材料科学基础(东北大学)第五章课件.ppt

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1、第五章界面5.1.1固气界面固体与气体间的界面结构可以用刚性球模型进行描述。从图中可以看出随着面指数的提高，原子的面密度降低。5.1界面结构表面自由能的起因就是表面的一层原子缺少某些原子与之相邻接，例如与｛111｝相平行的表面上的各原子，就缺少了12个近邻中的3个邻接原子。如果金属的键力是ε，每个键可以使每个原子的内能降低ε/2，因此，有3个破断键的每个表面原子比体内原子多出内能3ε/2。对于纯金属，ε可以从升华热Ls计算，若气化1mol的固体，就可以构成12NA个破断键，因此Ls=12Nε/2。｛11

2、1｝的表面自由能可以近似的表示为：γ=0.25Ls/N当宏观表面具有高的或者无理｛hkl｝指数面时，表面就会出现台阶状结构，其中的每层台阶宽均为密排面。与密排面的夹角为θ的晶体平面因为存在台阶所包含的破断键将比密排面上的破断键多一些，图中斜表面的长度设定为单位长，垂直纸面的厚度也设定为单位长度，那么，单位面积表面上，将有（cosθ/a）（1/a）个破断键伸出密排面，并且从台阶的阶高又多出（sin

3、θ

4、/a）（1/a）个附加的破断键。再给每个破断键ε/2的能量，那么γ=（cosθ+sin

5、θ

6、）ε/2a2

7、5.1.2晶界分类(根据相邻晶粒位相差)小角度晶界：（Low-anglegrainboundary）相邻晶粒的位相差小于10º亚晶界一般为2º左右。大角度晶界：（High-anglegrainboundary）相邻晶粒的位相差大于10º大角度晶界小角度晶界小角度晶界的结构a）对称倾斜晶界：(symmetrictiltboundary)晶界两侧晶体互相倾斜晶界的界面对于两个晶粒是对称的其晶界视为一列平行的刃型位错组成。倾侧前倾侧后a）对称倾斜晶界b)不对称倾斜晶界根据位相差的形式c)扭转晶界位错的间距D、

8、柏氏矢量b和晶粒位相差θ之间的关系：θ≈b/D（θ很小时）对称倾斜晶界b）不对称倾斜晶界：(asymmetrictiltboundary)晶界的界面对于两个晶粒是不对称的；可以视为对称倾斜晶界的界面绕某一轴转了一角度φ。晶界的结构可以看成两组柏氏矢量相互垂直的刃型位错交错排列而成。不对称倾斜晶界c）扭转晶界(twistboundary)：两部分晶体绕某一轴在一个共同的晶面上相对扭转一个θ角晶界结构：互相垂直的螺型位错一般情况下，任意的小角度晶界可视为一系列刃型位错、螺型位错或混合位错的网络所构成多晶材料

9、中晶粒间的晶界通常为大角度晶界大角度晶界比较复杂，原子排列紊乱，不能用位错模型描述大角度晶界的结构大角度晶界模型共有压缩区扩张区不属于任一晶粒纯金属中大角度晶界的宽度不超过3个原子间距（原子层）重合位置点阵模型Coincidencesitelatticemodel当两个相邻晶粒的位相差为某一值时，若设想两晶粒的点阵彼此通过晶界向对方延伸，则其中一些原子将出现有规律的相互重合。由这些原子重合位置所组成的比原来晶体点阵大的新点阵，称为重合位置点阵。1/5重合位置点阵晶界上重合位置越多，即晶界上越多的原子为两

10、个晶粒所共有，则原子排列的畸变程度就越小，晶界能也相应越低。孪晶界twingrainboundary孪晶Twins两个晶体(或一个晶体的两部分)沿一个公共晶面构成镜面对称的位相关系，这两个晶体称为孪晶；这一公共晶面称为孪晶面(孪晶界)Twinplane(boundary)。共格孪晶界Coherenttwinboundary非共格孪晶界Non-coherenttwinboundary界面上的原子为两个晶体共有，是无畸变的完全匹配，能量低，稳定，常见，表现为一条直线界面上只有部分原子为两个晶体共有，原子错排

11、严重，能量高，共格孪晶界就是孪晶面例如FCC晶格中(111)面的堆垛顺序为ABCABCABC…△△△△△△…当某一层开始出现颠倒时，变成ABCACBACBA…△△△堆垛层错孪晶的形成与堆垛层错密切相关根据孪晶形成原因，有形变孪晶、生长孪晶和退火孪晶堆垛层错能低的金属易于产生孪晶对称关系△△△△△△316L不锈钢中的退火孪晶5.1.3相界phaseboundary具有不同结构的两相之间的分界面称为“相界”弹性畸变完美共格1共格相界(coherentphaseboundary)：共格指界面上的原子同时位于两

12、相晶格的结点上；理想完全共格界面畸变小，界面能低；具有弹性畸变的共格相界更具有普遍性2半共格界面(half-coherentinterface)：界面上的两相原子部分地保持匹配，这存在于两相邻晶体在界面处的晶面间距相差较大的情况，界面上将产生一些位错来降低界面的弹性应变能3非共格界面(non-coherentinterface)：当两相邻晶体在界面处的晶面间距相差很大时，这种相界与大角度晶界相似，可看成是由原子不规则排列的薄过渡层构成16M