第三章晶体缺陷表面与界面
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
对称倾斜晶界 不对称倾斜晶界 扭转晶界
对称倾斜晶界：可以看成由一列平行的刃型位错构成
位错间距D和柏氏矢量b之间关系：
不对称倾斜晶界
如果对称倾斜晶界的界面绕某一轴旋转一角度， 虽然两晶粒的位相差仍然是，但此时两晶粒不再 对称，称为不对称倾斜晶界。
不对称倾斜晶界有两个自由度和。其结构可以 看成由两组柏氏矢量相互垂直的刃型位错 交 错排列构成，两组位错各自间距 分别为：
• 5）在某种情况下可产生晶界上溶质原子的贫化—负吸附
• 6）产生晶界偏聚的原因，有一种解释：固溶体中溶质原 子和溶剂原子的尺寸不同，晶界偏聚可使系统能量降低
晶界特性
• 1）晶界处点阵畸变大，存在晶界能，故晶 粒长大和晶界平直化是一个自发过程
• 2）晶界处原子排列不规则→阻碍塑性变形 →Hb，sb↑（细晶强化）
小角度晶界的界面能
单位长度刃型位错的能量：
D
b
而
E刃 ＝4G (1 ２ bv)lnrR0 Ec
D E11ED ＝ 4G (1 bv)lnrR 0bEc
令 ห้องสมุดไป่ตู้0 b ，RD 则
E0
Gb
4(1v)
E0(Aln )
A=
E刃 c 4（1- v）
变化，即d/dA。它等于接口区单位面积的能量减去无界
面时该区单位面积的能量。
• 也可看成由于晶界上点阵畸变增加的那部分额外自由能。
在纯金属中
dFdA
在合金中
dFdA
i
uiddinA
假定晶界面积A改变不 引起的晶粒内i组元原 子数的改变
晶界面积A改变而引起 的晶粒内i组元原子数 的改变
对称倾斜晶界和扭转晶界则属于特殊情况。
大角度晶界
High-angle grain boundary
多晶体材料各晶粒之间的晶界通常是大角度晶界 大角度晶界结构复杂，原子排列不规则 晶界可看成是好区与坏区交替相间组合而成的。 一般大角度晶界的宽度一般不超过三个原子间
距。
* 相邻晶粒在交界处的形状不是光滑的曲面， 而是由不规则台阶组成的，A,B,C,D特征区域
部，对材料的物理、化学、力学特性产生重要的 影响
• 表面：
• 晶体自由表面上的原子，由于其周围环 境与晶体内部不同，致使约有几个原子层 处于较高的能量状态，该表层结构称为表 面。
• 为降低表面能，晶体表面往往为低指数 的密排晶面，由此导致晶体外形发生规则 化。
• 常见金属的平均比表面能变化范围在 1.1J/m2至5J/m2之间。
dW
dAT.V.Ui(恒温恒组 容温 ，恒组 容元 ，化学位不变下
被 形 切 成 割 了 的 的 化 新 学 界 键 面 数 目 （ 能 量 每 个 键 ）
**晶体中的表面张力是各向异性的 **原子密度最大的面具有最低的值→晶体表面一般 为原子密度最大的面 **表面能与曲率有关：曲率越大，表面能越大
晶界 亚晶界
• 晶界：取向不同的晶粒之间的界面（内界 面）
• 亚晶界：晶粒有时又由若干个稍有差异的 亚晶粒组成，相邻亚晶粒间的界面称为亚 晶界。（晶粒的平均直径0.015-0.25mm，亚晶粒则
为0.001mm数量级）
• 晶界具有5个自由度：两晶粒的位相差 （3），界面的取向（2）
二维点阵中晶界的几何 关系可用两个晶粒的位 相差和晶界相对于点阵 某一平面的夹角来确定
第五部分 表面与界面
表面及界面
• 界面包括：外表面（自由表面）和内界面
• 表面：固体与气体或液体的分界面
• 表面与材料的摩擦、磨损、氧化、腐蚀、偏析、催化、吸 附以及光学、微电子学等有密切关系。
• 内界面：晶粒边界、晶内的亚晶界、孪晶界、层 错、相界面等。
• 界面：几个原子层厚，原子排列于成分不同于内
扭转 晶界
扭转晶界可以看成两部分晶体绕某一轴 在一个共同平面上相对扭转一个角构成 的，扭转轴垂直于这一共同晶面。也可 以看成由相互交叉的螺位错组成。
Db
纯扭转晶界和倾斜晶界的不同在于：倾斜晶 界形成时，转轴在晶界内；扭转晶界的转 轴则垂直于晶界。
