表面晶界
晶界扩散,表面扩散,晶格扩散
晶界扩散,表面扩散,晶格扩散一、概述晶体的扩散是指物质在固体中的原子或离子通过空位、晶界或表面跳跃运动而实现的进出过程。
它是固体材料中重要的物质迁移方式，直接影响着材料的物理性质和工程性能。
晶体扩散可分为晶格扩散、晶界扩散和表面扩散。
本文将对这三种扩散进行系统地分析和探讨。
二、晶格扩散1. 晶格扩散的概念晶格扩散是指晶体内部原子或离子在晶体点阵结构中进行跳跃运动，从而造成物质扩散的过程。
其过程涉及到晶体中原子在原子位点、晶格间隙和空位之间的迁移。
2. 晶格扩散的因素晶格扩散的速率受到晶体结构、温度和化学势的影响。
晶格扩散的速率与温度成正比，与化学势成正比，与晶体结构和形态有关。
在同一温度条件下，金属材料中，晶界扩散速率大于陶瓷材料，而陶瓷材料中，离子晶体的晶格扩散速率大于共价晶体。
3. 晶格扩散的应用晶格扩散在材料科学和工程中有着广泛的应用，例如在金属材料的淬火过程中，通过控制晶体内的原子扩散，可以改变金属的物理性质和机械性能，以满足不同的工程需求。
三、晶界扩散1. 晶界扩散的概念晶界扩散是指晶体内部原子或离子沿着晶界进行迁移的过程，这种扩散方式是晶体中最主要的扩散方式之一。
晶界扩散与晶格扩散相比，离子或原子在晶界上的迁移往往速率更快。
2. 晶界扩散的影响晶界扩散对晶体的晶粒长大和再结晶过程有着重要的影响。
在高温下，晶界扩散会导致晶粒的长大和晶界迁移，从而影响材料的塑性变形和力学性能。
在金属材料的热处理过程中，晶界扩散也起着至关重要的作用。
3. 晶界扩散的应用在材料的界面工程中，通过控制晶界扩散，可以改变材料的界面性质，提高材料的界面结合强度和耐磨性。
晶界扩散还广泛应用于半导体材料的制备和微电子器件的制造。
四、表面扩散1. 表面扩散的概念表面扩散是指原子、离子或分子在晶体表面进行迁移的过程。
表面扩散与晶格扩散和晶界扩散相比，具有独特的表面形貌和表面活性，其速率受到表面结构和温度的影响。
2. 表面扩散的影响表面扩散在材料加工、质量控制和薄膜沉积等方面具有重要的影响。
材料表面与界面晶界偏析的作用
淬透性：
微量硼对低碳贝氏体钢过冷奥氏体转变的影响
微量硼能抑制铁素体的形核，使“C”曲线右移，从而改变其基本形 状，具有自己独特的“C”曲线；微量的硼能够明显地提高钢的淬硬 性，随冷速的加大，硬度逐渐提高，组织由上贝氏体过渡到板条贝 氏体，具有更好的强韧性协同作用。
超低碳微合金钢中硼的偏聚
首先, 淬火等温保持时, 晶界会出现非平衡偏聚偏聚量随时间增加而从小 到大, 直至某个峰值峰值出现的早晚与等温温度有关达到峰值后, 随时间 延长偏聚可能消失,也可能转变成析出态。淬火等温时晶界上溶质反常偏 聚量比连续冷却时少, 两侧贫化区也不明显其次, 随等温保持温度的升高, 淬火与等温温差减少, 晶界偏聚量峰值下降等温时预变形也会引起相似的 偏聚。
晶界非平衡偏聚
平衡偏聚： 平衡偏聚现象是一种热力学平衡现象，当溶质原子与晶界之间有相互作用 时，就会在晶界上产生溶质富集或贫化现象其主要特点是富集程度只取决 于系统平衡参数，与材料经历的历史过程无关，因此随系统参数的变化可 以完全重复或可逆(即消失与产生)。
非平衡偏聚： 非平衡偏聚是一种动力学过程也有人称为动态偏聚，是指由于各种外界因素 如温度、应力、辐照等的变化引起某种溶质原子在晶界或相界的化学位不同， 从而造成元素再分布的现象。
硫在铁中生成低熔点的硫化物，并与基体形成熔点更低的共晶体， 因为熔点低，这种共晶体常常汇集在晶界处，形成富集。由于低熔 点共晶体的存在，使钢材的高温性能和热加工工艺性能恶化。产生 “热脆”。所以要尽量减少硫的含量。 磷在钢中会引起冷脆性。也 需要严格控制。
非平衡偏聚的影响因素： 空位、杂质原子、空位和杂质原子复合体
元素特别是微量元素在晶界上的偏聚对工程材料的力学行为有着深刻的 影响, 多年来这一直是冶金工作者和材料科学工作者感兴趣的问题例如, 引起沿晶脆断的原因有回火脆、蠕变空洞降、应力释放开裂和晶间应力 腐蚀开裂例等, 已经证实微量元素As,P,Sn和Sb在晶界上的偏聚对这些问 题起作用,少量Se,Te,Ge和等元素对材料的力学性能有害。也发现有些元 素在晶界上的偏聚会给材料的力学性能带来有益的影响, 如微量硼在晶 界的偏聚可以提高钢的淬透性, 提高耐热钢与合金高温强度和蠕变性能 等因此研究元素在晶界上的偏聚有着重要的实际意义
