第四章第四节界面.pptx

只要金属晶体中两个相邻部分只要金属晶体中两个相邻部分的取向、结构或点阵常数不同，的取向、结构或点阵常数不同，在它们的接触处就将形成界面，它是一种面缺陷。不仅在多在它们的接触处就将形成界面，它是一种面缺陷。不仅在多晶体材料的晶粒之间有通常所说的晶粒间界，而且在一个晶晶体材料的晶粒之间有通常所说的晶粒间界，而且在一个晶粒内部或者单晶体中还经常存在着亚晶。在复相材料中，除粒内部或者单晶体中还经常存在着亚晶。在复相材料中，除晶粒间界外，还有相界面。此外，任何晶体还有外表面。在晶粒间界外，还有相界面。此外，任何晶体还有外表面。在这些界面处共同的特点是原子相邻关系偏离晶体内部排列的这些界面处共同的特点是原子相邻关系偏离晶体内部排列的正常状态，因此都可以归并为面状的晶格缺陷。这些面缺陷正常状态，因此都可以归并为面状的晶格缺陷。这些面缺陷对金属材料的各种力学、物理和化学性能都有重要影响。对金属材料的各种力学、物理和化学性能都有重要影响。面缺陷 面缺陷晶界相界表面1.小角晶界小角晶界2.大角晶界大角晶界3.共格孪晶界共格孪晶界1.共格界面共格界面2.半共格界面半共格界面3.非共格界面非共格界面一、表面一、表面 1 1表面的结构表面的结构表面原子一侧没有固体原子与之键合，几个原子层厚，结构、性表面原子一侧没有固体原子与之键合，几个原子层厚，结构、性能与晶体内部不相同有较高能量能与晶体内部不相同有较高能量。2 2表面能表面能 晶体表面原子与周围原子键合数晶体表面原子与周围原子键合数减少，多余的未结合的键使内能增减少，多余的未结合的键使内能增加加 表面能表面能 （J/m2J/m2）=dw/dA=dw/dA，即为增加单位表面积即为增加单位表面积 所作的功。所作的功。材料与周围气相或液相介质接触的面材料与周围气相或液相介质接触的面 3 3晶体表面晶体表面为密排面：各晶面原子排列密度不同为密排面：各晶面原子排列密度不同,各面表面能不同。各面表面能不同。密排面作表面，晶体表面能最低密排面作表面，晶体表面能最低表面能极图表面能极图 实际晶体外表面台阶化实际晶体外表面台阶化 4 4表面吸附表面吸附 表面原子结合键不饱和表面原子结合键不饱和 通过吸附可达到平衡状态，吸附层几个原子层厚通过吸附可达到平衡状态，吸附层几个原子层厚 正吸附：吸附原子浓度高于其在晶内浓度，正吸附：吸附原子浓度高于其在晶内浓度，反之负吸附反之负吸附 驱动力：表面自由能的降低驱动力：表面自由能的降低GibbsGibbs吸附方程吸附方程 =-x/RT(/x)=-x/RT(/x)T T：吸吸附附量量 x x：溶溶质质原原子子在在晶晶体体中中平平衡衡体体积积浓浓度度 R R：气气体体常数常数T T：绝绝对对温温度度 (/x)x)T T：一一定定温温度度下下比比表表面面能能随随溶溶质质原原子浓度的改变率子浓度的改变率(/x)x)T T000，增增加加溶溶质质浓浓度度，表表面面能能降降低低，正正吸吸附附表面偏聚表面偏聚(/x)T0(/x)T0，01010 小角度晶界：位向差小角度晶界：位向差为为210210（位错模型解释）（位错模型解释）亚晶界：位向差亚晶界：位向差22 2 2 大角度晶界模型大角度晶界模型重合位置点阵是设想把相邻二晶粒的晶体点阵相互延伸，重合位置点阵是设想把相邻二晶粒的晶体点阵相互延伸，二者的阵点中可能存在着一部分重合的位置，由于晶体点二者的阵点中可能存在着一部分重合的位置，由于晶体点阵在空间中是作规则的周期的重复排列，因此重合的位置阵在空间中是作规则的周期的重复排列，因此重合的位置也一定是规则的，这些重合的阵点组成一个新的点阵，称也一定是规则的，这些重合的阵点组成一个新的点阵，称为为“重合位置点阵重合位置点阵”。重合位置的多少，取决于二晶粒的。重合位置的多少，取决于二晶粒的位向差。位向差。大角晶界重合位置点阵模型认为，大角晶界总是力图沿着大角晶界重合位置点阵模型认为，大角晶界总是力图沿着重合位置点阵的密排面分布，如果晶界与重合位置点阵的重合位置点阵的密排面分布，如果晶界与重合位置点阵的密排面不平行，那么晶界将先沿重合位置点阵的密排面延密排面不平行，那么晶界将先沿重合位置点阵的密排面延伸，过一段再过渡到下一个密排面上去。伸，过一段再过渡到下一个密排面上去。也就是说晶界在微观上是不平直的，大部分晶界是在重合也就是说晶界在微观上是不平直的，大部分晶界是在重合位置点阵的密排面上，少部分不是密排面，这样能使晶界位置点阵的密排面上，少部分不是密排面，这样能使晶界上保持有较多的规则性，从而具有较低的能量。上保持有较多的规则性，从而具有较低的能量。