材料科学基础 第8章 材料的表面与界面
材料科学基础---第四章 表面与界面
r1、r2—曲面的主曲率半径
方向：指向曲率中心
应用：附加压力推动烧结过程的进行。
2、弯曲表面上的饱和蒸汽压
P M 1 1 或 ln P RT ( r r ) —开尔文方程 0 1 2
P 2 M 1 ln P0 RT r
G SV SL LV cos
●若SV> SLθ <900，浸渍润湿过程自发进行；
若SV< SL θ >900，固体浸入液体必须做功。
三种润湿的共同点：液体将气体从固体表面排挤开，使原 有的固－气（或液－气）界面消失，代之以固液界面，铺展是 润湿的最高标准，能铺展则必能附着和浸渍。
(C)
图4 – 5
弯曲表面上的附加压力的产生
返回
（3）∆P与曲率半径R的关系
●把一根毛细管插入液体中，向毛细管吹气，在管的下端 形成一个半径为R的气泡(如图4-5所示)。设想用一活塞维 持气泡的平衡压力为 P，气泡处于平衡时，则有P=P0+∆P或
∆P＝P–P0
●使活塞下移，使气泡体积增加dV，表面积增加dA,
湿；
②θ ﹤900时，F>0，能润湿；
③θ ＝ 00 时，润湿张力 F 最大，完全润湿，即
液体在固体表面上自由铺展。 润湿的先决条件：SV > SL或SL十分微小。
（3）浸渍润湿
● 指固体浸入液体中的过程，此过程中， S － V 界
面为S－L界面所代替，而液体表面没有变化。
●此过程中自由焓的变化:
环境对物系所做的功： δ We＝PdV＝(P0
+∆P)dV
●气泡膨胀物系对环境所做的功：δ Ws＝P0dV ●物系得到的净功：δ W‘＝δ We－δ Ws＝∆PdV ●此功用于克服表面张力的作用，使气泡表面积增加 dA ， 即用于增加物系的表面能。故：∆PdV＝γ dA
材料表面与界面（1）
材料表⾯与界⾯（1）材料表⾯与界⾯第⼀章绪论§1-1表⾯与界⾯的概念表⾯：通常把⼀个相和它本⾝的蒸汽（或在真空中)相接触为界⾯。
界⾯：两个不同的相或取向不同的材料相接触的分界⾯。
§1-2表⾯科学及其应⽤理想晶体（⽆限连续体）：晶胞（能反映晶体特征的最⼩单元）在三维空间上的周期性重复。
实际晶体：有边界⼀、表⾯与体内的差别1、组成上的差别―表⾯偏析(表⾯富集、表⾯偏析、晶界偏析）2、表⾯质点排列与体内的差别（表⾯结构分析）3、表⾯原⼦的电⼦结构与体内的不同表⾯上的原⼦的电⼦云空间分布变化表⾯物理化学性质变化表⾯原⼦的电⼦结构与能级变化能量和空间分布状态XPS测内层电⼦UPS测价电⼦⼆、表⾯科学的实际应⽤光学性质：增透膜、减反膜催化作⽤：1、改善材料的机械性能、腐蚀性能SiN4-SiN2O预氧化2、催化问题3、界⾯的研究固-固界⾯、固-液界⾯（润湿）4、能源的利⽤§1-3表⾯研究⽅法⼀、常⽤表⾯分析技术AES 俄歇电⼦谱AEAPS 俄歇电⼦出现电势谱SEM 扫描电⼦显微镜EPMA 电⼦探针微区分析（微探针）EELS 电⼦能量损失谱ESCA 化学分析电⼦谱（XPS）EXAFS 扩展X射线吸收精细结构HREELS ⾼分辨电⼦能量损失谱IMMA 离⼦微探针质量分析器IRRAS 红外反射吸收谱LEED 低能电⼦衍射MEED 中能电⼦衍射RHEED 反射⾼能电⼦衍射SIMS ⼆次离⼦质谱STM 扫描隧道显微镜UPS 紫外光电⼦谱XPS X射线光电⼦谱⼆、表⾯分析分类1、根据测量物理基础分类a、以电学、光学技术为基础b、表⾯电⼦谱⽅法2、表⾯电⼦谱优点：a)电⼦容易产⽣⽽且价廉b) 电⼦的荷质⽐很⼤，很容易被聚束或偏转c) 电⼦有合适的⾮弹性散射平均⾃由程（能够带回来⾮常丰富的近表⾯层的信息） d) 电⼦和原⼦、分⼦、离⼦不同，它在使⽤过程中不会影响系统的真空度，不会存在“记忆”效应 e) 电⼦能有效地加以检测缺点：a) 电⼦对样品不是完全⽆损的b) 电⼦谱探测的深度依赖于电⼦的能量和材料的特性c) 电⼦携带的信息⼀般来⾃近表⾯约1nm 的深度，所以电⼦谱包含有某些体内的性质d) 电⼦不像光束那么容易做到“偏振化”和单⾊化，并且容易受外界磁场的影响。
材料科学基础试题及答案
