ch材料表面與界面實(shí)用

會(huì)計(jì)學(xué)1ch材料表面與界面實(shí)用2最常見的材料表界面類型（按形成途徑劃分）機(jī)械作用界面化學(xué)作用界面固體結(jié)合界面液相或氣相沉積界面凝固共生界面粉末冶金界面黏結(jié)界面熔焊界面第1頁/共23頁38.1.1物質(zhì)表面

固體表面的定義：晶體三維周期結(jié)構(gòu)和真空之間的過渡區(qū)域。理想表面清潔表面吸附表面

理想表面:表面結(jié)構(gòu)不變地延續(xù)到表面后中斷，是理論

上結(jié)構(gòu)完整的二維點(diǎn)陣平面，忽略了熱運(yùn)動(dòng)熱擴(kuò)散和熱

缺陷及表面的物理化學(xué)現(xiàn)象等。

d理想表面結(jié)構(gòu)第2頁/共23頁4清潔表面：是指不存在任何吸附、催化反應(yīng)、雜質(zhì)擴(kuò)散等物理化學(xué)效應(yīng)的表面,沒有表面污染的實(shí)際表面臺(tái)階表面弛豫表面結(jié)構(gòu)重構(gòu)表面[112][111][110](001)周期臺(tái)階表面臺(tái)階表面不是一個(gè)平面，它是由有規(guī)則的或不規(guī)則的臺(tái)階的表面所組成第3頁/共23頁5弛豫表面結(jié)構(gòu)dd0（2）弛豫表面表面層之間以及表面和體內(nèi)原子層之間的垂直距離和體內(nèi)原子層間距相比有所膨脹和壓縮現(xiàn)象第4頁/共23頁6（3）重構(gòu)表面：表面原子層在水平方向上的周期性（晶格基矢as）不同于體內(nèi)晶格基矢a，但垂直方向上的層間距離與內(nèi)部層間距離相同密排六方重構(gòu)表面示意圖asa第5頁/共23頁7吸附表面：在實(shí)際存在的表面，普遍存在吸附物質(zhì)。吸附物質(zhì)：表面環(huán)境中的氣相分子、原子及其化合物，來自體內(nèi)擴(kuò)散出來的元素物質(zhì)。吸附形式：可以被簡單吸附在晶體表面可以外延生長在晶體表面構(gòu)成新的表面層進(jìn)入表面層一定深度同表面原子形成有序的表面合金。第6頁/共23頁88.1.2固體的表面自由能和表面張力表面能：每增加單位表面積時(shí)，體系自由能的增量單位J·m-2表面張力：擴(kuò)張表面單位長度所需要的力。與液體相比：1）固體的表面自由能中包含了彈性能。表面張力在數(shù)值上不等于表面自由能；2）固體的表面上的原子組成和排列是各向異性的，張力是各向異性的，不同晶面的表面自由能也不相同。3）實(shí)際固體的表面絕大多數(shù)處于非平衡狀態(tài)，決定固體表面形態(tài)的主要是形成固體表面時(shí)的條件以及它所經(jīng)歷的歷史。4）固體的表面自由能和表面張力的測(cè)定非常困難。第7頁/共23頁98.1.4固液界面與潤濕

機(jī)械潤滑、注水采油、油漆涂布、金屬焊接、搪瓷坯釉、陶瓷/金屬的封接等工藝和理論都與潤濕過程有關(guān)。

潤濕的熱力學(xué)定義：固體與液體接觸后能使體系的吉布斯自由能降低，稱為潤濕。

潤濕形式：

附著潤濕

鋪展?jié)櫇?/p>

浸漬潤濕

第8頁/共23頁10

鋪展?jié)櫇?/p>

概念：液滴落在清潔平滑固體表面的過程。

忽略液體重力和粘度影響，則鋪展是由固/氣(SG)、固/液(SL)和液/氣(LG)三個(gè)界面張力所決定：

式中θ是潤濕角；F稱潤濕張力。

θ>90°不潤濕；

θ<90°潤濕；

θ=0°完全潤濕。

（自由鋪展）

潤濕的先決條件是>。

第9頁/共23頁118.1.5固固界面與黏附固固界面：結(jié)構(gòu)與組分中存在不同的兩個(gè)固相之間的界面黏附：兩黏附固體界面上的黏結(jié)現(xiàn)象，是通過跨越兩固相界面的相互作用而產(chǎn)生的。βaγαβaβγαγβWa=γα+γβ-γαβaaγαβaγαaγαaWa=2γαWa為黏附功第10頁/共23頁12

