材料晶界及界面

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金属材料晶界界面缺陷的研究

金属材料晶界界面缺陷的研究近年来，金属材料晶界界面缺陷的研究逐渐成为材料科学的热门领域。

晶界界面缺陷的存在对金属材料的力学性能、电学性能以及腐蚀性能等方面有着重要影响。

本文将探讨金属材料晶界界面缺陷的研究现状及其在材料科学中的应用。

首先，我们来讨论晶界界面缺陷的类型。

晶界界面缺陷包括位错、空位、间隙原子及团簇、晶界错配等。

位错是晶体中晶格平面的错配，它对材料的力学性能有着直接的影响。

在晶界界面附近，位错的密度会增加，导致材料的强度下降。

空位是晶体中缺失的原子，可以改变材料的扩散行为和热稳定性。

间隙原子及团簇指的是晶格中多余的原子或原子团，它们常常在晶界附近聚集，并影响材料的力学性能和腐蚀性能。

晶界错配是晶体中晶格常数不匹配导致的晶界缺陷，对材料的塑性变形性能有着显著的影响。

其次，我们来探讨金属材料晶界界面缺陷的研究方法。

研究晶界界面缺陷的方法主要包括透射电子显微镜（TEM）、扫描电子显微镜（SEM）、原子力显微镜（AFM）以及计算模拟等。

TEM是研究晶界界面缺陷最常用的手段之一。

通过TEM，可以观察到晶界附近的位错和晶界错配现象。

SEM和AFM可以提供样品表面的形貌信息，并对晶界界面缺陷进行初步分析。

计算模拟方法可以通过模拟晶界界面的原子排布、缺陷能量以及应力分布等信息，为研究晶界界面缺陷提供理论支持。

随后，我们来讨论晶界界面缺陷对金属材料性能的影响。

晶界界面缺陷对材料的力学性能有着重要影响。

晶界位错和晶界错配会导致材料的断裂和塑性变形行为的改变。

晶界附近的空位和间隙原子会影响材料的扩散行为和热稳定性。

此外，晶界界面缺陷还会对材料的电学性能和腐蚀性能产生影响。

因此，研究晶界界面缺陷对于改善金属材料的力学性能、电学性能以及腐蚀性能具有重要意义。

最后，我们来探讨金属材料晶界界面缺陷研究的未来发展方向。

随着扫描透射电子显微镜（STEM）以及原子力显微镜的发展，研究者可以更加准确地观察和表征晶界界面缺陷。

陶瓷晶界和各类固体分界面

(3)约翰尼森(Jnhnnessen)模型. 本模型认为， Si-SiO2分界面的界面是不平坦的，界面域内有硅夹杂物(硅岛），过渡区的组分是Siox(1＜x＜2)。对于厚度为1000Å的的 SiO2膜，不平整度达20Å，硅岛由几个硅原于到几十个硅原子组成，总的过渡区约35Å。John—nessen模型能较好地解释Si-SiO2分界面的许多现象。
二、分界面
分界面（interface）是指两个或数个凝集相的交界面。按照此定义，晶粒间界和相界都应算作分界面。但是在目前的许多技术资料中的分界面通常用来指两种不同相间的有规则界面。interface 也译为界面或内表面。从工艺角度来看，分界面有：(1)由氧化、腐蚀、粘连等化学作用生成的分界面；(2)由真空淀积(蒸发、溅射)、化学气相沉积、热压、界面扩散等形成的固态结合分界；(3)液相沉积和凝固共生的分解面；(4)熔焊或粘接的分界面等。
含Ni导电带有二个不足之处。 (1)Ni在热处理时(425℃2分钟、350℃10分钟)会沿着Au的晶界扩散到表面，生成Nio，Nio与焊锡的润湿性较差，必须用强清洁剂(如热草酸或焊药等) 来清除Nio，这样会使整个电路可靠性下降。 (2)温度试验中发现，高于150 ℃时，焊锡中的Sn 会溶于Ni中，生成Sn-Ni金属间化合物，若焊接时间较长，就会把纯Ni耗，如果Ni的下层是Cu，则 Sn又继续把它耗尽，会使焊点强度下降10％；如果Ni的下层是不溶于Ni-Sn金属间的化合物材料(如 W等)，则多层导电带的附着力变差。
（1）、双层导电带
Cr—Au双层金属膜是我国混合集成电路中普遍采用的薄膜导电带. Cr与衬底有良好的附着性、Au具有优良的导电性，能抗蚀抗氧化，所以Cr—Au是比较理想的双层导电带。近年来发现Cr—Au导电带有以下缺点：Cr在高温时很快往Au中扩散，使导电带电阻增加；另外 Cr还会进入表面并进一步氧化，生成Cr2O3，这样整个导电附着性能变差，使噪声电平增大；焊接性能明显下降。

