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1、4.7 界面界面 界面通常包含几个原子层厚的区域,该区界面通常包含几个原子层厚的区域,该区域内的原子排列甚至化学成分往往不同于晶体域内的原子排列甚至化学成分往往不同于晶体内部,称为晶体的内部,称为晶体的面缺陷面缺陷。它与摩擦、磨损、氧化、腐蚀、它与摩擦、磨损、氧化、腐蚀、偏折、催化、吸附现象,以及光偏折、催化、吸附现象,以及光学、微电子学等均密切相关;学、微电子学等均密切相关;界面界面外表面外表面(自由表面自由表面):固:固-气或固气或固-液的分界面液的分界面内界面内界面:晶界、亚晶界、孪晶界、层错、相界:晶界、亚晶界、孪晶界、层错、相界晶体的力学、物晶体的力学、物理和化学等性能理和化学等性能
2、4.7.1 外表面外表面n结构结构-相邻原子数相邻原子数(配位数配位数),表面原子偏离其正常的平衡位,表面原子偏离其正常的平衡位 置,造成表层的点阵畸变,置,造成表层的点阵畸变,n原子间结合键原子间结合键不相等,表面原子断键不相等,表面原子断键n成分成分-成分偏聚和表面吸附作用成分偏聚和表面吸附作用n能态能态表面原子高于内部原子表面原子高于内部原子n厚度厚度-几个原子层几个原子层 晶体外表面高能量的原子层称为晶体外表面高能量的原子层称为表面表面表面与晶体内部差异:表面与晶体内部差异:表面能表面能:晶体表面单位面积自由能的增加:晶体表面单位面积自由能的增加(Jm2)表面能表面能:产生单位面积新表
3、面所作的功:产生单位面积新表面所作的功被割断的结合键数目被割断的结合键数目 形成单位新表面形成单位新表面每个键能量每个键能量=表面能表面能:单位长度上的表面张力:单位长度上的表面张力(Nm)式中式中dW为产生为产生dS表面所作的功表面所作的功 表面能表面能:外表面外表面低表面能的原子密排晶面低表面能的原子密排晶面晶体的能量最低最稳定晶体的能量最低最稳定4.7.1 外表面外表面4.7.2 晶界晶界(Grain Boundary)晶界的自由度晶界的自由度二维平面点阵中的晶界二维平面点阵中的晶界2个自由度个自由度 两个晶粒的位向差两个晶粒的位向差 晶界相对于一个点阵某一平面的夹角晶界相对于一个点阵某
4、一平面的夹角同一固相但位向不同的晶粒之间的界面称为同一固相但位向不同的晶粒之间的界面称为晶界晶界晶粒若干个位向稍有差异的亚晶粒所组成,相邻晶粒若干个位向稍有差异的亚晶粒所组成,相邻 亚晶粒间的界面称为亚晶粒间的界面称为亚晶界亚晶界三维点阵中的晶界三维点阵中的晶界右侧晶体绕右侧晶体绕x,y,z轴旋转轴旋转x y z界面绕界面绕x,z轴旋转轴旋转x y5个自由度个自由度晶界的分类晶界的分类:小角度晶界小角度晶界相邻晶粒的位向差小于相邻晶粒的位向差小于10 的晶界的晶界 亚晶界亚晶界小于小于2 大角度晶界大角度晶界相邻晶粒的位向差大于相邻晶粒的位向差大于10 的晶界的晶界4.7.2.1 小角度晶界的
