材料表面與界面

1、材料的表面與界面專業(yè)：材料學(xué) 姓名:余文鵬 學(xué)號：08102033摘要：晶態(tài)固體的表面與界面是構(gòu)成晶態(tài)固體組織的重要組成部分。眾多的的微細顆粒形成大量的結(jié)晶中心，當(dāng)它們發(fā)育成晶粒并逐漸長大到相遇時就形成晶界，晶界區(qū)的寬度只有數(shù)個A°，相對于理想完整晶體來說，界面是晶體缺陷，它是二維的結(jié)構(gòu)缺陷。本文主要是寫了材料界面的相關(guān)知識，晶粒之間的相界和晶界、晶粒內(nèi)的大角度晶界以及小角度晶界。關(guān)鍵詞：界面；相界；大角度晶界；小角度晶界1 文獻綜述 晶態(tài)固體的表面與界面是構(gòu)成晶態(tài)固體組織的重要組成部分。相對于理想完整晶體來說，表面與界面是晶體缺陷，它們是二維的結(jié)構(gòu)缺陷。表面與界面的結(jié)構(gòu)不同于晶體內(nèi)

2、部的結(jié)構(gòu)，因而具有很多重要的不同于晶體內(nèi)部的性質(zhì)，這些性質(zhì)不僅在晶體的一系列物理化學(xué)過程中起重要的作用，而且對固態(tài)晶體的整體性能也有很重要的影響。例如晶粒生長、摩擦、腐蝕、表面鈍化、反射等都與表面的微觀結(jié)構(gòu)用直接的關(guān)系。晶體中的界面遷動、異類原子在晶界的偏聚、界面的擴散率、材料的力學(xué)和物理性能等也都和界面結(jié)構(gòu)有直接的關(guān)系1。所以，對材料表面與界面結(jié)構(gòu)的研究是現(xiàn)代材料學(xué)科中的一個活躍課題，特別是最近20年來表面與界面科學(xué)已經(jīng)成為一門新興的綜合性學(xué)科。本文主要是寫了材料界面的相關(guān)知識，晶粒之間的相界和晶界、晶粒內(nèi)的大角度晶界以及小角度晶界。 在金屬材料中，眾多的的微細顆粒形成大量的結(jié)晶中心，當(dāng)它們

3、發(fā)育成晶粒并逐漸長大到相遇時就形成晶界2。金屬材料是由形狀不規(guī)則和取向不同的晶粒構(gòu)成的多晶體，多晶體的性質(zhì)不僅由晶粒內(nèi)部結(jié)構(gòu)和它們的缺陷結(jié)構(gòu)所決定，而且還與晶界結(jié)構(gòu)、數(shù)量等因素有關(guān)。凡結(jié)構(gòu)相同而取向不同的晶體相互接觸，其接觸界面稱為晶界。如果相鄰晶粒不僅位向不同，而且結(jié)構(gòu)、組成也不相同，即它們代表不同的兩個相測其間界稱為相界面或界面。晶界區(qū)的寬度只有數(shù)個A°。由于原子間結(jié)合鍵的變化及結(jié)構(gòu)畸變，相界面同樣具有特殊的界面能，可以與晶界類同看待。2 相界晶體材料內(nèi)部不僅位向不同，而且結(jié)構(gòu)不同，甚至成分也不同的兩部分晶體之間的界面成為相界。在純金屬的同索異晶轉(zhuǎn)變過程中出現(xiàn)的相界面，其兩側(cè)僅結(jié)

4、構(gòu)不同；而合金相的相界兩側(cè)，除結(jié)構(gòu)不同外，往往成分也不相同，在鋼中。，常見的相有奧氏體、珠光體、貝氏體、馬氏體和鐵素體等。在不同反應(yīng)溫度下，由于新相和母相之間的自由能差，大多數(shù)相會發(fā)生相變，新相的長大，實質(zhì)上是新相晶面向母相方向的遷移。依據(jù)固態(tài)相變的類型和晶核界面結(jié)構(gòu)的不同，其長大機理也不同。新相晶核的長大有共格、半共格和非共格界面遷移幾種方式，所以兩相在晶體學(xué)上的匹配程度的不同，可以分為共格界面、半共格界面和非共格界面等三類。常見的大都是半共格和非共格兩種界面3。半共格時，其晶核的長大是通過半共格界面上靠母相一側(cè)的原子以切變的方式來完成，其特點是大量的原子有規(guī)則地沿某一方向作小于一個原子間距

5、的遷移，并保持各原子間相鄰關(guān)系不變，這種晶核長大過程也稱為協(xié)同型長大或位移式長大。由于該相變中原子的遷移都小于一個原子間距，故又稱為無擴散型相變。1.1 共格界面當(dāng)界面上的原子所占位置恰好是兩個點陣的共有位置時，兩相的原子可以一對一地相互匹配（見圖1.1）。這種界面叫做共格界面。只有對稱的鸞晶界才是理想的共格晶界。實際上兩陣點總是有一定的差別的，或者點陣結(jié)構(gòu)不同，或者點陣參數(shù)不同。晶面間距畢竟不是完全相等的，因此形成共格界面時，必然在界面附近產(chǎn)生應(yīng)變，晶面間距較小者發(fā)生伸長，晶面間距較大者產(chǎn)生壓縮，以互相協(xié)調(diào)，使界面上原子達到匹配。因此，共格界面周圍常伴隨有應(yīng)力、應(yīng)變。圖1.1 共格界面1.2