一般小角度晶界都可看成两部分晶体绕某 一轴旋转一角度而形成，不过该转轴即不 平行也不垂直晶界，故可看成一系列刃位 错，螺位错或混合位错的网络组成。
Gb2
故小角度晶界是相邻两晶粒之间位相差的函数
晶界的界面能的测量
晶界能可通过测定界面交角求出其相对值： 三个晶粒相遇，在达到平衡时，在o点处接口张力必须 达到力学平衡
12 23 31
si n12 si n23 si n31
故测得
在平衡状态下，三叉晶界的各面角均趋于最稳定的120°。
晶界的平衡偏聚
• 晶界偏聚——内吸附（热力学平衡的偏聚）
• 特点：1）溶质浓度不变时，一定的T对应一定平衡晶界偏
聚量 • 2）T↑偏聚量↓ ，
CC0exp k(ET)
△E：溶质原子在晶界上的能量差, C：晶界浓度
C0：晶内浓度
• 3）晶界平衡偏聚量可以很显著
C C0
10104
• 4）晶界偏聚区的范围约为4-几百埃
压缩区 双属区
扩张区
零属区
• 重合位置点阵模型 **晶界能较低 **特殊位向
大角度晶界 大角度晶界能一般不随相邻晶粒的位向差而变化， 对特定的晶体是基本恒定的。但在某些特殊的位向 差角度时，会出现晶界能的显著减小。该问题可用 重合位置点阵模型来分析解释。
立方晶系中的重要重合位置点阵
晶界能
• 晶界能：形成单位面积晶面时，系统Helmholtz自由能的
• 表面能的作用产生表面吸附现象
外表面的特点
• 周期性的排列被破坏－相邻原子比晶内少 • 由于成分偏析和表面吸附，表面成分与晶内不一
致 • 表面原子的键合与晶内不同，偏离正常的平衡位
置，表面层原子点阵畸变 • 厚度一般几个原子层 • 最外层原子有一半原子健悬空，能量高，表面活
性高
表面能：
定义为形成单位面积的新表面所需做的功
三维点阵的晶界几何关系应由 5个自由度来确定： 两晶粒的位相差（3），界面 的取向（2）
小角度晶界
根据相邻晶粒之间的位相差的大小将晶界分为两类：
①小角度晶界－－相邻晶粒的位相差小于10°的晶界；亚晶界均属于该类型 ②大角度晶界－－相邻晶粒的位相差大于10°的晶界；多晶体中的晶界
小角度晶界一般分为：
对称倾斜晶界：可以看成由一列平行的刃型位错构成
位错间距D和柏氏矢量b之间关系：
不对称倾斜晶界
如果对称倾斜晶界的界面绕某一轴旋转一角度， 虽然两晶粒的位相差仍然是，但此时两晶粒不再 对称，称为不对称倾斜晶界。
不对称倾斜晶界有两个自由度和。其结构可以 看成由两组柏氏矢量相互垂直的刃型位错 交 错排列构成，两组位错各自间距 分别为：
• 5）在某种情况下可产生晶界上溶质原子的贫化—负吸附
• 6）产生晶界偏聚的原因，有一种解释：固溶体中溶质原 子和溶剂原子的尺寸不同，晶界偏聚可使系统能量降低
晶界特性
• 1）晶界处点阵畸变大，存在晶界能，故晶 粒长大和晶界平直化是一个自发过程
• 2）晶界处原子排列不规则→阻碍塑性变形 →Hb，sb↑（细晶强化）
小角度晶界的界面能
单位长度刃型位错的能量：
D
b
而
E刃 ＝4G (1 ２ bv)lnrR0 Ec
D E11ED ＝ 4G (1 bv)lnrR 0bEc
令 ห้องสมุดไป่ตู้0 b ，RD 则
E0
Gb
4(1v)
E0(Aln )
A=
E刃 c 4（1- v）
变化，即d/dA。它等于接口区单位面积的能量减去无界
面时该区单位面积的能量。
• 也可看成由于晶界上点阵畸变增加的那部分额外自由能。
在纯金属中
dFdA
在合金中
dFdA
i
uiddinA
假定晶界面积A改变不 引起的晶粒内i组元原 子数的改变
晶界面积A改变而引起 的晶粒内i组元原子数 的改变
对称倾斜晶界和扭转晶界则属于特殊情况。
大角度晶界
High-angle grain boundary
多晶体材料各晶粒之间的晶界通常是大角度晶界 大角度晶界结构复杂，原子排列不规则 晶界可看成是好区与坏区交替相间组合而成的。 一般大角度晶界的宽度一般不超过三个原子间
距。
* 相邻晶粒在交界处的形状不是光滑的曲面， 而是由不规则台阶组成的，A,B,C,D特征区域
