第三章-晶体缺陷-表面与界面(课堂版三).课件.ppt

1、表面及界面表面及界面 界面包括：外表面（自由表面）和内界面界面包括：外表面（自由表面）和内界面 表面：固体与气体或液体的分界面表面：固体与气体或液体的分界面 表面与材料的摩擦、磨损、氧化、腐蚀、偏析、催化、吸表面与材料的摩擦、磨损、氧化、腐蚀、偏析、催化、吸附以及光学、微电子学等有密切关系。附以及光学、微电子学等有密切关系。 内界面：晶粒边界、晶内的亚晶界、孪晶界、层内界面：晶粒边界、晶内的亚晶界、孪晶界、层错、相界面等。错、相界面等。 界面：界面：几个原子层厚，原子排列于成分不同于内几个原子层厚，原子排列于成分不同于内部，对材料的物理、化学、力学特性产生重要的部，对材料的物理、化学、力学特性

2、产生重要的影响影响 表面：表面： 晶体自由表面上的原子，由于其周围环晶体自由表面上的原子，由于其周围环境与晶体内部不同，致使约有几个原子层境与晶体内部不同，致使约有几个原子层处于较高的能量状态，该表层结构称为表处于较高的能量状态，该表层结构称为表面。面。 为降低表面能，晶体表面往往为低指数为降低表面能，晶体表面往往为低指数的密排晶面，由此导致晶体外形发生规则的密排晶面，由此导致晶体外形发生规则化。化。 常见金属的平均比表面能变化范围在常见金属的平均比表面能变化范围在1.1J/m2至至5J/m2之间。之间。 表面能的作用产生表面吸附现象表面能的作用产生表面吸附现象外表面的特点外表面的特点 周期性

3、的排列被破坏相邻原子比晶内少周期性的排列被破坏相邻原子比晶内少 由于成分偏析和表面吸附，表面成分与晶内不一由于成分偏析和表面吸附，表面成分与晶内不一致致 表面原子的键合与晶内不同，偏离正常的平衡位表面原子的键合与晶内不同，偏离正常的平衡位置，表面层原子点阵畸变置，表面层原子点阵畸变 厚度一般几个原子层厚度一般几个原子层 最外层原子有一半原子健悬空，能量高，表面活最外层原子有一半原子健悬空，能量高，表面活性高性高组元化学位不变下恒温恒容， 组温恒容，(.iUVTdAdW被切割的化学键数目能量（）每个键形成了的新界面定义为形成单位面积的新表面所需做的功定义为形成单位面积的新表面所需做的功* * *

4、晶体中的表面张力是各向异性的晶体中的表面张力是各向异性的* * *原子密度最大的面具有最低的原子密度最大的面具有最低的 值值晶体表面一般晶体表面一般为原子密度最大的面为原子密度最大的面* * *表面能与曲率有关：曲率越大，表面能越大表面能与曲率有关：曲率越大，表面能越大晶界晶界 亚晶界亚晶界 晶界：取向不同的晶粒之间的界面（内界晶界：取向不同的晶粒之间的界面（内界面）面） 亚晶界：晶粒有时又由若干个稍有差异的亚晶界：晶粒有时又由若干个稍有差异的亚晶粒组成，相邻亚晶粒间的界面称为亚亚晶粒组成，相邻亚晶粒间的界面称为亚晶界。晶界。（晶粒的平均直径（晶粒的平均直径0.015-0.25mm0.015-

5、0.25mm，亚晶粒则，亚晶粒则为为0.001mm0.001mm数量级）数量级） 晶界具有晶界具有5 5个自由度：两晶粒的位相差个自由度：两晶粒的位相差（3 3），界面的取向（），界面的取向（2 2）二维点阵中晶界的几何二维点阵中晶界的几何关系可用两个晶粒的位关系可用两个晶粒的位相差相差 和晶界相对于点阵和晶界相对于点阵某一平面的夹角某一平面的夹角 来确定来确定三维点阵的晶界几何关系应由三维点阵的晶界几何关系应由5 5个自由度来确定：个自由度来确定：两晶粒的位相差（两晶粒的位相差（3 3），界面），界面的取向（的取向（2 2）小角度晶界小角度晶界对称倾斜晶界对称倾斜晶界 不对称倾斜晶界不对称倾

