材料科学基础第三章晶体缺陷七).ppt

第第 三三 章章 晶晶 体体 缺缺 陷陷 （七）（七） 表面与界面表面与界面 烟台大学烟台大学 秦连杰秦连杰E-mail：本节要求掌握的主要内容本节要求掌握的主要内容需掌握的概念以及难点需掌握的概念以及难点晶晶界界的的特特性性( (大大、小小角角度度晶晶界界) )、孪孪晶晶界界、相相界界的的类类型型3.3 表面与界面表面与界面 面面缺缺陷陷的的特特征征：晶晶体体材材料料中中存存在在着着许许多多界界面面，如如（外外）表表面面（surface）与与内内界界面面（interface）等等界界面面通通常常包包含含几几个个原原子子层层厚厚的的区区域域，该该区区域域内内的的原原子子排排列列甚甚至至化化学学成成分分往往往往不不同同于于晶晶体体内内部部，又又因因其其在在三三维维空空间间表表现现为为一一个个方方向向上上尺尺寸寸很很小小，另另外外两两个个方方向上尺寸较大，故称为面缺陷（向上尺寸较大，故称为面缺陷（interfacial defects） 面面缺缺陷陷类类型型：表表面面(surface) 指指固固体体材材料料与与气气体体或或液液体体的的分分界界面面；内内界界面面(interface) 包包括括晶晶界界(grain boundaries)、孪孪晶晶界界(twin boundaries)、亚亚晶晶界界（sub-boundaries）、相相界界(phase boundaries)及层错及层错(stacking faults)等。

等 界界面面的的存存在在对对晶晶体体的的力力学学、物物理理和和化化学学等等性性能能产产生生着着重重要的影响要的影响 表面表面表面表面(crystal surface)：固体材料与气体或液体的分界面：固体材料与气体或液体的分界面内界面内界面内界面内界面(interface)：晶界、亚晶界、孪晶界、相界、层错晶界、亚晶界、孪晶界、相界、层错晶界晶界晶界晶界(grain boundaries)：位向不同的相邻晶粒之间的界面位向不同的相邻晶粒之间的界面 亚亚亚亚晶晶晶晶界界界界(sub-boundaries)：晶晶粒粒又又可可分分为为更更小小的的亚亚晶晶粒粒一一般般晶晶粒粒尺尺寸寸为为1525m亚亚晶晶粒粒尺尺寸寸为为1m亚亚晶晶粒粒之之间间的的界界面称为亚晶界面称为亚晶界 孪孪孪孪晶晶晶晶界界界界(twin boundaries) ：相相邻邻两两晶晶粒粒的的原原子子，相相对对一一定定晶晶面呈镜面对称排列，这两晶粒间的界面叫孪晶界面呈镜面对称排列，这两晶粒间的界面叫孪晶界相相相相界界界界(phase boundaries) :合合金金的的组组织织往往往往由由多多个个相相组组成成，不不同的相具有不同的晶体结构和化学成分，两个相之间的界面。

同的相具有不同的晶体结构和化学成分，两个相之间的界面层错层错层错层错(stacking faults) :面缺陷类型：面缺陷类型： 从原子结合的角度看，晶体从原子结合的角度看，晶体表面结构的主要特点是存表面结构的主要特点是存在着不饱和键力及范德瓦耳斯力在着不饱和键力及范德瓦耳斯力不论是金属晶体、离子不论是金属晶体、离子晶体或者是共价晶体，由于表面原子的近邻原子数减少，晶体或者是共价晶体，由于表面原子的近邻原子数减少，其相应的结合键数也减少，或者说，结合键尚未饱和，因其相应的结合键数也减少，或者说，结合键尚未饱和，因此表面原子有强烈的倾向与环境中的原子或分子相互作用，此表面原子有强烈的倾向与环境中的原子或分子相互作用，发生电子交换，使结合键趋于饱和发生电子交换，使结合键趋于饱和 晶体表面的范德瓦耳斯力可以作如下理解：晶体表面的范德瓦耳斯力可以作如下理解：晶体表层晶体表层原子在不均匀力场作用下会偏离其平衡位置而移向晶体内原子在不均匀力场作用下会偏离其平衡位置而移向晶体内部，但是正、负离子部，但是正、负离子(或正、负电荷或正、负电荷)偏离的程度不同，结偏离的程度不同，结果在晶体表面或多或少地产生了双电层。