大角晶界模型大角晶界模型：晶晶界界力力求求与与重重合合点点阵阵密密排排面面重重合合，即即使使有有偏偏离离，晶晶界界会会台台阶阶化化，使使大大部部分分面面积积分分段段与与密密排排面面重重合合，中间以小台阶相连。中间以小台阶相连。如如图图，ABAB、CDCD与与重重合合点点阵阵密密排排面面重重合合，中间中间BCBC小台阶相连。小台阶相连。3 3 小角度晶界小角度晶界：对称倾侧晶界、不对称倾侧晶界、扭转晶界对称倾侧晶界、不对称倾侧晶界、扭转晶界3 3小角度晶界小角度晶界 对称倾侧晶界对称倾侧晶界 由由相相隔隔一一定定距距离离刃刃型型位位置置垂垂直直排排列列组成组成 位位错错间间距距离离D D：与与柏柏氏氏矢矢量量及及位位向向差差关系关系,已已知知晶晶体体点点阵阵常常数数，想想法法测测出出位位错错蚀蚀坑坑距距离离，可可计计算算位位向向差差b/2D/23 3小角度晶界小角度晶界-不对称倾侧晶界不对称倾侧晶界-两组不同方向的刃错组成两组不同方向的刃错组成不对称倾侧晶界不对称倾侧晶界 两晶体各转两晶体各转/2/2后形成晶界，晶界与后形成晶界，晶界与x x轴成轴成角角 扭转晶界扭转晶界扭转晶界：两晶体绕轴旋转后相差扭转晶界：两晶体绕轴旋转后相差后螺型位错后螺型位错 网络组成网络组成 扭转晶界示意图扭转晶界示意图 扭转晶界位错模型4 4亚亚晶晶界界-每每个个晶晶粒粒中中直直径径10-100m10-100m的的晶晶块块（亚亚晶晶粒粒）之的界面之的界面 晶晶界界上上非非正正常常结结点点位位置置原原子子引引发发晶晶格格畸畸变变，使使能能量升高。量升高。小角度晶界能小角度晶界能 G G ：可由位错模型计算：可由位错模型计算 G G=0 0 （B-lnB-ln），），0 0=Gb/4=Gb/4（1-1-），），B B积分常数，取决于位错中心原子错排能积分常数，取决于位错中心原子错排能 金属晶界能与晶粒位向差金属晶界能与晶粒位向差的关系的关系三晶界能三晶界能晶界能晶界能-实线测量值、虚线计算值实线测量值、虚线计算值 小于小于15-2015-200 0 两者符合很好。两者符合很好。E EB B在小角时与位向敏感，在小角时与位向敏感，大角度时为常数大角度时为常数4.4.晶界的其它特性晶界的其它特性a.a.晶界熔点低，易过烧晶界熔点低，易过烧 b.b.晶界是易扩散通道晶界是易扩散通道 c.c.晶界易形核晶界易形核d.d.晶界易受腐蚀晶界易受腐蚀 e.e.晶界常温下强化，高温下弱化晶界常温下强化，高温下弱化5.5.孪晶界：共格孪晶界：共格 非共格孪晶界非共格孪晶界 A.A.共共格格孪孪晶晶界界：界界面面上上原原子子正正好好在在两两侧侧晶晶粒粒点点阵阵位位置置上上多多通通过过形形变变后后退退火火而而形形成成，与与堆堆垛垛层层错错密密切切相相关关，如如fcc(111)fcc(111)面面通通常常是是ABCABCABCABCABCABC，从从某某一一层层开开始始堆堆垛变成垛变成ABC ACBACBAABC ACBACBA 则形成孪晶，则形成孪晶，CACCAC为堆垛层错界面为堆垛层错界面B.B.非共格孪晶界非共格孪晶界：由许多位错构成由许多位错构成五、相界：五、相界：不同结构的两固相间界面，有共格，半共格，非共格不同结构的两固相间界面，有共格，半共格，非共格 1.1.1.1.共格相界共格相界共格相界共格相界：界界面面完完全全有有序序，无无错错配配区区域域，界界面面是是两两相相点点阵阵的的共共有有点点阵阵面面，仅仅在在少少数数情情况况下下出出现现，如如钴钴相相变变中中fccfcc相相与与hcphcp相相的的相相界。界。A相B相相界 2.2.半共格相界半共格相界与与小小角角度度晶晶界界类类似似，错错配配区区为为界界面面上上位位错错，如如两两种种结结构构相相同同的的晶体，点阵参数或夹角有少量差异晶体，点阵参数或夹角有少量差异 a.a.相相界界上上只只存存在在点点阵阵参参数数差差异异在在界界面面上上引引进进刃刃型型位位错错，使使 位位错错在在单单位位距距离离内内造造成成的的等等于于相相界界上上点点阵阵平平移移的的相相对对差差 值，松驰晶格中共格弹性畸变值，松驰晶格中共格弹性畸变 b b b b.相相界界上上原原子子排排列列成成斜斜方方网网络络时时，若若界界面面上上原原子子仍仍呈呈平平行行，可可用用刃刃型型位位错错描描述述，若若相相界界两两侧侧原原子子排排列列夹夹角角上上有有差差异异，则可用螺型位错描述则可用螺型位错描述.半共格相界位错模型半共格相界位错模型3非共格相界：与大角晶界相似，界面基本无序与大角晶界相似，界面基本无序