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材料科学基础B晶体缺陷之三A解析
3.3 晶体中的界面 严格来说,界面包括外表面(自由表面)和内界面。表面是指固体材料与气体或液体的分界面,它与摩擦、磨损、氧化、腐蚀、偏析、催化、吸附现象,以及光学、微电子学等均密切相关;而内界面可分为晶粒边界和晶内的亚晶界、孪晶界、层错及相界面等。 界面通常包含几个原子层厚的区域,该区域内的原子排列甚至化学成分往往不同于晶体内部,又因它系二维结构分布,故也称为晶体的面缺陷。界面的存在对晶体的力学、物理和化学等性能产生重要的影响。 一.晶界的结构及晶界能 多数晶体物质是由许多晶粒所组成,属于同一固相但位向不同的晶粒之间的界面称为晶界,它是一种内界面;而每个晶粒有时又由若干个位向稍有差异的亚晶粒所组成,相邻亚晶粒间的界面称为亚晶界。晶粒的平均直径通常在0.015-0.25 mm范围内,而亚晶粒的平均直径则通常为0.001mm数量级。 二维平面中的晶界 三维空间中的晶界 根据相邻晶粒之间位向差的大小不同可将晶界分为两类: ①小角度晶界-相邻晶粒的位向差小于10o 晶界;亚晶界均属小角度晶界,一般小于2o ; ②大角度晶界一相邻晶粒的位向差大于10o 晶界,多晶体中90%以上的晶界属于此类。 1.小角度晶界的结构 按照相邻亚晶粒之间位向差的不同,可将小角度晶界分为倾斜晶界、扭转晶界和重合晶界(大角度晶界)等。它们的结构可用相应的模型来描述。 a.对称倾斜晶界 对称倾斜晶界可看作把晶界两侧晶体互相倾斜的结果。由于相邻两晶粒的位向差θ 角很小,其晶界可看成是由一列平行的刃型位错所构成。 b.不对称倾斜晶界 如果倾斜晶界的界面绕x轴转了一角度? ,则此时两晶粒之间的位向差仍为θ 角,但此时晶界的界面对于两个晶粒是不对称的,因此,称为不对称倾斜晶界。 它有两个自由度θ 和? 。该晶界结构可看成由两组柏氏矢量相互垂直的刃位错b┻b├交错排列而构成的。 c.扭转晶界 扭转晶界是小角度晶界的又一种类型。它可看成是两部分晶体绕某一轴在一个共同的晶面上相对扭转一个 ?角所构成的,扭转轴垂直于这一共同的晶面。 2.大角度晶界的结构 多晶体材料中各晶粒之间的晶界通常为大角度晶界。大角度晶界的结构较复杂,其中原子排列较不规则,不能用位错模型来描述。晶界可看成坏区与好区交替相间组合而成。随着位向差的增大,坏区的面积将相应增加。纯金属中大角度晶界的宽度不超过3个原子间距。 3.晶界能 晶界能定义为形成单位面积界面时,系统的自由能变化(dF/dA ),它等于界面区单位面积的能量减去无界面时该区单位面积的能量。 小角度晶界的能量主要来自位错能量,而位错密度又决定于晶粒间的位向差,所以,小角度晶界能也和位向差有关: 晶界能可以界面张力的形式来表现,且可以通过界面交角的测定求出它的相对值。 当3个晶粒相遇时,它们两两相交于一界面,3个界面相交于二个三叉界棱。在达到平衡状态时,O点处的界面张力必须达到力学平衡,即其矢量和为零,故 或: 因此,若取其中某一晶界能作为基准,则通过测量?角即可求得其他晶界的相对能量。 在平衡状态下,三叉晶界的各面角均趋向于最稳定的120度,此时,各晶粒之间的晶界能基本相等。 二.外表面 在晶体表面上,原子排列情况与晶内不同,表面原子会偏离其正常的平衡位置,并影响到邻近的几层原子,造成表层的点阵畸变,使它们的能量比内部原子高,这几层高能量的原子层称为表面。晶体表面单位面积自由能的增加称为表面能 (J/m2)。表面能也可理解为产生单位面积新表面所作的功: 式中dW为产生dS表面所作的功。表面能也可以单位长度上的表面张力(N/m)表示。 表面能与晶体表面原子排列致密程度有关,原子密排的表面具有最小的表面能。所以自由晶体暴露在外的表面通常是低表面能的原子密排晶面。 三.晶界的特性 1).晶界处点阵畸变大,存在着晶界能。因此,晶粒的长大和晶界的平直化都能减少晶界面积,从而降低晶界的总能量,这是一个自发过程。然而晶粒的长大和晶界的平直化均需通过原子的扩散来实现,因此,随着温度升高和保温时间的增长,均有利于这两过程的进行。 2).晶界处原子排列不规则,因此在常温下晶界的存在会对位错的运动起阻碍作用,致使塑性变形抗力提高,宏观表现为晶界较晶内具有较高的强度和硬度。晶粒愈细,材料的强度愈高,这就是细晶强化;而高温下则相反,因高温下晶界存在一定的粘滞性,易使相邻晶粒产生相对滑动。 3).晶界处原子偏离平衡位置,具有较高的动能,并且晶界处存在较多的缺陷如空穴、杂质原子和位错等,故晶界处原子的扩散速度比在晶内快得多。 4).在固态相变过程中,由于晶界能量较高且原子活动能力较大,所以新相易于在晶界处优先形核。显然,原始晶粒愈细,晶界愈多,则新相形核率也相应愈高。 5).由于成分偏析和内吸附现象,特别是晶界富集杂质原
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