第四章第四節(jié)界面

第四章第四節(jié)界面第1頁(yè)，共28頁(yè)，2023年，2月20日，星期三只要金屬晶體中兩個(gè)相鄰部分的取向、結(jié)構(gòu)或點(diǎn)陣常數(shù)不同，在它們的接觸處就將形成界面，它是一種面缺陷。不僅在多晶體材料的晶粒之間有通常所說的晶粒間界，而且在一個(gè)晶粒內(nèi)部或者單晶體中還經(jīng)常存在著亞晶。在復(fù)相材料中，除晶粒間界外，還有相界面。此外，任何晶體還有外表面。在這些界面處共同的特點(diǎn)是原子相鄰關(guān)系偏離晶體內(nèi)部排列的正常狀態(tài)，因此都可以歸并為面狀的晶格缺陷。這些面缺陷對(duì)金屬材料的各種力學(xué)、物理和化學(xué)性能都有重要影響。

第2頁(yè)，共28頁(yè)，2023年，2月20日，星期三面缺陷——

面缺陷晶界相界表面1.小角晶界2.大角晶界3.共格孿晶界1.共格界面2.半共格界面3.非共格界面第3頁(yè)，共28頁(yè)，2023年，2月20日，星期三一、表面

1．表面的結(jié)構(gòu)表面原子一側(cè)沒有固體原子與之鍵合，幾個(gè)原子層厚，結(jié)構(gòu)、性能與晶體內(nèi)部不相同有較高能量。

2．表面能晶體表面原子與周圍原子鍵合數(shù)減少，多余的未結(jié)合的鍵使內(nèi)能增加表面能

（J/m2）=dw/dA，即為增加單位表面積所作的功。材料與周圍氣相或液相介質(zhì)接觸的面第4頁(yè)，共28頁(yè)，2023年，2月20日，星期三第5頁(yè)，共28頁(yè)，2023年，2月20日，星期三

3． 晶體表面為密排面：各晶面原子排列密度不同,各面表面能不同。密排面作表面，晶體表面能最低表面能極圖實(shí)際晶體外表面臺(tái)階化

第6頁(yè)，共28頁(yè)，2023年，2月20日，星期三

4． 表面吸附

表面原子結(jié)合鍵不飽和通過吸附可達(dá)到平衡狀態(tài)，吸附層幾個(gè)原子層厚正吸附：吸附原子濃度高于其在晶內(nèi)濃度，反之負(fù)吸附驅(qū)動(dòng)力：表面自由能的降低Gibbs吸附方程

Г=-x/RT(σ/x)TГ：吸附量x：溶質(zhì)原子在晶體中平衡體積濃度R：氣體常數(shù)T：絕對(duì)溫度(σ/x)T：一定溫度下比表面能隨溶質(zhì)原子濃度的改變率(σ/x)T<0，Г>0，增加溶質(zhì)濃度，表面能降低，正吸附表面偏聚(σ/x)T<0，Г<0，則為負(fù)吸附，溶質(zhì)在表面貧化第7頁(yè)，共28頁(yè)，2023年，2月20日，星期三二、晶界、亞晶界

1． 分類

大角晶界：相鄰晶體位向差θ>10°

小角度晶界：位向差θ為2°~10°（位錯(cuò)模型解釋）亞晶界：位向差θ<2°

第8頁(yè)，共28頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2． 大角度晶界模型

第9頁(yè)，共28頁(yè)，2023年，2月20日，星期三重合位置點(diǎn)陣是設(shè)想把相鄰二晶粒的晶體點(diǎn)陣相互延伸，二者的陣點(diǎn)中可能存在著一部分重合的位置，由于晶體點(diǎn)陣在空間中是作規(guī)則的周期的重復(fù)排列，因此重合的位置也一定是規(guī)則的，這些重合的陣點(diǎn)組成一個(gè)新的點(diǎn)陣，稱為“重合位置點(diǎn)陣”。重合位置的多少，取決于二晶粒的位向差。大角晶界重合位置點(diǎn)陣模型認(rèn)為，大角晶界總是力圖沿著重合位置點(diǎn)陣的密排面分布，如果晶界與重合位置點(diǎn)陣的密排面不平行，那么晶界將先沿重合位置點(diǎn)陣的密排面延伸，過一段再過渡到下一個(gè)密排面上去。也就是說晶界在微觀上是不平直的，大部分晶界是在重合位置點(diǎn)陣的密排面上，少部分不是密排面，這樣能使晶界上保持有較多的規(guī)則性，從而具有較低的能量。第10頁(yè)，共28頁(yè)，2023年，2月20日，星期三大角晶界模型：

