材料科學(xué)基礎(chǔ)課件第8章+材料的表面與界面

材料科學(xué)基礎(chǔ)薛烽東南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院2008.5第八章材料的材料的表面與界面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(shí)晶體中的界面結(jié)構(gòu)晶體中界面的偏聚與遷移界面是指不同相間或同一相的不同取向區(qū)域之間的分界面，是一種面缺陷。通?？砂凑战缑鎯蛇呂镔|(zhì)狀態(tài)而分為以下幾類(lèi)：

1、表面：指固體材料與周?chē)鷼庀嗷蛞合嚅g的分界面；

2、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；

3、相界：指材料中不同相之間的界面。盡管界面通常只有幾個(gè)原子層厚，但由于其特殊的結(jié)構(gòu)和界面能量，使得它具有很多與晶體內(nèi)部不同的性質(zhì)，從而對(duì)晶體的物理、化學(xué)和力學(xué)等性能有重要影響。比如在腐蝕、磨損、氧化、偏析、催化、微電子學(xué)、強(qiáng)度、相變等方面。8.2晶體中的界面結(jié)構(gòu)8.2.1界面的類(lèi)型與結(jié)構(gòu)Mg-3Al-0.8Zn合金中的晶界

Pb-Sn合金中的相界晶界

相界8.2晶體中的界面結(jié)構(gòu)一、界面的自由度晶界的性質(zhì)取決于它的結(jié)構(gòu)，而晶界的結(jié)構(gòu)在很大程度上取決于與其相鄰的兩個(gè)晶粒的相對(duì)取向和晶界相對(duì)于其中一個(gè)晶體的相對(duì)位向。同一晶粒的兩部分，沿著某一旋轉(zhuǎn)軸m互相旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度q，要確定m的取向需要2個(gè)變量，例如知道了m的3個(gè)方向余弦中的2個(gè)，則m的方向就確定了，m和q共同決定了兩晶粒的相對(duì)取向，因此這需要3個(gè)自由度。晶界相對(duì)于一個(gè)晶體的位向描述了晶界在2個(gè)晶體之間的位置。假如晶界平面的法線方向?yàn)閙，則m在坐標(biāo)系中方向的確定又需要2個(gè)自由度。因此，從幾何上描述一個(gè)晶界需要5個(gè)自由度。8.2晶體中的界面結(jié)構(gòu)二、小角晶界小角晶界： 兩個(gè)晶粒的位相差在10°以下典型－亞晶界 晶粒平均直徑一般在0.01-0.25mm之間，而亞晶粒的平均直徑則通常為0.001mm。簡(jiǎn)單小角晶界： 傾轉(zhuǎn)晶界－由刃型位錯(cuò)構(gòu)成 扭轉(zhuǎn)晶界－由螺型位錯(cuò)構(gòu)成8.2晶體中的界面結(jié)構(gòu)（1）對(duì)稱(chēng)傾轉(zhuǎn)晶界8.2晶體中的界面結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)傾轉(zhuǎn)晶界可看成是由一列平行的刃型位錯(cuò)所構(gòu)成，很明顯，位錯(cuò)間距D與柏氏矢量b之間的關(guān)系為：可見(jiàn)，晶界上位錯(cuò)密度為：

ρ=1/D=θ/b（單位面積上的位錯(cuò)長(zhǎng)度）。8.2晶體中的界面結(jié)構(gòu)當(dāng)b=0.25nm

θ=1°時(shí)，D=14.3nm；

θ=10°時(shí)，D=1.4nm≈5b（5個(gè)原子間距）

一般說(shuō)來(lái)，只有當(dāng)θ<5°時(shí)，位錯(cuò)才可分辨，此時(shí)D=12b。在θ=10°時(shí)，5－6個(gè)原子間距就有一個(gè)位錯(cuò)。位錯(cuò)密度過(guò)大，此時(shí)的晶界將全部是位錯(cuò)心，這種結(jié)構(gòu)顯然是不穩(wěn)定的。因此，θ大時(shí)，這個(gè)模型不適用。8.2晶體中的界面結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)觀察到的對(duì)稱(chēng)傾轉(zhuǎn)晶界8.2晶體中的界面結(jié)構(gòu)（2）扭轉(zhuǎn)晶界8.2晶體中的界面結(jié)構(gòu)8.2晶體中的界面結(jié)構(gòu)二、大角度晶界大角晶界：θ>10°模型比較復(fù)雜，原子排列不規(guī)則。目前有幾種模型：8.2晶體中的界面結(jié)構(gòu)重合位置點(diǎn)陣示意圖8.2晶體中的界面結(jié)構(gòu)體心立方晶體中重合位置點(diǎn)陣8.2晶體中的界面結(jié)構(gòu)三、相界根據(jù)界面上的原子排列結(jié)構(gòu)不同，可把固體中的相界分為共格、半共格以及非共格三類(lèi)。（1）共格相界8.2晶體中的界面結(jié)構(gòu)有應(yīng)變共格界面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(wú)應(yīng)力時(shí)的a和b的點(diǎn)陣常數(shù)，這兩個(gè)點(diǎn)陣的錯(cuò)配度定義為：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(shí)，即d很大時(shí)，只能形成非共格界面。8.2晶體中的界面結(jié)構(gòu)8.2.2界面能量一、晶界能由于晶界是一種缺陷，它的出現(xiàn)使體系的自由能增加，我們定義形成單位面積的晶界而引起體系自由能增高稱(chēng)為晶界能。晶界能與晶體本身的性質(zhì)，晶界兩側(cè)的取向差以及晶界本身的方位有關(guān)。另外，雜質(zhì)和溫度對(duì)晶界能也有影響。常用夾角法測(cè)晶界能，把薄桿狀的樣品放在足夠高的溫度中長(zhǎng)時(shí)間退火，由于存在著晶界界面能，其中三個(gè)晶粒的晶界受到表面張力的作用。8.2晶體中的界面結(jié)構(gòu)