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：

多晶材料中晶界的结构与性质

多晶材料中晶界的结构与性质多晶材料是由许多晶粒组成的材料，其中晶界是晶粒之间的边界。

晶界在多晶材料中起着至关重要的作用，不仅影响着材料的力学性能、热学性能和电学性能，还决定了多晶材料的微观结构和宏观性质。

晶界的结构与性质受到多种因素的影响，包括材料成分、制备工艺以及外界条件等。

首先，晶界的结构与晶粒的晶体结构有密切的关系。

在多晶材料中，晶界的结构可以是固溶体、相变界面或错配界面。

其中，固溶体晶界是指两个相邻晶粒间存在有限的固溶体溶解，这种晶界具有连续性和均匀性。

相变界面晶界是指两个相邻晶粒间存在明显的相变，这种晶界常表现出不同的晶体结构和晶体取向。

错配界面晶界则是指两个相邻晶粒间存在着晶格失配，这种晶界一般具有高度的应变和位错密集度。

其次，晶界的性质与晶界的几何形态和分布有关。

晶界的几何形态主要包括直线型、点型、面型和界面型。

直线型晶界是指晶粒之间的一维接触，常见于纤维材料。

点型晶界是指晶粒之间的点状接触，常见于球状晶粒的材料。

面型晶界是指晶粒之间的平面接触，是多晶材料中最常见的晶界类型。

界面型晶界是指晶粒之间不易定义的曲面接触，常见于复合材料和液固界面。

此外，晶界的性质还与晶界的宽度和分布密度有关。

晶界的宽度通常由晶粒尺寸和晶界界面的结构决定。

晶界宽度较大的材料通常具有较高的界面能和界面扩散速率。

晶界的分布密度是指单位体积内晶界的数量，分布密度较高的材料往往具有较高的强度和韧性。

晶界的结构和性质对多晶材料的性能有重要影响。

首先，晶界可以阻碍位错的运动和滑移，从而提高多晶材料的强度。

晶界还可以限制晶粒的生长和晶格缺陷的扩散，增强材料的稳定性和耐腐蚀性能。

其次，晶界对多晶材料的导电性、导热性和光学性能也有重要影响。

晶界的存在会增加电导率和热导率，降低光学透明度。

因此，在一些应用领域，如导体材料、热障涂层和太阳能电池等，晶界的结构和性质的控制变得尤为重要。

然而，要准确描述晶界的结构与性质仍然是一个挑战。

晶界处的主要特征

晶界处的主要特征晶界是固体材料中相互结合的晶体之间的界面或界面区域。

它是固体材料中晶体相互连接的重要部分，对材料的性能和性质起着重要作用。

晶界具有以下主要特征。

1. 结构不规则晶界处的晶体结构与晶体内部的结构不同。

由于晶界是不同晶体之间的结合区域，晶格常常会发生错位，导致晶界处的结构不规则。

这种不规则的结构会影响晶界的力学性能和电子结构等特性。

2. 界面能晶界具有一定的界面能，即在晶体界面上形成的能量差。

界面能是晶体内部能量和晶体表面能量之间的差异，它决定了晶界的稳定性和结合强度。

晶界的界面能越低，晶体结合越牢固。

3. 形貌多样晶界的形貌非常多样，可以是平整的、弯曲的、粗糙的等。

形貌的差异主要取决于晶体的生长方式和晶体之间的相互作用。

不同形貌的晶界对材料的性能和性质有着不同的影响。

4. 原子结构错位晶界处的晶体结构通常存在错位，即晶格中的原子位置不完全匹配。

