物理冶金原理：6-晶界与相界
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金属组织结构的基本轮廓(晶粒、晶界、亚晶、晶体结构)
金属组织结构的基本轮廓(晶粒、晶界、亚晶、晶体结构)1. 引言1.1 概述金属组织结构是材料科学领域中的一个重要研究内容，它涉及到金属材料的微观结构和性能之间的关系。
金属材料广泛应用于制造业和其他领域，因此深入了解金属组织结构对于提高材料性能、改进加工工艺以及开发新型高性能金属具有重大意义。
1.2 文章结构本文将从晶粒、晶界、亚晶和晶体结构四个方面来介绍金属组织结构的基本轮廓。
首先，我们将探讨晶粒的定义、特征以及形成机制与生长过程；其次，我们将详细研究晶界的定义、分类以及对材料力学性能的影响；然后，我们将介绍亚晶的定义、形成机制、观测方法以及研究进展；最后，我们将深入探讨晶体结构，并分析不同类型的晶格结构对材料性质的影响。
1.3 目的本文旨在向读者介绍金属组织结构的基本概念和特征，并探讨其与材料性能之间的关系。
通过对晶粒、晶界、亚晶和晶体结构的详细讨论，读者将能够了解金属材料中微观组织的形成原理以及不同组织结构对材料性质（如强度、塑性、导电性等）的影响。
这将为材料科学工作者和工程师提供有力的指导，以优化金属材料的设计和应用。
2. 晶粒晶粒是金属材料中的基本组织单位，它由大量的原子或分子有序排列而成。
每个晶粒内的原子结构和取向相对稳定，在固态材料中晶粒大小和形状各不相同，具有一定的特征。
2.1 定义与特征晶粒是由同一种晶体结构组成的半球或多面体区域，在结构上呈现出高度有序、周期性和规则性。
它们在材料中是随机分布的，并且相邻晶粒之间以边界进行分割。
每个晶粒具有自己独特的取向和晶格结构，这使得不同的晶粒在外部场合下会表现出不同的性质。
2.2 形成机制与生长过程初始时，金属材料以液态或气态形式存在。
当冷却或凝固时，从液态转变为固态，并开始形成初生晶核。
这些初生晶核会通过吸收周围溶质进行长大并扩张，直到与其他固相结合形成完整的晶体。
这个过程叫做再结晶或冷却结晶。
2.3 晶粒大小与材料性能的关系晶粒的大小对金属材料的性能具有重要影响。
无机材料科学基础-晶界与相界
1/4/2015 11:07:43 AM
表面改性的实质—— 改变结构状态和官能团
最常见的方法:采用各种有机表面活性物质（表面活性剂）
表面活性物质： 定义：降低表面（或界面）张力的物质。 注：表面活性剂必须指明对象，通常是对水而言 结构：极性基团 －COOH, -OH, 非极性基团：碳环等 表面活性剂的作用：润湿、乳化、分散、增溶、发泡、 洗涤和减磨等 作用机理：表面活性剂同时具有亲水和憎水两种基团， 能在界面上选择性定向排列，促使两个不同极性和互相 不亲和的表面桥联和键合，并降低其表面张力。
(2)固-固-气界面
γSV
固
γSS ψ γSV
(3)固-固-液界面
γSL γSS γSL
固
(A)热腐蚀角(槽角)
(B)固－固－液平衡的二面角
对于固－固－气界面张力平衡关系： 1 SS cos 2 2 SV
对于固－固－液界面张力平衡关系：
1 SS cos 2 2 SL
凡结构相同而取向不同 的晶体相互接触，其 接触面称为晶界。如果相 邻晶粒不仅位向不同，而 且结构，组成也不相同， 即它们代表不同的两个相 ，则其接触界面称为相界 面。
1/4/2015 11:07:43 AM
在多晶体中，晶界上两个晶粒的 质点排列取向有一定的差异。由 于受到相邻晶粒势场的作用，两 者都力图使晶界上的质点排列符 合自己的取向。当达到平衡时， 晶界上的原子就形成某种过度的 排列。（如图） 晶界一般只有几个原子的厚度， 晶界区域的原子由于受到两个不同晶粒上原子的共同 作用，而处于非平衡位置，因而具有较高的能量。
润湿是固液界面上的重要行为。 润湿的热力学定义是，固体与液体接触后，体系（固
体+液体）的吉布斯自由能降低时，称为润湿。 根据润湿程度的不同可以将润湿分为： 附着润湿 铺展润湿 浸渍润湿
第五章 表面、相界和晶界
15
第二节 固体表面的特性
