第三章 晶体缺陷-表面与界面(课堂版三).

晶界
亚晶界
• 晶界：取向不同的晶粒之间的界面（内界 面） • 亚晶界：晶粒有时又由若干个稍有差异的 亚晶粒组成，相邻亚晶粒间的界面称为亚 晶界。（晶粒的平均直径0.015-0.25mm，亚晶粒则
为0.001mm数量级）
• 晶界具有5个自由度：两晶粒的位相差 （3），界面的取向（2）
二维点阵中晶界的几何 关系可用两个晶粒的位 相差和晶界相对于点阵 某一平面的夹角来确定
第五部分 表面与界面
表面及界面
• 界面包括：外表面（自由表面）和内界面
• 表面：固体与气体或液体的分界面
• 表面与材料的摩擦、磨损、氧化、腐蚀、偏析、催化、吸 附以及光学、微电子学等有密切关系。
• 内界面：晶粒边界、晶内的亚晶界、孪晶界、层 错、相界面等。
• 界面：几个原子层厚，原子排列于成分不同于内
sin 12

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sin 23

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sΒιβλιοθήκη Baidun 31
故测得

在平衡状态下，三叉晶界的各面角均趋于最稳定的120°。
晶界的平衡偏聚
• 晶界偏聚——内吸附（热力学平衡的偏聚） • 特点：1）溶质浓度不变时，一定的T对应一定平衡晶界偏 聚量 E C C 0 exp( ) • 2）T↑偏聚量↓ ， kT △E：溶质原子在晶界上的能量差, C：晶界浓度 C0：晶内浓度 4 • 3）晶界平衡偏聚量可以很显著 C C 10 10 0 • 4）晶界偏聚区的范围约为4-几百埃 • 5）在某种情况下可产生晶界上溶质原子的贫化—负吸附 • 6）产生晶界偏聚的原因，有一种解释：固溶体中溶质原 子和溶剂原子的尺寸不同，晶界偏聚可使系统能量降低
扭转 晶界
扭转晶界可以看成两部分晶体绕某一轴 在一个共同平面上相对扭转一个角构成 的，扭转轴垂直于这一共同晶面。也可 以看成由相互交叉的螺位错组成。
D
b

纯扭转晶界和倾斜晶界的不同在于：倾斜晶 界形成时，转轴在晶界内；扭转晶界的转 轴则垂直于晶界。 一般小角度晶界都可看成两部分晶体绕某 一轴旋转一角度而形成，不过该转轴即不 平行也不垂直晶界，故可看成一系列刃位 错，螺位错或混合位错的网络组成。 对称倾斜晶界和扭转晶界则属于特殊情况。
压缩区 双属区 扩张区
零属区
• 重合位臵点阵模型 **晶界能较低 **特殊位向
大角度晶界 大角度晶界能一般不随相邻晶粒的位向差而变化， 对特定的晶体是基本恒定的。但在某些特殊的位向 差角度时，会出现晶界能的显著减小。该问题可用 重合位臵点阵模型来分析解释。
立方晶系中的重要重合位臵点阵
转轴 转角，º 重合位置密度
三维点阵的晶界几何关系应由 5个自由度来确定： 两晶粒的位相差（3），界面 的取向（2）
小角度晶界
根据相邻晶粒之间的位相差的大小将晶界分为两类：
①小角度晶界－－相邻晶粒的位相差小于10°的晶界；亚晶界均属于该类型 ②大角度晶界－－相邻晶粒的位相差大于10°的晶界；多晶体中的晶界
小角度晶界一般分为：
<100> 36.9 1/5
<110> 70.5 1/3
<110> 38.9 1/9
<111> 60.0 1/3
<111> 38.2 1/7
晶界能
• 晶界能：形成单位面积晶面时，系统Helmholtz自由能的 变化，即d/dA。它等于接口区单位面积的能量减去无界 面时该区单位面积的能量。 • 也可看成由于晶界上点阵畸变增加的那部分额外自由能。 在纯金属中 在合金中 假定晶界面积A改变不 引起的晶粒内i组元原 子数的改变
大角度晶界
High-angle grain boundary 多晶体材料各晶粒之间的晶界通常是大角度晶界 大角度晶界结构复杂，原子排列不规则 晶界可看成是好区与坏区交替相间组合而成的。 一般大角度晶界的宽度一般不超过三个原子间 距。
* 相邻晶粒在交界处的形状不是光滑的曲面， 而是由不规则台阶组成的，A,B,C,D特征区域
部，对材料的物理、化学、力学特性产生重要的 影响
• 表面：
• 晶体自由表面上的原子，由于其周围环 境与晶体内部不同，致使约有几个原子层 处于较高的能量状态，该表层结构称为表 面。 • 为降低表面能，晶体表面往往为低指数 的密排晶面，由此导致晶体外形发生规则 化。 • 常见金属的平均比表面能变化范围在 1.1J/m2至5J/m2之间。 • 表面能的作用产生表面吸附现象
外表面的特点
• 周期性的排列被破坏－相邻原子比晶内少 • 由于成分偏析和表面吸附，表面成分与晶内不一 致 • 表面原子的键合与晶内不同，偏离正常的平衡位 臵，表面层原子点阵畸变 • 厚度一般几个原子层 • 最外层原子有一半原子健悬空，能量高，表面活 性高
表面能：
定义为形成单位面积的新表面所需做的功
对称倾斜晶界
不对称倾斜晶界
扭转晶界
对称倾斜晶界：可以看成由一列平行的刃型位错构成
位错间距D和柏氏矢量b之间关系：
不对称倾斜晶界
如果对称倾斜晶界的界面绕某一轴旋转一角度， 虽然两晶粒的位相差仍然是，但此时两晶粒不再 对称，称为不对称倾斜晶界。
不对称倾斜晶界有两个自由度和。其结构可以 看成由两组柏氏矢量相互垂直的刃型位错 交 错排列构成，两组位错各自间距 分别为：
则
E0 Gb 4 (1 v)
D
E刃 1 - v） c 4（ A= Gb 2 故小角度晶界是相邻两晶粒之间位相差的函数
E 0 (A ln )
晶界的界面能的测量
晶界能可通过测定界面交角求出其相对值： 三个晶粒相遇，在达到平衡时，在o点处接口张力必须 达到力学平衡
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dW dA T .V .Ui ( 恒温恒容， 组温恒容， 组元化学位不变下
被切割的化学键数目 能量 （ ） 每个键 形成了的新界面
**晶体中的表面张力是各向异性的 **原子密度最大的面具有最低的值→晶体表面一般 为原子密度最大的面 **表面能与曲率有关：曲率越大，表面能越大
晶界面积A改变而引起 的晶粒内i组元原子数 的改变
小角度晶界的界面能
单位长度刃型位错的能量：
Db
Gb２ R E 刃＝ ln Ec 4 (1 v) r0

而
E 1 E D D 1
令 r0 b
，R
Gb R ＝ ln E c 4 (1 v) r0 b