其中：j1，j2，j3分別是晶界面1，2和3之間的兩面角。

g1，g2，g3是晶粒1/2，晶粒2/3和晶粒1/3之間界面的晶界能。8.2晶體中的界面結(jié)構(gòu)對(duì)于小角晶界，可以用組成它的位錯(cuò)能量進(jìn)行估算。對(duì)于對(duì)稱(chēng)傾轉(zhuǎn)晶界，設(shè)位錯(cuò)間距為D，取一個(gè)面積元，其面積為D×1，僅含一根位錯(cuò)，而單位長(zhǎng)度刃位錯(cuò)的能量為：因此單位面積上的界面能為：EB＝E/D＝Eq/|b|8.2晶體中的界面結(jié)構(gòu)二、相界能相界能包括兩部分：原子離開(kāi)平衡位置所引起的彈性畸變能（或應(yīng)變能）由于界面上原子間結(jié)合鍵數(shù)目和強(qiáng)度發(fā)生變化所引起的化學(xué)交互作用能。彈性畸變能大小取決于錯(cuò)配度的大小；而化學(xué)交互作用能取決于界面上原子與周?chē)拥幕瘜W(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，而且總的界面能較高。從相界能的角度來(lái)看，從共格至半共格到非共格依次遞增。8.3晶體中界面的偏聚與遷移可見(jiàn)，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)。8.3.1晶界平衡偏析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(guò)程回火脆性8.3晶體中界面的偏聚與遷移8.3.2

界面遷移驅(qū)動(dòng)力晶界遷移：晶界在其法線方向上的位移，是通過(guò)晶粒邊緣上的原子向其鄰近晶粒的跳動(dòng)實(shí)現(xiàn)的。8.3晶體中界面的偏聚與遷移8.3.2

界面遷移驅(qū)動(dòng)力晶界遷移：晶界在其法線方向上的位移，是通過(guò)晶粒邊緣上的原子向其鄰近晶粒的跳動(dòng)實(shí)現(xiàn)的。8.3晶體中界面的偏聚與遷移則指向曲率中心的分力為：2glsin(dq/2)考慮q很小時(shí)，有： 2glsin(dq/2)＝gldq當(dāng)界面保持平衡時(shí)，界面兩側(cè)壓力差值為DP，則： gldq＝DPlrdq

所以： DP＝g/r

而對(duì)任意曲面，則有： DP＝g(1/r1+1/r2)

恒溫時(shí)： dm＝VdP則： m1－m2＝VDP

通過(guò)以上分析可見(jiàn)，晶界曲率是晶界遷移的驅(qū)動(dòng)力，界面總是向凹側(cè)推進(jìn)，單相合金三叉晶棱上之角為120°。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(kuò)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(huì)對(duì)晶界遷移率產(chǎn)生顯著的影響。8.3晶體中界面的偏聚與遷移錫對(duì)鉛晶界遷移速度的影響8.3晶體中界面的偏聚與遷移(3)

第二相顆粒

當(dāng)晶界上存在第二相顆粒時(shí)，這些顆粒往往對(duì)晶界遷移都是起一種阻礙作用。假設(shè)第二相為半徑為r的球形顆粒，晶界的界面能為

：第二相顆粒對(duì)鉛晶界遷移速度的影響8.3晶體中界面的偏聚與遷移在圖中A點(diǎn)，為保持張力平衡，可得第二相對(duì)晶界的阻力為：

F＝2

rcos

?

sin

＝

r

sin2

當(dāng)

=45°時(shí)達(dá)到最大：

Fmax＝

r

＝3f

/2r

可見(jiàn)，第二相體積分?jǐn)?shù)f越大、顆粒尺寸r越小，對(duì)晶界遷移的阻力越大。當(dāng)這個(gè)阻力與晶界遷移動(dòng)力相等時(shí)，晶界遷移就停止了，此時(shí)晶粒尺寸D為極限尺寸，即：

3f

/2r＝2

/D所以