6、斜晶界 扭转晶界扭转晶界根据相邻晶粒之间的位相差的大小将晶界分为两类：根据相邻晶粒之间的位相差的大小将晶界分为两类：小角度晶界相邻晶粒的位相差小于小角度晶界相邻晶粒的位相差小于10的晶界；亚晶界均属于该类型的晶界；亚晶界均属于该类型大角度晶界相邻晶粒的位相差大于大角度晶界相邻晶粒的位相差大于10的晶界；多晶体中的晶界的晶界；多晶体中的晶界小角度晶界一般分为：小角度晶界一般分为：对称倾斜晶界：对称倾斜晶界：可以看成由一列平行的刃型位错构成可以看成由一列平行的刃型位错构成 位错间距位错间距D和柏氏矢量和柏氏矢量b之间关系：之间关系：不对称倾斜晶界不对称倾斜晶界如果对称倾斜晶界的界面绕某一轴旋转一角

7、度如果对称倾斜晶界的界面绕某一轴旋转一角度 ，虽然两晶粒的位相差仍然是虽然两晶粒的位相差仍然是 ，但此时两晶粒不再，但此时两晶粒不再对称，称为对称，称为。有两个自由度有两个自由度 和和 。其结构可以。其结构可以看成由两组柏氏矢量相互垂直的刃型位错看成由两组柏氏矢量相互垂直的刃型位错 交交错排列构成，两组位错各自间距错排列构成，两组位错各自间距 分别为：分别为：扭转扭转晶界晶界扭转晶界可以看成两部分晶体绕某一轴扭转晶界可以看成两部分晶体绕某一轴在一个共同平面上相对扭转一个在一个共同平面上相对扭转一个 角构成角构成的，扭转轴垂直于这一共同晶面。也可的，扭转轴垂直于这一共同晶面。也可以看成由相互交叉

8、的螺位错组成。以看成由相互交叉的螺位错组成。bD 多晶体材料各晶粒之间的晶界通常是大角度晶界多晶体材料各晶粒之间的晶界通常是大角度晶界 大角度晶界结构复杂，原子排列不规则大角度晶界结构复杂，原子排列不规则 晶界可看成是好区与坏区交替相间组合而成的。晶界可看成是好区与坏区交替相间组合而成的。 一般大角度晶界的宽度一般不超过三个原子间一般大角度晶界的宽度一般不超过三个原子间距。距。大角度晶界大角度晶界 High-angle grain boundary * * 相邻晶粒在交界处的形状不是光滑的曲面，相邻晶粒在交界处的形状不是光滑的曲面，而是由不规则台阶组成的，而是由不规则台阶组成的，A,B,C,D

9、A,B,C,D特征区域特征区域 重合位置点阵模型重合位置点阵模型 * * *晶界能较低晶界能较低 * * *特殊位向特殊位向压缩区扩张区双属区零属区大角度晶界大角度晶界 大角度晶界能一般不随相邻晶粒的位向差而变化，大角度晶界能一般不随相邻晶粒的位向差而变化，对特定的晶体是基本恒定的。但在某些特殊的位向对特定的晶体是基本恒定的。但在某些特殊的位向差角度时，会出现晶界能的显著减小。该问题可用差角度时，会出现晶界能的显著减小。该问题可用重合位置点阵模型来分析解释。重合位置点阵模型来分析解释。转轴转轴转角，转角，36.970.538.960.038.2重合位置密度重合位置密度1/51/31/91/31

10、/7立方晶系中的重要重合位置点阵立方晶系中的重要重合位置点阵 晶界能晶界能 晶界能：形成单位面积晶面时，系统晶界能：形成单位面积晶面时，系统HelmholtzHelmholtz自由能的自由能的变化，即变化，即它等于接口区单位面积的能量减去无界它等于接口区单位面积的能量减去无界面时该区单位面积的能量。面时该区单位面积的能量。 也可看成由于晶界上点阵畸变增加的那部分额外自由能。也可看成由于晶界上点阵畸变增加的那部分额外自由能。dAdFiiidAdnudAdF在纯金属中在纯金属中 在合金中在合金中晶界面积晶界面积A A改变而引起改变而引起的晶粒内的晶粒内i i组元原子数组元原子数的改变的改变假定晶界

