材料晶界与界面ppt课件
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材料晶界与界面课件
小角晶界的基本概念及基本公式
PPT学习交流
1
对称倾斜晶界
倾斜晶界的特点是转轴在晶界
r r 平面内，即 ln
最简单的小角度晶界是对 称倾斜晶界，它由一系列 相同的刃型位错排列而成。
tg b
D
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2
小角度晶界能量
EE0(Aln)
其中
E0
Gb
Gb
4(1v)
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3
不对称倾斜晶界
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9
一般小角度晶界
一般小角度晶界需 要用5个自由度（即 界面法线n，转轴l 和转角θ）来进行完
整的描述。
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10
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11
Frank公式 ―― 分析小角度晶界结构的基本公式
d(r l) 2 sin /2 )(
或
d(rl)
r－晶界平面中任一向量
d Nibi
i
d － 是晶界平面中被γ切割的所有位错伯氏矢量之和。 Ni－ 伯氏矢量为bi的位错线被γ切割的数量。
d Nibi (rl)
i
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12
Frank公式 ―― 分析小角度晶界结构的基本公式
PPT学习交流
13
塑性变性过程中形成的小角度位错界面
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14
形变位错界面（小角度晶界）的分析
力学分析，滑移几何学 （Schmidt 因子）
滑移系的开动
b 位错的滑移面及柏氏矢量 i
微观分析，晶体微区取向及取向差的测定
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25
几种金属的自扩散激活能（K/mol）
试样
晶内
Zn在α-黄铜 中
α-Fe的自扩 散
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1
对称倾斜晶界
倾斜晶界的特点是转轴在晶界
r r 平面内，即 ln
最简单的小角度晶界是对 称倾斜晶界，它由一系列 相同的刃型位错排列而成。
tg b
D
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2
小角度晶界能量
EE0(Aln)
其中
E0
Gb
Gb
4(1v)
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3
不对称倾斜晶界
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9
一般小角度晶界
一般小角度晶界需 要用5个自由度（即 界面法线n，转轴l 和转角θ）来进行完
整的描述。
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10
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11
Frank公式 ―― 分析小角度晶界结构的基本公式
d(r l) 2 sin /2 )(
或
d(rl)
r－晶界平面中任一向量
d Nibi
i
d － 是晶界平面中被γ切割的所有位错伯氏矢量之和。 Ni－ 伯氏矢量为bi的位错线被γ切割的数量。
d Nibi (rl)
i
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Frank公式 ―― 分析小角度晶界结构的基本公式
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塑性变性过程中形成的小角度位错界面
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形变位错界面（小角度晶界）的分析
力学分析，滑移几何学 （Schmidt 因子）
滑移系的开动
b 位错的滑移面及柏氏矢量 i
微观分析，晶体微区取向及取向差的测定
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几种金属的自扩散激活能（K/mol）
试样
晶内
Zn在α-黄铜 中
α-Fe的自扩 散
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
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
《晶界强化机制》课件
晶界在材料中的作用