一. 表面力 在晶体内部，质点力场是对称的，在表面，质点排列 的周期重复性中断，使处于表面的质点力场对称性破坏， 表现出剩余的键力。这种剩余的键力是导致固体表面吸引 气体分子、液体分子和固体质点的原因。 固体的表面力场和被吸引质点的力场相互作用的力称为表 面力。表面力主要有两类，范德华力和化学力。
10
第一节 表面现象
在水中的气泡或玻璃液中的气泡都是凹液面的例子。
按凹液面考虑，在平衡时是液体中气泡内的压强大于周围液体的压 强。 若把高温陶瓷体中，孤立的气泡近似地看成是液态中的气泡，那么 由于表面张力的作用，相当于有一个2γ/R的正压力促使气泡自动缩 小，推动致密化的进程。
在实际情况中，经常遇到非球面的弯曲表面，这种表面的 内外压差是：△p=γ（1/r1+1/r2）。 r1，r2分别为非球面弯曲表面的两个主曲率半径。
14
第一节 表面现象
二板间的液膜，其形状： 液膜中不仅有凹液面，还有凸液面，凹液 面的曲率半径为 r1 ，凸液面的曲率半径为 r2 ， 对于有两个主曲率的液膜，压力差公式为：
1 1 p r r 2 1 若 r2》r1 ，△ p≈-γ/r1 ，负号说明液内压力 小，相当于两边给玻璃有正的 γ/r1 推力，从 而使两块玻璃拉紧。 至于两颗粒间的液相所起的作用，也有类 似情况。
0 U LS
N
1 n ib
一般理论计算结果与实际结果有差异，说明还有一定未 知因素没考虑。
26
第二节 固体表面的特性
3. 表面弛豫、结构重排与双电层 随着温度升高，为了减少表面自由焓，表面原子重新 定位。原子移到一个新的稳 定的平衡位置，它改变了最 顶层与第二层的间距，形成 折皱的周期起伏的表面，这 种移动称为弛豫作用。 一般，最外表面的移动 距离可以为体相层间距离的 百分之几到十几。随着离开 表面向晶体内部深度的增加 很快地变成正常的距离。 例：单晶硅的表面。
第二节 固体表面的特性
一. 表面力 在晶体内部，质点力场是对称的，在表面，质点排列 的周期重复性中断，使处于表面的质点力场对称性破坏， 表现出剩余的键力。这种剩余的键力是导致固体表面吸引 气体分子、液体分子和固体质点的原因。 固体的表面力场和被吸引质点的力场相互作用的力称为表 面力。表面力主要有两类，范德华力和化学力。
10
第一节 表面现象
在水中的气泡或玻璃液中的气泡都是凹液面的例子。
按凹液面考虑，在平衡时是液体中气泡内的压强大于周围液体的压 强。 若把高温陶瓷体中，孤立的气泡近似地看成是液态中的气泡，那么 由于表面张力的作用，相当于有一个2γ/R的正压力促使气泡自动缩 小，推动致密化的进程。
在实际情况中，经常遇到非球面的弯曲表面，这种表面的 内外压差是：△p=γ（1/r1+1/r2）。 r1，r2分别为非球面弯曲表面的两个主曲率半径。
14
第一节 表面现象
二板间的液膜，其形状： 液膜中不仅有凹液面，还有凸液面，凹液 面的曲率半径为 r1 ，凸液面的曲率半径为 r2 ， 对于有两个主曲率的液膜，压力差公式为：
1 1 p r r 2 1 若 r2》r1 ，△ p≈-γ/r1 ，负号说明液内压力 小，相当于两边给玻璃有正的 γ/r1 推力，从 而使两块玻璃拉紧。 至于两颗粒间的液相所起的作用，也有类 似情况。
0 U LS
N
1 n ib
一般理论计算结果与实际结果有差异，说明还有一定未 知因素没考虑。
26
第二节 固体表面的特性
3. 表面弛豫、结构重排与双电层 随着温度升高，为了减少表面自由焓，表面原子重新 定位。原子移到一个新的稳 定的平衡位置，它改变了最 顶层与第二层的间距，形成 折皱的周期起伏的表面，这 种移动称为弛豫作用。 一般，最外表面的移动 距离可以为体相层间距离的 百分之几到十几。随着离开 表面向晶体内部深度的增加 很快地变成正常的距离。 例：单晶硅的表面。
晶界知识整理
晶体缺陷分类及特征： [1] 点缺陷（ point defect ）：特征是三维空间的各个方面上尺寸都很小， 尺寸范围约为一个或几个原子尺度，又称零维缺陷，包括空位、间隙原子、杂 质和溶质原子。 [2] 线缺陷（ line defect ）：特征是在两个方向上尺寸很小 , 另外一个方 面上很大，又称一维缺陷，如各类位错。 [3] 面缺陷（ planar defect ）：特征是在一个方面上尺寸很小 , 另外两个 方面上很大，又称二维缺陷，包括表面、晶界、亚晶界、相界、孪晶界等。