这种错位会导致晶界处的原子排列不规则，进而影响材料的力学性能和电子结构等特性。

晶界错位的类型和数量会对材料的性能产生显著影响。

5. 导电性差异晶界是晶体中导电性差异最明显的区域之一。

由于晶界的结构不规则和原子排列错位，导致晶界处的电子结构与晶体内部有所不同，因此晶界通常具有较高的电阻率和较低的电导率。

这种导电性差异对于一些电子器件的性能有着重要的影响。

6. 力学性能变化晶界的存在会对材料的力学性能产生显著影响。

晶界的存在可以增加材料的硬度和强度，提高材料的韧性和抗拉强度。

然而，过多或过大的晶界会导致材料的脆性增加，降低材料的力学性能。

7. 化学反应晶界是材料中化学反应的重要场所之一。

由于晶界的结构不规则和原子排列错位，使得晶界处的化学活性较高，易于发生化学反应。

晶界上的化学反应对材料的性能和性质有着重要的影响，例如晶界腐蚀、晶界扩散等现象。

晶界作为固体材料中晶体之间的连接区域，具有结构不规则、界面能、形貌多样、原子结构错位、导电性差异、力学性能变化和化学反应等主要特征。

材料表面与界面的特性及其应用

材料表面与界面的特性及其应用材料表面和界面性质是材料科学中的重要研究领域，因为这些性质决定了材料的性能和用途。

在本文中，我们将探讨材料表面和界面的特性及其应用。

一、表面和界面的概念表面是指材料外部与环境接触的部分，分为实际表面和几何表面两种。

实际表面是真实的材料表面，几何表面是理想情况下的平滑表面。

材料的表面特性主要包括表面形貌、表面化学组成、表面结构和表面能等。

界面是指两种不同的材料或相同材料的不同部分之间的分界面，它们之间的接触面积和界面能量影响着材料的特性。

材料的界面性质主要包括晶界、异质界面、相界面等，其中晶界是指晶粒之间的界面，异质界面是指不同材料之间的界面，相界面是指同一材料中不同相之间的界面。

二、表面和界面的特性1. 表面形貌表面形貌是指表面的几何形状和表面纹理。

这些形状和纹理决定了材料的摩擦、磨损、润滑性能等。

表面形貌通常通过光学显微镜、扫描电子显微镜等观察技术获得。

2. 表面化学组成表面化学组成是表面化学反应和表面吸附现象的结果，包括化学基团、氧化物、热处理物种等。

表面化学组成影响材料的电子结构、化学反应和材料与环境之间的相互作用。

3. 表面结构表面结构是指表面的晶体结构和缺陷结构。

它们决定了表面的力学强度、疲劳寿命等。

表面结构通常通过X射线衍射、中子衍射、TEM等实验手段获得。

4.表面能表面能是表面分子间相互作用的能量和表面吸附分子的能量。

表面能决定了表面与其他材料之间的亲疏性和黏附性。

表面能通常通过表面张力、接触角等实验技术测量。

5. 总界面能总界面能是指材料界面的总能量，包括界面张力和界面形变能等。

总界面能主要影响材料的界面稳定性，是材料界面优化的重要指标。

三、表面和界面的应用表面和界面的特性在材料科学中具有重要的应用，主要包括以下方面：1. 表面修饰利用表面化学组成和结构的差异，对材料表面进行化学、物理、生物修饰，以达到特定的表面性质。

