材料晶界与界面ppt课件
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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。
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
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
19
（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
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。
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
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。
Sm
Fe
50
40
Co
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
Fra Baidu bibliotek
（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
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
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
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
材料晶界及界面
材料系 刘 庆， qing.liu@tsinghua.edu.cn 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。
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
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。
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
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
19
（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
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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。
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
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。
Sm
Fe
50
40
Co
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
Fra Baidu bibliotek
（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
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
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
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
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倾斜晶界与旋转晶界示意图
材料晶界及界面
材料系 刘 庆， qing.liu@tsinghua.edu.cn 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。
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
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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
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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
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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