材料科学基础第三章晶体缺陷
够的能量而跳入空位，并占据这个平衡位置，这时在这个原 子的原来位置上，就形成一个空位。这一过程可以看作是空 位向邻近结点的迁移。
在运动过程中，当间隙原子与一个空位相遇时，它将落入
这个空位，而使两者都消失，这一过程称为复合，或湮没。
（a）原来位置；
（b）中间位置；
（c）迁移后位置
图 空位从位置A迁移到B
2 Ar a 3 N A 8.57 (3.294108 )3 6.0231023 x 1 2 Ar 2 92.91 7.1766103 106 7.1766103 7176 .6(个） 所以， 106 个Nb中有7176 .6个空位。
a NA
作业：
二.本章重点及难点 1、点缺陷的形成与平衡浓度 2、位错类型的判断及其特征、伯氏矢量的特征和物理意义 3、位错源、位错的增殖(F-R源、双交滑移机制等)和运动、 交割
4、关于位错的应力场可作为一般了解
5、晶界的特性(大、小角度晶界)、孪晶界、相界的类型
维纳斯“无臂” 之美更深入人心
处处留心皆学问
2.点缺陷的形成（本征缺陷的形成）
点缺陷形成最重要的环节是原子的振动 原子的热振动
（以一定的频率和振幅作振动）
原子被束缚在它的平衡位置上，但原子却在做着挣脱
束缚的努力
点缺陷形成的驱动力：温度、离子轰击、冷加工
在外界驱动力作用下，哪个原子能够挣脱束缚，脱离
平衡位置是不确定的，宏观上说这是一种几率分布
刃型位错的特点：
1).刃型位错有一个额外的半原子面。其实正、负之分只具 相对意义而无本质的区别。 2).刃型位错线可理解为晶体中已滑移区与未滑移区的边界 线。它不一定是直线，也可以是折线或曲线，但它必与滑移 方向相垂直，也垂直于滑移矢量。
3.3 面缺陷
推广：一般的小角度晶界，其旋转轴和界面可以有任意的取向关系，因 此结构特点是由刃位错、螺位错或混合位错组成的二维位错网所组成。 ——此为小角度晶界的位错模型
2.大角度晶界
相邻晶粒的位向差大于10°
的晶界称为大角度晶界。 大角度晶界的结构较复杂， 原子排列很不规则，由不规则 的台阶组成的。晶界可看成坏 区与好区交替相间组合而成。
，它与气相(或液相)接触，处于不均匀的力场之中，其能量
较高，高出的能量称为表面自由能。 晶体中不同晶面的表面能数值不同，这是由于表面能的本 质是表面原子的不饱和键，而不同晶面上的原子密度不同， 密排面的原子密度最大，则该面上任一原子与相邻晶面原子
的作用键数最少，故以密排面作为表面时不饱和键数最少，
几何特征是相邻两晶粒相对于 晶界作旋转，转轴在晶界内并 与位错线平行。 为了填补相邻两个晶粒取向之 间的偏差，使原子的排列尽可 能接近原来的完整晶格，每隔 几行就插入一片原子。
图 简单立方晶体中的 对称倾斜晶界
对称倾斜晶界是最简单的小角度晶界
（symmetrical tilt boundary）， 这种晶界的结构特点是由一系列平行等距离排列的
相邻两晶粒的取向差仍是很小的θ角， 但界面两侧晶粒是不对称的。
界面与左侧晶粒 [1 00] 轴向夹角为φ-θ/2， 与右侧晶粒的[100]成φ+θ/2
晶界平面是任意面 转轴是[001]
结构特点是： 由两组相互垂直的刃位错所组 成。
简单立方晶体扭转晶界
旋转θ角 晶面平面是（001）面，转轴是[001] 两者互相垂直 形成：扭转后，为了降低原子错排引起的 能量增加，晶面内的原子会适当位移以确 保尽可能多的原子恢复到平衡位置（此即 结构弛豫），不能回到平衡位置的，最后 形成两组相互垂直分布的螺位错。 结构特点： 晶界是由两组相互垂直的螺位错构成的网络
晶体缺陷【材料科学基础】
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大角度晶界
¾ ¾ 9 9