例如，通过表面修饰可使金属表面耐蚀、增加光电转换效率等。

材料科学基础-晶界与界面

C. 二面角的用途（a）杂质在金属压力加工中影响 Cu中Bi有热脆是因为Bi低熔点液相薄膜分布（b）粉末冶金烧结时润湿性：选Co与WC （c）对焊料影响：焊接时用助焊剂使焊料润湿被焊金属表面
7.晶界偏聚平衡偏聚及非平衡偏聚 A. 平衡偏聚平衡条件下由于溶质与溶剂原子尺寸相差很大，溶质原子在晶内、晶界的畸变能差很大，造成溶质原子在晶界富集，如Cu-1Sn%合金，：Sn的偏析，Sn的原子半径比Cu大9%，发生严重点阵畸变
扭转晶界：两晶体绕轴旋转后相差θ后螺型位错。网络组成扭转晶界示意图如下：

扭转晶界位错模型
4.亚晶界
每个晶粒中直径10~100μm的晶块（亚晶粒）之的界面溶质原子优先聚集和第二相优生析出的地方可阻碍位错运动，影响材料力学性能

金属晶粒内的重结构示意图 Fe-4Si合金中的亚晶界
8.晶界的其它特性
a. 晶界熔点低，易过烧 b. 晶界是易扩散通道 c. 晶界易形核 d. 晶界易受腐蚀 e. 晶界常温下强化，高温下弱化

9.孪晶界：共格、非共格孪晶
A.共格孪晶界：界面上原子正好在两侧晶粒点阵位置上多通过形变后退火而形成，与堆垛层错密切相关，如fcc(111)面通常是ABCAB CABC……，从某一层开始堆垛变成ABC ACBACBA…… 则形成孪晶，CAC为堆垛层错界面. B. 非共格孪晶界：由许多位错构成
F. 晶界偏聚意义对强韧性、晶间腐蚀、应力腐蚀、蠕变断裂强度、钢回火脆性，钢淬透性有重要影响： a. 纯铁中氧含量增至0.057%，由于氧在晶界偏聚降低晶界结合力，脆性转变温度提高至300℃以上， Ni-Cr合金钢经250~350℃回火后脆性增大，是因为 P（磷）在奥氏体化时在晶界偏聚。 b. Ni3Al金属间化合物加入0.1%B后，B在晶界偏聚提高Ni3Al室温塑性 c. 中、低碳钢中加入0.0005~0.003%B可提高淬透性，即是硼（B）偏聚在晶界降低奥氏体晶界能，抑制奥氏体分解时的先共析铁素体形成

界面结构

2. 晶界上的特性
晶界结构疏松，在多晶体中晶界是原子快速扩散的通道，并容易引起杂质原子偏聚。
晶界上有许多空位、位错和键变形等缺陷使之处于应力畸变状态，故能阶较高，使晶界成为固态相变时优先成核区域。
晶界结构示意图（两晶面彼此相对转10°）
3. 晶界结构的分类
（1）按两个晶粒之间夹角的大小来分：小角度晶界（ θ ＝0°→3～10°）中角度晶界（ θ ＝3°→10～15° ）大角度晶界（ θ ＞15° ）（2）根据晶界两边原子排列的连贯性来分：共格晶界：界面两侧的晶体具有非常相似的结构和类似的取向，越过界面
界面附近的原子可以通过收缩或扩张等方式，使两侧的原子排列保持一定的相位关系，这种界面称为准共格相界面。
若晶格常数差别进一步增大，交界处原子的收缩或扩张程度增大，弹性畸变过于严重，则相界结构不稳定，而失去准共格特征。
半共格界面特征：沿相界面每隔一定距离产生一个刃型位错，除刃型位错线上的原子外，其余原子都是共格的。
过渡区中形成一个新相
（晶界相），它既非α Fe2O3相又非γ -Fe2O3相。
非共格晶界
6. 多晶体中的晶粒分布和晶界
考察多晶体体系中，晶界的特征。（1）多晶体中晶粒的形态在多晶体中体系应该满足：
(a)充塞空间条件，即晶粒应完整无缺地充满整个空间； (b)晶界面自由能极小的条件。
式中：G—剪切模量； δ —失配度；
b —柏氏矢量；
μ —柏松比； r0—与位错线有关的一个长度。
5. 相界
在热力学平衡条件下，不同相之间的交界区称为相界。（1）共格相界两相具有相同或相似的晶格结构, 晶格常数也比较接近。在相界