果在晶体表面或多或少地产生了双电层 图 离子晶体表面的双电层 3.3.1 外外 表表 面面 表面表面 (crystal surface) 偏偏离离平平衡衡位位置置的的并并造造成成表表层层点点阵阵畸畸变变的的且且影影响响到到邻邻近的能量比内部高的几层高能量的原子层近的能量比内部高的几层高能量的原子层表面能表面能(）：晶体表面单位面积自由能的增加）：晶体表面单位面积自由能的增加 3.3.1 外外 表表 面面 影响影响的因素：的因素：(1) 与与晶晶体体表表面面原原子子排排列列的的致致密密程程度度有有关关原原子子密密排的表面具有最小的表面能排的表面具有最小的表面能2) 还还与与晶晶体体表表面面曲曲率率有有关关曲曲率率半半径径小小,曲曲率率大大,愈愈大3) 外部质的性质介质不同外部质的性质介质不同,则则不同4) 还与晶体性质有关晶体本身结合能高，则还与晶体性质有关晶体本身结合能高，则大3.3.2 晶界和亚晶界晶界和亚晶界 单晶体：其内部晶格方位完全一致的晶体单晶体：其内部晶格方位完全一致的晶体多晶体：由许多彼此方位不同、外形不规则多晶体：由许多彼此方位不同、外形不规则 的小晶体组成的晶体结构的小晶体组成的晶体结构。

这些小晶体称之为晶粒这些小晶体称之为晶粒 晶粒平均直径晶粒平均直径: 0.015-0.25mm光学显微镜下纯铁组织光学显微镜下纯铁组织晶晶粒粒示示意意图图多晶体示意图多晶体示意图3.3.2 晶界和亚晶界晶界和亚晶界 u晶晶界界(grain boundary)：属属于于同同一一固固相相但但位位向向不不同同的的晶粒之间的界面称为晶界晶粒之间的界面称为晶界(grain boundary)u亚亚晶晶界界(subgrain boundary) ：每每个个晶晶粒粒有有时时又又由由若若干干个个位位向向稍稍有有差差异异的的亚亚晶晶粒粒所所组组成成，相相邻邻亚亚晶晶粒粒间间的界面称为亚晶界的界面称为亚晶界(sub-grain boundary)晶晶粒粒的的平平均均直直径径通通常常在在0.0150.25mm范范围围内内，而而亚晶粒的平均直径则通常为亚晶粒的平均直径则通常为0.001mm的范围内的范围内在晶粒内部还存在许多位向差极小（在晶粒内部还存在许多位向差极小（1）的亚结构，称为）的亚结构，称为亚晶粒亚晶粒亚晶粒亚晶粒 根据晶界两侧晶粒位相差的不同可分为小角度晶界和根据晶界两侧晶粒位相差的不同可分为小角度晶界和大角度晶界。

亚晶界属于小角度晶界大角度晶界亚晶界属于小角度晶界图 晶界与亚晶界示意图3.3.2 晶界和亚晶界晶界和亚晶界 确确定定晶晶界界位位置置用用：二二维维点点阵阵中中晶晶界界位位置置可可用用两两个个晶晶粒粒的的位位向向差差和和晶晶界界相相对对于于一一个个点点阵阵某某一一平平面面的的夹夹角角来来确确定定根根据据相相邻邻晶晶粒粒之之间间位位向向差差角的大小不同可将晶界分为两类：角的大小不同可将晶界分为两类： 按按的大小分类：的大小分类： 小角度晶界小角度晶界101 1、小角度晶界、小角度晶界 小小角角度度晶晶界界（low angle grain boundaries ）：由一系列相隔一定距离的刃型位错所组成由一系列相隔一定距离的刃型位错所组成 分类：分类： (1)对对称称倾倾斜斜界界面面（tilt boundary）：晶晶界界平平面面为为两两个个相相邻邻晶晶粒粒的的对对称称面面是是由由一一列列平平行行的的刃刃型型位位错错所所组成相邻位错距离组成相邻位错距离D与与 b、之间关系：之间关系：对称倾侧晶界对称倾侧晶界 (2)不不对对称称倾倾斜斜界界面面：两两晶晶粒粒不不以以二二者者晶晶界界为为对对称称的的晶晶界界看看成成两两组组 互互相相垂垂直直的的刃刃型型位位错错排排列列而而成成的。

