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1、第五部分表面与界面,表面及界面,界面包括：外表面（自由表面）和内界面表面：固体与气体或液体的分界面表面与材料的摩擦、磨损、氧化、腐蚀、偏析、催化、吸附以及光学、微电子学等有密切关系。内界面：晶粒边界、晶内的亚晶界、孪晶界、层错、相界面等。界面：几个原子层厚，原子排列于成分不同于内部，对材料的物理、化学、力学特性产生重要的影响,表面： 晶体自由表面上的原子，由于其周围环境与晶体内部不同，致使约有几个原子层处于较高的能量状态，该表层结构称为表面。 为降低表面能，晶体表面往往为低指数的密排晶面，由此导致晶体外形发生规则化。 常见金属的平均比表面能变化范围在1.1J/m2至5J/m2之间。 表面能的作
2、用产生表面吸附现象,外表面的特点,周期性的排列被破坏相邻原子比晶内少由于成分偏析和表面吸附，表面成分与晶内不一致表面原子的键合与晶内不同，偏离正常的平衡位置，表面层原子点阵畸变厚度一般几个原子层最外层原子有一半原子健悬空，能量高，表面活性高,表面能：,定义为形成单位面积的新表面所需做的功,*晶体中的表面张力是各向异性的*原子密度最大的面具有最低的g值晶体表面一般为原子密度最大的面*表面能与曲率有关：曲率越大，表面能越大,晶界 亚晶界,晶界：取向不同的晶粒之间的界面（内界面）亚晶界：晶粒有时又由若干个稍有差异的亚晶粒组成，相邻亚晶粒间的界面称为亚晶界。（晶粒的平均直径0.015-0.25mm，亚
3、晶粒则为0.001mm数量级）晶界具有5个自由度：两晶粒的位相差（3），界面的取向（2）,二维点阵中晶界的几何关系可用两个晶粒的位相差和晶界相对于点阵某一平面的夹角来确定,三维点阵的晶界几何关系应由5个自由度来确定：两晶粒的位相差（3），界面的取向（2）,小角度晶界,对称倾斜晶界不对称倾斜晶界扭转晶界,根据相邻晶粒之间的位相差的大小将晶界分为两类：小角度晶界相邻晶粒的位相差小于10的晶界；亚晶界均属于该类型大角度晶界相邻晶粒的位相差大于10的晶界；多晶体中的晶界,小角度晶界一般分为：,对称倾斜晶界：可以看成由一列平行的刃型位错构成 位错间距D和柏氏矢量b之间关系：,不对称倾斜晶界,如果对称倾斜
4、晶界的界面绕某一轴旋转一角度，虽然两晶粒的位相差仍然是，但此时两晶粒不再对称，称为不对称倾斜晶界。,不对称倾斜晶界有两个自由度和。其结构可以看成由两组柏氏矢量相互垂直的刃型位错 交错排列构成，两组位错各自间距 分别为：,扭转晶界,扭转晶界可以看成两部分晶体绕某一轴在一个共同平面上相对扭转一个角构成的，扭转轴垂直于这一共同晶面。也可以看成由相互交叉的螺位错组成。,纯扭转晶界和倾斜晶界的不同在于：倾斜晶界形成时，转轴在晶界内；扭转晶界的转轴则垂直于晶界。一般小角度晶界都可看成两部分晶体绕某一轴旋转一角度而形成，不过该转轴即不平行也不垂直晶界，故可看成一系列刃位错，螺位错或混合位错的网络组成。对称倾
5、斜晶界和扭转晶界则属于特殊情况。,多晶体材料各晶粒之间的晶界通常是大角度晶界大角度晶界结构复杂，原子排列不规则晶界可看成是好区与坏区交替相间组合而成的。 一般大角度晶界的宽度一般不超过三个原子间距。,大角度晶界 High-angle grain boundary,* 相邻晶粒在交界处的形状不是光滑的曲面，而是由不规则台阶组成的，A,B,C,D特征区域,重合位置点阵模型 *晶界能较低 *特殊位向,大角度晶界 大角度晶界能一般不随相邻晶粒的位向差而变化，对特定的晶体是基本恒定的。但在某些特殊的位向差角度时，会出现晶界能的显著减小。该问题可用重合位置点阵模型来分析解释。,立方晶系中的重要重合位置点阵
6、,晶界能,晶界能：形成单位面积晶面时，系统Helmholtz自由能的变化，即dg/dA。它等于接口区单位面积的能量减去无界面时该区单位面积的能量。也可看成由于晶界上点阵畸变增加的那部分额外自由能。,在纯金属中,在合金中,晶界面积A改变而引起的晶粒内i组元原子数的改变,假定晶界面积A改变不引起的晶粒内i组元原子数的改变,小角度晶界的界面能,晶界的界面能的测量,晶界能可通过测定界面交角求出其相对值：三个晶粒相遇，在达到平衡时，在o点处接口张力必须达到力学平衡,故测得,在平衡状态下，三叉晶界的各面角均趋于最稳定的120。,晶界偏聚内吸附（热力学平衡的偏聚）特点：1）溶质浓度不变时，一定的T对应一定平
7、衡晶界偏聚量2）T偏聚量 ， E：溶质原子在晶界上的能量差, C：晶界浓度 C0：晶内浓度3）晶界平衡偏聚量可以很显著 4）晶界偏聚区的范围约为4-几百埃5）在某种情况下可产生晶界上溶质原子的贫化负吸附6）产生晶界偏聚的原因，有一种解释：固溶体中溶质原子和溶剂原子的尺寸不同，晶界偏聚可使系统能量降低,晶界的平衡偏聚,晶界特性,1）晶界处点阵畸变大，存在晶界能，故晶粒长大和晶界平直化是一个自发过程 2）晶界处原子排列不规则阻碍塑性变形Hb，sb（细晶强化） 3）晶界处存在较多缺陷（位错、空位等）有利原子扩散 4）晶界能量高固态相变先发生，d形核率 5）晶界能高晶界腐蚀速度,亚晶界（Sub-gra