大角度晶界的结构较复杂，其中原子排列较不规则。 有关大角度晶界的结构，人们曾提出许多模型： 早期：认为晶界是由一层很薄（几个原子间距）的非晶 质组成。 后来： 过渡结构模型：晶界原子分布同时受两相邻晶粒位向的 影响，处于折中位置。 小岛结构模型：晶界中的一部分原子与其相邻两边界的 点阵匹配排列，成为好区；有的部分（岛屿）原子排列 较混乱，成为坏区。好区与坏区交替相间组成晶界。
相界能低（畸变非常小）。
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半共格相界
定义：两相结构相近而原子 间距相差较大，在相界面上 出现了一些刃位错。（界面 上两相原子部分匹配） 相界能较高（有畸变）。相 界面上的原子共格关系主要 通过一组刃位错调整和维持。
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半共格相界上位错间距D取决于相界处两相匹配晶 面的错配度（δ） 。 相界两侧原子的不匹配程度
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晶界的性质
晶界能：形成单位面积晶界时所增加的能量。 ¾ 小角度晶界的晶界能： 小角度晶界的能量主要来自位错能量（形成位错的 能量和将位错排成有关组态所作的功），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：
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可见，小角度晶界的界面能随位向差增加而增大。
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大角度晶界的晶界能： 9 基本恒定，约在0.25~1.0J/m2范围内，与晶粒 之间的位向差无关。 9 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。三个晶粒相交于一 点，界面张力达到平衡时：
9
界面结构：溶质原子在大角度晶界中偏聚严重。
27
¾ ¾ ¾ ¾ ¾
晶界的其它特性： 晶界的扩散激活能约为晶内的一半，晶界处原子的 扩散速度比在晶内快得多。 随温度升高，保温时间延长，晶界发生迁移，晶粒 要长大，晶界平直化；晶界可能熔化（过烧）。 新相易在晶界处优先形核（晶界能量高，原子活动 能力大）。 晶界具有较低的抗腐蚀能力。 晶界阻碍位错运动，使金属具有较高的塑变抗力。
第八章 表面、相界和晶界
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（3）清洁表面 清洁表面是指不存在任何吸附、催化反应、杂质扩散等 物理化学效应的表面。这种清洁表面的化学组成与体内 相同，但周期结构可以不同于体内。根据表面原子的排 列，清洁表面又可分为：
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（2）原因 液膜中不仅有凹面，还有凸面。设凹的曲率半径为
r1，凸面的半径为r2。对于非球面： Ρs＝γ(1/r2-1/r1) r :主曲率半径。
当液膜非常薄时, r2»r1 ,或r2＝∞, 即为两块相互平行的 平板间的液体液面
Ρ＝-γ/r1 负号表示液内压力小，相当于两边给玻璃有正的γ/r1 的推力，这一推力使二块玻璃拉近拉紧。
于B/r3 , 故范得华力只表现出引力作用。
对不同物质，上述三种作用并非均等的。例如对 于非极性分子，定向作用和诱导作用很小，可以忽 略，主要是分散作用。
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二、固体的表面结构 1.表面结构
（1）静态表面原子状态 1）表面:是指（固体）晶体的三维周期性结构开始破坏一直
到真空之间的整个过渡区域，其厚度一般为几个原子层。 2）静态表面原子状态：是指在0K时，表面原子静止地（无
开尔文公式的结论说明凸面蒸气压＞平面＞凹面 由于颗粒表面各处的曲率不同，按开尔文公式可