能全部吻合，而使部分形成共格 区，不吻合处形成韧位错，晶面
间距比较小的一个相发生应变，
在界面位错线附近发生局部晶格 畸变。
半共格界面示意
孪晶（twin）的定义：指两个晶体（或一个晶体的两部分）沿一个公共晶面构成 对称的位相关系，这两个晶体就称为孪晶，这个公共的晶面即成为孪晶面 。
孪晶分类：
①共格孪晶面（ coherent twin boundary ）：
一、 晶体生长 二、 过冷度 三、 晶向与界面 四、 晶界结构
生长界面结构决定了晶体生长机制。界面的稳定性关系到晶体生长的完整性。 晶体的生长形态取决于各个晶面的相对生长速率。 对于晶体生长而言：固液界面在宏观上是凸形、凹形还是平坦面，在界面上有 无小界面出现、流体中对流的大小、体系的热稳定性等。
空间位向不同的 相邻晶粒之间的 界面。 多晶体中，每一个晶粒就是一个小单晶 。 相邻晶粒的位向不同，交界面叫 晶粒界，简称晶界 。 晶粒内部位向差极小的亚结构，交界为亚晶界 。
晶界的结构、性质与相邻晶粒的位向差有关。位向差小于10o， 小角度晶界 ；10o以上， 大度角晶界 。
晶界处原子排列紊乱，能量增高≥晶界能。
确定晶界位置用：
材料晶界与界面ppt课件
7
四、晶界及界面对材料各种性能的影响规律 （6学时）
对材料力学性能（强度、塑性、疲劳、断裂及蠕变等） 的影响规律
对材料物理性能（电导率、磁性能及超导性能等）的影 响规律
对材料化学性能（抗腐蚀性）的影响规律
8
五、几种典型材料中的晶界及界面及其与 性能的关系（4学时）
超级钢中超细晶粒及晶界与材料强度的关系
材料晶界及界面
材料系 刘 庆， qing.liu@ 电话：62772852(O), 62773302(H);
1
刘庆 简历
1999年03- 现在，清华大学，材料科学与工程系，教授，博士生导师。 1993年8月- 1999年3月, 丹麦 Ris 国家实验室，材料研究部, 高级研究员。 1991年5月-1993年8月， 博士后，北京科技大学，1992年10 ，副教授。 1987年7月-1991年4月， 助教，讲师, 哈尔滨工业大学。 1984年－1991年，哈尔滨工业大学，金属材料，工学硕士，工学博士。 1984年，重庆大学 冶金及材料工程系，工学学士。
A、塑性变形：位错界面、亚晶界及晶界的形成 B、再结晶形核、长大过程中晶界的作用
43
10％压下量
30％压下量
50％压下量
深冲用IF钢轧制变 形组织的TEM图像
70％压下量
44
RD ND
Copper-I Copper-II
SS-II Brass-I Brass-II Random cube 0-10
高温超导材料中的晶界及相界与材料超导性能的关系
大塑性变形材料中位错界面及其与材料加工硬化性的 关系
新型磁性材料中晶界及相界与材料磁性能的关系
9
课程教材及主要参考书：
1、材料界面结构与特性 叶恒强、朱静等 科学出版社 2、金属的晶界与强度 宋余九编 西安交大出版社 3、 固体材料界面研究的物理基础 闻立时著 科学出版社 4、复合材料基体与界面 赵玉庭等著 华东化工学院出版社 5、材料的表面与界面 李恒德等编 清华大学出版社
四、晶界及界面对材料各种性能的影响规律 （6学时）
对材料力学性能（强度、塑性、疲劳、断裂及蠕变等） 的影响规律
对材料物理性能（电导率、磁性能及超导性能等）的影 响规律
对材料化学性能（抗腐蚀性）的影响规律
8
五、几种典型材料中的晶界及界面及其与 性能的关系（4学时）
超级钢中超细晶粒及晶界与材料强度的关系
材料晶界及界面
材料系 刘 庆， qing.liu@ 电话：62772852(O), 62773302(H);
1
刘庆 简历
1999年03- 现在，清华大学，材料科学与工程系，教授，博士生导师。 1993年8月- 1999年3月, 丹麦 Ris 国家实验室，材料研究部, 高级研究员。 1991年5月-1993年8月， 博士后，北京科技大学，1992年10 ，副教授。 1987年7月-1991年4月， 助教，讲师, 哈尔滨工业大学。 1984年－1991年，哈尔滨工业大学，金属材料，工学硕士，工学博士。 1984年，重庆大学 冶金及材料工程系，工学学士。
A、塑性变形：位错界面、亚晶界及晶界的形成 B、再结晶形核、长大过程中晶界的作用
