第四篇第四节界面.ppt

第四节  表 面 与 界 面1、表面2、晶界、亚晶界3．晶界能4、晶界偏聚5、相界 面缺陷—— 一、表面 1．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、性能与晶体内部不相同有较高能量 。 2．表面能 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 加 表面能 ?（J/m2）=dw/dA， 即为增加单位表面积 所作的功。 3． 晶体表面 为密排面：各晶面原子排列密度不同,各面表面能不同。 密排面作表面，晶体表面能最低 表面能极图 实际晶体外表面台阶化 4． 表面吸附 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 正吸附：吸附原子浓度高于其在晶内浓度， 反之负吸附 驱动力：表面自由能的降低 Gibbs吸附方程 Г=-x/RT( σ/ x)T Г：吸附量 x：溶质原子在晶体中平衡体积浓度 R：气体常数 T：绝对温度 ( σ/ x)T：一定温度下比表面能随溶质原子浓度的改变率 ( σ/ x)T0，Г0，增加溶质浓度，表面能降低，正吸附表面偏聚 ( σ/ x)T0，Г0，则为负吸附，溶质在表面贫化 二、晶界、亚晶界 1． 分类 大角晶界：相邻晶体位向差θ10° 小角度晶界：位向差θ为2°~10°（位错模型解释） 亚晶界：位向差θ2° 2． 大角度晶界模型 大角晶界模型： 晶界力求与重合点阵密排面重合，即使有偏离，晶界会台阶化，使大部分面积分段与密排面重合，中间以小台阶相连。 如图，AB、CD与重合点阵密排面重合，中间BC小台阶相连。 3． 小角度晶界：对称倾侧晶界、不对称倾侧晶界、扭转晶界 3．小角度晶界— 对称倾侧晶界 由相隔一定距离刃型位置垂直排列组成 位错间距离D：与柏氏矢量及位向差关系, 已知晶体点阵常数，想法测出位错蚀坑距离，可计算位向差 3．小角度晶界-不对称倾侧晶界--两组不同方向的刃错组成 不对称倾侧晶界 两晶体各转θ/2后形成晶界，晶界与x轴成ψ角 扭转晶界 扭转晶界：两晶体绕轴旋转后相差θ后螺型位错 网络组成 扭转晶界示意图 扭转晶界位错模型 4．亚晶界--- 每个晶粒中直径10-100μm的晶块（亚晶粒）之的界面 晶界上非正常结点位置原子引发晶格畸变，使能量升高。 小角度晶界能? G ：可由位错模型计算 ? G=?0 θ（B-lnθ）， ?0=Gb/4π（1-ν）， B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θ的关系 晶界能---实线测量值、虚线计算值 小于15-200 两者符合很好。EB在小角时与位向敏感，大角度时为常数 4.晶界的其它特性 a. 晶界熔点低，易过烧 b. 晶界是易扩散通道 c. 晶界易形核 d. 晶界易受腐蚀 e. 晶界常温下强化，高温下弱化 5.孪晶界：共格 非共格孪晶界 A.共格孪晶界：界面上原子正好在两侧晶粒点阵位置上多通过形变后退火而形成，与堆垛层错密切相关，如fcc(111)面通常是ABCABCABC……，从某一层开始堆垛变成ABC ACBACBA…… 则形成孪晶，CAC为堆垛层错界面 B. 非共格孪晶界：由许多位错构成 五、相界：不同结构的两固相间界面，有共格，半共格，非共格 1. 共格相界： 界面完全有序，无错配区域，界面是两相点阵的共有点阵面，仅在少数情况下出现，如钴相变中fcc相与hcp相的相界。 2.半共格相界 与小角度晶界类似，错配区为界面上位错，如两种结构相同的晶体，点阵参数或夹角有少量差异 a. 相界上只存在点阵参数差异在界面上引进刃型位错，使 位错在单位距离内造成的等于相界上点阵平移的相对差 值，松驰晶格中共格弹性畸变 b. 相界上原子排列成斜方网络时，若界面上原子仍呈平行，可用刃型位错描述，若相界两侧原子排列夹角上有差异，则可用螺型位错描述. 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 * * 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，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