知，各处相应的蒸气压大小也不同。故质点容易从 高能阶的凸处（如表面）蒸发，然后通过气相传递 到低能阶的凹处(如颈部）凝结，使颗粒的接触面 增大，颗粒和空隙形状改变而使成型体变成具有一 定几何形状和性能的烧结体。这一过程也称蒸发冷凝。
多数情况下吸附是介于上述二者之间，即在固体吸附剂 和吸附物之间共有电子，并且经常是不对称的。
高等固体物理-第二章-材料的晶界、相界和表面
实际上两相之间并不存在截然的分界面 , 相与相之间是个逐步过渡的区域，界面区 域结构、能量、组成等都呈现连续性梯度 的变化。因此，表/界面不是几何学上的平 面，而是一个结构复杂，厚度约为几个分 子线度的准三维区域，因此常把界面区域 当作一个相或层来处理，称作界面相或界 面层。
按照固体的表面行为及结构，通常可以把表 面分为以下三类： 理想表面：没有杂质的单晶，作为零级近似可将清 洁表面定义为一个理想表面。这是一种理论上的结 构完整的二维点阵平面。 清洁表面：指不存在任何吸附、催化反应、杂质扩 散等物理化学效应的表面。这种清洁表面的化学组 成与体内相同，但周期结构可以不同于体内。真实 的清洁表面与理想表面间主要存在如下不同：表面 结构弛豫 ；表面结构重构 ；表面结构偏析 。 吸附表面：吸附表面有时也称界面。它是在清洁表 面上有来自体内扩散到表面的杂质和来自表面周围 空间吸附在表面上的质点所构成的表面。一般可分 为顶吸附、桥吸附、填充吸附和中心吸附等。
固体的表面行为
液体在固体表面上的吸附行为
1.1.2 固体的表面结构
固体表面的结构和性质 在很多方面都与固体内 部存在显著的不同。研 究其结构是认识固体性 质的重要手段。
晶体内部的三维平移对 称性在晶体表面消失了。 因此固体表面为晶体三 维周期结构和真空之间 的过渡区域。
图1 不均匀表面的示意图
目录（contents）
材料中的晶界、相界与表面
1、晶界、相界和表面的定义
2、晶界、相界和表面的物理化学性质 3、晶界、相界和表面的形成特征
4、复合体系的界面结合特性
一、晶界、相界和表面的定义
1.1 固体的表面 表面定义:广义上的表面被视为一种特殊界面，即凝聚 相与气相（或真空）之间的分界面。 表面问题在材料研究、生产、使用过程中显得十 分重要，比如：固体物料之间的化学反应、溶质的浸 润及吸附等现象都在表面进行。 表/界面的划分
材料科学基础-5-晶体的界面
§5.3 晶体的界面晶 界孪晶界相 界小角度晶界大角度晶界外表面内界面固体的表面与界面固体的接触界面一般可分为表面、界面和相界面：1）表面: 表面是指固体(三维结构)与真空的界面。
2）界面: 相邻两个结晶空间的交界面称为“界面”。
n界面不只是指一个几何分界面，而是指一个薄层，这种分界的表面（界面）具有和它两边基体不同的特殊性质。
n物体界面原子和内部原子受到的作用力不同，它们的能量状态也就不一样，这是一切界面现象存在的原因。
n界面是晶体中的二维缺陷，是一种不平衡缺陷。
高倍电子显微镜下聚四氟乙烯表面结构图n CVD 氧化铝涂层剖面n 氧化铝涂层表面1µm相界面3）相界面: 相邻相之间的交界面称为相界面。
相界面有三类: 固相与固相的相界面（s／S）；固相与气相之间的相界面（s／V）；固相与液相之间的相界面（s／L）。
液-液界面液-固界面（一）晶界与亚晶界•晶界：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：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)（二）晶界的分类与结构小角度晶界——相邻晶粒的位向差小于10°的晶界；亚晶界均属小角度晶界，一般小于2°；大角度晶界——相邻晶粒的位向差大于10°的晶界；多晶体中90％以上的晶界属于此类。
