《材料科學(xué)基礎(chǔ)》課件-第七章第三節(jié)第四節(jié)第五節(jié)第六節(jié)第七節(jié)

第三節(jié)晶界的能量一、小角度晶界的能量界面能就是晶界上所有位錯(cuò)的總能量。單位長度的刃型位錯(cuò)能量為：剪切模量柏氏矢量泊松比位錯(cuò)間距位錯(cuò)中心能量同號刃型位錯(cuò)間，在滑移矢量方向上不存在交互作用力，位錯(cuò)上方存在壓應(yīng)力，下方存在拉應(yīng)力，晶界存在交替的壓縮和拉伸區(qū)域，使應(yīng)力趨于互相抵消。小角度晶界的能量在半徑為D的圓周以外，位錯(cuò)應(yīng)力場實(shí)際上彼此抵消，所以取位錯(cuò)應(yīng)力場的極限距離為D。則單位晶界面積的能量為：小角度晶界的能量二、大角度晶界的能量1、任意大角度晶界原子匹配差，結(jié)構(gòu)松散，鍵被割斷或嚴(yán)重歪扭，具有較高能量，基本上不隨位向差而改變。大角度晶界的能量大角度晶界的能量a大多數(shù)大角度晶界能相同，b有能量特低的特殊大角度晶界。大角度晶界的能量2、特殊大角度晶界（1）共格孿晶界具有孿晶關(guān)系的晶體間的對稱傾轉(zhuǎn)晶界。能量非常低。大角度晶界的能量非共格晶界：界面能高，所以，孿晶界能量對晶界面的取向非常敏感。大角度晶界的能量（2）其他特殊大角度晶界具有高密度重合位置的重位晶界將具有較低的晶界能。如右圖Σ=5和Σ=7第四節(jié)晶界平衡偏析晶界偏析：溶質(zhì)原子在晶界處的濃度偏離平均濃度的現(xiàn)象，或稱晶界偏聚。晶界結(jié)構(gòu)比晶內(nèi)松散，溶質(zhì)原子處在晶內(nèi)能量比處在晶界的高，所以有自發(fā)向晶界偏聚的趨勢而發(fā)生晶界偏析，是一種平衡偏析。偏析的驅(qū)動(dòng)力：△Ea=E1-Eg晶內(nèi)內(nèi)能晶界內(nèi)能晶界平衡偏析阻力：晶格內(nèi)的位置數(shù)（N）遠(yuǎn)大于晶界區(qū)的位置數(shù)（n），從組態(tài)熵（或結(jié)構(gòu)熵）考慮，溶質(zhì)原子趨向于混亂分布，停留在晶格，成為偏析的阻力。偏析的近似公式：C=C0exp(△E/RT)晶界處溶質(zhì)的濃度晶格內(nèi)溶質(zhì)的濃度晶內(nèi)、晶界摩爾內(nèi)能差晶界平衡偏析偏聚范圍窄，相當(dāng)于晶界寬度，偏聚量顯著，可高10~10000倍。影響晶界偏析因素：1、晶內(nèi)溶質(zhì)濃度（C0）2、溫度：△E為正，升高溫度使C下降，溫度過低擴(kuò)散慢，限制晶界偏析，達(dá)不到較高的平衡C值。C=C0exp(△E/RT)晶界平衡偏析3、畸變能差（△E）和溶質(zhì)原子的固溶度（Cm）