第一章 原子排列与晶体构造1. fcc 构造的密排方向是 ，密排面是 ，密排面的堆垛顺序是 ，致密度为 ，配位数是 ,晶胞中原子数为 ，把原子视为刚性球时，原子的半径r 与点阵常数a 的关系是 ；bcc 构造的密排方向是 ，密排面是 ,致密度为 ,配位数是 ,晶胞中原子数为 ，原子的半径r 与点阵常数a 的关系是 ；hcp 构造的密排方向是 ，密排面是 ，密排面的堆垛顺序是 ，致密度为 ，配位数是 ,，晶胞中原子数为 ，原子的半径r 与点阵常数a 的关系是 。
2. Al 的点阵常数为，其构造原子体积是，每一个晶胞中八面体间隙数为 ，四面体间隙数为 。
3. 纯铁冷却时在912e 发生同素异晶转变是从 构造转变成 构造，配位数 ，致密度降低 ，晶体体积 ，原子半径发生 。
4. 在面心立方晶胞中画出）（211晶面和]211[晶向，指出﹤110﹥中位于〔111〕平面上的方向。
在hcp 晶胞的〔0001〕面上标出）（0121晶面和]0121[晶向。
5. 求]111[和]120[两晶向所决定的晶面。
6 在铅的〔100〕平面上，1mm 2有多少原子？铅为fcc 面心立方构造，其原子半径R=×10-6mm 。
第二章 合金相构造一、 填空1〕 随着溶质浓度的增大，单相固溶体合金的强度 ，塑性 ，导电性 ，形成间隙固溶体时，固溶体的点阵常数 。
2〕 阻碍置换固溶体溶解度大小的要紧因素是〔1〕 ；〔2〕 ；〔3〕 ；〔4〕 和环境因素。
3〕 置换式固溶体的不均匀性要紧表现为 和 。
4〕 依照溶质原子进入溶剂点阵的位置区分，固溶体可分为 和 。
5〕 无序固溶体转变成有序固溶体时，合金性能转变的一样规律是强度和硬度 ，塑性 ，导电性 。
6〕间隙固溶体是 ，间隙化合物是 。
二、问答1、 分析氢，氮，碳，硼在-Fe 和-Fe 中形成固溶体的类型，进入点阵中的位置和固溶度大小。
元素的原子半径如下：氢：，氮：，碳：，硼：，-Fe ：，-Fe ：。
材料科学基础第8章固态相变
第二节 固态相变的形核与长大
二 非均匀形核（能量条件） 2 非均匀形核的能力变化 △ G＝-V△Gv+S+ V-△GD △GD－晶体缺陷导致系统降低的能量。
第三节 固态相变的晶核长大
三 常见固态相变类型 相变名称
同素异构转变 多型性转变 脱溶转变 共析转变 包析转变 马氏体转变 贝氏体转变 调幅分解 有序化转变
相变特征
同一种元素通过形核与长大发生晶体结构的变化 合金中晶体结构的变化 过饱和固溶体脱溶分解出亚稳定或稳定的第二相 一个固相转变为两个结构不同的固相 两个不同结构的固相转变为一个新的固相，组织中一般 有某相残余 新旧相之间成分不变、切变进行、有严格位向关系、有 浮凸效应 兼具马氏体和扩散转变的特点，借助铁的切变和碳的扩 散进行 非形核转变，固溶体分解成结构相同但成分不同的两相 合金元素原子从无规则排列到有规则排列，担结构不变。
3.惯习现象
* 新相沿特定的晶向在母相特定晶面上形成。
惯习方向 （母相） 惯习面
原因：沿应变能最小的方向和界面能最低的界 面发展。
4 母相晶体缺陷促进相变
缺陷类型
点… 线… 晶格畸变、自由能高，促进形核及相变。 面…
5 易出现过渡相
* 固态相变阻力大，直接转变困难 协调性中间产物（过渡相） ＋Fe3C +(3Fe+C) 例 M +Fe3C
第二节 固态相变的形核与长大
三 晶核的长大
（3）相变动力学 f第三节 过饱和固溶体的分解
一 脱溶（时效）转变
1 概念：脱溶转变 2 脱溶转变过程 相的名称－形貌－尺寸－结构－点阵常数－共格关系 －强化作用 3 脱溶动力学
《材料表面与界面》PPT
•贝尔比层形成与作用 •动抛性光(熔时化抛)光, 在剂凝磨固去前表，面由层于原面子表，面下张面力一的层作在用瞬使间表内面保变持得流平
滑。
•由于金属有高的热导率，表面层又迅速地凝固成20Å 左右
的非晶态层。
• 对于金属和合金来说，它们的抛光表面大都有一层贝尔比
层，其成分是金属和它的氧化物的混合物。贝尔比层可起到 耐蚀、强化的作用。。
会吸附水分子，并解离成羟基(OH-)，而使表面的物埋化表面：空气/表面组成/设计组成。 •表面组成：表面能小的氧化物易在玻璃表面富集,如PbO,
材料 铝
铁
加工方式与粗糙系数
加工条件 箔
板材抛光 阳极氧化层，厚20µm
2号金刚砂抛光，苯去脂 膜