倾斜晶界与扭转晶界示意图1. 小角度晶界小角晶界分类对称倾斜晶界不对称倾斜晶界扭转晶界相邻晶粒各转θ/2b 不对称倾斜晶界相互垂直的两组刃位错垂直排列c 扭转晶界两组螺位错构成小角度晶界特点1. 位向差小于10°2. 由位错构成3.位错密度↑—— 位向差↑——晶格畸变↑——晶界能↑注：位错密度 —— 决定位向差与晶界能位错类型与排列方式 —— 决定小角晶界的类型晶界的显微照片晶界的高分辨TEMNi0.76Al0.24:500ppm B 的小角晶界（倾斜7°）2. 大角度晶界——一般在30°~ 40°重合点阵模型↓重合点阵+台阶模型↓重合点阵+台阶+小角晶界模型Ni3(Al－Ti)中的倾斜晶界 —— 旋转36.87°，重合5重位晶界三个晶界相交于一条直线（三）晶界能切变模量积分常数泊松比单位面积能量小角度晶界θ＜15°γ0（常数）界面张力晶界能在0.25~1.0J/m 2与θ无关，为定值大角度晶界多晶体材料的晶界均属于大角晶界，界面能大致相等，尽管在交汇处应互成120o，但晶粒大小不同，邻近晶粒数也不等，晶界不成直线，而形成不同方向的曲线(曲面)。
材料物理化学 表面与界面 习题
球状较稳定，还是在境界上呈双球冠形较为稳定？
（b）如果 β 在晶界上呈薄膜状，情况又将如何？
解：（a）若设 γ αβ 为 α-β 界面上的表面张力； γ αα 为 α -α 界面上的表面张力。 当 β 相为球冠状存在于晶界上时，如图 5-12-1 示，表面能为：
（γ
）
A晶
界
＝
2[
2
r
2 α
β
(1
3）真实表面：它是在清洁表面上有来自体内扩散到表面的杂质和来自表面周围空 间吸附在表面上的质点所构成的表面。根据原子在基底上的吸附位置，一般可分为四种 吸附情况，即顶吸附、桥吸附、填充吸附和中心吸附等。
4、固体表面的驰豫与无机超细粉体性能之间有何关系？ 解：由于固相的三维周期性在固体表面处突然中断，表面上原子产生的相对于正常
位置的上、下位移，称为表面弛豫。
材料物理化学
湖南工学院
粉体：微细的固体微料集合体，原料加工成微细颗粒以利于成型和烧结。粉体制备：反 复粉碎形成一系列新表面。而离子极化变形重排畸变有序性降低，随粒子的微细化从表 面增大，无序性增大并向纵深发展，不断影响内部结构，最后使粉体表面结构趋于无定 形化。
一种认为粉体表面层是无定形结构。一种认为粉体表面层是粒度极小的微晶结构。 所以在无机超细粉体上可以发生表面驰豫现象。
解：每 1g 石英所占体积 1/2.65＝0.3774cm3/g
一粒石英所占体积
4 / 3 r 3＝ 4 / 3 π (10 4 ) 3 ＝ 4 .188 10 － 12 cm 3
每克石英含粒子数
0 .3774
＝ 9 10 10
4 .188 10 12
1 .02 ＝ 0 .3849 cm 3 / g
第四章 表面与界面习题
第四章表面与界面习题
1. 基本概念：表面、晶界、相界、黏附、润湿、吸附
2. 固体是如何降低系统的表面能的，为什么相同组成的固体的表面
能总是高于液体的表面能；
3. 粗糙表面对润湿行为有什么影响；
4. 固体表面力场有哪些；
5. 润湿分为有几种？每种润湿在什么情况下自发进行？
6. 为什么混凝土中使用的钢材一般为螺纹钢？
7. 陶瓷元件表面被银，为什么先将瓷件表面磨平并抛光？
8.粘土本身一般带什么电荷？
9. 粘土边面上在酸性、中性、碱性溶液中分别带什么电荷？。
第五章 表面、相界和晶界
★相界：是指结构不同的两块晶体或结构相同而点阵参数 不同的两块晶体接合所形成交界面。 ★晶界：是指同种材料、相同结构的两个晶粒之间的边界。 ★界面：是一个总的名称，即两个独立体系的相交处， 它包括了表面、相界和晶界。
G G G dG dT dp dA T p A
比较上面两式可得：
G A T , p U H F 同理有： A S ,V A S , p A T ,V
5
第五章 表面、相界和晶界
1
绪论
表面、相界和晶界是无机材料各种聚集状态中特殊的 部分，对无机材料的性质有着强烈的影响，对无机材料的 制备过程也起着相当大的作用，有时是决定性的作用。因 此，这一领域越来越受到人们的关注。
2
绪论
各名词的确切含意, 表述如下: ★表面：是指物体对真空或与本身的蒸气接触的面。
第一节 表面现象
上面结果表明，原来我们称之为表面张力的 γ，从热力学的 角度来看，是指等温、等压条件下，单位面积的自由焓。表 面自由焓是体系自由焓的一部分，只不过这部分自由焓与表 面有密切关系。 表面张力和表面自由焓的定义不一样，单位在形式上也不 相同，前者是 N/m ，后者是 J/m2 ，为什么在讨论液体的表面 现象时，把它们等同起来呢?