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10％压下量
30％压下量
50％压下量
深冲用IF钢轧制变 形组织的TEM图像
70％压下量
44
RD ND
Copper-I Copper-II
SS-II Brass-I Brass-II Random cube 0-10
高温超导材料中的晶界及相界与材料超导性能的关系
大塑性变形材料中位错界面及其与材料加工硬化性的 关系
新型磁性材料中晶界及相界与材料磁性能的关系
9
课程教材及主要参考书：
1、材料界面结构与特性 叶恒强、朱静等 科学出版社 2、金属的晶界与强度 宋余九编 西安交大出版社 3、 固体材料界面研究的物理基础 闻立时著 科学出版社 4、复合材料基体与界面 赵玉庭等著 华东化工学院出版社 5、材料的表面与界面 李恒德等编 清华大学出版社
物理冶金原理：5-扩散
D = Do × e-Q/RT Ln D = ln Do－Q/RT
Ln Do 斜率 k = Q/R 求出Q
Ln D
1/T
几种典型扩散现象
• 下坡扩散Down-Hill Diffusion ： • 上坡扩散 Up-Hill Diffusion:
•Down-Hill Diffusion
DA, DB
Vacancy Mechanism:
Diffusion of Substitutional Solute Atoms
空位机制：置换式溶质原子
（置换式原子的扩散就是空位的反向运动）
空位机制：置换式溶质原子
（置换式原子的扩散就是空位的反向运动）
间隙机制：间隙溶质原子 Interstitial Mechanism:
元素原子自扩散激活能与元素熔点的关系 Q = k . Tm
元素原子自扩散激活能与元素熔点的关系 Q = k . Tm
晶 体 结 构 的 影 响
影响扩散的因素
• 晶体缺陷密度： 空位浓度: 过饱和空位（固溶后不能停留太长时间） 位错及层错密度：是扩散的快速通道 晶界（晶粒尺寸）: 纳米材料（表面纳米化－渗氮） 相界:
• 温度足够高：能量起伏、热激活 • 时间足够长：大量原子微观上无规
则跃迁、物质的定向传输 • 存在驱动力（浓度梯度、化学位梯
度、应变能梯度、表面能梯度）
扩散对材料科学与工程的意义
材料合成、制备、加工、使用过程都是控制 扩散的过程：
• 固态相变与热处理过程： • 凝固加工（铸造、焊接、…….) • 成形热加工（热锻、热轧、热挤压, ……) • 高温力学行为及氧化、腐蚀等性能： • 粉末冶金烧结： • 表面化学热处理与表面渗工艺， • 扩散连接, …….
Ln Do 斜率 k = Q/R 求出Q
Ln D
1/T
几种典型扩散现象
• 下坡扩散Down-Hill Diffusion ： • 上坡扩散 Up-Hill Diffusion:
•Down-Hill Diffusion
DA, DB
Vacancy Mechanism:
Diffusion of Substitutional Solute Atoms
空位机制：置换式溶质原子
（置换式原子的扩散就是空位的反向运动）
空位机制：置换式溶质原子
（置换式原子的扩散就是空位的反向运动）
间隙机制：间隙溶质原子 Interstitial Mechanism:
元素原子自扩散激活能与元素熔点的关系 Q = k . Tm
元素原子自扩散激活能与元素熔点的关系 Q = k . Tm
晶 体 结 构 的 影 响
影响扩散的因素
• 晶体缺陷密度： 空位浓度: 过饱和空位（固溶后不能停留太长时间） 位错及层错密度：是扩散的快速通道 晶界（晶粒尺寸）: 纳米材料（表面纳米化－渗氮） 相界:
• 温度足够高：能量起伏、热激活 • 时间足够长：大量原子微观上无规
则跃迁、物质的定向传输 • 存在驱动力（浓度梯度、化学位梯
度、应变能梯度、表面能梯度）
扩散对材料科学与工程的意义
材料合成、制备、加工、使用过程都是控制 扩散的过程：
• 固态相变与热处理过程： • 凝固加工（铸造、焊接、…….) • 成形热加工（热锻、热轧、热挤压, ……) • 高温力学行为及氧化、腐蚀等性能： • 粉末冶金烧结： • 表面化学热处理与表面渗工艺， • 扩散连接, …….