粗糙系数 6 1.6
200~900
3.8 60
(3) 粗糙度对材料或应用的影响 材料表面受力的影响 由于固体的表面是不平整性，当两个表面相互接触时, 真实接 触面积与表观接触面积差别较大。
在实际应用中，表观面积与加工方式和负荷无关。 而真实接触面积会随受力负荷而改变：
几种调整的方式后形式清洁表面结构示意图
(1) 弛豫
•表面区原子(或离子)间的距离偏离体内的晶格常数，而晶胞
结构基本不变, 这种情况称弛豫。
• 离子晶体的表面容易发生弛豫，主要作用力是库仑静电力，
这是一种长程作用。
•弛豫产生原子位置偏移，主要在垂直表面方向。因此，一
般认为弛豫后表面原子排列的平移对称性不变，只是微观对 称性发生了变化。
贝尔比层 微晶区 明显变形区
磨料颗粒
•研磨时, 金属表面的温度可达500℃~1000℃，有时会产生熔
化。
•金属导热性好, 冷却迅速, 熔化的原子来不及回到平衡位置，
5-材料化学-表面与界面
固体的表面自由能和表面张力 与液体相比： ➢ 固体的表面自由能中包含了弹性能。表面张力在 数值上不等于表面自由能； ➢ 固体的表面张力是各向异性的。 ➢ 实际固体的表面绝大多数处于非平衡状态， 决 定固体表面形态的主要是形成固体表面时的条件 以及它所经历的历史。 ➢ 固体的表面自由能和表面张力的测定非常困难。
露珠呈球形；毛细管现象； 防雨布不被水润湿； 活性炭能使糖汁脱色，等等
表面现象 和工农业 生产也有 着密切的 关系
化工生产中的多相催化； 火法冶金中夹杂物的排除； 铁渣分离；选矿作业中的浮选； 农业中的土壤性质；农药的配制； 矿物地质；食品的乳化；油污的去除； 机械的润滑，等等。
这些现象的发生都与表面层（或界面层）分子特有的性质 密切相关
表面
物体对真空或与本身的蒸气接触的面。 由于绝对的真空并不存在，在许多场合 下，把固相与气相、液相与气相之间的 分界面称为表面。
界ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
面 相界
指结构不同的两块晶体或结构相同而点 阵参数不同的两块晶体接合而成的交界 面。
晶界
同种材料相同结构的两个晶粒之间的边 界，也称为晶粒间界。
表面的重要性
表面现象是 自然界中常 见的现象
表面张力和表面能有相同的量纲，对于液体，二者数 值相同，而对于固体，二者则有所不同。
对于界面（例如固液界面）而非表面，则通常称为界 面能和界面张力。
• 表面张力（或表面能）的大小受分子间相互作用 力影响。
• 纯物质的表面张力（表面能）与分子的性质有关 ，通常是
γ（金属键）＞ γ（离子键）＞ γ（极性共价键） ＞ γ（非极性共价键）
理想表面 结构示意 图
理想表 面的扫 描隧道 显微镜 图
B.清洁表面 指不存在任何吸附、催化反应、杂质扩散等物理
材料科学基础试题及答案
第一章 原子排列与晶体结构1. fcc 结构的密排方向是 ，密排面是 ，密排面的堆垛顺序是 ，致密度为 ，配位数是 ,晶胞中原子数为 ，把原子视为刚性球时，原子的半径r 与点阵常数a 的关系是 ；bcc 结构的密排方向是 ，密排面是 ,致密度为 ,配位数是 ,晶胞中原子数为 ，原子的半径r 与点阵常数a 的关系是 ；hcp 结构的密排方向是 ，密排面是 ，密排面的堆垛顺序是 ，致密度为 ，配位数是 ,，晶胞中原子数为 ，原子的半径r 与点阵常数a 的关系是 。
2. Al 的点阵常数为0.4049nm ，其结构原子体积是 ，每个晶胞中八面体间隙数为 ，四面体间隙数为 。
3. 纯铁冷却时在912ε 发生同素异晶转变是从 结构转变为 结构，配位数 ，致密度降低 ，晶体体积 ，原子半径发生 。
4. 在面心立方晶胞中画出）（211晶面和]211[晶向，指出﹤110﹥中位于（111）平面上的方向。
在hcp 晶胞的（0001）面上标出）（0121晶面和]0121[晶向。
5. 求]111[和]120[两晶向所决定的晶面。
6 在铅的（100）平面上，1mm 2有多少原子？已知铅为fcc 面心立方结构，其原子半径R=0.175×10-6mm 。
第二章 合金相结构一、 填空1） 随着溶质浓度的增大，单相固溶体合金的强度 ，塑性 ，导电性 ，形成间隙固溶体时，固溶体的点阵常数 。
