第三章-晶體缺陷-表面與界面(課堂版三)

第三章-晶體缺陷-表面與界面(課堂版三).第一頁，共61頁。表面及界面界面包括：外表面（自由表面）和內(nèi)界面表面：固體與氣體或液體的分界面表面與材料的摩擦、磨損、氧化、腐蝕、偏析、催化、吸附以及光學、微電子學等有密切關(guān)系。內(nèi)界面：晶粒邊界、晶內(nèi)的亞晶界、孿晶界、層錯、相界面等。界面：幾個原子層厚，原子排列于成分不同于內(nèi)部，對材料的物理、化學、力學特性產(chǎn)生重要的影響第一頁第二頁，共61頁。表面：晶體自由表面上的原子，由于其周圍環(huán)境與晶體內(nèi)部不同，致使約有幾個原子層處于較高的能量狀態(tài)，該表層結(jié)構(gòu)稱為表面。為降低表面能，晶體表面往往為低指數(shù)的密排晶面，由此導致晶體外形發(fā)生規(guī)則化。常見金屬的平均比表面能變化范圍在1.1J/m2至5J/m2之間。表面能的作用產(chǎn)生表面吸附現(xiàn)象第二頁第三頁，共61頁。外表面的特點周期性的排列被破壞－相鄰原子比晶內(nèi)少由于成分偏析和表面吸附，表面成分與晶內(nèi)不一致表面原子的鍵合與晶內(nèi)不同，偏離正常的平衡位置，表面層原子點陣畸變厚度一般幾個原子層最外層原子有一半原子健懸空，能量高，表面活性高第三頁第四頁，共61頁。表面能：定義為形成單位面積的新表面所需做的功**晶體中的表面張力是各向異性的**原子密度最大的面具有最低的g值→晶體表面一般為原子密度最大的面**表面能與曲率有關(guān)：曲率越大，表面能越大第四頁第五頁，共61頁。晶界亞晶界晶界：取向不同的晶粒之間的界面（內(nèi)界面）亞晶界：晶粒有時又由若干個稍有差異的亞晶粒組成，相鄰亞晶粒間的界面稱為亞晶界。（晶粒的平均直徑0.015-0.25mm，亞晶粒則為0.001mm數(shù)量級）晶界具有5個自由度：兩晶粒的位相差（3），界面的取向（2）第五頁第六頁，共61頁。二維點陣中晶界的幾何關(guān)系可用兩個晶粒的位相差和晶界相對于點陣某一平面的夾角來確定三維點陣的晶界幾何關(guān)系應由5個自由度來確定：兩晶粒的位相差（3），界面的取向（2）第六頁第七頁，共61頁。小角度晶界

對稱傾斜晶界不對稱傾斜晶界扭轉(zhuǎn)晶界根據(jù)相鄰晶粒之間的位相差的大小將晶界分為兩類：

①小角度晶界－－相鄰晶粒的位相差小于10°的晶界；亞晶界均屬于該類型②大角度晶界－－相鄰晶粒的位相差大于10°的晶界；多晶體中的晶界小角度晶界一般分為：第七頁第八頁，共61頁。對稱傾斜晶界：可以看成由一列平行的刃型位錯構(gòu)成位錯間距D和柏氏矢量b之間關(guān)系：第八頁第九頁，共61頁。第九頁第十頁，共61頁。不對稱傾斜晶界如果對稱傾斜晶界的界面繞某一軸旋轉(zhuǎn)一角度，雖然兩晶粒的位相差仍然是，但此時兩晶粒不再對稱，稱為不對稱傾斜晶界。不對稱傾斜晶界有兩個自由度和。其結(jié)構(gòu)可以看成由兩組柏氏矢量相互垂直的刃型位錯交錯排列構(gòu)成，兩組位錯各自間距分別為：第十頁第十一頁，共61頁。扭轉(zhuǎn)

