第三章晶体缺陷表面与界面课堂版三.ppt

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第三章晶体缺陷表面与界面课堂版三

第五部分 表面与界面 表面及界面 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。 内界面:晶粒边界、晶内的亚晶界、孪晶界、层错、相界面等。 界面: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影响 表面: 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处于较高的能量状态,该表层结构称为表面。 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化。 常见金属的平均比表面能变化范围在1.1J/m2至5J/m2之间。 表面能的作用产生表面吸附现象 外表面的特点 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致 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 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,表面活性高 晶界 亚晶界 晶界:取向不同的晶粒之间的界面(内界面) 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晶界。(晶粒的平均直径0.015-0.25mm,亚晶粒则为0.001mm数量级) 晶界具有5个自由度:两晶粒的位相差(3),界面的取向(2) 小角度晶界 ?对称倾斜晶界 ?不对称倾斜晶界 ?扭转晶界 不对称倾斜晶界 扭转 晶界 ?纯扭转晶界和倾斜晶界的不同在于:倾斜晶界形成时,转轴在晶界内;扭转晶界的转轴则垂直于晶界。 一般小角度晶界都可看成两部分晶体绕某一轴旋转一角度而形成,不过该转轴即不平行也不垂直晶界,故可看成一系列刃位错,螺位错或混合位错的网络组成。 对称倾斜晶界和扭转晶界则属于特殊情况。 大角度晶界 High-angle grain boundary ?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 ?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距。 * 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,A,B,C,D特征区域 晶界能 晶界能:形成单位面积晶面时,系统Helmholtz自由能的变化,即dg/dA。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。 也可看成由于晶界上点阵畸变增加的那部分额外自由能。 小角度晶界的界面能 晶界的界面能的测量 晶界的平衡偏聚 晶界偏聚——内吸附(热力学平衡的偏聚) 特点:1)溶质浓度不变时,一定的T对应一定平衡晶界偏聚量 2)T↑偏聚量↓ , △E:溶质原子在晶界上的能量差, C:晶界浓度 C0:晶内浓度 3)晶界平衡偏聚量可以很显著 4)晶界偏聚区的范围约为4-几百埃 5)在某种情况下可产生晶界上溶质原子的贫化—负吸附 6)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 晶界特性 1)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发过程 2)晶界处原子排列不规则→阻碍塑性变形→Hb,sb↑(细晶强化) 3)晶界处存在较多缺陷(位错、空位等)→有利原子扩散 4)晶界能量高→固态相变先发生,d↓形核率↑ 5)晶界能高→晶界腐蚀速度↑ 亚晶界(Sub-grain boundary) 事实上每个晶粒中还可分成若干个更为细小的亚晶粒(0.001mm),亚晶粒之间存在着小的位相差,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。 位相差一般小于2o,属于小角度晶界,具有晶界的一般特征。 孪晶界 Twin boundary 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 孪晶的形成 孪晶的形成与堆垛层错密度相关,如fcc的{111}面发生堆垛层错时为ABCACBACBA △ △ △ △ △ △ △ → △ △ △ ▽ ▽ ▽ ▽ ▽ CAC处为堆垛层错 一般层错能高的晶体不易产生孪晶 相界 Phase Boundary 相邻晶体的晶体结构不同时,其界面称为相界面。 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结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。 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 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。 变化范围在0.01 J/m2到1.5 J/m2

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