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用硼径轨显微照相技术研究了超低碳微合金从1150℃以5 ℃/s冷却到850 ℃过程中硼晶界偏聚的形成与发展过程，测基了不同温度时硼富集因子与贫化区宽度，分析了铜元素对硼晶界偏聚的影响。
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

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。
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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。

金属材料的界面结构与界面行为研究

金属材料的界面结构与界面行为研究金属材料在工程应用中扮演着重要的角色，其性能主要受到晶体内部和界面的结构及行为的影响。

界面结构与界面行为的研究对于深入了解金属材料的性能和应用具有重要意义。

本文将介绍金属材料界面结构的特点以及界面行为的影响，以期为相关研究提供一定的参考和启示。

一、金属材料界面结构的特点在金属材料中，界面是指不同晶体颗粒之间的交界面。

金属材料的晶界、晶界和相界等都属于界面的范畴。

界面结构的特点主要有以下几个方面：1. 原子排列的变化：金属材料的晶界和相界处会出现原子排列的变化，如晶体方向的旋转、晶格常数的变化等。

2. 形态多样性：金属材料的界面形态多种多样，既有平行晶面的界面，也有曲面状、突起状等形态的界面。

3. 结构缺陷的堆积：界面的形成使得结构缺陷如位错、点缺陷等会在界面处堆积，对材料性能产生影响。

二、金属材料界面行为的影响金属材料界面结构的变化会对材料的性能和行为产生重要影响，具体表现在以下几个方面：1. 界面强度：界面的结构变化或缺陷的堆积会降低材料的力学性能，使其在界面处容易发生断裂或变形。

2. 扩散与反应：界面独特的结构和能量状态使得金属材料在界面处易于发生扩散和反应，进而引起材料的相互作用、相变和腐蚀等。

3. 电子传输：金属材料中的电子传输主要发生在界面处，界面的结构变化和缺陷对电子的传输和导电性能起着重要影响。

三、金属材料界面研究方法为了揭示金属材料界面结构与界面行为的奥秘，研究人员开展了各种各样的实验和计算方法。

以下列举几种常见的研究方法：1. 透射电子显微镜（TEM）：TEM可以通过电子束与物质相互作用的方式，观察金属材料的界面结构和微观缺陷，且具有高空间分辨率。

2. 原子力显微镜（AFM）：AFM可以通过感应力的变化，实现对金属材料的原子级表面和界面结构的观察和测量。

3. 第一性原理计算：第一性原理计算是一种基于量子力学原理的理论计算方法，可以模拟金属材料的结构和电子行为，对界面结构与界面行为进行深入研究。

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)。

第五章界面结构

原子面是连续的。半共格晶界：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。非共格晶界：界面两侧结构相差很大且与相邻晶体间有畸变的原子排列。
（3）堆积层错
六方最紧密堆积
原子堆积排列
面心立方最紧密堆积
原子堆积排列层错
层错是堆积中原子排错了一层，错层上原子仍是密排的。密堆原子层的表面能变化不大。层错的畸变区约为一个原子的尺度，因此层错的交界区（晶界
晶界结构疏松，在多晶体中晶界是原子快速扩散的通道，并容易引起杂质原子偏聚。
晶界上有许多空位、位错和键变形等缺陷使之处于应力畸变状态，故能阶较高，使晶界成为固态相变时优先成核区域。
晶界结构示意图（两晶面彼此相对转10°）
3. 晶界结构的分类
（1）按两个晶粒之间夹角的大小来分：小角度晶界（ θ＝0°→3～10°）中角度晶界（ θ＝3°→10～15° ）大角度晶界（ θ＞15° ）（2）根据晶界两边原子排列的连贯性来分：共格晶界：界面两侧的晶体具有非常相似的结构和类似的取向，越过界面
TiAl合金
（6）大角度晶界晶界角大于10°以上的晶界称大角度晶界。晶界中的原子排列可用下列方式说明不同角度与原子排列有序
性的关系。
不同晶界的差别
晶界类型界面原子排列特征界面涉及范围界面两侧原子排列取向相同特征
层错
共格双晶界面
有序有序
一个原子层一个原子层
相同不相同但呈镜像对称
晶界应力 kT d
晶界应力与热膨胀系数Δα、温度变化、d成正比，如热膨胀为各向同性即Δα =0,τ=0。
晶粒越大，应力愈大强度越差，抗热冲击性也差。
人为引入具有不同α和弹性模量的晶界相和第二相的弥散，进行晶界应力设计，有助于材料的强韧化。