部，对材料的物理、化学、力学特性产生重要的 影响
• 表面：
• 晶体自由表面上的原子，由于其周围环 境与晶体内部不同，致使约有几个原子层 处于较高的能量状态，该表层结构称为表 面。
• 为降低表面能，晶体表面往往为低指数 的密排晶面，由此导致晶体外形发生规则 化。
• 常见金属的平均比表面能变化范围在 1.1J/m2至5J/m2之间。
dW
dAT.V.Ui(恒温恒组 容温 ，恒组 容元 ，化学位不变下
被 形 切 成 割 了 的 的 化 新 学 界 键 面 数 目 （ 能 量 每 个 键 ）
**晶体中的表面张力是各向异性的 **原子密度最大的面具有最低的值→晶体表面一般 为原子密度最大的面 **表面能与曲率有关：曲率越大，表面能越大
晶界 亚晶界
• 晶界：取向不同的晶粒之间的界面（内界 面）
• 亚晶界：晶粒有时又由若干个稍有差异的 亚晶粒组成，相邻亚晶粒间的界面称为亚 晶界。（晶粒的平均直径0.015-0.25mm，亚晶粒则
为0.001mm数量级）
• 晶界具有5个自由度：两晶粒的位相差 （3），界面的取向（2）
二维点阵中晶界的几何 关系可用两个晶粒的位 相差和晶界相对于点阵 某一平面的夹角来确定
第五部分 表面与界面
表面及界面
• 界面包括：外表面（自由表面）和内界面
• 表面：固体与气体或液体的分界面
• 表面与材料的摩擦、磨损、氧化、腐蚀、偏析、催化、吸 附以及光学、微电子学等有密切关系。
• 内界面：晶粒边界、晶内的亚晶界、孪晶界、层 错、相界面等。
• 界面：几个原子层厚，原子排列于成分不同于内
扭转 晶界
扭转晶界可以看成两部分晶体绕某一轴 在一个共同平面上相对扭转一个角构成 的，扭转轴垂直于这一共同晶面。也可 以看成由相互交叉的螺位错组成。
Db
纯扭转晶界和倾斜晶界的不同在于：倾斜晶 界形成时，转轴在晶界内；扭转晶界的转 轴则垂直于晶界。
一般小角度晶界都可看成两部分晶体绕某 一轴旋转一角度而形成，不过该转轴即不 平行也不垂直晶界，故可看成一系列刃位 错，螺位错或混合位错的网络组成。
Gb2
故小角度晶界是相邻两晶粒之间位相差的函数
晶界的界面能的测量
晶界能可通过测定界面交角求出其相对值： 三个晶粒相遇，在达到平衡时，在o点处接口张力必须 达到力学平衡
12 23 31
si n12 si n23 si n31
故测得
在平衡状态下，三叉晶界的各面角均趋于最稳定的120°。
晶界的平衡偏聚
• 晶界偏聚——内吸附（热力学平衡的偏聚）
• 特点：1）溶质浓度不变时，一定的T对应一定平衡晶界偏
聚量 • 2）T↑偏聚量↓ ，
CC0exp k(ET)
△E：溶质原子在晶界上的能量差, C：晶界浓度
C0：晶内浓度
• 3）晶界平衡偏聚量可以很显著
C C0
10104
• 4）晶界偏聚区的范围约为4-几百埃
压缩区 双属区
扩张区
零属区
• 重合位置点阵模型 **晶界能较低 **特殊位向
大角度晶界 大角度晶界能一般不随相邻晶粒的位向差而变化， 对特定的晶体是基本恒定的。但在某些特殊的位向 差角度时，会出现晶界能的显著减小。该问题可用 重合位置点阵模型来分析解释。
立方晶系中的重要重合位置点阵
晶界能
• 晶界能：形成单位面积晶面时，系统Helmholtz自由能的
• 表面能的作用产生表面吸附现象
外表面的特点
• 周期性的排列被破坏－相邻原子比晶内少 • 由于成分偏析和表面吸附，表面成分与晶内不一
致 • 表面原子的键合与晶内不同，偏离正常的平衡位
置，表面层原子点阵畸变 • 厚度一般几个原子层 • 最外层原子有一半原子健悬空，能量高，表面活
性高
表面能：
定义为形成单位面积的新表面所需做的功
三维点阵的晶界几何关系应由 5个自由度来确定： 两晶粒的位相差（3），界面 的取向（2）
小角度晶界
根据相邻晶粒之间的位相差的大小将晶界分为两类：
①小角度晶界－－相邻晶粒的位相差小于10°的晶界；亚晶界均属于该类型 ②大角度晶界－－相邻晶粒的位相差大于10°的晶界；多晶体中的晶界
小角度晶界一般分为：