材料科学基础：第七章 界面.pptVIP

第七章  表 面 与 界 面一、表面二、晶界、亚晶界（重点）三、孪晶界四、相界五、复合材料及其界面  二维缺陷—— 界面、表面、 晶界、亚晶界、孪晶界 层错界、 相界、 胞壁 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，有较高能量，几个原子层厚，与周围气相或液相接触的面 结构、性能与晶体内部不相同 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 V（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 大角度晶界：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度晶界中仍有周期性结构重合位置点阵模型 相邻晶粒点阵延伸互相穿插，两晶粒位向转动一特定角度后，两晶粒的阵点有部分处于重合位置，由重合的阵点构成重合位置点阵 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 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有关 已知晶体点阵常数，想法测出位错蚀坑距离，可计算位向差 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-扭转晶界 两晶体各转θ/2后形成晶界，晶界与x轴成ψ角 扭转晶界：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 亚晶界---溶质原子优先聚集和第二相优先析出的地方，可阻碍位错运动，影响材料力学性能 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EB：可由位错模型计算 EB=E0θ（A-lnθ） E0=Gb/4π（1-γ） A=EC4π（1-γ）/Gb2 EC为位错中心能量 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 多晶材料中的界面---三个晶界平衡时有 E1/sinφ1=E2/sinφ2=E3/sinφ3 晶界能应用---少量第二相形状 A、第二相在基体晶粒内 与基体完全不共格或完全共格，呈球状 与基体只有一个共有晶面，为减少界面能，第二相呈园盘状或片状 B.界面上第二相形状平衡时界面能的关系，γα-α=2γα-βcosθ/2界面能γα-α/γα-β 比值的大小决定第二相β形貌 θ=180 ° β呈球状θ=0 ° β呈连续薄膜0θ180°，可形成不同形状第二相 θ称为二面角。 C.二面角的用途 （a）杂质在金属压力加工中影响。 Cu中Bi有热脆是因为Bi低熔点液相薄膜分布 （b）粉末冶金烧结时润湿性：选Co与WC （c）对焊料影响：焊接时用助焊剂使焊料润湿被焊金属表面。  A. 平衡偏聚 平衡条件下由于溶质与溶剂原子尺寸相差很大，溶质原子在晶内、晶界的畸变能差很大，造成溶质原子在晶界富集 如Cu-1Sn%合金，：Sn的偏析，Sn的原子半径比Cu大9%，发生严重点阵畸变。