晶界可以影响材料的强度和韧性，因为晶界可以阻碍位错的 运动，从而提高材料的强度和韧性。
晶界还可以影响材料的热学、电学和磁学性能，因为晶界的 存在可以改变材料内部原子排列的结构和状态。
REPORT
CATALOG
DATE
ANALYSIS
SUMMAR Y
02
晶界强化机制的原理
晶界强化机制的物理基础
晶界的定义
晶界是晶体中原子排列从有序到无序 的过渡区域，是不同晶粒之间的界面 。
晶界在晶体中起着重要的作用，它可 以影响材料的力学、物理和化学性能 。
晶界的形成与结构
晶界是在晶体生长过程中形成的，由于晶体生长过程中温度、压力等因素的变化 ，导致晶体内部原子排列的周期性被打断，形成晶界。
晶界的结构比晶体的其他区域更为复杂，原子排列不规则，存在大量的缺陷和能 量较高的状态。
常用的数学模型包括几何必须 能模型、弹性模量模型和能量 势垒模型等。
晶界强化机制的实验验证
通过实验验证是检验晶界强化 机制理论正确性的重要手段。
实验方法包括拉伸、压缩、 弯曲等力学性能测试，以及 透射电镜、扫描电镜等微观
结构观察。
通过实验结果与理论预测的比 较，可以进一步修正和完善晶
界强化机制的理论模型。
粒子可以增强材料的抗氧化性和耐磨性。
在复合材料中的应用
总结词
复合材料中晶界强化机制的应用主要通过优化界面结构、控制晶粒生长和引入增强相等方式实现。
详细描述
在复合材料中，晶界强化机制是通过优化界面结构、控制晶粒生长和引入增强相等手段，提高材料的力学性能、 热稳定性和化学稳定性。例如，优化界面结构可以提高复合材料的力学性能和热稳定性；控制晶粒生长可以改善 复合材料的加工性能和力学性能；引入增强相可以增强复合材料的力学性能和化学稳定性。
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
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。
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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。
界面 材料.ppt
同一固相但位向不同的晶粒之间的界面称为晶界 晶粒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
晶界的自由度
2个自由度
二维平面点阵中的晶界
θ 两个晶粒的位向差 Φ 晶界相对于一个点阵某一平面的夹角
5个自由度
三维点阵中的晶界
右侧晶体绕x, y, z轴旋转
θx θy θz
界面绕x, z轴旋转
重合位置点阵中原子的位置
表3.3 立方晶系金属中重要的重合位置点阵
晶界上重合位置 （为两个晶粒所共 有的原子）愈多
晶界原子排列的 畸变程度愈小
晶界能愈低
4.7.2.3 晶界能
形成单位面积界面时，系统的自由能变化（dF/dA） 它等于界面区单位面积的能量减去无界面时该区单位面
积的能量 它等于界面张力(N／m)
两晶粒的点陈彼此通过 晶界向对方延伸，其中 一些原子有规律的相互 重合。由这些原子重合 位置所组成的新点阵， 称为重合位置点阵
重合位置点阵密度1/5
优点：界面结构清晰 缺点：不能解释两晶粒处于任
意位向差时晶界结构
晶粒2
晶粒1
相邻晶粒位向差为37º时，存在 的1/5重合位置点阵
●晶粒1的原子位置 ○晶粒2的原子位置
β
半共格相界上位错间距取决 于相界处两相匹配晶面的错 配度
错配度
α
式中aα和aβ分别为相界面两侧α和β相点阵常数，且aα＞aβ 由此可求得位错间距D为
界面能高于共格相界
4.7.4.3 非共格相界(Incoherent Phase Boundary)
由原子不规则排列的很薄的过渡层构成
界面能较高，以化学能为主
4.7 界面
界面
外表面(自由表面)：固-气或固-液的分界面
亚晶粒间的界面称为亚晶界
晶界的自由度
2个自由度
二维平面点阵中的晶界
θ 两个晶粒的位向差 Φ 晶界相对于一个点阵某一平面的夹角
5个自由度
三维点阵中的晶界
右侧晶体绕x, y, z轴旋转
θx θy θz
界面绕x, z轴旋转
重合位置点阵中原子的位置
表3.3 立方晶系金属中重要的重合位置点阵
晶界上重合位置 （为两个晶粒所共 有的原子）愈多
晶界原子排列的 畸变程度愈小
晶界能愈低
4.7.2.3 晶界能
形成单位面积界面时，系统的自由能变化（dF/dA） 它等于界面区单位面积的能量减去无界面时该区单位面
积的能量 它等于界面张力(N／m)
两晶粒的点陈彼此通过 晶界向对方延伸，其中 一些原子有规律的相互 重合。由这些原子重合 位置所组成的新点阵， 称为重合位置点阵
重合位置点阵密度1/5
优点：界面结构清晰 缺点：不能解释两晶粒处于任
意位向差时晶界结构
晶粒2
晶粒1
相邻晶粒位向差为37º时，存在 的1/5重合位置点阵
●晶粒1的原子位置 ○晶粒2的原子位置
β
半共格相界上位错间距取决 于相界处两相匹配晶面的错 配度
错配度
α
式中aα和aβ分别为相界面两侧α和β相点阵常数，且aα＞aβ 由此可求得位错间距D为
界面能高于共格相界
4.7.4.3 非共格相界(Incoherent Phase Boundary)
