材料晶界与界面.ppt

小角晶界的基本概念及基本公式 对对称倾倾斜晶界 倾斜晶界的特点是转轴在晶界 平面内 即 最简单的小角度晶界是对 称倾斜晶界 它由一系列 相同的刃型位错排列而成 其中 小角度晶界能量 不对对称倾倾斜晶界 需要柏氏矢量相互垂直的两组 位错来协调晶界两侧的晶体 相邻同组位错间的距离分别 为 与对称晶界类似 可以推导出不对 称小角度倾斜晶界的界面能为 和均与 有关 旋转晶界 扭转晶界 旋转晶界的特点是转轴垂直于晶界平面 即 螺型位错构成的旋 转晶界TEM照片 同样可以推导出 小角度旋转晶界的界面能为 小角度晶界界面能与 取向差的关系 A 常数 当 时 一般小角度晶界需 要用5个自由度 即 界面法线n 转轴l 和转角 来进行完 整的描述 一般小角度晶界 Frank公式 分析小角度晶界结构的基本公式 或 r 晶界平面中任一向量 d 是晶界平面中被 切割的所有位错伯氏矢量之和 Ni 伯氏矢量为bi的位错线 被 切割的数量 Frank公式 分析小角度晶界结构的基本公式 塑性变性过程中形成的小角度位错界面 力学分析 滑移几何学 Schmidt 因子 滑移系的开动 位错的滑移面及柏氏矢量 微观分析 晶体微区取向及取向差的测定 及 Frank公式 计算可能的位错结构模型 可能的柏氏矢量组合 最低能量的原理 形变位错界面 小角度晶界 的分析 不同取向晶粒拉伸变形的形变位错组织 形变金属中的位错界面 低变形量 形变金属中的位错界面 低变形量 形变金属中的位错界面 低变形量 形变金属中的位错界面 中变形量 形变金属中的位错界面 中变形量 形变金属中两类位错界面的取向差随形变量的变化 a 位错界面取向差的分布 b 位错界面间距的分布 c 位错界面平均角度与应变 的关系曲线 轧制变形材料中不同晶粒内位错界 面取向差转轴的分布及与TD的关系 大角度晶界模型 1 两种较早的定性模型 1 空洞式的模型 葛庭燧 1949年 晶界同晶粒本身的结构无原则上区别 只不过 再晶界上空位多一些而已 亦称为无序原子群 模型 主要的试验依据是 a 许多金属的自扩散激活 能在晶界上与晶内相差不多 b 内耗试验证实 了铝晶界的滑动具有粘滞性 且求得晶界厚度 约为4埃 几种金属的自扩散激活能 K mol 试样 晶内 晶界 Zn在 黄铜 中 4170041000 Fe的自扩 散 7800085000 Al的自扩散3750034500 2 小岛模型 Mott 1948年 晶界包含一个个直径约为几个原子间距的小晶 块 也就是小岛 他们本身的原子排列同晶界 两侧晶粒中的原子排列一样 但分散在与两边 晶粒中的原子排列不吻合的原子海中 也主要是为解释葛庭燧的内耗试验结果而提出 的唯象模型 2 重合位置点阵模型 1958年 Frank提出 Coincidence Site Lattice CSL 在一些特殊位向晶界中 有 一些原子同属于两边晶粒的格点 并自身形 成一超格点阵 描述重合位置点阵的参数 每 个晶格点 数有一个相符格点 即重合位置格点密度 的倒数 对于一个用重合位置描述的晶界 旋转轴 l hkl 转角 x y 为 hkl 面上重合位置点阵点的坐标 则 2tan 1 y x N1 2 x2 y2 N N h2 k2 l2 旋转晶界 举例1 53 10 l 001 5 n 001 x 2 y 1 N 1 x2 y2 N 5 tan 2 y x 0 5 53 10 举例2 36 90 l 001 5 n 001 x 3 y 1 N 1 32 12 1 10 对于立方晶体 只能是奇 数 所以 对于 5的晶界可由绕旋转 36 90或53 10来获得 tan 2 y x 1 3 36 90 倾斜晶界 例1 53 10 l 001 5 n 1 20 例2 36 90 l 001 5 n 1 30 立方晶体几种重合位置点阵 一个 41的晶界的TEM 照片 倾斜晶界能量随取向差角度的变化 a 旋转轴 b 旋转轴 倾斜晶界能量随取向差角度的变化 材料的相界面 相界面 共格 半共格 非共格界面 合金沉淀相析出过程中 析出相与基体之 间的界面状态一般经历共格 半共格 非共格 界面的变化过程 无应变的共格界面 a 化学成分不同 晶体 结构相同 b 两相的点阵类型不同 有微弱错配的共格界面 共格畸变 半共格界面 平行于界面 的错配由一系列刃型位错补偿 非共格界面 相界面一般用两相之间相互平行的一组晶 向与晶面 及相界面法线 一般称惯习面 来 描述 hkl A hkl B uvw A uvw B 惯习面法线 n 相界面的描述 典型的相界面关系 铁基合金中贝氏 体相变 马氏体相变 铝合金中沉淀析出 相之间的关系等 固态相变中所存在的材料两相之间典型位 向关系 1 FCC HCP转变 钴合金中相变 惯习面一般为 111 FCC或 0001 HCP 2 FCC BCC BCT 转变 Fe基合金中 马氏体相变 惯习 面偏离 111 FCC约5o 3 BCC HCP转变 Ti和Zr合金中的相变 惯习 面偏离 344 BCC 4o 马氏体相变几何关系图示 马氏体典型特征 马氏体典型特征 沉淀析出相模型 Al Cu合金在条件下时效处理后第二相的TEM照片 112 Nb 112 AlN 311 Nb 221 AlN 6111Al合金时效析出相的TEM照片 铝合金中析出的针状沿方向的第二相 Al合金中的一种与基体完全共格的第二相的TEM照片 第二相粒子的析出强化效果受到第二相粒子在基体 中的分布 尺寸及第二相粒子与基体的关系的影响 界面的能量 两种能量 结构能量 由共格引起的能量增加 化学能量 由化学键的变化引起的能量的变化 即 g总 g化学 g结构 二者决定了第二相粒子的形貌及该粒子与基体的 取向关系 从能量的角度考虑 基体与析出物间以各自的低 能面作为界面 比如已经发现的西山 N W 关系和K S关系 一个共格析出物 共格宽面上引起共格应变 第二相强化模型 多层膜之间的界面 多层膜间的高分辨TEM照片 。