5、结构小角度晶界的结构(1)对称倾斜晶界对称倾斜晶界特点特点 晶界相对于两侧晶体对称晶界相对于两侧晶体对称/2 1个自由度个自由度 一列平行的同号刃型位错垂直排列一列平行的同号刃型位错垂直排列 位错的间距位错的间距D与柏氏矢量与柏氏矢量b之间的关系为:之间的关系为:D=b/n晶界相对于两侧晶晶界相对于两侧晶体不对称体不对称 n2个自由度个自由度 n两组柏氏矢量相互两组柏氏矢量相互垂直的刃位错交错垂直的刃位错交错排列排列n两组刃型位错各自两组刃型位错各自的间距的间距D 和和D :(2)非对称倾斜晶界非对称倾斜晶界特点特点D。D(2)扭转晶界扭转晶界特点特点 两组互相交叉的螺型位错网络两组互相交叉的
6、螺型位错网络 1个自由度个自由度扭转品界的形成过程扭转品界的形成过程 扭转晶界位错模型扭转晶界位错模型 上层原子上层原子下层原子下层原子bb4.7.2.2 大角度晶界的结构大角度晶界的结构大角度晶界模型大角度晶界模型属于两晶粒的原子属于两晶粒的原子D好区,原子排列好区,原子排列整齐的区域整齐的区域不属于任一晶粒的原子不属于任一晶粒的原子A坏区,原子坏区,原子排列紊乱的区域排列紊乱的区域好区和坏区交替相间组合成台阶状界面好区和坏区交替相间组合成台阶状界面随着位向差随着位向差的增大,坏区的面积将相的增大,坏区的面积将相应增加应增加晶界的宽度不超过晶界的宽度不超过3个原子间距个原子间距晶界上原子同时
7、受到位向不同晶界上原子同时受到位向不同的两个晶粒中原子的作用的两个晶粒中原子的作用压缩区压缩区B扩张区扩张区C“重合位置点阵重合位置点阵”模型模型两晶粒的点陈彼此通过两晶粒的点陈彼此通过晶界向对方延伸,其中晶界向对方延伸,其中一些原子有规律的相互一些原子有规律的相互重合。由这些原子重合重合。由这些原子重合位置所组成的新点阵,位置所组成的新点阵,称为称为重合位置点阵重合位置点阵重合位置点阵密度重合位置点阵密度1/5晶粒晶粒1的原子位置的原子位置晶粒晶粒2的原子位置的原子位置 重合位置点阵中原子的位置重合位置点阵中原子的位置晶粒晶粒1晶粒晶粒2相邻晶粒位向差为相邻晶粒位向差为37时,存时,存在的在
8、的1/5重合位置点阵重合位置点阵优点优点:界面结构清晰:界面结构清晰缺点缺点:不能解释两晶粒处于任:不能解释两晶粒处于任 意位向差时晶界结构意位向差时晶界结构表表3.3 立方晶系金属中重要的重合位置点阵立方晶系金属中重要的重合位置点阵晶界上重合位置晶界上重合位置(为两个晶粒所共(为两个晶粒所共有的原子)愈多有的原子)愈多晶界原子排列的畸晶界原子排列的畸变程度愈小变程度愈小晶界能愈低晶界能愈低4.7.2.3 晶界能晶界能形成单位面积界面时,系统的自由能变化(形成单位面积界面时,系统的自由能变化(dF/dA)它等于界面区单位面积的能量减去无界面时该区单位面它等于界面区单位面积的能量减去无界面时该区
9、单位面积的能量积的能量它等于界面张力它等于界面张力(Nm)小角度小角度晶晶界能界能式中式中 为常数,切变模量为常数,切变模量G、泊桑比、泊桑比和柏氏矢量和柏氏矢量b积分常数积分常数A取决于位错中心的原子错排能取决于位错中心的原子错排能大角度晶界大角度晶界-各晶粒的位向差各晶粒的位向差30-40金属大角度晶界能约在金属大角度晶界能约在0.25-1.0J/m2与晶粒之间的位向差无关,大体上为定值与晶粒之间的位向差无关,大体上为定值铜的不同类型界面的界面能铜的不同类型界面的界面能三个晶界相交于一直线三个晶界相交于一直线(垂直于图面垂直于图面)4.7.2.4 晶界的特性晶界的特性n成分偏析和内吸附现象