6、 半共格界面當(dāng)兩相界面上原子間距的相對差值即錯配度增大到一定程度時，便難以繼續(xù)維持完全共格，這樣就會在界面上產(chǎn)生一些刃型位錯，以補償原子間距差別過大的影響，使界面彈性應(yīng)變能降低。在這種界面上兩原子變成部分保持匹配（見圖1.2）。圖1.2 半共格界面1.3 非共格界面 當(dāng)兩相面處的原子排列差異很大，即錯配度很大時，其原子間的匹配關(guān)系便不再維持以上關(guān)系，這樣的成為廢共格界面（見圖1.3）。圖1.3 非共格界面3 晶粒界 晶界對多晶體的物理化學(xué)性能有重要影響。晶粒越細小，晶界在多晶體材料的物理化學(xué)性能上所起的作用越為重要。晶界的性質(zhì)取決于它的結(jié)構(gòu)，晶界的結(jié)構(gòu)首先取決于它鄰接的兩個晶粒的相對取向，而兩

7、個晶粒間的取向往往可以用兩晶粒通過某一軸u旋轉(zhuǎn)一個最小角度來描述。但即使是相對取向，晶界在兩個晶粒之間的位置不同，即晶界的空間取向不同，晶界的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)也不相同。所以，從幾何角度講，一個晶界必須由獲得相對取向的旋轉(zhuǎn)軸u的取向、最小旋轉(zhuǎn)角度的值和晶界在晶體中的位置來定義。另外，晶界的結(jié)構(gòu)還依賴原子水平的局部位移。同時，晶界結(jié)構(gòu)還受內(nèi)部的原子鍵合、成分和結(jié)構(gòu)缺陷等參數(shù)以及外部的溫度和壓力等變量的影響。 根據(jù)兩相鄰晶粒位向差的大小，而分為小角度晶界（<10°）和大角度晶界（>10°）。2.1 小角晶界 小角度晶界的結(jié)構(gòu)可以用位錯模型來解釋，即小角度晶界可以看作是由一系

8、列位錯所組成。小角度晶界又由三種簡單模型對稱傾側(cè)晶界、不對稱傾側(cè)晶界和扭轉(zhuǎn)晶界。2.1.1對稱傾側(cè)的小角度晶界 對稱傾側(cè)晶界相當(dāng)于兩部分晶體，沿著平行于界面的某一軸線，各自轉(zhuǎn)過方向相反的2而形成的。兩晶粒位向差為，如下圖1所示。此晶界相當(dāng)于兩個晶粒的對稱面，它只有一個自由度。對稱傾側(cè)晶界是由一系列平行等距的刃位錯垂直排列而組成，如下圖2所示。位錯間距D與柏氏矢量和位向差之間有如下關(guān)系： 位向差很小時 可以設(shè)想，當(dāng)位向差很大時，位錯間距離D很小，位錯密度很大4。圖2.1 對稱傾側(cè)的小角度晶界2.1.2不對稱傾側(cè)的小角度晶界 如果晶界面不是兩個晶粒的對稱面,而是和對稱面之間有一 個角度的任意面,如

9、圖3所示。此晶界和其中一個晶粒中的100之間的夾角為（+/2），而和另一個晶粒中的100之間夾角為（/2）。這種晶界有 2個自由度，即位向差和確定晶界相對于某一晶粒位向的角，這種晶界稱為不對稱的傾側(cè)晶界。圖2.2 不對稱傾側(cè)的小角度晶界2.1.3 扭轉(zhuǎn)晶界 假設(shè)一塊晶體，中間沿某一晶面切開，分成兩塊晶體，然后繞垂直 晶面的一中心軸旋轉(zhuǎn)一個角度，此時兩塊晶體之間形成的界面稱為扭轉(zhuǎn)晶界。這種晶界的自由度為1，即位向差。扭轉(zhuǎn)晶界是由兩組正交螺位錯所組成的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的。它和傾側(cè)晶界的區(qū)別在于轉(zhuǎn)軸不同，傾側(cè)晶界形成時，轉(zhuǎn)軸在晶界內(nèi)，而扭轉(zhuǎn)晶界的轉(zhuǎn)軸垂直于晶界。(a) (b)(c)圖2.3 扭轉(zhuǎn)晶界的形成過

10、程(a) 晶界切開成兩部分；(b)右半晶體繞y軸旋轉(zhuǎn)角；(c)旋轉(zhuǎn)后形成兩晶界的位錯網(wǎng)絡(luò)2.2 大角度晶界 大角度晶界中仍有周期性結(jié)構(gòu)，重合位置點陣模型相鄰晶粒點陣延伸互相穿插，兩晶粒位向轉(zhuǎn)動一特定角度后，兩晶粒的陣點有部分處于重合位置，由重合的陣點構(gòu)成重合位置點陣。圖2.4 二維正方點陣中重合位置點陣示意圖 由于大角度晶界的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，過去雖提出過一些模型，但均未能給出晶界結(jié)構(gòu)的清晰細節(jié)，也未能圓滿地解釋晶界的一些性質(zhì)。直至近些年來，根據(jù)場離子顯微鏡的觀察；表明大角度晶界也只是幾個Å的很窄的一個過渡區(qū)，其中由原子規(guī)則排列的“好區(qū)”與紊亂排列的“壞區(qū)”組成。有人提出了大角度晶界重合位置點陣模型，所謂重合位置點陣是將兩個晶粒的點陣，分別向空間延伸，使其相互穿插，則其中有些點陣會相互重合。這些重合位置的陣點構(gòu)成了一個新的空間點陣，它的晶胞一般是很大的，而這種大晶胞對說明晶界結(jié)構(gòu)不起什么作用。但如果這兩個相鄰晶