8.1.2.1小角晶界及界面能

●

小角晶界：兩晶粒間的位向差小于10°；

大角晶界：位向差超過10°。

●小角晶界又可分：傾轉(zhuǎn)晶界（一系列刃位錯(cuò)構(gòu)成）

扭轉(zhuǎn)晶界（螺位錯(cuò)構(gòu)成）

第11頁/共23頁13

對(duì)稱傾轉(zhuǎn)晶界和扭轉(zhuǎn)晶界

（1）對(duì)稱傾轉(zhuǎn)晶界

對(duì)稱傾轉(zhuǎn)晶界可以看作

是取向一致的兩個(gè)晶體

相互傾轉(zhuǎn)角形成的

界面。

分類(2)不對(duì)稱傾斜界面：晶界看成兩組互相垂直的刃型位錯(cuò)排列而成的。(3)扭轉(zhuǎn)晶界：將一塊晶體沿橫斷面切開,并使上下部分晶體繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)θ角,再與下部分晶體粘在一起形成?？煽闯墒怯苫ハ嘟徊娴穆菸诲e(cuò)所組成。第12頁/共23頁14大角度晶界

大角度晶界：為原子呈不規(guī)則排列的一過渡層。大多數(shù)晶粒之間的晶界都屬于大角度晶界。第13頁/共23頁15晶界特征（1）晶界處點(diǎn)陣畸變大，存在晶界能。

（2）常溫下晶界的存在會(huì)對(duì)位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)起阻礙運(yùn)動(dòng)，使塑型變形抗力提高，使晶體（材料）的硬度和強(qiáng)度提高。（3）晶界處原子具有較高的動(dòng)能，且晶界處存在大量缺陷。原子在晶界處擴(kuò)散比晶內(nèi)快得多。

（4）固態(tài)相變時(shí)易在晶界處形成新核。（5）晶界上富集雜質(zhì)原子多，熔點(diǎn)低

（6）晶界腐蝕速度比晶內(nèi)快。（7）晶界具有不同與晶內(nèi)的物理性質(zhì)。第14頁/共23頁168.2.1.4相界1.共格界面（coherentphaseboundary）：特征：界面兩側(cè)的保持一定的位向關(guān)系，沿界面兩相具有相同或近似的原子排列，兩相在界面上原子匹配得好，界面上能量高。理想的完全共格界面只有在孿晶面（界）。2.半共格界面（semi-coherentphaseboundary)

特征：沿相界面每隔一定距離產(chǎn)生一個(gè)刃型位錯(cuò)，除刃型位錯(cuò)線上的原子外，其余原子都是共格的。所以半共格界面是由共格區(qū)和非共格區(qū)相間組成。半共格界面上的位錯(cuò)間距取決于相界處兩相匹配晶面的錯(cuò)配度（δ）3.非共格界面（noncoherentphaseboundary）特征：原子不規(guī)則排列的薄層為兩相的過渡層。第15頁/共23頁17第16頁/共23頁18

8.3界面的偏聚與遷移

8.3.1晶界平衡偏析

●晶界偏析：在平衡條件下，溶質(zhì)原子（離子）在晶界處

濃度偏離平均濃度。

●偏析的自發(fā)趨勢(shì)：晶界結(jié)構(gòu)缺陷比晶內(nèi)多，溶質(zhì)原子

（離子）處于晶內(nèi)的能量比處在晶界的能量高，通過偏析

使系統(tǒng)能量降低。

●偏析驅(qū)動(dòng)力是內(nèi)能差：設(shè)一個(gè)原子位于晶內(nèi)和晶界的內(nèi)

能分別為El和Eg，則偏析的驅(qū)動(dòng)力為：

第17頁/共23頁198.3.2晶界遷移

晶界遷移—

晶界在其法線上的位移，從微觀上看，是通過晶粒邊緣上的原子向其鄰近晶粒的跳動(dòng)實(shí)現(xiàn)的

典型情況：晶粒長大過程；相變過程。第18頁/共23頁20

●

影響晶界遷移的主要因素

●溶質(zhì)或雜質(zhì)原子--

降低遷移率，與晶界偏析、晶界結(jié)構(gòu)有關(guān)。

●晶界第二相顆粒

--阻礙作用，晶界脫離第二相顆粒的

遷移是系統(tǒng)能量提高的過程（需生長出這段晶界），產(chǎn)

生晶界遷移的阻力。

●溫度--

遷移率與晶界擴(kuò)散系數(shù)D由Einstein關(guān)系聯(lián)系：

由上式知隨溫度的升高，晶界遷移率提高。

●晶粒位向

--晶界的晶粒取向差小，遷移率低。

第19頁/共23頁218.6復(fù)合體系的界面結(jié)合特性界面相是復(fù)合材料的一個(gè)組成部分，其作用可以歸納一下幾個(gè)方面。傳遞作用：界面能傳遞力，即將外力傳遞給增強(qiáng)物，起到基體和增強(qiáng)體之間的橋梁作用阻斷作用：結(jié)合適當(dāng)?shù)慕缑嬗凶柚沽鸭y擴(kuò)展、中斷材料破壞、減緩應(yīng)力集中的作用保護(hù)作用：界面相可以保護(hù)增強(qiáng)體免受環(huán)境的侵蝕，防止基體與增強(qiáng)體之間的化學(xué)反應(yīng)，起到保護(hù)增強(qiáng)體的作用。第20頁/共23頁22本章重