物理冶金原理：6-晶界与相界
Processing Innovations
New Materials
Atomic Arrangements: - Crystal Structure and Defects
of Metals and Alloy Phases - Phase Constitutions of Alloys -Microstructure of Metals and Alloys
对力学性能影响较大 但对电性能影响小
沉淀强化：位错切割共格粒子
Precipitation Strengthening: Particle-Cutting
• 强化效果取决于粒子的本性！
沉淀析出第二相粒子的强化效果及 强化机制与粒子尺寸的关系：
Strengthening Effect and Mechanisms by Precipitation Particles
降低原子扩散速率 阻碍位错运动与交滑移 阻碍晶界滑移与迁移 阻碍晶粒长大
金属材料的高温蠕变
Service Conditions of Turbine Blades and Vanes in a Jet Engine
Turbofan GP7000 for Airbus 380
Hostile Service Conditions of Turbine Blades in Jet Engines
对称倾侧小角晶界HREM照片 （高分辨透射电子显微照片）
小角度晶界与亚晶
Small Angle Grain Boundaries and Subgrains
扭转小角度晶界：由两列柏氏矢量
互相垂直的螺位错组成（螺位错网） Twist Small Angle Grain Boundaries
晶体的界面结构(共45张PPT)
2．半共格相界 假设两相邻晶体在相界面处的晶面间距相差较大，那么在相界面上不可能做到完全的一一对
应，于是在界面上将产生一些位错，以降低界面的弹性应变能，这时界面上两相原子局部地保持 匹配，这样的界面称为半共格界面或局部共格界面。
从能量角度而言，以半共格界面代替共格界面更为有利。
3.非共格相界----两相在相界面处的原子排列相差很大。
位相角：θ〔沿坐标系中某一旋转轴的旋转角〕 方向角：φ〔晶界与另一晶粒的位相角〕
2.2 小角晶界
二、晶界自由度 三维晶界------有5个自由度
位相角：θ1 ，θ2， θ 3〔三个相邻晶粒的旋转角〕 方向角：φ1 ，φ2 〔晶界与另一晶粒的位相角〕
2.2 小角晶界
三、小角度晶界的位错模型
倾转晶界〔由刃型位错构成〕 1.对称倾斜晶界
共格晶界: 2种相的原子在界面处完全匹配，形 成完整格界面。
半共格晶界：晶面间距相差较大，在界面上将 产生一些位错，以降低界面的弹性应变能，这
时界面上两相原子局部地保持匹配 。 非共格晶界: 界面上两相原子无任何匹配关系
晶界分类
(1) 按两个晶粒之间夹角的大小来分：
小角度晶界 θ＝0°→3～10°
错配度定义为
式中a 和b分别表示相界面两侧的 相和相的点阵常数，且a ＞ a 。
由此可求得位错间距D为 D=α/δ
当δ很小时，可以近似为
D≈|b|/δ 当δ很小时，D很大，α和β相在相界面上趋于共格，即成为共格相 界；
当δ很大时，D很小，α和β相在相界面上完全失配，即成为非共格相 界，
完全共格相界
3. 扭转晶界〔由螺型位错构成〕
以下图表示两个简单立方晶粒的扭转晶界结构，图中〔001〕 平面是共同的平面，可见这种晶界是由两组螺型位错交叉网络所形 成。扭转晶界两侧的原子位置是互相不吻合的，但这种吻合可以集 中到一局部原子的位置上，其余的局部仍吻合，不吻合的局部是螺 型位错。
晶界
二 晶界结构与分类
• 1 、按两个晶粒间夹角的大小来分类，可分为 小角度晶界和大角度晶界。 –小角度晶界：相邻两个晶粒的原子排列错 合的角度很小，约2º -3º 。
–大角度晶界：晶界上质点的排列已接近无 序状态。
2据晶界两边排列的连贯性来划分，可分 为共格晶界、半共格晶界和非共格晶界。
• 共格晶界：界面两侧的晶体结构相似，晶粒 取向相近，穿越晶界的原子面是连续的。 • 半共格晶界：存在位错。 • 非共格晶界：晶界结构差别很大，而相邻晶 体间必有畸变的原子排列。
1 3 ~ 2 2
120～60°
<60 0
局部
润湿 全润湿
3
>2
3 2
1
(B)开始渗透 晶界 (C)在晶界渗 开 (D)浸湿整个 材料
THE END OF CHAPTER ONE
1 ss cos 2 2 sl
—二面角
讨论：
ss 2 cos 1 0 • （1）若 2 sl
即液相穿过晶界，晶粒完全被液相分隔浸湿，晶粒成孤 岛状分布在液相中 ss 1 1 cos 120 • （2）若 2 2 sl 三个晶粒交界处形成孤岛状液滴(不润湿) • （3）若
ss 3 3 cos 60 sl 2 2
液相沿晶界渗开，在三个晶粒交界处，液相形成三角棱柱体。 （润湿）
ss 比值与的关系见下表： sl 二面角与润湿关系
SS SL
<1
cos
2 1 2
>120
润湿性 不
相分布 (A)孤立液滴
1~ 3
第 三 节
晶 界
一 定义及特点
第八章 表面、相界和晶界