晶界扭轉(zhuǎn)晶界可以看成兩部分晶體繞某一軸在一個共同平面上相對扭轉(zhuǎn)一個角構(gòu)成的，扭轉(zhuǎn)軸垂直于這一共同晶面。也可以看成由相互交叉的螺位錯組成。第十一頁第十二頁，共61頁。純扭轉(zhuǎn)晶界和傾斜晶界的不同在于：傾斜晶界形成時，轉(zhuǎn)軸在晶界內(nèi)；扭轉(zhuǎn)晶界的轉(zhuǎn)軸則垂直于晶界。一般小角度晶界都可看成兩部分晶體繞某一軸旋轉(zhuǎn)一角度而形成，不過該轉(zhuǎn)軸即不平行也不垂直晶界，故可看成一系列刃位錯，螺位錯或混合位錯的網(wǎng)絡(luò)組成。對稱傾斜晶界和扭轉(zhuǎn)晶界則屬于特殊情況。第十二頁第十三頁，共61頁。多晶體材料各晶粒之間的晶界通常是大角度晶界大角度晶界結(jié)構(gòu)復雜，原子排列不規(guī)則

晶界可看成是好區(qū)與壞區(qū)交替相間組合而成的。

一般大角度晶界的寬度一般不超過三個原子間距。大角度晶界

High-anglegrainboundary

第十三頁第十四頁，共61頁。*相鄰晶粒在交界處的形狀不是光滑的曲面，而是由不規(guī)則臺階組成的，A,B,C,D特征區(qū)域重合位置點陣模型**晶界能較低**特殊位向壓縮區(qū)擴張區(qū)雙屬區(qū)零屬區(qū)第十四頁第十五頁，共61頁。大角度晶界大角度晶界能一般不隨相鄰晶粒的位向差而變化，對特定的晶體是基本恒定的。但在某些特殊的位向差角度時，會出現(xiàn)晶界能的顯著減小。該問題可用重合位置點陣模型來分析解釋。轉(zhuǎn)軸<100><110><110><111><111>轉(zhuǎn)角，o36.970.538.960.038.2重合位置密度1/51/31/91/31/7立方晶系中的重要重合位置點陣

第十五頁第十六頁，共61頁。晶界能晶界能：形成單位面積晶面時，系統(tǒng)Helmholtz自由能的變化，即dg/dA。它等于接口區(qū)單位面積的能量減去無界面時該區(qū)單位面積的能量。也可看成由于晶界上點陣畸變增加的那部分額外自由能。在純金屬中在合金中晶界面積A改變而引起的晶粒內(nèi)i組元原子數(shù)的改變假定晶界面積A改變不引起的晶粒內(nèi)i組元原子數(shù)的改變第十六頁第十七頁，共61頁。小角度晶界的界面能

單位長度刃型位錯的能量：

而令則，A=故小角度晶界g是相鄰兩晶粒之間位相差q的函數(shù)第十七頁第十八頁，共61頁。晶界的界面能的測量晶界能可通過測定界面交角求出其相對值：三個晶粒相遇，在達到平衡時，在o點處接口張力必須達到力學平衡故測得在平衡狀態(tài)下，三叉晶界的各面角均趨于最穩(wěn)定的120°。第十八頁第十九頁，共61頁。晶界偏聚——內(nèi)吸附（熱力學平衡的偏聚）特點：1）溶質(zhì)濃度不變時，一定的T對應一定平衡晶界偏聚量2）T↑偏聚量↓，△E：溶質(zhì)原子在晶界上的能量差,C：晶界濃度C0：晶內(nèi)濃度3）晶界平衡偏聚量可以很顯著4）晶界偏聚區(qū)的范圍約為4-幾百埃5）在某種情況下可產(chǎn)生晶界上溶質(zhì)原子的貧化—負吸附6）產(chǎn)生晶界偏聚的原因，有一種解釋：固溶體中溶質(zhì)原子和溶劑原子的尺寸不同，晶界偏聚可使系統(tǒng)能量降低晶界的平衡偏聚