Q TdS ,
W体 pdV
dU TdS pdV W非 dH TdS Vdp W非 dF SdT pdV W非 dG SdT Vdp W非
4
第一节 表面现象
若δW非就是表面功，克服表面张力所做的功应为： δW非=力×距离=γ·2l· dx=-γ·dA 于是有，dG=-SdT+Vdp+γdA 按照全微分的概念有：
晶界能和表面能的区别
晶界能和表面能的区别
晶界能和表面能是材料科学中常用的两个概念，它们分别指代了不同的物理现象和性质。
晶界能（Grain Boundary Energy）是指晶界内的原子结构产生的能量。
在晶体中，由于晶体生长或材料加工过程中，晶粒之间会形成晶界，晶界是不同晶粒之间的交界处，具有特定的原子结构和能量。
晶界能描述了晶界内的原子结构和排列带来的能量差异，也反映了晶体中晶粒之间的结合强度和稳定性。
晶界能的大小与晶粒的尺寸、晶界的类型和晶界的结构有关。
表面能（Surface Energy）是指固体材料表面上的能量。
固体材料的表面由于没有周围的相同物质环境，因此表面上的原子结构和能量会与内部的结构有所不同。
表面能描述了固体表面上的原子结构和排列所带来的能量差异，也反映了固体材料表面的稳定性和活性。
表面能的大小与固体材料的化学成分、晶体结构和表面形貌有关。
总结起来，晶界能主要描述了晶体中晶粒之间的结合强度和稳定性，而表面能主要描述了固体材料表面的稳定性和活性。
它们在材料的性质和行为研究中具有重要的作用，对于理解材料的晶粒生长、相变、晶粒边界迁移等过程以及材料表面的润湿性、粘附性等现象具有重要意义。
晶态固体材料的界面
1、晶界偏聚---平衡偏聚 （1） 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 （2） 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
（3）4个晶粒相遇于—林(晶粒角隅）。
二、复相组织中的第二相 1、晶粒内部的第二相
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
2、晶界上的第二相
平衡时界面能的关系： γαα=2γαβcosθ/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 0<θ<180°，可形成 不同形状第二相
第七章 晶态固体材料的界面
第一节 第二节 第三节 第四节 第五节 第六节 第七节
晶体表面 晶界结构 晶界的能量 晶界平衡偏析 晶界迁移 相界面 界面能与显微组织形貌
晶体材料中的界面可分为两种：同 相界面和异相界面。 同相界面是相同晶体结构及相同化 学成分的品粒之间的界面，它包括晶粒 界、孪晶界、畴界和堆垛层错等。 异相界面是具有不同晶体结构、化 学成分也可能不同的区域之间的紧密界 面。 相界：异相界面两侧的区域属于不 同相的界面。 表面：固体与气体之间的分界面。
3、按增强体的形态与排布方式：
颗粒增强复合材料，连续纤维增强复合材料，短纤维或晶须增强 复合材料，单向纤维复合材料、三向及多向编织复合材料、混杂 复合材料。 把 颗 粒 尺 度 为 1~50μm μ 的 称 为 颗 粒 增 强 复 合 材 料 ， 0.01~1μm粒子增强的称为分散强化（弥散强化）复合材料。亚微 米至纳米粒子增强的称为精细复合材料。
晶面能和晶界能
晶面能和晶界能
晶面能和晶界能是材料科学中的两个重要概念。