2） 影响置换固溶体溶解度大小的主要因素是（1） ；（2） ；（3） ；（4） 和环境因素。
3） 置换式固溶体的不均匀性主要表现为 和 。
4） 按照溶质原子进入溶剂点阵的位置区分，固溶体可分为 和 。
5） 无序固溶体转变为有序固溶体时，合金性能变化的一般规律是强度和硬度 ，塑性 ，导电性 。
6）间隙固溶体是 ，间隙化合物是 。
二、 问答1、 分析氢，氮，碳，硼在α-Fe 和γ-Fe 中形成固溶体的类型，进入点阵中的位置和固溶度大小。
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材料表面与界面pptPPT学习教案
1 2 n
h1 h2
hn
[说明]晶体的平衡形状和实际生长出的晶体外 形常常有出入，并不严格遵守乌耳夫法则。这 主要是因为晶体生长是在非平衡态下进行，并 受杂质含量的影响等。
第32页/共132页
实际表面状态 －实际表面通常不平坦，即使是极完全解 理的表面也常存在2-l00nm的不同高度的 台阶，同时也存在结构缺陷如裂缝等。
第36页/共132页
－Gibbs吸附方程，Gibbs表面张力方程： 设体系有一个体相、一个表面， 可逆方程的内能变化：
dU TdS PdV dA idni
i
按Gibbs热力学方法：
dU d(U b U ) Td(S b S ) PdV dA ibdnib i dni
对各向同性材r 料0，, 上fij式 可 写 ij 为, ：
f
第18页/共132页
2．固体表面 2.1 表面结构的驰豫与重构 －表面力使系统表面处于高能态。 液体以降低表面积来降低系统的表面能； 固体以离子重排、变形、极化、晶格畸变来降低表 面能。
－理想表面：体内结构不变地延续到表面层， 是理论完整的二维点阵平面。
z Z A
即： z Z 1 [Z (Z Z )] 1 [Z (zV z V )]
AA
A
其中： z Z /V ， z Z /V
i组元的mol数的界面超量：
i
ni A
1 A [ni
(ni
ni )]
1 A [ni
(NV
N V )]
度i，为iN组、元的N 为界α面、吸β附相或单偏位析体；积单的位m为o表l数面。浓
平衡状态自由能极小的条件平衡状态自由能极小的条件极小值极小值当当为各向同性平衡形态为球形液体所取外为各向同性平衡形态为球形液体所取外当当为各向异性可按乌耳夫作图法得出平衡形为各向异性可按乌耳夫作图法得出平衡形在在图上的每一点都作出垂直于矢径的平面图上的每一点都作出垂直于矢径的平面去掉平面间重叠的区域剩下体积最小的多面体去掉平面间重叠的区域剩下体积最小的多面体就是晶体的平衡形状
陶杰版材料科学基础--第8章 材料的表面与界面
材料表界面类型（按形成途径划分） 粉末冶金界面：通过热压、热锻、热等静压、烧 结、热喷涂等粉末工艺，将粉末材料转变为块体 所形成的界面。 黏结界面：由无机或有机黏结剂使两个固体相结 合而形成的界面。 熔焊界面：在固体表面造成熔体相，然后两者在 凝固过程中形成冶金结合的界面。
根据材料的类型进行划分：
三、 固液界面与润湿
润湿是固液界面上的重要行为。润湿是一种流 体从固体表面置换另一种流体的过程。 润湿是近代很多工业技术的基础。例如：机械 的润滑、金属焊接、陶瓷与搪瓷的坯釉结合、陶瓷 与金属的封接等工艺和理论都与润湿作用有密切的 关系。 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，就称润湿。 根据润湿情况的不同可分为：附着润湿、铺展 润湿及浸渍润湿。
1、附着润湿:
1、固体的表面能
表面能的含义是每增加单位表面积时，体系自由能的增 量，单位是J/m2 。固体表面上的质点与晶体内部相比，处 于一个较高的能量状态，所以表面积增加，体系的自由能就 增加。 也就是说，要形成一个新表面，外界必须对体系做功， 表面粒子的能量高于体系内部粒子的能量，高出的部分能量 通常称为表面过剩能，简称表面能。 固体的表面能可以通过实验测定或理论计算法来确定。 实验方法一般是将固体熔化，测定液态表面张力与温度的关 系，作图外推到凝固点以下来估算固体的表面张力。