11、面积假定晶界面积A A改变不改变不引起的晶粒内引起的晶粒内i i组元原组元原子数的改变子数的改变小角度晶界的界面能小角度晶界的界面能cErRvGbE0ln)1 (4刃 单位长度刃型位错的能量：单位长度刃型位错的能量： bD DE1D1E 而而c0Ebln)1 (4rRvGbbr0DR )lnA(E0令令则则，2cGbv-14E）（刃)v1 (4GbE0A=故小角度晶界故小角度晶界 是相邻两晶粒之间位相差是相邻两晶粒之间位相差 的函数的函数晶界的界面能的测量晶界的界面能的测量313123231212sinsinsin晶界能可通过测定界面交角求出其相对值：晶界能可通过测定界面交角求出其相对值：三个

12、晶粒相遇，在达到平衡时，在三个晶粒相遇，在达到平衡时，在o o点处接口张力必须点处接口张力必须达到力学平衡达到力学平衡 故测得故测得在平衡状态下，三叉晶界的各面角均趋于最稳定的在平衡状态下，三叉晶界的各面角均趋于最稳定的120120。 晶界偏聚晶界偏聚内吸附（热力学平衡的偏聚）内吸附（热力学平衡的偏聚） 特点：特点：1 1）溶质浓度不变时，一定的）溶质浓度不变时，一定的T T对应一定平衡晶界对应一定平衡晶界偏聚量偏聚量 2 2）TT偏聚量偏聚量 ， E E：溶质原子在晶界上的能量差：溶质原子在晶界上的能量差, C, C：晶界浓度：晶界浓度 C C0 0：晶内浓度：晶内浓度 3 3）晶界平衡偏聚

13、量可以很显著）晶界平衡偏聚量可以很显著 4 4）晶界偏聚区的范围约为）晶界偏聚区的范围约为4-4-几百埃几百埃 5 5）在某种情况下可产生晶界上溶质原子的贫化）在某种情况下可产生晶界上溶质原子的贫化负吸附负吸附 6 6）产生晶界偏聚的原因，有一种解释：固溶体中溶质原）产生晶界偏聚的原因，有一种解释：固溶体中溶质原子和溶剂原子的尺寸不同，晶界偏聚可使系统能量降低子和溶剂原子的尺寸不同，晶界偏聚可使系统能量降低晶界的平衡偏聚晶界的平衡偏聚 )exp(0kTECC401010CC晶界特性晶界特性 1 1）晶界处点阵畸变大，存在晶界能，故晶）晶界处点阵畸变大，存在晶界能，故晶粒长大和晶界平直化是一个自

14、发过程粒长大和晶界平直化是一个自发过程 2 2）晶界处原子排列不规则）晶界处原子排列不规则阻碍塑性变形阻碍塑性变形HHb b，s sb b（细晶强化）（细晶强化） 3 3）晶界处存在较多缺陷（位错、空位等）晶界处存在较多缺陷（位错、空位等）有利原子扩散有利原子扩散 4 4）晶界能量高）晶界能量高固态相变先发生，固态相变先发生，d d形形核率核率 5 5）晶界能高）晶界能高晶界腐蚀速度晶界腐蚀速度亚晶界亚晶界（Sub-grain boundarySub-grain boundary） 事实上每个晶粒中还可分成若干个更为细事实上每个晶粒中还可分成若干个更为细小的亚晶粒（小的亚晶粒（0.001mm0

15、.001mm），亚晶粒之间存在），亚晶粒之间存在着小的位相差，相邻亚晶粒之间的界面成着小的位相差，相邻亚晶粒之间的界面成为亚晶界。亚晶粒更接近于理想的单晶体。为亚晶界。亚晶粒更接近于理想的单晶体。 位相差一般小于位相差一般小于2 2o o，属于小角度晶界，具有，属于小角度晶界，具有晶界的一般特征。晶界的一般特征。孪晶界孪晶界 Twin boundaryTwin boundary 孪晶孪晶指两个晶体（或一个晶体的两部分）沿一个公共晶面构成对称的位指两个晶体（或一个晶体的两部分）沿一个公共晶面构成对称的位相关系，这两个晶体就称为孪晶，这个公共的晶面即成为孪晶面相关系，这两个晶体就称为孪晶，这个公共

