材料科學(xué)基礎(chǔ)材料的表面與界面

材料科學(xué)基礎(chǔ)材料的表面與界面第1頁/共37頁材料的表面與界面123界面與組織形貌4復(fù)合體系的界面結(jié)合特性6高聚物的表面與界面張力5材料的復(fù)合原理7基礎(chǔ)知識晶體中的界面結(jié)構(gòu)晶體中界面的偏聚與遷移第2頁/共37頁實際晶體不同相或同一相的不同取向區(qū)域之間總是存在分界面（面缺陷）。

按照界面兩邊狀態(tài)可分為：表面：分界面一側(cè)為氣體或真空的界面；界面

晶界、亞晶界：多晶體材料內(nèi)部成分、結(jié)構(gòu)相同而取向不同的晶粒（或亞晶）之間的界面；相界：指材料中不同相之間的界面。第3頁/共37頁8.2晶體中的界面結(jié)構(gòu)8.2.1界面的類型與結(jié)構(gòu)Mg-3Al-0.8Zn合金中的晶界晶界

相界Pb-Sn合金中的相界第4頁/共37頁8.2晶體中的界面結(jié)構(gòu)

第5頁/共37頁8.2晶體中的界面結(jié)構(gòu)2、小角晶界 兩個晶粒的位相差在10°以下。典型－亞晶界晶粒平均直徑一般在μm量級，而亞晶粒的平均直徑則通常在nm量級。簡單小角晶界模型：傾轉(zhuǎn)晶界－由刃型位錯構(gòu)成扭轉(zhuǎn)晶界－由螺型位錯構(gòu)成第6頁/共37頁8.2晶體中的界面結(jié)構(gòu)（1）對稱傾轉(zhuǎn)晶界第7頁/共37頁8.2晶體中的界面結(jié)構(gòu)實驗觀察到的對稱傾轉(zhuǎn)晶界第8頁/共37頁8.2晶體中的界面結(jié)構(gòu)

小角對稱傾轉(zhuǎn)晶界位錯模型第9頁/共37頁8.2晶體中的界面結(jié)構(gòu)當(dāng)b=0.25nm

θ=1°時，D=14.3nm；

θ=10°時，D=1.4nm≈5b（5個原子間距）

一般說來，只有當(dāng)θ<5°時，位錯才可分辨，此時D=12b。在θ=10°時，5－6個原子間距就有一個位錯，位錯密度過大，晶界將全部是位錯心，結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定。

因此，θ大時，這個模型不適用。第10頁/共37頁8.2晶體中的界面結(jié)構(gòu)（2）扭轉(zhuǎn)晶界第11頁/共37頁8.2晶體中的界面結(jié)構(gòu)小角扭轉(zhuǎn)晶界位錯模型

第12頁/共37頁8.2晶體中的界面結(jié)構(gòu)2、大角度晶界大角晶界：θ>10°原子排列不規(guī)則，不能用位錯模型描述。島嶼模型第13頁/共37頁8.2晶體中的界面結(jié)構(gòu)重合位置點陣模型（了解）體心立方晶體中重合位置點陣第14頁/共37頁8.2晶體中的界面結(jié)構(gòu)二、相界根據(jù)界面上的原子排列結(jié)構(gòu)不同，相界分為共格、半共格以及非共格三類。（1）共格相界第15頁/共37頁8.2晶體中的界面結(jié)構(gòu)有應(yīng)變共格界面第16頁/共37頁8.2晶體中的界面結(jié)構(gòu)（2）半共格相界若aa和ab分別為無應(yīng)力時的a和b的點陣常數(shù)，這兩個點陣的錯配度定義為：

第17頁/共37頁8.2晶體中的界面結(jié)構(gòu)(3)非共格界面當(dāng)兩相在相界面處的原子排列相差很大時，即d很大時，只能形成非共格界面。第18頁/共37頁8.2晶體中的界面結(jié)構(gòu)8.2.2界面能量一、晶界能