晶界力求與重合點(diǎn)陣密排面重合，即使有偏離，晶界會(huì)臺(tái)階化，使大部分面積分段與密排面重合，中間以小臺(tái)階相連。

如圖，AB、CD與重合點(diǎn)陣密排面重合，中間BC小臺(tái)階相連。

第11頁(yè)，共28頁(yè)，2023年，2月20日，星期三

3． 小角度晶界：

對(duì)稱傾側(cè)晶界、不對(duì)稱傾側(cè)晶界、扭轉(zhuǎn)晶界第12頁(yè)，共28頁(yè)，2023年，2月20日，星期三3．小角度晶界—

對(duì)稱傾側(cè)晶界由相隔一定距離刃型位置垂直排列組成位錯(cuò)間距離D：與柏氏矢量及位向差關(guān)系,

已知晶體點(diǎn)陣常數(shù)，想法測(cè)出位錯(cuò)蝕坑距離，可計(jì)算位向差b/2D/2第13頁(yè)，共28頁(yè)，2023年，2月20日，星期三第14頁(yè)，共28頁(yè)，2023年，2月20日，星期三3．小角度晶界-不對(duì)稱傾側(cè)晶界--兩組不同方向的刃錯(cuò)組成不對(duì)稱傾側(cè)晶界

兩晶體各轉(zhuǎn)θ/2后形成晶界，晶界與x軸成ψ角

第15頁(yè)，共28頁(yè)，2023年，2月20日，星期三扭轉(zhuǎn)晶界扭轉(zhuǎn)晶界：兩晶體繞軸旋轉(zhuǎn)后相差θ后螺型位錯(cuò)網(wǎng)絡(luò)組成扭轉(zhuǎn)晶界示意圖

第16頁(yè)，共28頁(yè)，2023年，2月20日，星期三

扭轉(zhuǎn)晶界位錯(cuò)模型第17頁(yè)，共28頁(yè)，2023年，2月20日，星期三第18頁(yè)，共28頁(yè)，2023年，2月20日，星期三4．亞晶界---

每個(gè)晶粒中直徑10-100μm的晶塊（亞晶粒）之的界面

第19頁(yè)，共28頁(yè)，2023年，2月20日，星期三

晶界上非正常結(jié)點(diǎn)位置原子引發(fā)晶格畸變，使能量升高。小角度晶界能G：可由位錯(cuò)模型計(jì)算G=0

θ（B-lnθ），0=Gb/4π（1-ν），B積分常數(shù)，取決于位錯(cuò)中心原子錯(cuò)排能金屬晶界能與晶粒位向差θ的關(guān)系三．晶界能第20頁(yè)，共28頁(yè)，2023年，2月20日，星期三晶界能---實(shí)線測(cè)量值、虛線計(jì)算值小于15-200

兩者符合很好。EB在小角時(shí)與位向敏感，大角度時(shí)為常數(shù)第21頁(yè)，共28頁(yè)，2023年，2月20日，星期三4.晶界的其它特性

a.晶界熔點(diǎn)低，易過燒b.晶界是易擴(kuò)散通道c.晶界易形核d.晶界易受腐蝕e.晶界常溫下強(qiáng)化，高溫下弱化第22頁(yè)，共28頁(yè)，2023年，2月20日，星期三5.孿晶界：共格非共格孿晶界

A.共格孿晶界：界面上原子正好在兩側(cè)晶粒點(diǎn)陣位置上多通過形變后退火而形成，與堆垛層錯(cuò)密切相關(guān)，如fcc(111)面通常是ABCABCABC……，從某一層開始堆垛變成ABCACBACBA……

則形成孿晶，CAC為堆垛層錯(cuò)界面B.非共格孿晶界：由許多位錯(cuò)構(gòu)成第23頁(yè)，共28頁(yè)，2023年，2月20日，星期三五、相界：

不同結(jié)構(gòu)的兩固相間界面，有共格，半共格，非共格

1. 共格相界：

界面完全有序，無(wú)錯(cuò)配區(qū)域，界面是兩相點(diǎn)陣的共有點(diǎn)陣面，僅在少數(shù)情況下出現(xiàn)，如鈷相變中fcc相與hcp相的相界。A相B相相界

第24頁(yè)，共28頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2.半共格相界與小角度晶界類似，錯(cuò)配區(qū)為界面上位錯(cuò)，如兩種結(jié)構(gòu)相同的晶體，點(diǎn)陣參數(shù)或夾角有少量差異

a.相界上只存在點(diǎn)陣參數(shù)差異在界面上引進(jìn)刃型位錯(cuò)，使位錯(cuò)在單位距離內(nèi)造成的等于相界上點(diǎn)陣平移的相對(duì)差值，松馳晶格中共格彈性畸變

b. 相界上原子排列成斜方網(wǎng)絡(luò)時(shí)，若界面上原子仍呈平行，可用刃型位錯(cuò)描述，若