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。 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。
3）相界面：任何两种不同状态之间的分界面称之 为相界面，如固-气、固-液、固-固、液-气和 液-液界面。
《复合材料原理》表面与界面基础 ppt课件
ppt课件 12
2. 表面与界面热力学
2.2 固体表面热力学
固体表面张力 =(1+2)/2 1 2表面应力 表面应力，单位长度力
力学定义 固体表面张力 1=2 各相同性 12 各向异性 对于某各向异性的固体，在二维方向上面积 各增加dA1和dA2 d(A1GS)= 1 dA1 d(A2GS)= 2 dA2
ZZdZ时：曲面面积变化为：
y
y+dy
A＝(x+dx)(y+dy)-xy=xdy+ydx
新增加的表面能为： A＝ (xdy+ydx)
P所做的膨胀功为 P.x.y.dz
平衡时有： （xdy+ydx）=Pxydz
ppt课件 29
3. 表面与界面效应
3.1 Young－Laplace 方程
3. 表面与界面效应
3.2 Kelvin方程
p M 1 1 ln( ) ( ) p0 RT r1 r2
当r1=r2
弯曲表面上的蒸汽压
r1=R1
r2=R2 Kelvin
p 2 M ln( ) p0 rRT
1 1 P ( ) r1 r2
当r1=r2
ppt课件
1 1 P ( ) R1 R2
ppt课件
y
y+dy
30
3. 表面与界面效应
3.1 Young－Laplace 方程
弯曲表面下的附加压力
平表面：R1 R2 △P=0 毛细管：R1=R2=R/ △P根据曲面方向分为： 毛细上升 毛细下降 l 为液体的密度; s 为气体的密度 因l>>g所以：2/R'=lgh
材料科学基础05-固体的表面与界面
液-液界面
液-固界面
固-固界面
• 固-固界面是固体中的一种缺陷，有其自身的结构 、化学成分和物理化学特性。这种缺陷，从它在 物质中分布的几何特征来看，是二维的，借此区 别于其他晶体缺陷如位错和空位等。
面缺陷 （二维缺陷）
• 晶体材料中存在着许多界面，如（外）表面（surface） 与内界面（interface）等。
表
部
面
0.281nm
0.266nm
图10 NaCl表面层中Na+Βιβλιοθήκη 里；Cl-向外移动并形成双电层
离子极化性能愈大，双电层愈厚，从 而表面能愈低。
如：PbI2表面能最小（130尔格／厘米2 ）；PbF2次之（900尔格／厘米2）；CaF2 最大（2500尔格／厘米2）
2、粉体表面结构
• 粉体：微细的固体微料集合体大小，表面材料工艺 中，原料加工成微细颗粒以利于成型和烧结。
固体的表面
图1 不均匀表面的示意图 • 固体表面的结构和性质在很多方面都与体内不同．晶体内
部的三维平移对称性在晶体表面消失了．把固体表面称为 晶体三维周期结构和真空之间的过渡区域。
固体的表面
• 理想表面 • 清洁表面
– （1）台阶表面 – （2）弛豫表面 – （3）重构表面
• 吸附表面
1、理想表面
• 表面存在大量的活性晶格点：由于打磨，加工表面的局部被扭 曲变形引起，这种表面常常比电解抛光或低温退火预处理后的 表面更活泼 。
• 残余应力 ：机加工后，除了表面产生拜尔贝层之外，还存在着 各种残余应力，按其作用范围大小可分为宏观内应力和微观内 应力
2021/8/27
26
• 金属材料在工业环境中被污染的实际表面示意图
材料科学基础课件第八章 相变
球缺的表面积是： 与固体接触面的半径是：
ALX 2R (1 cos )
2
r R sin
将上式代入求d（ΔGk）/dR中，得出不均匀成核的临界半径
3 2 LX * R GV
同样将它处理后，得出
3 16 LX (2 cos )(1 cos ) 2 * Gk Gk f ( ) 2 3(GV ) 4
二、析晶相变过程的动力学 1、晶核形成过程动力学
晶核形成：均匀成核
非均匀成核：较常见。 (1). 均匀成核－－组成一定，熔 体均匀一相，在T0温度下析晶， 发生在整个熔体内部，析出物质 组成与熔体一致。 成核速率 IV ＝ .n i .nK