16、的晶面即成为孪晶面 共格孪晶界：即孪晶面，其上的原子同时位于两侧晶体点阵的节共格孪晶界：即孪晶面，其上的原子同时位于两侧晶体点阵的节点上，为两者共有。无畸变的完全共格界面，界面能（约为普通点上，为两者共有。无畸变的完全共格界面，界面能（约为普通晶界能晶界能1/101/10）很低很稳定）很低很稳定 非共格孪晶界：孪晶界相对于孪晶面旋转一角度，其上的非共格孪晶界：孪晶界相对于孪晶面旋转一角度，其上的原子只有部分为两者共有，原子错排校严重，孪晶能量相原子只有部分为两者共有，原子错排校严重，孪晶能量相对较高，约为普通晶界的对较高，约为普通晶界的1/21/2孪孪晶晶界界孪晶的形成孪晶的形成 孪晶的形成与

17、堆垛层错密度相关，孪晶的形成与堆垛层错密度相关，如如fccfcc的的111111面发生堆面发生堆垛层错时为垛层错时为ABABCACCACBACBABACBA CACCAC处为堆垛层错处为堆垛层错 一般层错能高的晶体不易产生孪晶一般层错能高的晶体不易产生孪晶 形变孪晶：形变孪晶：连续的连续的(1/6)(1/6)类型的滑移类型的滑移生长孪晶生长孪晶退火孪晶退火孪晶孪孪晶晶的的形形成成相界相界 Phase BoundaryPhase Boundary 相邻晶体的晶体结构不同时，其界面称为相界面。相邻晶体的晶体结构不同时，其界面称为相界面。 复相界面复相界面 相邻晶体的化学成分基本相同但具有不同的晶体

18、结相邻晶体的化学成分基本相同但具有不同的晶体结构时所形成的相界面被称为复相界面。构时所形成的相界面被称为复相界面。 界面位向差大，界面原子排列混乱，界面能高。界面位向差大，界面原子排列混乱，界面能高。 第二相界面第二相界面 材料中形成的第二相与基体相之间不仅晶体结构不材料中形成的第二相与基体相之间不仅晶体结构不同，同时其化学成分也具有明显差异甚至完全不同，同，同时其化学成分也具有明显差异甚至完全不同，所形成的相界面所形成的相界面 相界界面能取决于界面两侧晶体的位向差以及化学相界界面能取决于界面两侧晶体的位向差以及化学键变化。键变化。 变化范围在变化范围在0.01 J/m2到到1.5 J/m2

19、。 共格、半共格及非共格界面共格、半共格及非共格界面 非共格界面非共格界面 大角度晶界大角度晶界、大颗粒第二相大颗粒第二相与基体的与基体的相界面相界面、表表面面等均属于等均属于。界面能稳定、各向异性、界面能较高。界面能稳定、各向异性、界面能较高。界面一般为界面一般为3434个原子厚度。个原子厚度。界面结合能较低。界面结合能较低。部分接合界面将趋于平直而成为平面。部分接合界面将趋于平直而成为平面。完全接合界面将趋于变为球形或立方体。完全接合界面将趋于变为球形或立方体。共格界面：界面上的原子同时位于两相晶格共格界面：界面上的原子同时位于两相晶格 的节点上，的节点上，弹性畸变弹性畸变：相互接合的两晶

20、体结构相同且点阵常：相互接合的两晶体结构相同且点阵常数相差甚微时，配合界面上的原子位置可同时属于两数相差甚微时，配合界面上的原子位置可同时属于两晶体的原子规则排列位置，使界面能显著降低，两晶晶体的原子规则排列位置，使界面能显著降低，两晶体间的界面被称为完全共格界面。体间的界面被称为完全共格界面。完全共格界面配合模型完全共格界面配合模型被完全包围的第二相和基体的共格配合关系被完全包围的第二相和基体的共格配合关系半共格界面半共格界面 相互接合的两晶体以确定的位向关系配合，垂直于相互接合的两晶体以确定的位向关系配合，垂直于界面的晶面间距存在一定的差别且这种差别不能通界面的晶面间距存在一定的差别且这种