晶界是一種面缺陷，使體系的自由能增加，定義形成單位面積的晶界而引起體系自由能的增高為晶界能。

每個晶粒有減小晶界面積的趨勢。

保溫時間足夠長，晶界通過轉(zhuǎn)動方位，達到平衡時：第19頁/共37頁8.2晶體中的界面結(jié)構(gòu)

對于小角晶界，可以用組成它的位錯能量進行估算。對稱傾轉(zhuǎn)晶界，設(shè)位錯間距為D，取一個面積元，其面積為D×1，僅含一根位錯，而單位長度刃位錯的能量為：單位面積上的界面能為：EB＝E/D＝Eq/|b|第20頁/共37頁8.2晶體中的界面結(jié)構(gòu)二、相界能彈性畸變能（應(yīng)變能）：原子離開平衡位置所引起；大小取決于錯配度?；瘜W(xué)交互作用能：

界面上原子間結(jié)合鍵數(shù)目和強度發(fā)生變化所引起；大小取決于界面原子與周圍原子的化學(xué)鍵結(jié)合狀況。共格相界：以應(yīng)變能為主；非共格相界：以化學(xué)能為主。通常，共格—半共格—非共格相界能依次遞增。第21頁/共37頁8.3晶體中界面的偏聚與遷移8.3.1晶界平衡偏析

第22頁/共37頁8.3晶體中界面的偏聚與遷移晶界硬化不銹鋼的敏化晶界腐蝕粉末燒結(jié)過程回火脆性溶質(zhì)原子在靜態(tài)晶界中偏析的程度和它在溶劑中的溶解度有關(guān)。

第23頁/共37頁8.3晶體中界面的偏聚與遷移8.3.2

界面遷移驅(qū)動力晶界遷移：晶界在其法線方向上的位移，是通過晶粒邊緣上的原子向其鄰近晶粒的跳動實現(xiàn)的。晶界曲率是晶界遷移的驅(qū)動力，界面總是向凹側(cè)推進；晶界處于平直狀態(tài)時，晶界遷移會停止。第24頁/共37頁8.3晶體中界面的偏聚與遷移8.3.3影響界面遷移的因素

（1）溫度

晶界遷移率B與擴散系數(shù)D之間的關(guān)系為：

B＝D/kT≈B0e(-Q/kT)

（2）溶質(zhì)或雜質(zhì)原子

少量溶質(zhì)或雜質(zhì)原子就會對晶界遷移率產(chǎn)生顯著的影響。第25頁/共37頁8.3晶體中界面的偏聚與遷移錫對鉛晶界遷移速度的影響第26頁/共37頁8.3晶體中界面的偏聚與遷移(3)

第二相顆粒

第二相顆粒往往對晶界遷移起阻礙作用。晶界遷移方向晶界

r

第27頁/共37頁112r

取單位晶界面積兩側(cè)厚度均為r的正方體，所有中心位于該體積內(nèi)半徑為r的顆粒都將與該晶界交截。第28頁/共37頁8.4.1單相組織形貌由于界面能作用，一般規(guī)律是：平衡時，兩個晶粒相遇于1個面（晶面）；3個晶粒相遇于1條線（晶棱）；4個晶粒相遇于1點（晶粒角隅）。晶粒1晶粒2晶粒3晶粒4第29頁/共37頁

第30頁/共37頁8.4

界面與組織形貌第31頁/共37頁8.4

界面與組織形貌8.4.2復(fù)相組織形貌晶粒內(nèi)部的第二相

可能呈薄片狀（盤狀）、針狀、塊狀、球狀等不同形貌，主要取決于與基體之間的界面能，包括：表面能彈性應(yīng)變能某種可能的共格、半共格、非共格界面結(jié)構(gòu)示意圖第32頁/共37頁8.4

界面與組織形貌8.4.2復(fù)相組織形貌晶