原子与晶核碰撞频率 临界晶核数 临界晶核
临界晶核周围原子数
3) 马 氏 体 转 变 速 度 很 快 ， 有 时 速 度 高 达 声 速 。 4)马氏体相变过程也包括成核和长大。由于相变时长大的速 率一般很大,因此整个动力学决定于成核过程，成核功也就 成为相变所必需的驱动力。也就是说，冷却时需过冷至一定 温度使具有足够的成核驱动力时，才开始相变。 四、按成核特点分类 均质转变：发生在单一均质中。
界面层的厚度
线性生长速率
u Q n 0 exp(
q G )[1 exp( )] RT RT
G HT / T0
0 exp( q / RT ) B n
HT G )] B [1 exp( )] T0 RT RT
线性生长速率 u B .[1 exp(
普遍类型：一般合金有序－无序转变、铁磁性－顺磁性转变、超 导态转变等。
T0
二级相变实例 特例 混合型相变： 特点： 同时具有一级相变 和二级相变的特征
【材料科学基础】必考知识点第八章
2020届材料科学基础期末必考知识点总结豆第八章回复与再结晶第一节冷变形金属在加热时的组织与性能变化一回复与再结晶回复：冷变形金属在低温加热时，具显微组织无可见变化，但其物理、力学性能却部分恢复到冷变形以前的过程。
再结晶：冷变形金属被加热到适当温度时，在变形组织内部新的无畸变的等轴晶粒逐渐取代变形晶粒，而使形变强化效应完全消除的过程。
二显微组织变化（示意图）回复阶段：显微组织仍为纤维状，无可见变化；再结晶阶段：变形晶粒通过形核长大，逐渐转变为新的无畸变的等轴晶粒。
晶粒长大阶段：晶界移动、晶粒粗化，达到相对稳定的形状和尺三性能变化1力学性能（示意图）回复阶段：强度、硬度略有下降，塑性略有提高。
再结晶阶段：强度、硬度明显下降，塑性明显提高。
晶粒长大阶段：强度、硬度继续下降，塑性继续提高，粗化严重时下降。
2物理性能密度：在回复阶段变化不大，在再结晶阶段急剧升高；电阻：电阻在回复阶段可明显下降。
四储存能变化(示意图)1储存能：存在于冷变形金属内部的一小部分(〜10%)变形功。
「弹性应变能(3〜12%)2存在形式J位错(80〜90%) 1I点缺陷j 是回复与再结晶的驱动力3储存能的释放：原子活动能力提高，迁移至平衡位置，储存能得以释放。
五内应力变化回复阶段：大部分或全部消除第一类内应力，部分消除第二、三类内应力；再结晶阶段：内应力可完全消除。
第二节回复一回复动力学(示意图)1加工硬化残留率与退火温度和时间的关系ln(x o/x)=C o texp(-Q/RT)x o原始加工硬化残留率；X—退火时加工硬化残留率；C0一比例常数；t—加热时间；T—加热温度。
2动力学曲线特点(1)没有孕育期；(2)开始变化快，随后变慢；(3)长时间处理后，性能趋于一平衡值。
3高温回复：位错攀移（+滑移）f 位错垂直排列（亚晶界）+多边化（亚（0.3~0.5Tm ）晶粒）一►弹性畸变能降低。
三回复退火的应用去应力退火：降低应力（保持加工硬化效果），防止工件变形、开 裂，提高耐蚀性。
材料表面与界面ppt课件
胡福增 主编
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课程安排
• 管 涌，危大福： 表界面基础知识、表面活性剂、高分子材料的表面改性 和表征，复合材料界面；
• 袁双龙： 无机非金属材料，8课时； • 朱以华： 纳米材料，8课时； • 张 琰： 生物材料，8课时。
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参考书：
1.顾惕人，朱步瑶，李外郎，等，表面化学，北京，科学出版社，2003年； 2.滕新荣，表面物理化学，北京，化学工业出版社，2009年； 3.朱步瑶，赵振国，界面化学基础，北京，化学工业出版社，1996年； 4.筏 羲人（日），高分子表面的基础和应用，北京，化学工业出版社，1990年； 5.金谷，表面活性剂化学，合肥，中国科学技术大学出版社，2008年； 6.近藤精一，吸附科学，2005年； 7.Ralph T. Yang（著），马丽萍，宁平，田森林（译），吸附剂原理与应用，北京，高等教
