1,3.7 界面,它与摩擦、磨损、氧化、腐蚀、偏折、催化、吸附现象，以及光学、微电子学等均密切相关；,界面,外表面(自由表面)：固-气或固-液的分界面,内界面：晶界、亚晶界、孪晶界、相界,晶体的力学、物理和化学等性能,界面通常包含几个原子层厚的区域， 该区域内的原子排列甚至化学成分往往 不同于晶体内部，称为晶体的面缺陷。,2,3.7.1 晶界(Grain Boundary),晶 界-同一固相但位向不同的晶粒之间的界面 亚晶界-同一晶粒由若干个位向稍有差异的亚晶粒所组成，相邻亚晶粒间的界面,TC4合金经800/2h渗氢 (1.0wt%H)+600/8h真空除氢后的显微组织,TC4合金经600/1h渗氢(0.4wt%H)+700 8.310-3变形+ 750/8h真空除氢(0.083wt%H)后的亚晶组织,3,4,二维平面点阵中的晶界,2个位向角(自由度) 两个晶粒的位向差 晶界相对于一个点阵某一平面的夹角,3.7.1.1 晶界自由度 表示晶界位置的参数,5,三维点阵中的晶界,5个位向角(自由度),晶界的分类：小角度晶界相邻晶粒的位向差小于10的晶界 亚晶界小于2 大角度晶界相邻晶粒的位向差大于10的晶界,z,6,3.7.1.2 小角度晶界的结构,(1)对称倾斜晶界,特点 *晶界两侧晶体对称于晶界排列/2 *1个自由度 *一组柏氏矢量平行的同号刃型位 错垂直排列,位错间距D与b之间的关系为：,7,(2)非对称倾斜晶界,特点,* 晶界相对于两侧晶体不对称 * 2个自由度 * 两组柏氏矢量相互垂直的刃位错交错排列,+/2,-/2,E,DC/AB,基准面,sin =D。/D1 cos =D。/D2,D1=D。/sin =b1/ sin D2=D。/cos = =b2/cos,8stop,(3) 扭转晶界,特点 * 两组互相交叉的螺型位错网络 * 1个自由度,扭转晶界的形成过程 扭转晶界位错模型 上层原子 下层原子,左,左,左,左,9,3.7.1.3 大角度晶界的结构,大角度晶界(台阶)模型,原子D属于两晶粒-原子排列整齐的区域，好区 原子A不属于任一晶粒-原子排列紊乱的区域，坏区 好区和坏区交替相间组合成台阶状界面 随着位向差的增大，坏区的面积将相应增加,10,两晶粒的点阵彼此通过晶界向对方延伸，其中一些原子有规律的相互重合。由这些原子重合位置所组成的新点阵，称为重合位置点阵 重合位置点阵密度,立方晶体相邻晶粒100位向差为37时，存在1/5重合位置点阵,优点：界面结构清晰 缺点：不能解释两晶粒处于任 意位向差时晶界结构,“重合位置点阵”模型,11end,立方晶系金属中重要的重合位置点阵,12,3.7.1.4 晶界能,晶界能=单位面积晶界的能量-无晶界时该区单位面积的能量 晶界能=界面张力(Nm),小角度晶界能,式中 为常数，切变模量G、泊松比和柏氏矢量b 积分常数A取决于位错中心的原子错排能,晶界能定义为形成单位面积界面时，系统的自由能变化 （dF/dA）,13,大角度晶界-各晶粒的位向差30-40 大角度晶界能与晶粒之间的位向差无关,试验测定铜的不同类型界面的界面能,14,相对晶界能的计算,平衡态，晶界的相等，三叉晶界的各面角均趋向于最稳定的120，各晶粒之间的晶界能基本相等,180-2,180-1,180-3,平衡态下，O点界面张力到达到平衡，即,15,3.7.1.5 晶界的特性, 成分偏析和内吸附现象，晶界富集杂(溶)质原子 晶粒的长大和晶界的平直化都能减少晶界面积，从而 降低晶界的总能量，温度升高和保温时间的增长，均有利于这两过程的进行。 常温下晶界阻碍位错运动 高温下晶界存在一定的粘滞性，易使相邻晶粒产生相对滑动 晶界处原子扩散速度比晶内快 新相优先形核部位(能量 结构 成分) 晶界熔点低(杂质原子偏聚) 易腐蚀(晶界能 杂质原子偏聚),14/11,16,3.7.2 孪晶界(Twin Boundary),孪晶是指两部分晶体沿一个公共晶面构成镜面对称的位向关系，这两个晶体就称为“孪晶”，此公共晶面称为“孪晶面”，孪晶之间的界面为“孪晶界”,(a)面心立方晶体的孪晶关系 (b)非共格孪晶界 共格孪晶界的界面能为普通晶界的 孪晶界相对于孪晶面旋转一定角度 1/10 而形成，界面能为普通晶界的1/2,17,3.7.3 相界(Phase Boundary),具有不同结构的两相之间的分界面-相界,18,3.7.3.1 共格相界(Coherent Phase Boundary),(a)具有完善共格关系的相界 (b)具有弹性畸变的共格相界,界面上两相原子保持匹配,共格相界：应变能为主，因有弹性畸变 界面能较低，但高于共格孪晶界,相界能：弹性畸变能取决于错配度 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,19,3.7.3.2 半共格相界 (Semi-Coherent Phase Boundary),半共格相界上位错间距取决于相界处两相匹配晶面的错配度,界面上两相原子部分地保持匹配,式中a和a分别为相界面两侧和相点阵常数，且aa 由此可求得位错间距D为,错配度,界面能以应变能为主，高于共格相界，因错配度大,D/2,20 end,3.7.3.3 非共格相界 (Incoherent Phase Boundary),由原子不规则排列的很薄的过渡层构成,相界能较高，以化学能为主，因界面上原子的化学键数目和强度与晶内不同,相界能依次递增 共格相界面 半共格相界面非共格相界面,21,3.7.4 外表面,结构表面原子偏离其正常的平衡位置,表面与晶体内部差异：,晶体外表面高能量的原子层称为表面,原子间结合键与晶体内部不相等，表面原子相邻原子数(配位数)小于晶内，存在断键、不饱和键,成分成分偏聚和表面吸附作用,能态表层的点阵畸变，表面原子能量高于内部原子,厚度几个原子层,22 end,表面能：晶体表面单位面积自由能的增量(Jm2) 表面能：产生单位面积新表面所作的功,外表面低表面能的原子密排晶面,晶体的能量最低最稳定,23end,24,THE END,