21、差别不能通过共格晶格畸变来完全容纳时，两晶体间的界面被过共格晶格畸变来完全容纳时，两晶体间的界面被。半共格界面的最显著的特征是至半共格界面的最显著的特征是至少在一个配合方向上存在错配位错列。少在一个配合方向上存在错配位错列。 相互接合的两晶体晶体结构相同时，存在平行位向相互接合的两晶体晶体结构相同时，存在平行位向关系，比界面能各向同性。关系，比界面能各向同性。 相互接合的两晶体晶体结构不相同时，不同位向的相互接合的两晶体晶体结构不相同时，不同位向的错配度不同，比界面能具有各向异性。错配度不同，比界面能具有各向异性。 半共格界面的比界面能比共格界面大然而比非共格半共格界面的比界面能比共格界面大然

22、而比非共格界面小，界面小， 半共格界面为低指数密排面或较密排面。半共格界面为低指数密排面或较密排面。半共格界面配合模型半共格界面配合模型c 半共格配合关系半共格配合关系/aD aaa 半共格相界：半共格相界：两相结构相近而原子间距相差较大时，部分两相结构相近而原子间距相差较大时，部分保持匹配保持匹配错配度：错配度： 位错间距：位错间距：和和 分别表示相界面两侧分别表示相界面两侧的的 相和相和 相的点阵常数相的点阵常数当当 很小时，很小时，D D很大，两相很大，两相趋于共格关系，称为共格界趋于共格关系，称为共格界面当面当 很大时，很大时，DD很小，此很小，此时时 半共格相界上位错间距取决于相界处

23、两相匹配晶面的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。错配度。aa相和相和 相在相界面上完全失配，称为非共格界面相在相界面上完全失配，称为非共格界面弹性应变能：弹性应变能： 共格时共格时以应变能为主以应变能为主化学交互作用能：化学交互作用能： 非共非共格时的化学能为主格时的化学能为主相界能相界能非共格相界非共格相界两相在界面处的原子排列相差很大，两相在界面处的原子排列相差很大，大角度晶界大角度晶界、大颗、大颗粒第二相与基体的相界面、表面等均属于非共格界面。粒第二相与基体的相界面、表面等均属于非共格界面。被完全包围的第二相和基体的非共被完全包围的第二相和基体的非共格配合关系格配合关

24、系第三章第三章 习题习题 1、纯金属晶体中的主要点缺陷类型有哪几种？这些点缺陷对金属的结构和性能有哪些影响？ 2、 试说明滑移、攀移及交滑移的条件、过程和结果，并阐述如何确定位错滑移运动的方向。 3、若面心立方晶体中有b= 的单位位错以及b= 的不全位错，此两位错相遇产生位错反应。 （1）此反应能否进行？为什么？ （2）写出合成位错的柏氏矢量，并说明合成位错的性质。 4、若将一位错线的正方向定义为原来的反方向，位错的柏氏矢量是否改变？位错的类型性质是否变化？一个位错环上各点位错类型是否相同？ 5. 证明位错线不能终止在晶体内部。1012a1216a 6、 已知面心立方晶体中（111）面上有一柏氏矢量为b= 的单位位错，它分解为两个肖克莱不全位错，设晶体的切变模量G=7X1010Nm-2,点阵常数=3X10-10m，层错能=1X10-2Jm-2,泊松比。 （1写出此两个肖克莱不全位错的柏氏矢量。 （2）若该单位位错为纯刃型位错，试计算分解后两个肖克莱不全位错之间的平衡距离。 （3）若该单位位错为纯螺型位错，试计算分解后两个肖克莱不全位错之间的平衡距离。 7、写出位错反应a 0-11 /2+a 2-11/2 的反应结果，这个反应能否进行？形成的位错能不能滑动？为什么？1012a