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第 1 章 表界面基础知识
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表面张力和表面自由能
1.表面层分子与内部分子相比，它们所处的 环境不同。 2.气液表面的分子净受到指向液体内部的力； 表面张力本质是分子间相互作用 3.从液体内部将分子移到表面要克服分子间引 力而做功，使系统自由焓增加；
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定义：外力F与液膜边缘的长度成正比，比 例常数与液体表面特性有关，以σ表示 ，称 为表面张力：
HOW TO MAKE WATER RUN UPHILL （Published in Science）
• A surface having a spacial gradient in its surface free energy was capable of causing drops of water placed on it to move uphill. This motion was the result of an imbalance in the forces due to surface tension acting on the liquid-solid contact line on the two opposite sides (“uphill” or “downhill”) of the drop. The required gradient in surface free energy was generated on the surface of a polished silicon wafer by exposing it to the diffusing front of a vapor of decyltrichlorosilane, CI3Si(CH2)9CH3.
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8.3 晶体中界面的偏聚与迁移 8.3.1 晶界平衡偏析
CB
C0
exp(
G ) kT
可见，溶质原子在静态晶界中偏析的程度和它在溶剂中的溶 解度有关。
8.3 晶体中界面的偏聚与迁移
晶界硬化 不锈钢的敏化 晶界腐蚀 粉末烧结过程 回火脆性
8.3 晶体中界面的偏聚与迁移
8.3.2 界面迁移驱动力 晶界迁移：晶界在其法线方向上的位移，是通过晶粒边缘上
8.2 晶体中的界面结构
三、相界 根据界面上的原子排列结构不同，可把固体中的相界分为
共格、半共格以及非共格三类。 （1）共格相界
8.2 晶体中的界面结构 有应变共格界面
8.2 晶体中的界面结构
（2）半共格相界
若aa和ab分别为无应力时的a和b的点阵常数，这两个点阵的
错配度定义为：
ab aa a
晶界迁移率B与扩散系数D之间的关系为： B＝D/kT ≈B0 e(-Q/kT)
当界面保持平衡时，界面两侧压力差值为P，
则：
gldq＝Plrdq
所以：
P＝g/r
而对任意曲面，则有： 恒温时：
P＝g(1/r1+1/r2) dm＝VdP
则：
m1－m2＝VP
通过以上分析可见，晶界曲率是晶界迁移的驱动力，界面总
是向凹侧推进。
8.3 晶体中界面的偏聚与迁移
8.3.3影响界面迁移的因素 (1) 温度
a
8.2 晶体中的界面结构
(3) 非共格界面
当两相在相界面处的原子排列相差很大时，即很大时，只能
形成非共格界面。
8.2 晶体中的界面结构 8.2.2界面能量 一、晶界能
由于晶界是一种缺陷，它的出现使体系的自由能增加，我们 定义形成单位面积的晶界而引起体系自由能增高称为晶界能。
晶界能与晶体本身的性质，晶界两侧的取向差以及晶界本身 的方位有关。另外，杂质和温度对晶界能也有影响。
原子离开平衡位置所引起的弹性畸变能（或应变能） 由于界面上原子间结合键数目和强度发生变化所引起的化学 交互作用能。 弹性畸变能大小取决于错配度的大小；而化学交互作用能取 决于界面上原子与周围原子的化学键结合状况。