Cm愈小，即溶質(zhì)處于晶內(nèi)愈困難，畸變能差愈大，C將會愈大。晶界平衡偏析4、溶質(zhì)元素引起的界面能變化吉布斯曾指出，凡能降低表面能的元素，將會富集在晶體界面上產(chǎn)生晶界吸附或偏聚。據(jù)熱力學(xué)原理導(dǎo)出二元系恒溫吸附方程。為正吸附，如Ni、B和C對于Fe，反之為反內(nèi)吸附，如Al對Fe。溶質(zhì)原子在晶體中的平衡體積濃度比表面能單位表面積吸附i組元的量晶界平衡偏析晶界偏析對材料性能的影響：硼吸附在鋼的奧氏體晶界，阻礙鐵素體形核，提高淬透性。磷在鎢的晶界偏析偏聚會導(dǎo)致晶界脆斷，鉬也會因硫和氮在晶界的偏聚而產(chǎn)生晶界脆斷。鋼在高溫回火時(shí)，其中的Mn、Cr和Ni對As、Sb、Sn、Te、P等的親和力較大，而吸引這些雜質(zhì)偏聚到晶界，引起回火脆性，若加入鉬可大大減弱回火脆性，因鉬延緩雜質(zhì)擴(kuò)散。第五節(jié)晶界遷移在一定驅(qū)動(dòng)力下，晶界右遷移，晶界遷移在晶粒長大特別是在冷加工金屬材料的退火過程中有重要作用。相變過程中新相的長大實(shí)質(zhì)是界面遷移的過程，界面遷移速度決定新相長大速度。難測晶界的稟性遷移率，因原子過程快、在遠(yuǎn)離平衡下進(jìn)行和雜質(zhì)對其影響大。晶界遷移一、晶界遷移速度晶界遷移：相鄰晶粒原子跨越界面運(yùn)動(dòng)結(jié)果。跨越晶界的原子遷移率晶界兩側(cè)的化學(xué)位差晶界厚度晶界遷移二、界面遷移驅(qū)動(dòng)力（化學(xué)位差）1、變形儲藏能冷變形的晶體，不同晶粒和各晶粒的不同部分變形程度是不同的，相應(yīng)缺陷密度不同，所以各部分吉布斯自由能有差別。右圖晶粒Ⅰ無畸變則晶粒Ⅱ的每摩爾儲藏能晶界遷移2、界面曲率根據(jù)力學(xué)平衡得:dθ很小時(shí):任意曲面:晶界遷移球形曲面:據(jù)熱力學(xué)，等溫下跨越界面積分得：對于球狀晶界：摩爾體積r愈小化學(xué)位愈高，所以晶界總是使晶界向晶界的曲率中心移動(dòng)，這種移動(dòng)的結(jié)果使小晶粒變得更小，而大晶粒變得更大。晶界遷移三、影響晶界遷移率的主要因素1、溶質(zhì)原子使晶界遷移率下降，是由于晶界偏析引起的，大角晶界比特殊大角晶界偏析顯著。晶界遷移2、第二相顆粒降低界面遷移速度。晶界遷移晶界驅(qū)動(dòng)力：粒子引起的阻力：驅(qū)動(dòng)力與阻力相等時(shí)，晶粒存在一個(gè)穩(wěn)定尺寸：粒子的體積分?jǐn)?shù)粒子的半徑當(dāng)加熱溫度過高，第二相粒子全部溶入基體，粒子阻礙作用不存在。晶界遷移3、溫度溫度升高，晶界遷移率明顯提高，因原子在晶界的擴(kuò)散速度增加。4、晶界兩側(cè)晶粒位向位向影響晶界結(jié)構(gòu)，大角度晶界遷移率大于小角度晶界。第六節(jié)相界面不同相間的界面。一、共格界面界面原子同時(shí)處于兩相點(diǎn)陣的結(jié)點(diǎn)上。兩晶體密排面相鄰且密排方向平行。相界面相界面界面能中的化學(xué)分量：原子另一側(cè)部分地和“錯(cuò)誤”的近鄰健合共格畸變或共格應(yīng)變相界面二、半共格界面兩點(diǎn)陣的錯(cuò)配度：δ很小時(shí)，形成共格界面，（0.05≤δ≤0.25）或較大面積，形成半共格界面。相界面三、非共格晶界兩相原子排列差異很大或δ≥0.25，形成非共格晶界。兩相原子在界面上沒有任何匹配關(guān)系。任意取向沿任意面結(jié)合的晶體。界面能高，且對界面取向不敏感。相界面四、復(fù)雜半共格界面在點(diǎn)陣匹配不好的相間，引入錯(cuò)配位和單原子結(jié)構(gòu)臺階后，所形成的半共格界面。第七節(jié)界面能與顯微組織形貌

