北科大材料考研试题

表面能与晶体表面原子排列紧密程度有关，原 子密排的表面具有最小的表面能。
fcc的Au晶体的表面能极图
影响表面能的因素？
（1）外部介质的性质（外与内作用力 相差越大，表面能越大）。 （2）裸露晶面的原子密度（密排晶面 裸露表面能最小）。 （3）晶体表面的曲率（曲率越大，表 面能越大）。

一 外表面（晶体表面-plane of crystal）


表面是指固体材料与真空或气体、液体等 外部介质相接触的界面； 而内界面包括晶界(grain boundary)、孪晶 界(twin boundary)、亚晶界（subboundary）、相界(phase boundary)及层 错(stacking fault )等。
三、亚晶界

实际晶体中，每个晶粒 内的原子排列并不是十 分整齐的，往往能够观 察到这样的亚结构，由 直径为10~100um的晶 块组成，彼此之间存在 极小的位相差（通常＜ 2°）.这些小晶块之间 的内界面称为亚晶粒间 界，简称亚晶界。
金属晶粒内部结构示意图
三、亚晶界
铸态：亚晶粒 边长10-2cm 变形或热处理： 10-6~10-4cm 亚晶界也可以 阻碍塑性变形， 故亚晶细化也 可提高金属的 屈服强度。
一 外表面（晶体表面-plane of crystal）
内部原子对界面原子的作用力显著大 于外部原子或分子的作用力。 导致表面原子就会偏离其正常平衡位 置，并因而牵连到邻近的几层原子， 造成表面层的晶格畸变。 由于晶格畸变，故表面层能量就要升 高。表面能！

什么是表面能？



晶体表面单位面积自由能的增加称为表面能 γ （J/m2）。表面能也可理解为产生单位面 积新表面所作的功： dW γ ＝ dS 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。 晶体的表面张力是各向异性的


5）.由于成分偏析和内吸附现象，特别是晶界 富集杂质原子的情况下，往往晶界熔点较低， 故在加热过程中，因温度过高将引起晶界熔化 和氧化，导致“过烧”现象产生。 6）.由于晶界能量较高、原子处于不稳定状态， 以及晶界富集杂质原子的缘故，与晶内相比晶 界的腐蚀速度一般较快。这就是用腐蚀剂显示 金相样品组织的依据，也是某些金属材料在使 用中发生晶间腐蚀破坏的原因。
晶体缺陷3 表面及界面


一 外表面 二 晶界和亚晶界 三 孪晶界 四 相界



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、腐蚀、偏析、催化、吸 附现象，以及光学、微电子学等均密切相关； 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 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物理、化学和力学等 性能产生重要的影响。
二、晶界
晶体结构相同但位向不同的晶粒之间 的界面称为晶界(grain boundary)；依 据相邻晶粒位向差大小分为： 小角度晶界（ θ ＜ 10°） (small -angle grain boundary)基本由位错构成。 大角度晶界（ θ ＞ 10°） (l arge -angle grain boundary)结构十分复杂，目前尚不 十分清楚，多晶体金属材料中的晶界 大都属于此类。
面பைடு நூலகம்立方晶体的孪晶关系
三 孪晶界

可 以 看 出 …CAC… 处相当于堆垛层错， 接着就按倒过来的 顺序堆垛，仍属正 常的 fcc 堆垛顺序， 但与出现层错之前 的那部分晶体顺序 正好相反，故形成 了对称关系。
面心立方晶体的孪晶关系
孪晶之间的界面称为孪晶界。如果孪晶界与孪晶面 一致，称为共格孪晶界；如果不一致，称为非共格 孪晶界。
四、孪晶界

孪晶是指两个晶体 ( 或 一个晶体的两部分 ) 沿 一个公共晶面构成镜 面对称的位向关系， 这两个晶体就称为 “ 孪 晶 (twin crystal)” ， 此公共晶面就称孪晶 面 ，如下图所示。
面心立方晶体的孪晶关系
三 孪晶界

孪晶的形成与堆垛层错 有密切关系。例如，面 心立方晶体是以 {111} 面 按 ABCABC… 的 顺 序 堆 垛 而 成 的 ， 可 用 △△△△ … 表示。如果 从某一层开始，其堆垛 顺序发生颠倒，就成为 ABCACBACBA… ， 即 △△△▽▽▽▽ … ，则 上下两部分晶体就构成 了镜面对称的孪晶关系。
1共格相界(coherent phase boundary)