晶面能指的是晶体中不同晶面的表面能，而晶界能则是晶体中不同晶粒之间的界面能。
晶面能是晶体表面的能量，它是由表面原子与内部原子之间的相互作用力所决定的。
晶面能的大小决定了晶体的表面性质，如表面的化学反应性、表面的吸附性等。
晶面能的大小也会影响晶体的生长和形态。
在晶体生长过程中，晶面能越小，晶体生长速度越慢，晶体形态越规则。
晶界能是晶体中不同晶粒之间的能量，它是由晶粒之间的相互作用力所决定的。
晶界能的大小决定了晶体的晶界性质，如晶界的稳定性、晶界的迁移性等。
晶界能的大小也会影响晶体的力学性质和电学性质。
在材料科学中，晶界能是一个重要的参数，它可以用来描述材料的强度、塑性、导电性等性质。
晶面能和晶界能的大小与晶体的结构有关。
在晶体中，不同晶面和晶粒之间的结构不同，因此它们的表面能和界面能也不同。
晶面能和晶界能的大小可以通过实验测量得到，也可以通过理论计算得到。
在材料科学中，研究晶面能和晶界能的大小和变化规律，可以为材料的设计和制备提供重要的理论依据。
晶面能和晶界能是材料科学中的两个重要概念，它们的大小和变化规律对材料的性质和应用具有重要的影响。
研究晶面能和晶界能的
变化规律，可以为材料的设计和制备提供重要的理论依据。
晶面能和晶界能
晶面能与晶界能——晶体学里的两种能量晶面能和晶界能是晶体学中重要的物理概念，对于理解晶体的性质和制备具有重要意义。
本文将简单介绍晶面能和晶界能的概念、性质以及应用。
晶面能指的是晶体中的平滑晶面各自所具有的能量。
晶体表面的每个晶面都有一个相应的晶面能，根据晶面的不同形态、结构和化学成分，晶面能也会有所不同。
如果将一个晶体分成许多小块，每个小块都与相邻的小块有一个晶界相接触，晶界能就是指这些晶界所具有的能量。
晶界能与晶面能不同，它依赖于晶体的结构缺陷、晶体生长条件以及晶界的取向和性质。
在晶体的生长和制备工艺中，晶面能和晶界能起着重要的作用。
晶面能决定了晶体的生长速度和生长方向，对于晶体的纯度、晶体品质以及制备效率都有重要影响。
晶界能则决定了晶体的晶界形态和结构，对于晶体的力学强度、形状稳定性以及量子效应等领域也具有重要作用。
除了在研究晶体的物理性质和制备方法方面，晶面能和晶界能在其他领域也有重要应用。
例如，在材料科学中，人们利用晶面能和晶界能的差异制备出具有特殊物理和化学性质的材料，如超疏水材料、催化剂载体和生物材料等。
在地质学和天文学中，人们利用晶体和矿物晶体的晶面能和晶界能来研究地球和宇宙的演化过程。
总之，晶面能和晶界能是晶体学重要的物理概念，对于理解晶体的性质和制备具有重要意义。
随着科技的发展，晶面能和晶界能的研究将在更广泛的领域得到应用和拓展。
晶界形成过程
晶界形成过程晶界是晶体中相邻晶粒之间的界面，它们的形成过程涉及到晶体的生长和形态演化等多个方面。
下面将从晶体生长、晶体形态演化和晶体缺陷三个方面来详细解答。
一、晶体生长晶体生长是晶界形成的基础。
晶体生长的过程中，晶粒之间的界面逐渐形成。
在晶体生长过程中，晶粒之间的界面一般分为两种类型：一种是固-液界面，另一种是固-固界面。
固-液界面是指晶体与溶液之间的界面，它是晶体生长的主要界面。
在晶体生长过程中，晶体表面的原子或分子从溶液中扩散到晶体表面，形成新的晶体层。
这些新的晶体层与旧的晶体层之间就形成了固-液界面。
固-固界面是指晶体之间的界面，它是晶体生长过程中次要的界面。
在某些情况下，晶体的生长会受到晶体之间的相互作用影响，导致晶体之间形成固-固界面。
