材料科学基础-第8章-材料的表面与界面

材料的表面与界面123界面与组织形貌4复合体系的界面结合特性6高聚物的表面与界面张力5材料的复合原理7基础知识晶体中的界面结构晶体中界面的偏聚与迁移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）。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。8.2晶体中的界面结构8.2.1界面的类型与结构Mg-3Al-0.8Zn合金中的晶界晶界相界Pb-Sn合金中的相界8.2晶体中的界面结构一、晶界1、晶界的自由度晶界性质←晶界结构←与其相邻晶粒的相对取向+晶界的空间位向。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2、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μm量级，而亚晶粒的平均直径则通常在nm量级。简单小角晶界模型：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晶体中的界面结构实验观察到的对称倾转晶界8.2晶体中的界面结构可看成是由一列平行的刃型位错所构成。位错间距D与柏氏矢量b之间的关系为：𝑫=𝒃𝟐𝒔𝒊𝒏𝜽𝟐≈𝒃𝟐𝜽𝟐=𝒃𝜽小角对称倾转晶界位错模型8.2晶体中的界面结构当b=0.25nmθ=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θ5°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，晶界将全部是位错心，结构不稳定。因此，θ大时，这个模型不适用。8.2晶体中的界面结构（2）扭转晶界8.2晶体中的界面结构小角扭转晶界位错模型两螺位错间距也满足𝑫=𝒃𝜽8.2晶体中的界面结构2、大角度晶界大角晶界：θ10°原子排列不规则，不能用位错模型描述。岛屿模型8.2晶体中的界面结构重合位置点阵模型（了解）体心立方晶体中重合位置点阵8.2晶体中的界面结构二、相界根据界面上的原子排列结构不同，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：𝜹=𝜶𝒃−𝜶𝒂𝜶𝜶8.2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d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、晶界能晶界是一种面缺陷，使体系的自由能增加，定义形成单位面积的晶界而引起体系自由能的增高为晶界能。每个晶粒有减小晶界面积的趋势。保温时间足够长，晶界通过转动方位，达到平衡时：233112312sinsinsin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。对称倾转晶界，设位错间距为D，取一个面积元，其面积为D×1，仅含一根位错，而单位长度刃位错的能量为：CErRGbE02ln)1(4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弹性畸变能（应变能）：原子离开平衡位置所引起；大小取决于错配度。化学交互作用能：界面上原子间结合键数目和强度发生变化所引起；大小取决于界面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。通常，共格—半共格—非共格相界能依次递增。8.3晶体中界面的偏聚与迁移8.3.1晶界平衡偏析晶界偏析：溶质原子自发向晶界偏聚的趋势。为一种平衡偏析可表示为：𝑪𝑩=𝑪𝟎𝒆𝒙𝒑(−∆𝑮𝒌𝑻)𝑪𝑩：晶界中溶质原子分数；𝑪𝟎：溶质平衡浓度；∆𝑮：溶质在晶界和晶内的自由焓差。晶界偏析随溶质的平衡浓度增加而增加。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。晶界曲率是晶界迁移的驱动力，界面总是向凹侧推进；晶界处于平直状态时，晶界迁移会停止。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）温度晶界迁移率B与扩散系数D之间的关系为：B＝D/kT≈B0e(-Q/kT)（2）溶质或杂质原子少量溶质或杂质原子就会对晶界迁移率产生显著的影响。8.3晶体中界面的偏聚与迁移锡对铅晶界迁移速度的影响8.3晶体中界面的偏聚与迁移(3)第二相颗粒第二相颗粒往往对晶界迁移起阻碍作用。晶界迁移方向晶界张力平衡时，第二相对晶界的阻力为：𝑭=𝟐𝝅𝒓𝒄𝒐𝒔𝜽∙𝜸𝒔𝒊𝒏𝜽=𝝅𝒓𝜸𝒔𝒊𝒏𝟐𝜽当q=45°时：𝑭𝒎𝒂𝒙=𝝅𝒓𝜸𝜃r𝛾𝛾𝑠𝑖𝑛𝜃2𝜋𝑟𝑐𝑜𝑠𝜃𝜃𝛾𝑠𝑖𝑛𝜃𝛾A𝜃112r设单位体积合金中有N个第二相颗粒，单位面积晶界受阻力：𝑭′𝒎𝒂𝒙=𝑭𝒎𝒂𝒙∙𝟐𝒓𝑵=𝟐𝝅𝒓𝟐𝑵𝜸单位体积中第二相颗粒体积分数𝒇=𝟒𝟑𝝅𝒓𝟑𝑵𝑭′𝒎𝒂𝒙=𝟒𝟑𝝅𝒓𝟑𝑵∙𝟑𝟐𝒓𝜸=𝟑𝟐𝒇𝜸𝒓第二相颗粒体积分数f越大、颗粒尺寸r越小，对晶界迁移的阻力越大。取单位晶界面积两侧厚度均为r的正方体，所有中心位于该体积内半径为r的颗粒都将与该晶界交截。8.4.1单相组织形貌由于界面能作用，一般规律是：平衡时，两个晶粒相遇于1个面（晶面）；3个晶粒相遇于1条线（晶棱）；4个晶粒相遇于1点（晶粒角隅）。晶粒1晶粒2晶粒3晶粒4平衡时的界面张力与界面夹角满足：𝜸𝟏𝟐𝐬𝐢𝐧𝝋𝟑=𝜸𝟐𝟑𝐬𝐢𝐧𝝋𝟏=𝜸𝟑𝟏𝐬𝐢𝐧𝝋𝟐单相多晶体平衡时，在与晶棱垂直面上的晶界交成3线节点，线与线之间夹角接近120oC。8.4界面与组织形貌8.4界面与组织形貌8.4.2复相组织形貌晶粒内部的第二相可能呈薄片状（盘状）、针状、块状、球状等不同形貌，主要取决于与基体之间的界面能，包括：表面能弹性应变能某种可能的共格、半共格、非共格界面结构示意图8.4界面与组织形貌8.4.2复相组织形貌晶界上的第二相平衡时有：𝐜𝐨𝐬𝜽𝟐=𝜸𝒂𝒂𝟐𝜸𝒂𝒃8.4界面与组织形貌晶界与晶棱上第二相的形状120°8.4界面与组织形貌不同θ角下的第二相分布