金属材料的晶界及其性能研究

金属材料的晶界及其性能研究金属材料是人类历史上最重要的材料之一，广泛应用于航空航天、汽车、电子、建筑和军事等领域。

金属材料的性能与其微观结构密切相关，其中晶界作为材料界面区域，对材料性能有着重要影响。

本文将介绍金属材料的晶界结构、性能影响及其研究方法。

一、晶界结构晶界是两个或多个晶粒的结合界面，是金属材料中的性能限制因素之一。

晶界通常有三种结构：平面晶界、曲面晶界和点晶界。

1. 平面晶界平面晶界是由两个离子相邻的面所接触形成的，它们之间的原子排列呈周期性，是一种具有规则结构的界面。

晶界可以被描述为沿着其法向方向有一个周期性的距离与邻近的原子数的变化。

平面晶界的重要性在于它们通常是材料中强度不足的区域。

2. 曲面晶界曲线晶界是由两个晶粒边界搭配组成的，通常是一种中间形态，介于平面和点晶界之间。

曲面晶界也可以被描述为接触面上的原子密度的变化，是非常复杂和难以研究的晶界类型。

曲线晶界在材料力学和热力学方面的作用可能比平面晶界更复杂。

3. 点晶界点晶界由随机的原子结构所组成，并不存在规则的周期性。

点晶界的形成是由于晶粒的断裂或破坏所引起的。

点晶界的重要性在于它们可以作为晶粒缺陷的一种处理方式。

二、晶界对材料性能的影响晶界在材料的性能、强度、延展性、耐蚀性和疲劳寿命等方面都是一个很重要的因素。

1. 强度晶界一般比晶内结构更结实、更耐磨，因韧、抗拉、抗剪性大，而且能承受更大的压力和应变。

晶界的强度与晶界面能有关，晶界面能越大，则晶界越强。

2. 延展性晶界能够阻碍金属内部原子的运动，所以会对材料的延展性和塑性有所影响。

晶界的存在会导致局部应力集中，大量的位错被困住在晶界上，会导致材料的疲劳寿命降低。

3. 耐蚀性晶界与晶内部相比具有不同的化学性质，在电解液中晶界容易被腐蚀，从而产生裂纹和腐蚀。

晶界在一些金属合金和化合物中是很容易发生氧化反应的，这可能会导致材料寿命降低和损坏。

三、晶界研究方法1. 电子显微镜电子显微镜是研究晶界的主要工具之一。

材料科学中的晶体缺陷与界面

材料科学中的晶体缺陷与界面材料科学是现代科学中的一大学科，它致力于研究材料的制备、性质和应用。

其中，晶体缺陷和界面是材料科学中的重要研究方向。

本文将围绕这两个主题展开讨论。

一、晶体缺陷晶体缺陷是指晶体中存在的各种缺陷，包括点缺陷、线缺陷和面缺陷。

点缺陷是指晶体中原子位置的变异，其中最常见的是空位和杂质原子。

空位是指晶体中某个位置失去了一个原子而形成的空位，而杂质原子是指晶体中被替换的原子。

线缺陷是指存在于晶体中的位错，它们是晶体中原子排列过程中出现的一种失序现象。

面缺陷是晶体表面和内部的界面。

在材料科学中，人们对晶体缺陷进行了深入的研究。

这是因为晶体缺陷直接影响着材料的性质和应用。

例如，在研究材料的热稳定性、机械性能、电学性质、光学性质等方面时，就必须考虑晶体缺陷的影响。

通过对晶体缺陷的研究，人们可以改进材料的性能并制备更可靠的材料。

