《材料科学基础 第8章 材料的表面与界面.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《材料科学基础 第8章 材料的表面与界面.ppt（36页珍藏版）》请在三一办公上搜索。
1、第八章 材料的 表面与界面,材料的表面与界面,1,2,3,界面与组织形貌,4,复合体系的界面结合特性,6,高聚物的表面与界面张力,5,材料的复合原理,7,基础知识,晶体中的界面结构,晶体中界面的偏聚与迁移,实际晶体不同相或同一相的不同取向区域之间总是存在分界面（面缺陷）。按照界面两边状态可分为：表面：分界面一侧为气体或真空的界面；界面,晶界、亚晶界：多晶体材料内部成分、结构相同而取向不同的晶粒（或亚晶）之间的界面；,相界：指材料中不同相之间的界面。,8.2 晶体中的界面结构,8.2.1 界面的类型与结构,Mg-3Al-0.8Zn合金中的晶界,晶界,相界,Pb-Sn合金中的相界,8.2 晶体中的
2、界面结构,一、晶界1、晶界的自由度 晶界性质晶界结构与其相邻晶粒的相对取向+晶界的空间位向。从几何角度，晶界定义：（1）获得相对取向的旋转轴取向；（2）最小旋转角度值；（3）晶界（假设平面）在晶体中的位置。从几何上描述一个晶界需要5个自由度。,8.2 晶体中的界面结构,2、小角晶界两个晶粒的位相差在10以下。典型亚晶界 晶粒平均直径一般在m量级，而亚晶粒的平均直径则通常在nm量级。简单小角晶界模型：倾转晶界由刃型位错构成扭转晶界由螺型位错构成,8.2 晶体中的界面结构,（1）对称倾转晶界,8.2 晶体中的界面结构,实验观察到的对称倾转晶界,8.2 晶体中的界面结构,可看成是由一列平行的刃型位错
3、所构成。位错间距D与柏氏矢量b之间的关系为：=,小角对称倾转晶界位错模型,8.2 晶体中的界面结构,当b=0.25nm=1时，D=14.3nm；=10时，D=1.4nm 5b（5个原子间距）一般说来，只有当 5时，位错才可分辨，此时D=12b。在=10时，56个原子间距就有一个位错，位错密度过大，晶界将全部是位错心，结构不稳定。因此，大时，这个模型不适用。,8.2 晶体中的界面结构,（2）扭转晶界,8.2 晶体中的界面结构,小角扭转晶界位错模型,两螺位错间距也满足=,8.2 晶体中的界面结构,2、大角度晶界,大角晶界：10 原子排列不规则，不能用位错模型描述。,岛屿模型,8.2 晶体中的界面结
4、构,重合位置点阵模型（了解）,体心立方晶体中重合位置点阵,8.2 晶体中的界面结构,二、相界 根据界面上的原子排列结构不同，相界分为共格、半共格以及非共格三类。（1）共格相界,8.2 晶体中的界面结构,有应变共格界面,8.2 晶体中的界面结构,（2）半共格相界 若aa和ab分别为无应力时的a和b的点阵常数，这两个点阵的错配度定义为：,=,8.2 晶体中的界面结构,(3)非共格界面 当两相在相界面处的原子排列相差很大时，即d很大时，只能形成非共格界面。,8.2 晶体中的界面结构,8.2.2界面能量一、晶界能 晶界是一种面缺陷，使体系的自由能增加，定义形成单位面积的晶界而引起体系自由能的增高为晶界
5、能。每个晶粒有减小晶界面积的趋势。保温时间足够长，晶界通过转动方位，达到平衡时：,8.2 晶体中的界面结构,对于小角晶界，可以用组成它的位错能量进行估算。对称倾转晶界，设位错间距为D，取一个面积元，其面积为D1，仅含一根位错，而单位长度刃位错的能量为：,单位面积上的界面能为：EBE/DEq/|b|,8.2 晶体中的界面结构,二、相界能弹性畸变能（应变能）：原子离开平衡位置所引起；大小取决于错配度。化学交互作用能：界面上原子间结合键数目和强度发生变化所引起；大小取决于界面原子与周围原子的化学键结合状况。共格相界：以应变能为主；非共格相界：以化学能为主。通常，共格半共格非共格相界能依次递增。,8.
6、3 晶体中界面的偏聚与迁移,8.3.1 晶界平衡偏析,晶界偏析：溶质原子自发向晶界偏聚的趋势。为一种平衡偏析 可表示为：=()：晶界中溶质原子分数；：溶质平衡浓度；：溶质在晶界和晶内的自由焓差。晶界偏析随溶质的平衡浓度增加而增加。,8.3 晶体中界面的偏聚与迁移,晶界硬化不锈钢的敏化晶界腐蚀粉末烧结过程回火脆性,溶质原子在静态晶界中偏析的程度和它在溶剂中的溶解度有关。,=/0,8.3 晶体中界面的偏聚与迁移,8.3.2 界面迁移驱动力 晶界迁移：晶界在其法线方向上的位移，是通过晶粒边缘上的原子向其邻近晶粒的跳动实现的。,晶界曲率是晶界迁移的驱动力，界面总是向凹侧推进；晶界处于平直状态时，晶界迁
7、移会停止。,8.3 晶体中界面的偏聚与迁移,8.3.3影响界面迁移的因素（1）温度 晶界迁移率B与扩散系数D之间的关系为：BD/kT B0 e(-Q/kT)（2）溶质或杂质原子 少量溶质或杂质原子就会对晶界迁移率产生显著的影响。,8.3 晶体中界面的偏聚与迁移,锡对铅晶界迁移速度的影响,8.3 晶体中界面的偏聚与迁移,(3)第二相颗粒 第二相颗粒往往对晶界迁移起阻碍作用。,晶界迁移方向,晶界,张力平衡时，第二相对晶界的阻力为：=当=45时：=,设单位体积合金中有N个第二相颗粒，单位面积晶界受阻力：=单位体积中第二相颗粒体积分数=第二相颗粒体积分数f越大、颗粒尺寸r越小，对晶界迁移的阻力越大。,
8、取单位晶界面积两侧厚度均为r的正方体，所有中心位于该体积内半径为r的颗粒都将与该晶界交截。,8.4.1 单相组织形貌由于界面能作用，一般规律是：平衡时，两个晶粒相遇于1个面（晶面）；3个晶粒相遇于1条线（晶棱）；4个晶粒相遇于1点（晶粒角隅）。,晶粒1,晶粒2,晶粒3,晶粒4,平衡时的界面张力与界面夹角满足：=单相多晶体平衡时，在与晶棱垂直面上的晶界交成3线节点，线与线之间夹角接近120oC。,8.4 界面与组织形貌,8.4 界面与组织形貌,8.4.2复相组织形貌 晶粒内部的第二相 可能呈薄片状（盘状）、针状、块状、球状等不同形貌，主要取决于与基体之间的界面能，包括：表面能弹性应变能,某种可能的共格、半共格、非共格界面结构示意图,8.4 界面与组织形貌,8.4.2复相组织形貌 晶界上的第二相,平衡时有：=,8.4 界面与组织形貌,晶界与晶棱上第二相的形状,120,8.4 界面与组织形貌,不同角下的第二相分布,本章结束,