由原子不规则排列的很薄的过渡层构成
界面能较高，以化学能为主
4.7 界面
界面
外表面(自由表面)：固-气或固-液的分界面
第三节 晶界 PPT课件
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。
三 多晶体组织
• 晶界构形：晶界在多晶体中的形状、构造和 分布称为晶界构形,由表面张力的相互关系决 定。
• （2）若
ss 1 cos 1 120
sl
22
三个晶粒交界处形成孤岛状液滴(不润湿)
• （3）若
ss 3 cos 3 60
sl
22
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 sl
比值与的关系见下表：
二面角与润湿关系
SS SL <1
1~ 3
–1、S-S-V系统 （二维界面）
两相为相同的晶粒，第三相为气相，
－槽角 ss
–2、S-S-L系统
2
sv
cos
2
两相为相同的晶粒，第三相为液相，
ss
2 sl
cos 2
cos 1 ss 2 2 sl
—二面角
讨论：
• （1）若
ss 2 cos 1 0
sl
2
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
3
>2
cos 2
1 2
1~ 3 22
32
1
>120
润湿性 不
120～60° 局部
<60
润湿
0
全润湿
相分布
(A)孤立液滴
(B)开始渗透 晶界 (C)在晶界渗 开 (D)浸湿整个 材料
晶界和亚晶界PPT课件
2-8-3 表 面 结 构 及 几 何 形 状 (Structures and Configuration of
Surface)
1．固体表面结构及排列状态 固体表面结构： 微观质点排列状态——原子尺寸 表面几何形态——显微结构 排列状态：
1) 原子密堆,表面能降低
2) 离子极化或位移
第29页/共初3始8页
和动力学因素（变化速率）。
第1页/共38页
1． 热力学因素
G = H - TS
G 与温度相关。
G < 0， 不稳态，扩散和转变会自发进行；
是扩散和结构转变的推动力。
自由能、焓变和熵变。
2． 动力学因素 转变的能垒。 外界提供能量。 温度、压力。
第2页/共38页
2-7-2 固体中的转变类型 (Types of Transformations in Solids)
杂质： 表面张力较小，富集于表面层。 （影响大） 表面张力较大，富集于体积内部。 （影响小）
第27页/共38页
一些物质的 表面能
液体 Hg Zn Au Cu
钢（Fe-0.4%C） Pb Ag Pt H2O H2O
NaCl NaCl NaPO2 FeO Al2O3
温度 20 650
1130 1120-1150
未发生结晶，不是亚稳态向稳定态的相变 微观结构是向一种能量较低的亚稳态的转变
有序程度变化
第4页/共38页
4. 相分离（Separation of Phase)
多组元体系分离成不同组份和结构的几相
化学成分变化
熔体冷却时,可能由不稳态或亚稳态分离成不同成分和结构的相 相分离过程的机制： 一种经过成核； 一种不经过成核
第25页/共38页
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3
本课程的目的将集中讲述材料晶界与界面的 有关知识，为材料系学生从事材料科学的深 入研究打下一个较好的专业知识基础。
4
一、前言（3学时）
主要概略回顾材料晶体学及晶界与界面的基 本知识和基本概念，举例阐述材料晶界及界面的 重要性
5
二、材料晶界及界面的基本模型及研究理论 （8学时）
晶界与界面类型和结构 小角度晶界与大角度晶界（亚晶界与晶界） 倾斜晶界与旋转晶界 各种晶界模型及理论 共格、半共格与非共格相界面 相界面：确定取向关系与 无确定取向关系 晶界结构、能量和成分偏聚：层错和孪晶界等 相界面的能量计算：化学能和结构能界面能量的测量 新相的形核和平衡形状，相界面的原子排列和位错网络 相界面的移动：扩散控制台阶长大机制及切变机制 相界面的吸附、偏聚和析出现象
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
20
Nanoprobe Composition Analysis
Sm(CobalFe0.1Cu0.08Zr0.04)7.5
Cell Boundary: Cu, Co and Fe Cell Center: Cu , Co and Fe
Element Content (at%)
80
70
60 Cu: 0.08
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
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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
Sm
Fe
50
40
Co
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