10、,晶界富集杂成分偏析和内吸附现象,晶界富集杂(溶溶)质原子质原子n晶粒的长大和晶界的平直化都能减少晶界面积,从而晶粒的长大和晶界的平直化都能减少晶界面积,从而降低晶界的总能量,温度升高和保温时间的增长,均降低晶界的总能量,温度升高和保温时间的增长,均有利于这两过程的进行。有利于这两过程的进行。n常温下晶界阻碍位错运动常温下晶界阻碍位错运动 高温下晶界存在一定的粘滞性,易使相邻晶粒产生相高温下晶界存在一定的粘滞性,易使相邻晶粒产生相对滑动对滑动n晶界处原子扩散速度比晶内快晶界处原子扩散速度比晶内快n新相优先形核部位新相优先形核部位(能量能量 结构结构 成分成分)n晶界熔点低晶界熔点低(杂质原子偏
11、聚杂质原子偏聚)n易腐蚀易腐蚀(晶界能晶界能 杂质原子偏聚杂质原子偏聚)4.7.3 孪晶界孪晶界(Twin Boundary)孪晶孪晶是指两个晶体是指两个晶体(或一个晶体的两部分或一个晶体的两部分)沿一个公沿一个公共晶面构成镜面对称的位向关系,这两个晶体就共晶面构成镜面对称的位向关系,这两个晶体就称为称为“孪晶孪晶”,此公共晶面就称,此公共晶面就称孪晶面孪晶面(a)面心立方晶体的孪晶关系面心立方晶体的孪晶关系 (b)非共格孪晶界非共格孪晶界孪生变形孪生变形 孪晶孪晶111 图图5.16 面心立方晶体孪生变形示意图面心立方晶体孪生变形示意图(a)孪晶面和孪生方向孪晶面和孪生方向 (b)孪生变形时
12、原子的移动孪生变形时原子的移动 孪生的特点:孪生的特点:(1)切应力作用下发生,孪生所需的临界切应力要比滑移时大得多切应力作用下发生,孪生所需的临界切应力要比滑移时大得多 (2)均匀切变均匀切变 (3)两部分晶体形成镜面对称的位向关系两部分晶体形成镜面对称的位向关系 (4)孪晶面孪晶面 孪生方向孪生方向 图图5.17 铜单晶在铜单晶在4.2K测得的拉伸曲线测得的拉伸曲线4.7.4 相界相界(Phase Boundary)具有不同结构的两相之间的分界面具有不同结构的两相之间的分界面-相界相界 4.7.4.1 共格相界共格相界(Coherent Phase Boundary)(a)完善共格关系的相
13、界完善共格关系的相界 (b)具有弹性畸变的共格相界具有弹性畸变的共格相界 界面上两相原子保持匹配界面上两相原子保持匹配界面能较低,但高于孪晶界界面能较低,但高于孪晶界相界能:弹性畸变能,取决于错配度相界能:弹性畸变能,取决于错配度 化学交互作用能,取决于界面上原子与周围原子的化化学交互作用能,取决于界面上原子与周围原子的化 学键结合状况学键结合状况4.7.4.2 半共格相界半共格相界(Semi-Coherent Phase Boundary)半共格相界上位错间距取决半共格相界上位错间距取决于相界处两相匹配晶面的错于相界处两相匹配晶面的错配度配度界面上两相原子部分地保持匹配界面上两相原子部分地保持匹配式中式中a和和a分别为相界面两侧分别为相界面两侧和和相点阵常数,且相点阵常数,且aa由此可求得位错间距由此可求得位错间距D为为错配度错配度界面能高于共格相界界面能高于共格相界4.7.4.3 非共格相界非共格相界(Incoherent Phase Boundary)由原子不规则排列的很薄的过渡层构成由原子不规则排列的很薄的过渡层构成界面能较高,以化学能为主界面能较高,以化学能为主
限制150内