理想共格相界很少，多少会有弹性畸变。 一侧受拉应力，一侧受压应力。 当相界面的能量高至不能维持共格关系时， 则共格关系被破坏，变成一种非共格相界。 半共格相界是介于共格相界与非共格相界 面之间的一种状态。
具有完善的共格关系的相界
小结



1）外表面、表面能 2）晶界和亚晶界 3）大、小角度晶界 4）晶界的特性 5）孪晶界 6）相界
作业



1 解释下列基本概念 ①晶界②相界③亚晶界④孪晶 2 亚晶界均属于 ，一般小于20；多晶 体的晶界大多属于 。 3 试比较三种相界面的能量关系。

1、小角度晶界

其基本类型有对 称倾侧晶界和扭 转晶界两类。
一系列等间距排列 的同号刃型位错所 构成（位错墙）， 这个取向差可以用 几个倒写的T字表示。
对称倾侧晶界

当θ＞100，D只有5~6个原子间距， 位错密度大，模型不适用。
2）扭转晶界 (twist boundary)
扭转晶界的形成
具有弹性畸变的共格关系的相界
半共格相界
非共格相界
六 堆垛层错(stacking fault)



在实际晶体中，晶面堆垛顺序发生局部差错而 产生的一种晶体缺陷称为堆垛层错，简称层错。 是一种面缺陷，通常发生于面心立方金属。 完整面心立方结构密排面｛111｝按 ABCABCABC顺序堆垛，但假设顺序变为： ABCABABCABC，相当于抽掉了第二个C层， 在局部区域出现了ABAB密排六方的堆垛特征。


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。
非共格孪晶界
五 相界


具有不同结构的两相之间的分界面称为“相界 (phase boundary)”。按结构特点，相界面可 分为共格相界、半共格相界和非共格相界三种 类型。 所谓共格界面是指界面上的原子同时位于两相 晶格的结点上，为两种晶格所共有。
2大角度晶界的结构
分界面上既包含有同 时属于两晶粒的原子 D，也包含有不属于 任一晶粒的原子A； 既包含有压缩区B， 也包含有扩张区C。 这是由于晶界上的原 子同时受到位向不同 的两个晶粒中原子的 作用所致。
大角度晶界模型
2大角度晶界的结构

总之，大角度晶界上原子排列比较紊 乱，但也存在一些比较整齐的区域。 因此，晶界可看成坏区与好区交替相 间组合而成。随着位向差θ 的增大， 坏区的面积将相应增加。纯金属中大 角度晶界的宽度一般不超过3个原子间 距。


孪晶界可分为两类，共格孪晶界(coherence twin boundary)和非共格孪晶界(incoherence twin boundary) 。 共格孪晶界就是孪晶面上的原子同时位于两个 晶体点阵的结点上，为两个晶体所共有，属于 自然地完全匹配是无畸变的完全共格晶面，它 的界面能很低，约为普通晶界界面能的1／10， 很稳定，在显微镜下呈直线，这种孪晶界较为 常见。
3、晶界的特性

1）.晶界处点阵畸变大，存在晶界能。 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。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，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，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。晶粒越细 , 材料的强度越高，这就 是细晶强化。


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.原始晶粒越细,晶界越多,则新相形核率也 相应越高。
合金元素及杂质元素溶入固溶体，与其 中的缺陷发生交互作用，使溶质原子在 缺陷处发生偏聚，其浓度大大超过固溶 体的浓度，这种现象称为内吸附。
三、亚晶界




亚结构和亚晶界的含义是广泛的，它们分别泛 指尺寸比晶粒更小的所有细微组织及其分界面。 可在凝固时形成，可在形变时形成，也可在回 复再结晶时形成，还可在固体相变时形成。 如形变亚结构和形变退火时（多边形化）形成 的亚晶和它们之间的界面均属于此类。 亚晶界为小角度晶界，这点已由大量试验结果 所证实。
该晶界的结构可看成是由互 相交叉的螺型位错所组成
1、小角度晶界
应当指出：对称倾侧晶界和扭转晶界 是小角度晶界的两种简单形式。 大多数小角度晶界一般是刃型位错和 螺型位错的组合。 转轴与晶界成一定角度。

2大角度晶界的结构

晶粒之间的晶界通常为 大角度晶界，如右图所 示。大角度晶界的结构 较复杂，原子排列很不 规则，有人认为大角度 晶界的结构接近于图示 的模型。取向不同的相 邻晶粒的界面不是光滑 的曲面，而是由不规则 的台阶组成的。