第十九頁第二十頁，共61頁。晶界特性

1）晶界處點陣畸變大，存在晶界能，故晶粒長大和晶界平直化是一個自發(fā)過程2）晶界處原子排列不規(guī)則→阻礙塑性變形→Hb，sb↑（細晶強化）3）晶界處存在較多缺陷（位錯、空位等）→有利原子擴散4）晶界能量高→固態(tài)相變先發(fā)生，d↓形核率↑5）晶界能高→晶界腐蝕速度↑第二十頁第二十一頁，共61頁。亞晶界（Sub-grainboundary）事實上每個晶粒中還可分成若干個更為細小的亞晶粒（0.001mm），亞晶粒之間存在著小的位相差，相鄰亞晶粒之間的界面成為亞晶界。亞晶粒更接近于理想的單晶體。位相差一般小于2o，屬于小角度晶界，具有晶界的一般特征。第二十一頁第二十二頁，共61頁。孿晶界Twinboundary

孿晶——指兩個晶體（或一個晶體的兩部分）沿一個公共晶面構(gòu)成對稱的位相關(guān)系，這兩個晶體就稱為孿晶，這個公共的晶面即成為孿晶面共格孿晶界：即孿晶面，其上的原子同時位于兩側(cè)晶體點陣的節(jié)點上，為兩者共有。無畸變的完全共格界面，界面能（約為普通晶界能1/10）很低很穩(wěn)定非共格孿晶界：孿晶界相對于孿晶面旋轉(zhuǎn)一角度，其上的原子只有部分為兩者共有，原子錯排校嚴重，孿晶能量相對較高，約為普通晶界的1/2孿晶界第二十二頁第二十三頁，共61頁。孿晶的形成孿晶的形成與堆垛層錯密度相關(guān)，如fcc的{111}面發(fā)生堆垛層錯時為ABCACBACBA△△△△△△△→△△△▽▽▽▽▽

CAC處為堆垛層錯一般層錯能高的晶體不易產(chǎn)生孿晶形變孿晶：連續(xù)的(1/6)<112>類型的滑移生長孿晶退火孿晶孿晶的形成第二十三頁第二十四頁，共61頁。相界PhaseBoundary相鄰晶體的晶體結(jié)構(gòu)不同時，其界面稱為相界面。復相界面相鄰晶體的化學成分基本相同但具有不同的晶體結(jié)構(gòu)時所形成的相界面被稱為復相界面。

界面位向差大，界面原子排列混亂，界面能高。第二相界面材料中形成的第二相與基體相之間不僅晶體結(jié)構(gòu)不同，同時其化學成分也具有明顯差異甚至完全不同，所形成的相界面相界界面能取決于界面兩側(cè)晶體的位向差以及化學鍵變化。變化范圍在0.01J/m2到1.5J/m2。

第二十四頁第二十五頁，共61頁。共格、半共格及非共格界面非共格界面

大角度晶界、大顆粒第二相與基體的相界面、表面等均屬于非共格界面。界面能穩(wěn)定、各向異性、界面能較高。界面一般為3~4個原子厚度。界面結(jié)合能較低。部分接合界面將趨于平直而成為平面。完全接合界面將趨于變?yōu)榍蛐位蛄⒎襟w。第二十五頁第二十六頁，共61頁。共格界面：界面上的原子同時位于兩相晶格的節(jié)點上，彈性畸變完全共格界面：相互接合的兩晶體結(jié)構(gòu)相同且點陣常數(shù)相差甚微時，配合界面上的原子位置可同時屬于兩晶體的原子規(guī)則排列位置，使界面能顯著降低，兩晶體間的界面被稱為完全共格界面。第二十六頁第二十七頁，共61頁。完全共格界面配合模型被完全包圍的第二相和基體的共格配合關(guān)系第二十七頁第二十八頁，共61頁。半共格界面相互接合的兩晶體以確定的位向關(guān)系配合，垂直于界面的晶面間距存在一定的差別且這種差別不能通過共格晶格畸變來完全容納時，兩晶體間的界面被稱為半共格界面。半共格界面的最顯著的特征是至少在一個配合方向上存在錯配位錯列。相互接合的兩晶體晶體結(jié)構(gòu)相同時，存在平行位向關(guān)系，比界面能各向同性。相互接合的兩晶體晶體結(jié)構(gòu)不相同時，不同位向的錯配度不同，比界面能具有各向異性。

