材料微观结构第六章界面的电子显微学研究1.ppt

第六章 界面的电子显微学研究 6.1 引言 在晶体中，除了点缺陷和位错外，还存在有面缺陷，界面就是一种二维的面缺陷。固态材料中的重要界面有以下三类： ? （1）表面：指所研究的金属材料系统与周围气相或液相介质的接触面。 ? （2）晶界、亚晶界：指多晶体材料内部，结构及成分相同，而位向不同的两部分晶体之间的界面。 ? （3）相界：指晶体材料内部不仅位向不同，而且结构不同，甚至成分也不同的两部分晶体之间的界面。在纯金属的同素异晶转变过程中出现的相界面，其两侧仅结构不同；而合金相的相界两侧，除结构不同外，往往成分也不相同。 此外，还有孪晶界、反相畴界，层错界、胞壁等等。 晶界 根据晶界结构特点，晶界类型的划分有多种方法：?? （l）根据两相邻晶粒位向差的大小，而分为小角度晶界（θ10°）和大角度晶界（θ10°）。?? （2）根据两相邻晶粒位向差性质，而分为倾斜晶界、扭转晶界、混合晶界。?? （3）根据晶界两侧原子匹配程度δ，而分为共格、半共格、非共格晶界。 小角晶界 小角度晶界的结构可以用位错模型来解释，即小角度晶界可以看作是由一系列位错所组成。? （1）对称倾侧晶界 对称倾侧晶界相当于两部分晶体，沿着平行于界面的某一轴线，各自转过方向相反的θ／2而形成的。两晶粒位向差为θ，如下图1所示。此晶界相当于两个晶粒的对称面，它只有一个自由度θ。对称倾侧晶界是由一系列平行等距的刃位错垂直排列而组成，如下图2所示。位错间距D与柏氏矢量和位向差之间有如下关系： D=b/[2sin(θ/2)] 位向差θ很小时， D≈b/θ。 可以设想，当位向差θ很大时，位错间距离D很小，位错密度很大。 （2）不对称倾侧晶界 如果晶界面不是两个晶粒的对称面,而是和对称面之间有一个角度Φ的任意面,如图3所示。此晶界和其中一个晶粒中的[100]之间的夹角为（Φ+θ/2），而和另一个晶粒中的[100]之间夹角为（Φ－θ/2）。这种晶界有 2个自由度，即位向差θ和确定晶界相对于某一晶粒位向的角Φ，这种晶界称为不对称的倾侧晶界。 （3）扭转晶界 假设一块晶体，中间沿某一晶面切开，分成两块晶体，然后绕垂直 晶面的一中心轴旋转一个角度θ，此时两块晶体之间形成的界面称为扭转晶界。这种晶界的自由度为1，即位向差θ。扭转晶界是由两组正交螺位错所组成的网络构成的。它和倾侧晶界的区别在于转轴不同，倾侧晶界形成时，转轴在晶界内，而扭转晶界的转轴垂直于晶界。 大角晶界 由于大角度晶界的结构复杂，过去虽提出过一些模型，但均未能给出晶界结构的清晰细节，也未能圆满地解释晶界的一些性质。 直至近些年来，根据场离子显微镜的观察；表明大角度晶界也只是几个?的很窄的一个过渡区，其中由原子规则排列的“好区”与紊乱排列的“坏区”组成。有人提出了大角度晶界重合位置点阵模型，所谓重合位置点阵是将两个晶粒的点阵，分别向空间延伸，使其相互穿插，则其中有些点阵会相互重合。这些重合位置的阵点构成了一个新的空间点阵，它的晶胞一般是很大的，而这种大晶胞对说明晶界结构不起什么作用。但如果这两个相邻晶粒具有特殊的取向关系，则重合位置点阵晶胞可以大大缩小。 孪晶界 共格孪晶界：如图所示共格孪晶界就是孪生面，两侧晶体以此面为对称面，构成镜面对称关系。在孪晶面上的 原子同时位于两个晶体点阵的结点上，为两晶体所共有，自然地完全匹配，使此孪晶面成为无畸变的完全共格界面。它的能量很低，很稳定。 非共格孪晶界：当孪生切变区与基体的界面不和孪生面重合时，这种界面称为非共格孪生面，它是孪生过程中的运动界面。随非共格孪生面的移动，孪晶长大。非共格孪晶界是一系列不全位错组成的位错壁，孪晶界移动就是不全位错的运动。 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： γ=γ0θ(A-lnθ) 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。 4．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