二、晶体形态演化晶体形态演化是晶界形成的重要因素之一。
晶体形态演化的过程中，晶粒之间的界面会随着晶体形态的演化而发生变化。
晶体形态演化的过程中，晶体表面的形态会发生变化，从而导致晶体表面的曲率变化，最终形成晶界。
晶体形态演化的过程中，晶体表面的形态受到多种因素的影响，如晶体生长速率、晶体表面的化学性质、晶体表面的形态等。
这些因素会影响晶体表面的曲率，从而影响晶界的形成。
三、晶体缺陷晶体缺陷是晶界形成的重要因素之一。
晶体缺陷是指晶体中存在的一些不完整的结构，如点缺陷、线缺陷和面缺陷等。
这些缺陷会影响晶体的生长和形态演化，从而影响晶界的形成。
晶体缺陷的形成与晶体生长和形态演化密切相关。
在晶体生长过程中，晶体表面的缺陷会影响晶体表面的形态，从而影响晶界的形成。
同时，晶体缺陷也会影响晶体的生长速率和晶体的形态演化，从而影响晶界的形成。
综上所述，晶界的形成涉及到晶体生长、晶体形态演化和晶体缺陷等多个方面。
在晶体生长和形态演化过程中，晶粒之间的界面会逐渐形成。
同时，晶体缺陷也会影响晶界的形成。
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孪晶中两部分晶体相互结合的公共界面为孪晶面， 在孪晶面上的原子为孪晶的两部分晶体多共有。
如果孪晶界相对于孪晶面旋转一角度，即可 得到另一种孪晶界——非共格孪晶界。此时， 孪晶界上只有部分原子为两部分晶体所共有， 因而原子错排较严重，这种孪晶界的能量相 对较高，约为普通晶界的1/2。
孪晶的形成后，孪 生界会降低位错的 平均自由程，起到 硬化作用，降低塑 性。
如果密排面的堆积出现了反常顺序，则晶体中的正常周期
场被破坏，产生了称为堆垛层错的面缺陷。
层错的产生
层错可以通过多种物理过程产生。在晶体生长过程 中，原子以不正常顺序堆积时的能量和以正常顺序 堆积时的能量相差很小，偶尔因素很容易造成错误 堆积从而形成层错。此外，过饱和点缺陷在密排面 上的聚集，再通过弛豫过程也可以形成层错。点缺 陷为空位时，形成的是抽出型 层错，如果点缺陷是填隙原子， 则形成插入型层错。抽出型层 错还可以在晶体塑性形变。
晶体中的平移操作
堆垛状结构的晶体中，是晶
体的密排面按正常顺序堆垛时引入反常顺序堆垛所形成的 一种面缺陷。
面心立方结构与六方结构是两种最简单的密堆结构，面心
立方密堆排面为（111）面，六方密堆的密排面是（0001） 面，密排面内两者均以最紧密的六方密堆方式排列，不同 的是密排面的堆积方式不同。
孪晶的形成与堆垛层错有密 切关系。依孪晶形成原因的 不同，可分为"形变孪晶"、" 生长孪晶"和"退火孪晶"等。 正因为孪晶与层错能密切相 关，一般层错能高的晶体不 易产生孪晶。
反相畴界是有序的固溶体合金中有序畴界的 界面，在相互邻接的任意两块之间，他们中 原子分布的相位关系是相反的。畴内晶格本 身所具有的平移对称性在反相畴界上被中断 而互不联系，但两相邻畴间可以通过一个确 定的平移质量（晶胞矢量）的作用使晶格彼 此重复。
5.2.2孪晶界面
在晶体生长和制备过程中，晶体会沿某 种对称操作共生，形成孪晶。
5.2.1平移界面
5.2.2孪晶界面
5.2.1平移界面
概念 平移界面：在结构相同的晶体中，一部分相对于另一部分平滑移动一个位 移矢量R，其间的界面称为平移界面。
对于不同的晶体，可以选择的R是有限 的，他的选择主要取决于由他产生的这 类界面的结构和能量。
平移界面包括堆垛层错 （SF),反相畴界（APB） 和结晶切变面（CSP）等 面缺陷