共格相界：以应变能为主； 非共格相界：以化学能为主，而且总的界面能较高。 从相界能的角度来看，从共格至半共格到非共格依次递增。
可见，晶界上位错密度为： ρ = 1/D = θ/b（单位面积上的位错长度）。
8.2 晶体中的界面结构
当b=0.25nm θ=1°时，D=14.3nm； θ=10°时，D = 1.4nm ≈ 5b（5个原子间距）
一般说来，只有当θ < 5°时，位错才可分辨，此时D = 12b 。在θ = 10°时，5－6个原子间距就有一个位错。位错密度过 大，此时的晶界将全部是位错心，这种结构显然是不稳定的。 因此，θ大时，这个模型不适用。
按照界面两边状态可分为：
➢ 表面：分界面一侧为气体或真空的界面；
➢ 界面
晶界、亚晶界：多晶体材料内部成分、 结构相同而取向不同的晶粒（或亚 晶）之间的界面；
相界：指材料中不同相之间的界面。
尽管界面通常只有几个原子层厚，但由于其 特殊的结构和界面能量，使得它具有很多与 晶体内部不同的性质，从而对晶体的物理、 化学和力学等性能有重要影响。比如在腐蚀、 磨损、氧化、偏析、催化、微电子学、强度、 相变等方面。
8.2 晶体中的界面结构
对于小角晶界，可以用组成它的位错能量进行估算。 对于对称倾转晶界，设位错一根位错，而单位长度刃位错的能量为：
E
Gb2
4 (1
)
ln
R r0
EC
因此单位面积上的界面能为：
EB＝E/D＝Eq/|b|
8.2 晶体中的界面结构 二、相界能 相界能包括两部分：
8.2 晶体中的界面结构 实验观察到的对称倾转晶界
8.2 晶体中的界面结构 （2）扭转晶界
8.2 晶体中的界面结构
8.2 晶体中的界面结构 二、大角度晶界
大角晶界：θ>10° 模型比较复杂，原子排列 不规则。
8.2 晶体中的界面结构 重合位置点阵示意图
8.2 晶体中的界面结构 体心立方晶体中重合位置点阵
8.2 晶体中的界面结构
8.2.1 界面的类型与结构
晶界
相界
Mg-3Al-0.8Zn合金中的晶界
Pb-Sn合金中的相界
8.2 晶体中的界面结构
一、界面的自由度 晶界的性质取决于它的结构，而晶界的结构在很大程度上取
决于与其相邻的两个晶粒的相对取向和晶界相对于其中一个晶 体的相对位向。 从几何角度，晶界定义： （1）获得相对取向的旋转轴μ取向； （2）最小旋转角度θ值； （3）晶界（假设平面）在晶体中的位置。 从几何上描述一个晶界需要5个自由度。
8.2 晶体中的界面结构
二、小角晶界 小角晶界： 两个晶粒的位相差在10°以下 典型－亚晶界 晶粒平均直径一般在微米量级，而亚晶粒的平
均直径则通常在纳米量级。 简单小角晶界： 倾转晶界－由刃型位错构成 扭转晶界－由螺型位错构成
8.2 晶体中的界面结构 （1）对称倾转晶界
8.2 晶体中的界面结构 对称倾转晶界可看成是由 一列平行的刃型位错所构成， 很明显，位错间距D与柏氏 矢量b之间的关系为：
材料科学基础
白晶 东南大学材料科学与工程学院 2010.5
材料的表面与界面
1 基础知识 2 晶体中的界面结构 3 晶体中界面的偏聚与迁移 4 界面与组织形貌 5 高聚物的表面与界面张力 6 复合体系的界面结合特性 7 材料的复合原理
实际晶体不同相或同一相的不同取向区域之间总是 存在分界面（面缺陷）。
常用夹角法测晶界能，把薄杆状的样品放在足够高的温度中 长时间退火，由于存在着晶界界面能，其中三个晶粒的晶界受 到表面张力的作用。
8.2 晶体中的界面结构
g 12 g 23 g 31 sinj3 sinj1 sinj2
其中：j1，j2，j3分别是晶界面1，2和3之间的两面角。 g1，g2，g3是晶粒1/2，晶粒2/3和晶粒1/3之间界面的晶界能。
的原子向其邻近晶粒的跳动实现的。
8.3 晶体中界面的偏聚与迁移
8.3.2 界面迁移驱动力 晶界迁移：晶界在其法线方向上的位移，是通过晶粒边缘上
的原子向其邻近晶粒的跳动实现的。
8.3 晶体中界面的偏聚与迁移
则指向曲率中心的分力为：2glsin(dq/2)
考虑q很小时，有：
2glsin(dq/2)＝gldq