3 第三章 材料表面与界面基本理论.ppt

晶界与界面 1.分类 大角晶界：相邻晶体位向差θ100 小角度晶界：位向差θ为2~100（位错模型 　　　　　　　解释） 亚晶界：位向差θ20 2.大角度晶界模型 大角度晶界中仍有周期性结构，重合位置点阵模型 重合位置点阵F7-4：相邻晶粒点阵延伸互相穿插，两晶粒位向转动一特定角度后，两晶粒的阵点有部分处于重合位置，由重合的阵点构成重合位置点阵。 大角晶界模型：晶界力求与重合点阵密排面重合，即使有偏离，晶界会台阶化，使大部分面积分段与密排面重合，中间以小台阶相连，如图AB、CD与重合点阵密排面重合，中间BC小台阶相连。 3.小角度晶界 对称倾侧晶界 、不对称倾侧晶界、 扭转晶界 对称倾侧晶界 由相隔一定距离刃型位置垂直排列组成 位错间距离D：与柏氏矢量及位向差关系, 已知晶体点阵常数，想法测出位错蚀坑距离，可计算位向差： 不对称倾侧晶界：两组不同方向的刃错组，两晶体各转θ/2后形成晶界，晶界与x轴成ψ角 扭转晶界：两晶体绕轴旋转后相差θ后螺型位错 。 网络组成扭转晶界示意图如下： 扭转晶界位错模型 4.亚晶界 每个晶粒中直径10~100μm的晶块（亚晶粒）之的界面 溶质原子优先聚集和第二相优生析出的地方可阻碍位错运动，影响材料力学性能 金属晶粒内的重结构示意图 5.晶界能 晶界上非正常结点位置原子引发晶格畸变，使能量升高 小角度晶界能EB：可由位错模型计算 EB=E0θ（A-lnθ），E0=Gb/4π（1-γ）， –A=EC4π（1-γ）/Gb2 ?EC为位错中心能量,金属晶界能与晶粒位向差θ的关系 实线测量值、虚线计算值 小于15~200 两者符合很好。 EB在小角时与位向敏感，大角度时为常数 三个晶界平衡时有 ：E1/sinφ1=E2/sinφ2=E3/sinφ3　　　　 6.少量第二相形状 A. 第二相基体晶粒内与基体完全不共格或完全共格，呈球状，与基体只有一个共有晶面，为减少界面能，第二相呈园盘状或片状 B.界面上第二相形状： 平衡时界面能的关系：γα-α=2γα-βcosθ/2 界面能γα-α/γα-β 比值的大小决定第二相β形貌 θ=180°，β呈球状 θ=0°，β呈连续薄膜 0θ180°，可形成不同形状第二相 C. 二面角的用途 （a）杂质在金属压力加工中影响 Cu中Bi有　热脆是因为Bi低熔点液相薄膜分布 （b）粉末冶金烧结时润湿性：选Co与WC （c）对焊料影响：焊接时用助焊剂使焊料润湿被焊金属表面 7.晶界偏聚平衡偏聚及非平衡偏聚 A. 平衡偏聚 平衡条件下由于溶质与溶剂原子尺寸相差很大，溶质原子在晶内、晶界的畸变能差很大，造成溶质原子在晶界富集 ，如Cu-1Sn%合金，：Sn的偏析，Sn的原子半径比Cu大9%， 发生严重点阵畸变 当Sn处于晶界时畸变能明显降低 畸变能的变化 B. 平衡偏聚公式 Cg=Co exp（dEs/RT） Cg：晶界上溶质原子浓度，Co晶内溶质原子浓度，dEs晶界、晶内能量差 C. 平衡偏聚特点 a. 由公式可见一定溶质浓度在一定温度下对应一定偏聚量 b. 温度升高时，偏聚量迅速下降，至一定温度后，偏聚消失 c. 溶质原子分布悬殊，偏聚时晶界浓度可比晶内高10~1000倍 d. 平衡偏聚层只1~2个或几个原子间距宽，与晶界层厚相当 D.非平衡偏聚 由于空位的存在，促使溶质原子向晶界迁移的偏聚，辐射或加热时产生大量空位在冷却时向晶界迁移并消失，同时拖着溶质原子运动，溶质原子富集在晶界。 E.非平衡偏聚特点： a. 偏聚范围大，在晶界上形成一定宽度偏聚带，达几微米，偏聚带两侧有溶质原子贫化区。 b. 非平衡偏聚在适当冷却速度下发生 c. 一定冷速下，淬火温度升高，由于空位增多，偏聚及贫化宽度增加 F. 晶界偏聚意义 对强韧性、晶间腐蚀、应力腐蚀、蠕变断裂强度、钢回火脆性，钢淬透性有重要影响： a. 纯铁中氧含量增至0.057%，由于氧在晶界偏聚降低晶界结合力，脆性转变温度提高至300℃以上，Ni-Cr合金钢经250~350℃回火后脆性增大，是因为P（磷）在奥氏体化时在晶界偏聚。 b. Ni3Al金属间化合物加入0.1%B后，B在晶界偏聚提高Ni3Al室温塑性 c. 中、低碳钢中加入0.0005~0.003%B可提高淬透性，即是硼（B）偏聚在晶界降低奥氏体晶界能，抑制奥氏体分解时的先共析铁素体形成 8.晶界的其它特性 a. 晶界熔点低，易过烧 b. 晶界是易扩散通道 c. 晶界易形核 d. 晶界易受腐蚀 e. 晶界常温下强化，高温下弱化 9.孪晶界：共格、非共格孪晶 A.共格孪晶界：界面上原子正好在两侧晶粒点阵位置上多通过形变后退火而形成，与堆垛层错密切相关，如fcc(111)面通常是ABCAB