Zr
30
Cu
20
10
0
-10 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 60
D istan ce fro m C en ter o f C ell B o u n d a2r1y (n m
（四）、界面与 组织形貌 单相组织形貌：平衡态晶粒间呈120角 复相组织平衡形貌：球形、碟形及针形 界面上的第二相：取决于两侧间的角度及取向
6
三、晶界及界面结构表征的实验技术及方法 （8学时课堂＋3学时实验课）
晶界与界面研究主要在两个方面：晶界及界面结构、 晶界及界面微区成分 实验技术及方法： 透射电子显微镜：晶界及界面形貌观察。 高分辩透射电镜：晶界及界面原子像 X-ray能谱，能量损失谱：晶界及界面微区化学成分 微区电子衍射：晶界及界面两侧晶体取向关系 扫描电镜及电子背散射分析：晶界及界面晶体取向关 系的统计分析。
12
NiO材料中一倾斜晶界高分辨图
及对应的结构示意图
13
具有确定取向关系的TiAl与Ti3Al之间界面结构
14
TiB/β-Ti界面的 高分辨像
15
ABOw/Al复合材料的界面
16
Fe-Mo-Si-B纳米合金的形貌及晶界结构
17
纳米钯材料中的晶界结构
18
（二）、界面能量
表面能：表面内能＋表面熵
2000年-2002年，兼任 北京英纳超导技术有限公司，董事, 总经理 2001年，北京大学EMBA培训。
主持及主要参加了欧共体科研项目，国家自然科学基 金，”863”重大科技项目，计委高技术产业化示范工程项目 及北京九五、十五重大科技项目等十余项。已发表论文八十余 篇，其中被SCI收录五十余篇。1998年获国家杰出青年科学基金 (总理基金)； 清华大学百名人才引进工程首批入选者。
10
一、前言
（一）、界面类型和结构
按界面两边物质状态分类
（1）表面：固－气界面，固－液界面
（2）晶界、亚晶界
（3）相界
按界面两边晶体取向差角度或界面特征分类
（1）小角度晶界、大角度晶界
（2）倾斜晶界、旋转晶界
根据界面上原子排列情况分类
（1）共格界面
（2）半共格界面
（3）非共格界面
11
倾斜晶界与旋转晶界示意图
2
课程目的
各种材料中的晶界及界面 自然界及人类使用的相当大部分材料都是多晶 体材料或复相材料，含有大量的晶界和相界面
金属材料（钢铁、铝、铜、钛、镍合金等）； 陶瓷材料（结构陶瓷、功能陶瓷）； 复合材料，矿物材料，纳米材料。
这些存在于各种材料内部的晶界及相界对材料的 加工及使用性能起着至关重要的作用。
晶体材料表面能与表面晶体取向的关系
小角度界面能：γ=γ0·θ(A - lnθ)
大角度界面能：一般大角度晶界（500－600 mJ/m2)
重合位置点阵界面 孪晶界面
相界面能：共格、半共格界面与非共格界面
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（三）、界面偏聚
C=C0exp(ΔE/RT)
影响界面偏聚的因素：
（1）晶内溶质浓度 （2）温度 （3）畸变能差 （4）溶质元素的种类
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。
22
例1、Ni基高温合金
蠕变及高温疲劳是高温合金的最主要的失 效形式，而晶界是发生蠕变及高温疲劳的薄 弱处，所以晶粒越大，单位体积的晶界面积 越少，材料高温性能越好。
定向凝固（超大晶粒）及单晶镍基合金 （无晶界）作为高温合金用材料。
23
晶 体 生 长 方 向
定向凝固 柱状晶样品示意图
本课程的目的将集中讲述材料晶界与界面的 有关知识，为材料系学生从事材料科学的深 入研究打下一个较好的专业知识基础。
4
一、前言（3学时）
主要概略回顾材料晶体学及晶界与界面的基 本知识和基本概念，举例阐述材料晶界及界面的 重要性
5
二、材料晶界及界面的基本模型及研究理论 （8学时）
晶界与界面类型和结构 小角度晶界与大角度晶界（亚晶界与晶界） 倾斜晶界与旋转晶界 各种晶界模型及理论 共格、半共格与非共格相界面 相界面：确定取向关系与 无确定取向关系 晶界结构、能量和成分偏聚：层错和孪晶界等 相界面的能量计算：化学能和结构能界面能量的测量 新相的形核和平衡形状，相界面的原子排列和位错网络 相界面的移动：扩散控制台阶长大机制及切变机制 相界面的吸附、偏聚和析出现象
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
20
Nanoprobe Composition Analysis
Sm(CobalFe0.1Cu0.08Zr0.04)7.5
Cell Boundary: Cu, Co and Fe Cell Center: Cu , Co and Fe
Element Content (at%)
80
70
60 Cu: 0.08
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
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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