（2）固体表面的几何结构 实验观测表明，固体实际表面是不规则而粗糙的，存在 着无数台阶、裂缝和凹凸不平的峰谷。这些不同的几何 状态会对表面性质产生影响，其中最重要的是表面粗糙 度和微裂纹。
22
（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：
13
（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。
18
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。
22
（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。
18
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。
晶界与相界
8/20/2021
8/20/2021
失配度的定义：δ=（aβ-aα）/aβ aα, aβ——表示相界两侧α相和β相的点阵常数 一般， 当≤ 时，可形成半共格晶面； 当δ＜时，形成共格晶界； 当δ＞时，形成非共格晶界 通过烧结形成得到的多晶体绝大多数为非共格晶界
8/20/2021
8/20/2021
8/20/2021
(2)固-固-气界面
γSV
ψ
γSV
固态晶粒 固态晶粒
γSS
(A)热腐蚀角(槽角)
(3)固-固-液界面
γSL
γSL
γSS
(B)固－固－液平衡的二面角
对于固－固－气界面张力平衡关系：
cos 1SS 2 2 SV
对于固－固－液界面张力平衡关系：
cos
1
SS
2 2 SL
8/20/2021
固体
固－气界面(S-v)
固－液界面(S-L)
液体
附着润湿的吉布斯自由焓变化为： ΔG1 ＝γSL －(γLV ＋γSV )
附着功（单位截面积的液-固界面拉开所做的功） W＝ γLV ＋γSV － γSL
W愈大表示固液界面结合愈牢， 即附着润湿愈强。
8/20/2021
（2）、附着润湿
产生固－液、液－气界面 消失固－气界面
8/20/2021
按两个晶粒之间夹角的大小来分：
小角度晶界 θ＝2°～ 3° 大角度晶界 θ＞15°
小角度晶界又可以分为： 小角度倾转晶界（对称/不对称） 小角度扭转晶界
8/20/2021
转动轴与晶界面法向垂直 转动轴与晶界面法向平行
对称倾斜晶界
8/20/2021
不对称倾斜晶界
扭转晶界
8/20/2021
失配度的定义：δ=（aβ-aα）/aβ aα, aβ——表示相界两侧α相和β相的点阵常数 一般， 当≤ 时，可形成半共格晶面； 当δ＜时，形成共格晶界； 当δ＞时，形成非共格晶界 通过烧结形成得到的多晶体绝大多数为非共格晶界
8/20/2021
8/20/2021
8/20/2021
(2)固-固-气界面
γSV
ψ
γSV
固态晶粒 固态晶粒
γSS
(A)热腐蚀角(槽角)
(3)固-固-液界面
γSL
γSL
γSS
(B)固－固－液平衡的二面角
对于固－固－气界面张力平衡关系：
cos 1SS 2 2 SV
对于固－固－液界面张力平衡关系：
cos
1
SS
2 2 SL
8/20/2021
固体
固－气界面(S-v)
固－液界面(S-L)
液体
附着润湿的吉布斯自由焓变化为： ΔG1 ＝γSL －(γLV ＋γSV )
附着功（单位截面积的液-固界面拉开所做的功） W＝ γLV ＋γSV － γSL
W愈大表示固液界面结合愈牢， 即附着润湿愈强。
8/20/2021
（2）、附着润湿
产生固－液、液－气界面 消失固－气界面
8/20/2021
按两个晶粒之间夹角的大小来分：
小角度晶界 θ＝2°～ 3° 大角度晶界 θ＞15°
小角度晶界又可以分为： 小角度倾转晶界（对称/不对称） 小角度扭转晶界
8/20/2021
转动轴与晶界面法向垂直 转动轴与晶界面法向平行
对称倾斜晶界
8/20/2021
不对称倾斜晶界
扭转晶界
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
冶金物理化学--相图
基本概念回顾v自由度：体系的总变量数减去独立方程数的式，为 独立变量数，也即体系的自由度。
----计算方法冶金物理化学—相图体系总变量数为：(m-1)r+2（考虑温度和压力条件下）其中：假设体系有m个组元，存在r个相，则其中m-1个组元应为独立组 元。
则变量数为：(m-1)r独立方程数：(r-1)m 故自由度: f=m+2-r相律：若C表示组元的数量，P表示相的数量，则 相律常写为f=C-P+2。
冶金物理化学（相图）基本概念回顾 几个定义：v组元：组成系统的独立化学组成物。
合金中元素 视为组元，陶瓷中某一化合物视为组元。
v相：在一个多相体系中由界面分开的物质的均匀 部分，它们具有相同的物理、化学性质和晶体结 构。
v自由度：平衡状态下，在不改变相的类型和数目 时，可以独立变化的状态函数的数量。
冶金物理化学（相图）二元相图的类型v十二个基本类型1、具有最低共溶点或称简单共晶； 2、具有稳定化合物或称同分熔点化合物； 3、具有异分熔点化合物； 4、具有固相分解的化合物； 5、固相晶型转变； 6、液相分层； 7、形成连续固溶体； 8、具有最低点或最高点的连续固溶体； 9、具有低共熔点并形成不连续固溶体； 10、具有转熔反应并形成有限固溶体； 11、具有共析反应； 12、具有包析反应。