8、in boundary）,事实上每个晶粒中还可分成若干个更为细小的亚晶粒（0.001mm），亚晶粒之间存在着小的位相差，相邻亚晶粒之间的界面成为亚晶界。亚晶粒更接近于理想的单晶体。位相差一般小于2o，属于小角度晶界，具有晶界的一般特征。,孪晶界 Twin boundary,孪晶指两个晶体（或一个晶体的两部分）沿一个公共晶面构成对称的位相关系，这两个晶体就称为孪晶，这个公共的晶面即成为孪晶面,共格孪晶界：即孪晶面，其上的原子同时位于两侧晶体点阵的节点上，为两者共有。无畸变的完全共格界面，界面能（约为普通晶界能1/10）很低很稳定,非共格孪晶界：孪晶界相对于孪晶面旋转一角度，其上的原子只有部分为两
9、者共有，原子错排校严重，孪晶能量相对较高，约为普通晶界的1/2,孪晶界,孪晶的形成,孪晶的形成与堆垛层错密度相关，如fcc的111面发生堆垛层错时为ABCACBACBA CAC处为堆垛层错 一般层错能高的晶体不易产生孪晶,形变孪晶：连续的(1/6)类型的滑移,生长孪晶,退火孪晶,孪晶的形成,相界 Phase Boundary,相邻晶体的晶体结构不同时，其界面称为相界面。 复相界面 相邻晶体的化学成分基本相同但具有不同的晶体结构时所形成的相界面被称为复相界面。 界面位向差大，界面原子排列混乱，界面能高。 第二相界面 材料中形成的第二相与基体相之间不仅晶体结构不同，同时其化学成分也具有明显差异甚至
10、完全不同，所形成的相界面 相界界面能取决于界面两侧晶体的位向差以及化学键变化。 变化范围在0.01 J/m2到1.5 J/m2 。,共格、半共格及非共格界面 非共格界面 大角度晶界、大颗粒第二相与基体的相界面、表面等均属于非共格界面。界面能稳定、各向异性、界面能较高。界面一般为34个原子厚度。界面结合能较低。部分接合界面将趋于平直而成为平面。完全接合界面将趋于变为球形或立方体。,共格界面：界面上的原子同时位于两相晶格 的节点上，弹性畸变完全共格界面：相互接合的两晶体结构相同且点阵常数相差甚微时，配合界面上的原子位置可同时属于两晶体的原子规则排列位置，使界面能显著降低，两晶体间的界面被称为完全共
11、格界面。,完全共格界面配合模型,被完全包围的第二相和基体的共格配合关系,半共格界面,相互接合的两晶体以确定的位向关系配合，垂直于界面的晶面间距存在一定的差别且这种差别不能通过共格晶格畸变来完全容纳时，两晶体间的界面被称为半共格界面。半共格界面的最显著的特征是至少在一个配合方向上存在错配位错列。 相互接合的两晶体晶体结构相同时，存在平行位向关系，比界面能各向同性。 相互接合的两晶体晶体结构不相同时，不同位向的错配度不同，比界面能具有各向异性。 半共格界面的比界面能比共格界面大然而比非共格界面小， 半共格界面为低指数密排面或较密排面。,半共格界面配合模型,半共格相界：两相结构相近而原子间距相差较大
12、时，部分保持匹配,错配度： 位错间距：和 分别表示相界面两侧的 相和 相的点阵常数当 很小时，D很大，两相趋于共格关系，称为共格界面当 很大时，D很小，此时,半共格相界上位错间距取决于相界处两相匹配晶面的错配度。,相和 相在相界面上完全失配，称为非共格界面,弹性应变能： 共格时以应变能为主,化学交互作用能： 非共格时的化学能为主,相界能,非共格相界两相在界面处的原子排列相差很大，大角度晶界、大颗粒第二相与基体的相界面、表面等均属于非共格界面。,第三章 习题,1、纯金属晶体中的主要点缺陷类型有哪几种？这些点缺陷对金属的结构和性能有哪些影响？2、 试说明滑移、攀移及交滑移的条件、过程和结果，并阐述
13、如何确定位错滑移运动的方向。3、若面心立方晶体中有b= 的单位位错以及b= 的不全位错，此两位错相遇产生位错反应。（1）此反应能否进行？为什么？（2）写出合成位错的柏氏矢量，并说明合成位错的性质。4、若将一位错线的正方向定义为原来的反方向，位错的柏氏矢量是否改变？位错的类型性质是否变化？一个位错环上各点位错类型是否相同？5. 证明位错线不能终止在晶体内部。,6、 已知面心立方晶体中（111）面上有一柏氏矢量为b= 的单位位错，它分解为两个肖克莱不全位错，设晶体的切变模量G=7X1010Nm-2,点阵常数=3X10-10m，层错能=1X10-2Jm-2,泊松比。（1写出此两个肖克莱不全位错的柏氏矢量。（2）若该单位位错为纯刃型位错，试计算分解后两个肖克莱不全位错之间的平衡距离。（3）若该单位位错为纯螺型位错，试计算分解后两个肖克莱不全位错之间的平衡距离。7、写出位错反应a 0-11 /2+a 2-11/2 的反应结果，这个反应能否进行？形成的位错能不能滑动？为什么？,
