材料科学基础 第三章 晶体缺陷 (七)PPT.ppt

第 三 章 晶 体 缺 陷 （七） — 表面与界面 烟台大学 秦连杰 E-mail：lianjieqin@126.com 本节要求掌握的主要内容 需掌握的概念以及难点 晶界的特性(大、小角度晶界)、孪晶界、相界的类型 3.3 表面与界面 面缺陷的特征：晶体材料中存在着许多界面，如（外）表面（surface）与内界面（interface）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，又因其在三维空间表现为一个方向上尺寸很小，另外两个方向上尺寸较大，故称为面缺陷（interfacial defects）。 面缺陷类型：表面(surface) — 指固体材料与气体或液体的分界面；内界面(interface) — 包括晶界(grain boundaries)、孪晶界(twin boundaries)、亚晶界（sub-boundaries）、相界(phase boundaries)及层错(stacking faults)等。 界面的存在对晶体的力学、物理和化学等性能产生着重要的影响。 表面(crystal surface)：固体材料与气体或液体的分界面 内界面(interface)：晶界、亚晶界、孪晶界、相界、层错 晶界(grain boundaries)：位向不同的相邻晶粒之间的界面。 亚晶界(sub-boundaries)：晶粒又可分为更小的亚晶粒。一般晶粒尺寸为15~25μm。亚晶粒尺寸为1μm。亚晶粒之间的界面称为亚晶界。 孪晶界(twin boundaries) ：相邻两晶粒的原子，相对一定晶面呈镜面对称排列，这两晶粒间的界面叫孪晶界。 相界(phase boundaries) :合金的组织往往由多个相组成，不同的相具有不同的晶体结构和化学成分，两个相之间的界面。 层错(stacking faults) : 面缺陷类型： 从原子结合的角度看，晶体表面结构的主要特点是存在着不饱和键力及范德瓦耳斯力。不论是金属晶体、离子晶体或者是共价晶体，由于表面原子的近邻原子数减少，其相应的结合键数也减少，或者说，结合键尚未饱和，因此表面原子有强烈的倾向与环境中的原子或分子相互作用，发生电子交换，使结合键趋于饱和。 晶体表面的范德瓦耳斯力可以作如下理解：晶体表层原子在不均匀力场作用下会偏离其平衡位置而移向晶体内部，但是正、负离子(或正、负电荷)偏离的程度不同，结果在晶体表面或多或少地产生了双电层。 3.3.1 外 表 面 表面 (crystal surface) 偏离平衡位置的并造成表层点阵畸变的且影响到邻近的能量比内部高的几层高能量的原子层。 表面能(γ）：晶体表面单位面积自由能的增加 3.3.1 外 表 面 影响γ的因素： (1) γ与晶体表面原子排列的致密程度有关。原子密排的表面具有最小的表面能。 (2) γ还与晶体表面曲率有关。曲率半径小,曲率大,γ愈大。 (3) 外部质的性质。介质不同,则γ不同。 (4) 还与晶体性质有关。晶体本身结合能高，则γ大。 3.3.2 晶界和亚晶界 单晶体：其内部晶格方位完全一致的晶体。 多晶体：由许多彼此方位不同、外形不规则 的小晶体组成的晶体结构。 这些小晶体称之为晶粒。 晶粒平均直径: 0.015-0.25mm 光学显微镜下纯铁组织 晶粒示意图 多晶体示意图 3.3.2 晶界和亚晶界 晶界(grain boundary)：属于同一固相但位向不同的晶粒之间的界面称为晶界(grain boundary)。 亚晶界(subgrain boundary) ：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(sub-grain boundary)。 晶粒的平均直径通常在0.015—0.25mm范围内，而亚晶粒的平均直径则通常为0.001mm的范围内。 在晶粒内部还存在许多位向差极小（1o）的亚结构，称为亚晶粒 根据晶界两侧晶粒位相差的不同可分为小角度晶界和 大角度晶界。亚晶界属于小角度晶界。 图 晶界与亚晶界示意图 3.3.2 晶界和亚晶界 确定晶界位置用：二维点阵中晶界位置可用两个晶粒的位向差θ和晶界相对于一个点阵某一平面的夹角φ来确定。根据相邻晶粒之间位向差θ角的大小不同可将晶界分为两类： 按θ的大小分类： 小角度晶界θ10o 大角度晶界θ10o 1、小角度晶界 小角度晶界（lo