相界面.doc

2. 共格界面 固态相变时，在新旧两相之间形成界面，三种主要的相界面类型及其结构如示意图6.2所示。 图6.2 母相α与新相β间的不同界面结构 （a）完全共格 （b）伸缩型半共格 （c）切变型半共格 （d）非共格 ① 共格界面：相界面上的原子同时位于两相晶格的共同阵点上，即界面上的原子保持完全匹配。只有在两相的晶体结构和晶格常数，特别是在界面上两相的晶体结构和晶格常数非常接近的情况下，才能形成完全共格界面。 ② 半共格界面：当两相在界面上的晶体结构或晶格常数差别增大时，这时若仍然维持共格界面，将会在共格界面附近引起很大的弹性应变能，使界面结构不稳定，从而演变为半共格界面（或称部分共格界面），其特点是，在界面相上出现了一些位错（称为界面位错或错配位错），以松弛因为共格引起的弹性应变能。可以看出，在位错附近的区域，原子不匹配（非共格区），在位错之间的区域，原子还是匹配的（共格区）。 ③ 非共格界面：当两相在界面上的晶体结构或晶格常数差别很大时，界面原子完全不匹配，形成非共格界面。这种界面与大角度晶界非常相似，大约由几个原子层厚的原子排列混乱区组成。 为描述两相在相界面上原子的匹配程度，引入界面错配度（或称点阵错配度）的概念，其定义为 （6.5） 式中，，分别为两相沿平行于界面同一晶向上的原子间距。δ越大，界面产生的应变能越大，界面便由共格界面逐渐演变为非共格界面。一般认为，δ＜0.05，相界面为共格界面；0.05＜δ＜0.25，为半共格界面；δ＞0.25，为非共格界面。 在半共格界面上存在着相互平行的刃型位错，假设刃型位错的平均距离为D，经过简单计算得 从此关系式可知，δ→0时，D→∞，界面上几乎没有位错，为共格界面；δ→∞时，D→0，界面位错密度太大足以使界面上原子排列非常混乱，成为非共格界面。 在三种相界面中，由于界面结构不同，界面性质也存在很大差异，这些都会影响固态相变的形核与生长过程。共格界面的原子匹配最好，界面能最低；非共格界面的原子匹配最差，界面能最高；半共格界面的界面能介于二者之间。与液态金属的形核很类似，为最大限度降低固态相变的形核功，最有效的途径就是形成界面能最低的晶核，这在形核中起重要作用。形成共格界面的相变阻力最小，形成非共格界面的相变阻力最大，这说明在相变的形核初期何以往往形成共格或半共格界面，这也是固态相变按阻力最小进行的有效途径之一。 事实上，完全共格界面只有在共格孪晶界上才能出现，除此而外的共格界面不可能是完全共格的，这是因为两相的晶体结构或者晶格常数总是存在一定的差异，因此在形成共格界面的同时，或多或少的会在共格界面附近的一定范围内产生一定量的弹性应变，出现弹性应变能。这种因相界面共格引起的，并且仅限制在相界面附近的弹性应变能称为共格应变能，以区别于因两相比容不同产生的比体积应变能。在通常情况下，为维持两相在界面上的共格关系，势必会引起很大的共格应变能。在共格界面的情况下，两相的错配度越大，共格应变能也越大。因此，共格界面的共格应变能最高，非共格界面的最低，半共格界面的介于二者之间，其顺序刚好与界面能顺序相反。 经过分析可得出这样结论：相变时，形成何种界面决定于界面能和共格应变能这一对矛盾因素。当形成共格界面使界面能的降低超过了所引起的共格应变能时，便形成共格界面，可以减小相变阻力；否则，便形成半共格或非共格界面，即使开始形成了共格界面也会自动破坏而转变为半共格或非共格界面。在相变的形核阶段，新相很细薄，由共格引起的应变能小，特别是当两相中有一相的弹性模量较小时更是如此，这就是为什么在形核阶段容易形成共格界面的基本原因。