这两者如何决,定了界面的迁移机制？,（,1,）界面驱动力：,B,i,，对于扩散型相变（,civilian),，,B,原子从,a,析出形成,b,相，,B,原子的化学势降低。,平衡时，,J,B,i,=,J,B,a,当,M,很大时，,B,i,很小，相变速率由原子在,a,相内,扩散控制，此时为扩散控制长大,当,M,很小时，,B,i,很大，相变速率取决于界面迁移速率，此时为界面控制长大,界于上述两者之间时为混合控制机制,mixed controlled,.,（,2,）界面迁移率,39,、为什么,military,型相变一定是界面控制长大？,Civilian,型相变,是否一定是扩散控制长大？,Military,相变没有扩散，因此必定是界面控制长大；,civilian,相变不一定是扩散控制长大，,如块状转变，无序有序转变都是界面控制长大。,40,、什么是局部平衡？什么情况下能实现局部平衡？,当,M,很大时，,B,i,很小，界面上,B,原子的浓度近似等于平衡态时浓度,41,、沉淀（脱溶）转变是否一定是扩散控制长大？为什么？,不一定。取决于界面结构。如果界面上原子可动性很小，原子穿越界面困难，,则长大由界面迁移速率控制，为界面控制长大，有些共格界面迁移速率低，,相应的沉淀相变为界面控制。,42,、共析分解属于哪一种的长大？为什么？,共析分解属于混合控制机制，因为共析分解（,g,a+b,),时形成三种界面：,g/a,g/b,a/b,三种界面的迁移速率不可能相同，相互牵制，所以是混合控制机制。,43,、若共格相界两侧的两相晶体结构和化学成分均不相同，则相界具,有怎样的微观结构？这种相界如何迁移,?,两相结构不同时，如果界面是如,右图所示的结构，则原子很难穿,越界面。因此，界面会形成如右,下图所示的结构，即小台阶结构。,这种界面的迁移包括两部分，,非共格界面的迁移；,共格台阶的形成。,