两位错各自的间距为的两位错各自的间距为D和和D，则有：，则有： (3)扭扭转转晶晶界界（twist boundary） ：将将一一块块晶晶体体沿沿横横断断面面切切开开,并并使使上上下下部部分分晶晶体体绕绕轴轴转转动动角角,再再与与下下部部分分不不动动晶晶体体粘粘在在一一起起形形成成可可看看成成是是由由互互相相交叉的螺位错所组成交叉的螺位错所组成2、 大角度晶界大角度晶界 大大角角度度晶晶界界（high angle grain boundaries ）为为原原子子呈呈不不规规则则排排列列的的一一过过渡渡层层大大多多数数晶晶粒粒之之间间的晶界都属于大角度晶界的晶界都属于大角度晶界重重合合位位置置点点阵阵（coincidence site lattice）模模型型：图图3.65， 该该模模型型说说明明，在在大大角角度度晶晶界界结结构构中中将将存在一定数量重合点阵原子存在一定数量重合点阵原子 晶体结构旋转轴转动角度 （度）重合位 置密度体心立方10011011011011111136.970.538.950.560.038.21/51/31/91/111/31/7面心 立方10011011111136.938.960.038.21/51/91/71/7大角度晶界大角度晶界3、晶界能、晶界能 晶界能：晶界能：形成单位面积界面时，系统的自由能变化。

形成单位面积界面时，系统的自由能变化单位：单位：J/3、晶界能、晶界能 由图看出，小角晶由图看出，小角晶由图看出，小角晶由图看出，小角晶界模型只能在界模型只能在界模型只能在界模型只能在1010以内以内以内以内符合，超出符合，超出符合，超出符合，超出1010，计算，计算，计算，计算值（虚线）与实验值值（虚线）与实验值值（虚线）与实验值值（虚线）与实验值( (实线实线实线实线) )不再符合公式不再符合公式不再符合公式不再符合公式对扭转晶界也适用，但对扭转晶界也适用，但对扭转晶界也适用，但对扭转晶界也适用，但位错能相关的系数位错能相关的系数位错能相关的系数位错能相关的系数 0 0和和和和A A不同3、晶界能、晶界能 大角度晶界能量与大角度晶界能量与无关，基本上为一恒定值，无关，基本上为一恒定值，0.25-1.0 J/；在平衡状态时，；在平衡状态时，三叉晶界的各面角三叉晶界的各面角均趋与稳定均趋与稳定状态，此时状态，此时1 = 2 = 3 = 120u 利用三角形的正弦定理，以及诱导公式4、晶界特征、晶界特征 （1）晶界处点畸变大，存在晶界能晶界处点畸变大，存在晶界能2）常常温温下下晶晶界界的的存存在在会会对对位位错错的的运运动动起起阻阻碍碍运运动动，使使塑塑型型变形抗力提高，使晶体（材料）的硬度和强度提高。

变形抗力提高，使晶体（材料）的硬度和强度提高3）晶晶界界处处原原子子具具有有较较高高的的动动能能，且且晶晶界界处处存存在在大大量量缺缺陷陷原子在晶界处扩散比晶内快得多原子在晶界处扩散比晶内快得多4）固态相变时易在晶界处形成新核固态相变时易在晶界处形成新核5）晶界上富集杂质原子多，熔点低，加热时容易过烧晶界上富集杂质原子多，熔点低，加热时容易过烧6）晶界腐蚀速度比晶内快晶界腐蚀速度比晶内快7）晶界具有不同与晶内的物理性质晶界具有不同与晶内的物理性质亚晶界属与小角度晶界，为各种亚结构的交界，大小亚晶界属与小角度晶界，为各种亚结构的交界，大小和尺寸与热加工条件有关和尺寸与热加工条件有关亚晶界亚晶界5、界面对材料性能的影响、界面对材料性能的影响界面是晶体中的面缺陷界面是晶体中的面缺陷，对晶体材料的性质和转变过程有重要影响，对晶体材料的性质和转变过程有重要影响; ;界面阻碍位错运动，引起界面强化，提高材料的强度界面阻碍位错运动，引起界面强化，提高材料的强度界面阻碍变界面阻碍变形形，使变形分布均匀、，使变形分布均匀、提高材料的塑性，强度提高材料的塑性，强度、塑性的提高相应使、塑性的提高相应使材料材料韧性韧性也得到改善。

因此，界面的增加，得到细晶组织，可大大也得到改。