界面結(jié)構(gòu)和界面能決定了多晶體和多相材料中的組織形貌。組織的平衡形貌必須滿足界面能最低的熱力學(xué)條件。據(jù)此平衡狀態(tài)下單相合金應(yīng)當(dāng)是單晶體；而兩相合金應(yīng)只有一個(gè)界面。但事實(shí)上實(shí)際材料存在著大量的界面。因界面可通過自身的調(diào)整，在晶界或相界處產(chǎn)生亞穩(wěn)平衡。界面能與顯微組織形貌一、單相多晶體中的晶粒形狀每個(gè)晶粒都是由界面圍成的多面體。一般規(guī)律：平衡時(shí)，兩個(gè)晶粒遇于1個(gè)面（晶面），3個(gè)晶面遇于1條線（晶棱），4個(gè)晶粒遇于一點(diǎn)（晶粒角隅）。即1個(gè)晶面由2個(gè)晶粒共有，1個(gè)晶棱由3個(gè)晶粒及3個(gè)晶面共有，1個(gè)晶粒角隅由4個(gè)晶粒、4個(gè)棱、6個(gè)晶面共有。界面能與顯微組織形貌歐拉方程：拓?fù)潢P(guān)系N0-N1+N2-N3=1據(jù)共享關(guān)系：N0=2N16N0=N2角隅數(shù)晶棱數(shù)晶面數(shù)晶粒數(shù)每個(gè)晶面所含角隅平均數(shù)界面能與顯微組織形貌單位長度晶棱，晶界的能量界面能與顯微組織形貌由上兩式導(dǎo)出下列基本方程這是晶界平衡時(shí)所必需滿足的熱力學(xué)條件，帶有的項(xiàng)稱為扭矩項(xiàng)，界面能與顯微組織形貌界面能與顯微組織形貌

單相多晶體：平衡時(shí)，在金相磨面的晶界應(yīng)交成3叉結(jié)點(diǎn)，線與線間夾角接近120°。大晶粒邊數(shù)多，小晶粒邊數(shù)少，曲率中心在小晶粒一側(cè)。界面向小晶粒一側(cè)移動(dòng)，最后大晶粒把小晶粒吞并。界面能與顯微組織形貌界面能與顯微組織形貌單相多晶體平衡時(shí)：在4個(gè)晶棱相交的角隅上兩兩晶棱間的交角應(yīng)是109.5°。沒有一種規(guī)則的多面體可以充滿空間并且它們的棱之間符合平衡條件，滿足這些要求最接近的是規(guī)則十四面體，雖可充滿空間，但棱間不具有完全正確的角度。為了滿足此要求它的面和棱都必須有一些彎曲，如圖（b）和（c），它常作為單相多晶體的完整晶粒形狀模型。界面能與顯微組織形貌界面能與顯微組織形貌二、復(fù)相組織中的第二相第二相在基體中可能存在的位置主要有4種：晶粒內(nèi)部、晶界、晶棱和晶角。1、在晶粒內(nèi)部如從過飽和固溶體的晶粒內(nèi)析出第二相。界面能與顯微組織形貌平衡條件：表面能，有形成等軸析出物趨勢彈性應(yīng)變能，薄片狀界面能與顯微組織形貌

當(dāng)固溶體中各組元的原子直徑之差≤3%。由表面能最小趨勢決定，析出物形狀接近球狀；若≥5%時(shí)，決定因素是彈性應(yīng)變能，析出物形狀為薄片狀（常呈盤狀），共格析出物有時(shí)呈針狀，其彈性應(yīng)變能高于盤狀而低于等軸。非共格析出物形成時(shí)，切應(yīng)力是不存在，沒有共格應(yīng)變，正應(yīng)力常出現(xiàn)。界面能與顯微組織形貌

若一個(gè)非共格析出物的平衡形狀是橢球，則作用相反的界面能和應(yīng)變能之間的平衡決定了橢球的c/a值，當(dāng)體積錯(cuò)配度小時(shí)，界面能起主要作用，析出物將近似為球狀。界面能與顯微組織形貌2、在晶界上界面能與顯微組織形貌界面能與顯微組織形貌例如，由于Bi與Cu間的界面張力