冶金物理化学（相图）二元相图的几何元素---面、线v 二元相图由曲线、水平线、垂直线和斜线组成，这些 线把整个图面分成若干区域 区域，形成若干交点 交点。
从而形成相 图中的基本几何元素点、线、面。
v二元相图的几何元素---线二元相图的垂直线：是两组分形成化合物的组成线，可以是 稳定化合物也可以是不稳定化合物。
在化合物的熔点温度，液相和固相有相同的组成，此种化合物 即为稳定化合物，又称同分熔点化合物 同分熔点化合物；若化合物没有固定熔点 仅有分解温度，作为分解产物的固相和液相组成都与原固相化合 物不同，此化合物即为不稳定化合物，也称为异分熔点化合物 异分熔点化合物。
金属冶炼中的材料晶界与晶粒生长
总结词
适当的晶界与晶粒形态有助于提高金属材料的可加工性，降低加工难度和成本。
详细描述
在金属材料的加工过程中，如轧制、锻造和焊接等，材料的可加工性至关重要。 通过控制晶界与晶粒的生长，可以获得更加均匀的微观结构和更好的延展性，从 而提高金属材料的可加工性，降低加工难度和成本。
THANKS
感谢观看
成分控制
总结词
金属冶炼中的成分控制对于晶界与晶粒的生长具有显著影响。通过调整合金成分，可以改变晶界与晶粒的生长行 为。
详细描述
合金成分的差异会影响原子间的相互作用力和结合方式，从而影响晶界的形成和晶粒的生长。通过添加或减少合 金元素，可以改变合金的晶体结构和性质，进而调控晶界与晶粒的生长过程。适当的成分控制可以提高金属材料 的性能和稳定性。
晶界与晶粒生长的关系
晶界对晶粒生长的限制作用
在金属冶炼过程中，小角度晶界和大角度晶界对晶粒生长 具有限制作用，能够阻碍晶粒的长大。
晶粒生长对晶界的影响
随着温度和时间的增加，大尺寸的晶粒形成后会对周围的 晶界产生影响，如消除小角度晶界、使大角度晶界的比例 增加等。
优化晶界与晶粒生长的关系
通过控制温度、时间、成分过冷和结晶器振动等工艺参数 ，可以优化晶界与晶粒生长的关系，获得更加细小、均匀 的晶粒结构，从而提高金属材料的性能。
晶粒生长的原理
晶粒生长机制
在金属冶炼过程中，随着温度的升高和时间的延长，晶体内部的原子或分子的热运动逐 渐增强，使得原子或分子的排列逐渐趋向于更稳定的状态，从而形成较大的晶粒。
晶粒生长过程
晶粒生长是一个动态过程，随着温度和时间的推移，小晶粒逐渐合并、长大，最终形成 大尺寸的晶粒。
影响因素
影响晶粒生长的因素包括温度、时间、成分过冷、结晶器振动等。
适当的晶界与晶粒形态有助于提高金属材料的可加工性，降低加工难度和成本。
详细描述
在金属材料的加工过程中，如轧制、锻造和焊接等，材料的可加工性至关重要。 通过控制晶界与晶粒的生长，可以获得更加均匀的微观结构和更好的延展性，从 而提高金属材料的可加工性，降低加工难度和成本。
THANKS
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成分控制
总结词
金属冶炼中的成分控制对于晶界与晶粒的生长具有显著影响。通过调整合金成分，可以改变晶界与晶粒的生长行 为。
详细描述
合金成分的差异会影响原子间的相互作用力和结合方式，从而影响晶界的形成和晶粒的生长。通过添加或减少合 金元素，可以改变合金的晶体结构和性质，进而调控晶界与晶粒的生长过程。适当的成分控制可以提高金属材料 的性能和稳定性。
晶界与晶粒生长的关系
晶界对晶粒生长的限制作用
在金属冶炼过程中，小角度晶界和大角度晶界对晶粒生长 具有限制作用，能够阻碍晶粒的长大。
晶粒生长对晶界的影响
随着温度和时间的增加，大尺寸的晶粒形成后会对周围的 晶界产生影响，如消除小角度晶界、使大角度晶界的比例 增加等。
优化晶界与晶粒生长的关系
通过控制温度、时间、成分过冷和结晶器振动等工艺参数 ，可以优化晶界与晶粒生长的关系，获得更加细小、均匀 的晶粒结构，从而提高金属材料的性能。
晶粒生长的原理
晶粒生长机制
在金属冶炼过程中，随着温度的升高和时间的延长，晶体内部的原子或分子的热运动逐 渐增强，使得原子或分子的排列逐渐趋向于更稳定的状态，从而形成较大的晶粒。
晶粒生长过程
晶粒生长是一个动态过程，随着温度和时间的推移，小晶粒逐渐合并、长大，最终形成 大尺寸的晶粒。
影响因素
影响晶粒生长的因素包括温度、时间、成分过冷、结晶器振动等。
第4章 晶界(PPT文档)
＝（0 sin cos)
式中0为对称倾侧晶界位错密度。
2019年12月23日4时52分
——古一——
2）扭转晶界（tarist boundary）
如果相邻两晶体绕垂直于界面的旋转轴相 对转动就构成扭转晶界。形成这样的晶界 需要两组螺位错构成网络，一组的柏矢平 行于[100]轴，另一组的柏矢平行于[010]轴， 网络的间距D也满足D=b/θ 。
第四章 晶界
§ 晶界 § 小角度晶界位错模型 § 晶界能
2019年12月23日4时52分
——古一——
4.1 面缺陷
在三维空间的两个方向上的尺寸很大(晶粒数量级)，另外一个方向上 的尺寸很小(原子尺寸大小)的晶体缺陷。 1、 外表面