Sm
Fe
50
40
Co
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
Zr
30
Cu
20
10
0
-10 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 60
D istan ce fro m C en ter o f C ell B o u n d a2r1y (n m
（四）、界面与 组织形貌 单相组织形貌：平衡态晶粒间呈120角 复相组织平衡形貌：球形、碟形及针形 界面上的第二相：取决于两侧间的角度及取向
6
三、晶界及界面结构表征的实验技术及方法 （8学时课堂＋3学时实验课）
晶界与界面研究主要在两个方面：晶界及界面结构、 晶界及界面微区成分 实验技术及方法： 透射电子显微镜：晶界及界面形貌观察。 高分辩透射电镜：晶界及界面原子像 X-ray能谱，能量损失谱：晶界及界面微区化学成分 微区电子衍射：晶界及界面两侧晶体取向关系 扫描电镜及电子背散射分析：晶界及界面晶体取向关 系的统计分析。
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NiO材料中一倾斜晶界高分辨图
及对应的结构示意图
13
具有确定取向关系的TiAl与Ti3Al之间界面结构
14
TiB/β-Ti界面的 高分辨像
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ABOw/Al复合材料的界面
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Fe-Mo-Si-B纳米合金的形貌及晶界结构
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纳米钯材料中的晶界结构
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（二）、界面能量
表面能：表面内能＋表面熵
2000年-2002年，兼任 北京英纳超导技术有限公司，董事, 总经理 2001年，北京大学EMBA培训。
主持及主要参加了欧共体科研项目，国家自然科学基 金，”863”重大科技项目，计委高技术产业化示范工程项目 及北京九五、十五重大科技项目等十余项。已发表论文八十余 篇，其中被SCI收录五十余篇。1998年获国家杰出青年科学基金 (总理基金)； 清华大学百名人才引进工程首批入选者。
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一、前言
（一）、界面类型和结构
按界面两边物质状态分类
（1）表面：固－气界面，固－液界面
（2）晶界、亚晶界
（3）相界
按界面两边晶体取向差角度或界面特征分类
（1）小角度晶界、大角度晶界
（2）倾斜晶界、旋转晶界
根据界面上原子排列情况分类
（1）共格界面
（2）半共格界面
（3）非共格界面
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倾斜晶界与旋转晶界示意图
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课程目的
各种材料中的晶界及界面 自然界及人类使用的相当大部分材料都是多晶 体材料或复相材料，含有大量的晶界和相界面
金属材料（钢铁、铝、铜、钛、镍合金等）； 陶瓷材料（结构陶瓷、功能陶瓷）； 复合材料，矿物材料，纳米材料。
这些存在于各种材料内部的晶界及相界对材料的 加工及使用性能起着至关重要的作用。
晶体材料表面能与表面晶体取向的关系
小角度界面能：γ=γ0·θ(A - lnθ)
大角度界面能：一般大角度晶界（500－600 mJ/m2)
重合位置点阵界面 孪晶界面
相界面能：共格、半共格界面与非共格界面
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（三）、界面偏聚
C=C0exp(ΔE/RT)
影响界面偏聚的因素：
（1）晶内溶质浓度 （2）温度 （3）畸变能差 （4）溶质元素的种类
材料晶界及界面
材料系 刘 庆， qing.liu@ 电话：62772852(O), 62773302(H);
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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。
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例1、Ni基高温合金
蠕变及高温疲劳是高温合金的最主要的失 效形式，而晶界是发生蠕变及高温疲劳的薄 弱处，所以晶粒越大，单位体积的晶界面积 越少，材料高温性能越好。
定向凝固（超大晶粒）及单晶镍基合金 （无晶界）作为高温合金用材料。
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晶 体 生 长 方 向
定向凝固 柱状晶样品示意图