半共格界面的比界面能比共格界面大然而比非共格界面小，半共格界面為低指數(shù)密排面或較密排面。第二十八頁第二十九頁，共61頁。半共格界面配合模型c半共格配合關(guān)系第二十九頁第三十頁，共61頁。半共格相界：兩相結(jié)構(gòu)相近而原子間距相差較大時，部分保持匹配錯配度：位錯間距：和分別表示相界面兩側(cè)的相和相的點陣常數(shù)當很小時，D很大，兩相趨于共格關(guān)系，稱為共格界面當很大時，D很小，此時

半共格相界上位錯間距取決于相界處兩相匹配晶面的錯配度。相和相在相界面上完全失配，稱為非共格界面第三十頁第三十一頁，共61頁。彈性應變能：共格時以應變能為主化學交互作用能：非共格時的化學能為主相界能非共格相界兩相在界面處的原子排列相差很大，大角度晶界、大顆粒第二相與基體的相界面、表面等均屬于非共格界面。被完全包圍的第二相和基體的非共格配合關(guān)系第三十一頁第三十二頁，共61頁。第三章習題1、純金屬晶體中的主要點缺陷類型有哪幾種？這些點缺陷對金屬的結(jié)構(gòu)和性能有哪些影響？2、試說明滑移、攀移及交滑移的條件、過程和結(jié)果，并闡述如何確定位錯滑移運動的方向。3、若面心立方晶體中有b=的單位位錯以及b=的不全位錯，此兩位錯相遇產(chǎn)生位錯反應。（1）此反應能否進行？為什么？（2）寫出合成位錯的柏氏矢量，并說明合成位錯的性質(zhì)。4、若將一位錯線的正方向定義為原來的反方向，位錯的柏氏矢量是否改變？位錯的類型性質(zhì)是否變化？一個位錯環(huán)上各點位錯類型是否相同？5.證明位錯線不能終止在晶體內(nèi)部。第三十二頁第三十三頁，共61頁。6、已知面心立方晶體中（111）面上有一柏氏矢量為b=的單位位錯，它分解為兩個肖克萊不全位錯，設(shè)晶體的切變模量G=7X1010Nm-2,點陣常數(shù)=3X10-10m，層錯能=1X10-2Jm-2,泊松比。（1寫出此兩個肖克萊不全位錯的柏氏矢量。（2）若該單位位錯為純?nèi)行臀诲e，試計算分解后兩個肖克萊不全位錯之間的平衡距離。（3）若該單位位錯為純螺型位錯，試計算分解后兩個肖克萊不全位錯之間的平衡距離。7、寫出位錯反應a[0-11]/2+a[2-11]/2的反應結(jié)果，這個反應能否進行？形成的位錯能不能滑動？為什么？第三十三頁第三十四頁，共61頁。第三十四頁第三十五頁，共61頁。第三十五頁第三十六頁，共61頁。第三十六頁第三十七頁，共61頁。第三十七頁第三十八頁，共61頁。第三十八頁第三十九頁，共61頁。第三十九頁第四十頁，共61頁。第四十頁第四十一頁，共61頁。第四十一頁第四十二頁，共61頁。第四十二頁第四十三頁，共61頁。第四十三頁第四十四頁，共61頁。第四十四頁第四十五頁，共61頁。第四十五頁