晶体表面结构与晶体内部不同，由于表面是原子排列的终止面， 另一侧无固体中原子的键合，其配位数少于晶体内部，导致表面原 子偏离正常位置，并影响了邻近的几层原子，造成点阵畸变，使其 能量高于晶内。
2019年12月23日4时52分
——古一——
晶界可以分为大角度晶界（一般称晶界）和小角度晶界 （一般称亚晶界）。大致的说，晶粒间的取向差小于10度 的可称为小角度晶界，在一般情况下可以用位错阵列来描 述。
大角度晶界：位向差在30～46度范围，结构十分复杂，难 以用一个确定的模型描述它。过冷液体模型、小岛模型、
界和亚晶界。晶界和亚晶界实际上是一个原子排列不规则的区域
（如图），该处晶体的晶格处于畸变状态，能量高于晶粒内部，
在常温下强度和硬度较高，在高温下则较低，晶界容易被腐蚀等。
晶界的过渡结构示意图
2019年12月23日4时52分
——古一——
亚晶界结构示意图
晶界的定义：在多晶体中每个晶粒与周围相邻晶粒的取向是不同的， 属于同一固相但取向不同的晶粒间的内界面称为晶粒间界（简称晶 界）。
式中0为对称倾侧晶界位错密度。
2019年12月23日4时52分
——古一——
2）扭转晶界（tarist boundary）
如果相邻两晶体绕垂直于界面的旋转轴相 对转动就构成扭转晶界。形成这样的晶界 需要两组螺位错构成网络，一组的柏矢平 行于[100]轴，另一组的柏矢平行于[010]轴， 网络的间距D也满足D=b/θ 。
第四章 晶界
§ 晶界 § 小角度晶界位错模型 § 晶界能
2019年12月23日4时52分
——古一——
4.1 面缺陷
在三维空间的两个方向上的尺寸很大(晶粒数量级)，另外一个方向上 的尺寸很小(原子尺寸大小)的晶体缺陷。 1、 外表面
晶体表面结构与晶体内部不同，由于表面是原子排列的终止面， 另一侧无固体中原子的键合，其配位数少于晶体内部，导致表面原 子偏离正常位置，并影响了邻近的几层原子，造成点阵畸变，使其 能量高于晶内。
2019年12月23日4时52分
——古一——
晶界可以分为大角度晶界（一般称晶界）和小角度晶界 （一般称亚晶界）。大致的说，晶粒间的取向差小于10度 的可称为小角度晶界，在一般情况下可以用位错阵列来描 述。
大角度晶界：位向差在30～46度范围，结构十分复杂，难 以用一个确定的模型描述它。过冷液体模型、小岛模型、
界和亚晶界。晶界和亚晶界实际上是一个原子排列不规则的区域
（如图），该处晶体的晶格处于畸变状态，能量高于晶粒内部，
在常温下强度和硬度较高，在高温下则较低，晶界容易被腐蚀等。
晶界的过渡结构示意图
2019年12月23日4时52分
——古一——
亚晶界结构示意图
晶界的定义：在多晶体中每个晶粒与周围相邻晶粒的取向是不同的， 属于同一固相但取向不同的晶粒间的内界面称为晶粒间界（简称晶 界）。
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Ni3Al/Ni Coherent Interface in SingleCrystal Ni-Base Superalloy
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- etc
Properties:
- Mechanical - Functional
面缺陷：晶界与相界面
Structure of Grain Boundaries and Interfaces between Phases
Planar Defects
面 缺 陷
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Grain Boundaries 大角度晶界（large angle GB）
相界
Interfaces
共格界面 coherent 非共格界面 non-coherent 半共格界面 semi-coherent
表面
Free Surface
实际金属材料中的晶界与相界 • 单相单晶材料： • 单相多晶材料：晶界 • 多相材料：相界面、相结构
对称倾侧小角度晶界 由刃位错墙组成
Symmetric Tilt Small Angle Grain Boundaries
Egb=Ee/D = Ee×q/b ={[Gb×q /4p(1-n)]ln(D/ro)}
q=b/D
D
Egb=Ee/D = Ee×q/b ={[Gb×q /4p(1-n)]ln(D/ro)}
对称倾侧小角晶界HREM照片 （高分辨透射电子显微照片）
小角度晶界与亚晶
Small Angle Grain Boundaries and Subgrains
扭转小角度晶界：由两列柏氏矢量
互相垂直的螺位错组成（螺位错网） Twist Small Angle Grain Boundaries
孪晶界：一种理想的共格界面 无应变能、界面能即层错能
• 物理性能：电阻、磁性、导热性 • 化学性能：耐蚀性、抗氧化性能 • 力学性能：强度、塑性、韧性、裂
纹扩展
• 工艺性能：冷变形、热变形、焊接、 热处理、机械加工、
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Grain Boundary
Crystal I
小角度晶界
Low Angle Grain Boundaries