材料科学基础 第8章 材料的表面与界面

a
8.2 晶体中的界面结构
(3) 非共格界面
当两相在相界面处的原子排列相差很大时，即很大时，只能
形成非共格界面。
8.2 晶体中的界面结构 8.2.2界面能量 一、晶界能
由于晶界是一种缺陷，它的出现使体系的自由能增加，我们 定义形成单位面积的晶界而引起体系自由能增高称为晶界能。
晶界能与晶体本身的性质，晶界两侧的取向差以及晶界本身 的方位有关。另外，杂质和温度对晶界能也有影响。
材料科学基础
白晶 东南大学材料科学与工程学院 2010.5
材料的表面与界面
1 基础知识 2 晶体中的界面结构 3 晶体中界面的偏聚与迁移 4 界面与组织形貌 5 高聚物的表面与界面张力 6 复合体系的界面结合特性 7 材料的复合原理
实际晶体不同相或同一相的不同取向区域之间总是 存在分界面（面缺陷）。
8.2 晶体中的界面结构
三、相界 根据界面上的原子排列结构不同，可把固体中的相界分为
共格、半共格以及非共格三类。 （1）共格相界
8.2 晶体中的界面结构 有应变共格界面
8.2 晶体中的界面结构
（2）半共格相界
若aa和ab分别为无应力时的a和b的点阵常数，这两个点阵的
错配度定义为：
ab aa a
8.2 晶体中的界面结构
二、小角晶界 小角晶界： 两个晶粒的位相差在10°以下 典型－亚晶界 晶粒平均直径一般在微米量级，而亚晶粒的平
均直径则通常在纳米量级。 简单小角晶界： 倾转晶界－由刃型位错构成 扭转晶界－由螺型位错构成
8.2 晶体中的界面结构 （1）对称倾转晶界
8.2 晶体中的界面结构 对称倾转晶界可看成是由 一列平行的刃型位错所构成， 很明显，位错间距D与柏氏 矢量b之间的关系为：
晶界迁移率B与扩散系数D之间的关系为： B＝D/kT ≈B0 e(-Q/kT)
当界面保持平衡时，界面两侧压力差值为P，
则：
gldq＝Plrdq
所以：
P＝g/r
而对任意曲面，则有： 恒温时：
P＝g(1/r1+1/r2) dm＝VdP
则：
m1－m2＝VP
通过以上分析可见，晶界曲率是晶界迁移的驱动力，界面总
是向凹侧推进。
8.3 晶体中界面的偏聚与迁移
8.3.3影响界面迁移的因素 (1) 温度
Leabharlann Baidu
8.2 晶体中的界面结构
8.2.1 界面的类型与结构
晶界
相界
Mg-3Al-0.8Zn合金中的晶界
Pb-Sn合金中的相界
8.2 晶体中的界面结构
一、界面的自由度 晶界的性质取决于它的结构，而晶界的结构在很大程度上取
决于与其相邻的两个晶粒的相对取向和晶界相对于其中一个晶 体的相对位向。 从几何角度，晶界定义： （1）获得相对取向的旋转轴μ取向； （2）最小旋转角度θ值； （3）晶界（假设平面）在晶体中的位置。 从几何上描述一个晶界需要5个自由度。
的原子向其邻近晶粒的跳动实现的。
8.3 晶体中界面的偏聚与迁移
8.3.2 界面迁移驱动力 晶界迁移：晶界在其法线方向上的位移，是通过晶粒边缘上
的原子向其邻近晶粒的跳动实现的。
8.3 晶体中界面的偏聚与迁移
则指向曲率中心的分力为：2glsin(dq/2)
考虑q很小时，有：
2glsin(dq/2)＝gldq
8.2 晶体中的界面结构
对于小角晶界，可以用组成它的位错能量进行估算。 对于对称倾转晶界，设位错间距为D，取一个面积元，其面积 为D×1，仅含一根位错，而单位长度刃位错的能量为：
E
Gb2
4 (1
)
ln
R r0
EC
因此单位面积上的界面能为：
EB＝E/D＝Eq/|b|
8.2 晶体中的界面结构 二、相界能 相界能包括两部分：
原子离开平衡位置所引起的弹性畸变能（或应变能） 由于界面上原子间结合键数目和强度发生变化所引起的化学 交互作用能。 弹性畸变能大小取决于错配度的大小；而化学交互作用能取 决于界面上原子与周围原子的化学键结合状况。
共格相界：以应变能为主； 非共格相界：以化学能为主，而且总的界面能较高。 从相界能的角度来看，从共格至半共格到非共格依次递增。
按照界面两边状态可分为：
➢ 表面：分界面一侧为气体或真空的界面；
➢ 界面
晶界、亚晶界：多晶体材料内部成分、 结构相同而取向不同的晶粒（或亚 晶）之间的界面；
相界：指材料中不同相之间的界面。
尽管界面通常只有几个原子层厚，但由于其 特殊的结构和界面能量，使得它具有很多与 晶体内部不同的性质，从而对晶体的物理、 化学和力学等性能有重要影响。比如在腐蚀、 磨损、氧化、偏析、催化、微电子学、强度、 相变等方面。
可见，晶界上位错密度为： ρ = 1/D = θ/b（单位面积上的位错长度）。
8.2 晶体中的界面结构
当b=0.25nm θ=1°时，D=14.3nm； θ=10°时，D = 1.4nm ≈ 5b（5个原子间距）
一般说来，只有当θ < 5°时，位错才可分辨，此时D = 12b 。在θ = 10°时，5－6个原子间距就有一个位错。位错密度过 大，此时的晶界将全部是位错心，这种结构显然是不稳定的。 因此，θ大时，这个模型不适用。
常用夹角法测晶界能，把薄杆状的样品放在足够高的温度中 长时间退火，由于存在着晶界界面能，其中三个晶粒的晶界受 到表面张力的作用。
8.2 晶体中的界面结构
g 12 g 23 g 31 sinj3 sinj1 sinj2
其中：j1，j2，j3分别是晶界面1，2和3之间的两面角。 g1，g2，g3是晶粒1/2，晶粒2/3和晶粒1/3之间界面的晶界能。
8.3 晶体中界面的偏聚与迁移 8.3.1 晶界平衡偏析
CB
C0
exp(
G ) kT
可见，溶质原子在静态晶界中偏析的程度和它在溶剂中的溶 解度有关。
8.3 晶体中界面的偏聚与迁移
晶界硬化 不锈钢的敏化 晶界腐蚀 粉末烧结过程 回火脆性
8.3 晶体中界面的偏聚与迁移
8.3.2 界面迁移驱动力 晶界迁移：晶界在其法线方向上的位移，是通过晶粒边缘上
8.2 晶体中的界面结构 实验观察到的对称倾转晶界
8.2 晶体中的界面结构 （2）扭转晶界
8.2 晶体中的界面结构
8.2 晶体中的界面结构 二、大角度晶界
大角晶界：θ>10° 模型比较复杂，原子排列 不规则。
8.2 晶体中的界面结构 重合位置点阵示意图
8.2 晶体中的界面结构 体心立方晶体中重合位置点阵