二、界面在各种材料中，界面是另一个重要的研究方向。

界面是两种或多种材料之间形成的表面或界面。

它们可以是两个固体材料之间形成的，也可以是固体和气体或液体之间形成的。

不同类型的界面包括异质界面、同质界面和晶界。

异质界面是指两种不同材料之间形成的界面。

在这种情况下，界面处存在着电子的能量障碍，导致在局部区域内产生电荷和电场。

电荷和电场对材料的性质和应用产生巨大影响。

例如，在太阳电池的制备中，人们需要通过调节异质界面的物理化学特性来提高太阳能转换率。

同质界面是指同一材料的不同晶体之间的界面。

这种界面通常比异质界面更容易形成。

同质界面对材料的电学、光学和磁学性能产生影响。

例如，在磁性材料的制备中，同质界面可以影响相邻晶体之间的磁耦合作用。

晶界是指晶体内部的界面，是晶体缺陷中的重要组成部分。

晶界是由晶格失序、位错和相变引起的，对晶体的性能和应用具有显著影响。

例如，在金属材料中，晶界可以对材料的抗拉强度和硬度产生影响。

结论总的来说，晶体缺陷和界面是材料科学中重要的研究方向。

对它们的深入研究可以为材料性质的改进和材料应用的创新提供重要的理论和实验基础。

晶界和晶界模型

（2）、晶界的主要模型
1、堆垛层错
晶体是由原子(离子)按照一定的方式堆积而成．如从面心立方的[111]或六方密积的[0001]方向来看，晶体是由原子按照密堆积层ABC ABC或AB…的方式堆积起来的。面心立方： … ABC ABC ABC… [111]方向六方密堆： …ABABAB… [0001]方向 Nabarro和Frank用符号△△△代表层次按照正常顺序排列的ABC ABC …堆积,用▽▽▽代表逆顺序……CBACBA……堆积，
一、晶界结构
（1）、晶界
1、定义：取向不同晶体之间的界面。
2、晶界上的特性：晶界结构疏松，在多晶体中晶界是原子快速扩散的通道，并容易引起杂质原子偏聚。晶界上有许多空位、位错和键变形等缺陷使之处于应力畸变状态，故能量较高，使晶界成为固态相变时优先成核区域。
3、晶界的成分：晶界结构比晶体内疏松，杂质原子容易在此发生聚集.晶粒内，杂质原子周围形成了一个很强的弹性应变场，化学势较高. 应变场弱，化学势低，所以体杂质会往晶界集中。当温度升高时，这种趋势更为明显。一般来说杂质在外界会发生凝聚（偏析)。在一些材料中杂质含量可以低到10—1000ppm(10-5-104)。但在晶界中杂质的含量由于偏析可高达1—5at ％。有时晶界杂质的偏析会对晶体的—些性质(如耐蚀性、蠕变、脆性和电学性能等)起关键性的作用。
3、小角度晶界
两个晶粒交界处晶向(如[111]等)之间的夹角，称晶界角。如图所示，箭头都表示[111]方向，则晶界角＝ 1 十 2 ，若界角小于10° 的晶界称小角度晶界。
（1）倾侧晶界
沿晶界区的范围内由棱位错交插而成的晶界称倾侧晶界；由螺位错形成的晶界称扭曲晶界. 一个简立方晶格，它的小角度晶界可看作是沿界面的中线各转过 /2度、中间过渡区中可以安插一定数目的位错使它与晶格匹配。如图所示，倾侧晶界也称倾斜晶界.