1、3.3 晶體中的界面,嚴(yán)格來說，界面包括外表面（自由表面）和內(nèi)界面。表面是指固體材料與氣體或液體的分界面，它與摩擦、磨損、氧化、腐蝕、偏析、催化、吸附現(xiàn)象，以及光學(xué)、微電子學(xué)等均密切相關(guān)；而內(nèi)界面可分為晶粒邊界和晶內(nèi)的亞晶界、孿晶界、層錯(cuò)及相界面等。,界面通常包含幾個(gè)原子層厚的區(qū)域，該區(qū)域內(nèi)的原子排列甚至化學(xué)成分往往不同于晶體內(nèi)部，又因它系二維結(jié)構(gòu)分布，故也稱為晶體的面缺陷。界面的存在對(duì)晶體的力學(xué)、物理和化學(xué)等性能產(chǎn)生重要的影響。,一晶界的結(jié)構(gòu)及晶界能,多數(shù)晶體物質(zhì)是由許多晶粒所組成，屬于同一固相但位向不同的晶粒之間的界面稱為晶界，它是一種內(nèi)界面；而每個(gè)晶粒有時(shí)又由若干個(gè)位向稍有差異的亞晶粒所

2、組成，相鄰亞晶粒間的界面稱為亞晶界。晶粒的平均直徑通常在0.015-0.25 mm范圍內(nèi)，而亞晶粒的平均直徑則通常為0.001mm數(shù)量級(jí)。,二維平面中的晶界,三維空間中的晶界,根據(jù)相鄰晶粒之間位向差的大小不同可將晶界分為兩類： 小角度晶界-相鄰晶粒的位向差小于10 晶界；亞晶界均屬小角度晶界，一般小于2 ； 大角度晶界一相鄰晶粒的位向差大于10 晶界，多晶體中90以上的晶界屬于此類。,1小角度晶界的結(jié)構(gòu) 按照相鄰亞晶粒之間位向差的不同，可將小角度晶界分為傾斜晶界、扭轉(zhuǎn)晶界和重合晶界(大角度晶界)等。它們的結(jié)構(gòu)可用相應(yīng)的模型來描述。 a對(duì)稱傾斜晶界 對(duì)稱傾斜晶界可看作把晶界兩側(cè)晶體互相傾斜的結(jié)果

3、。由于相鄰兩晶粒的位向差 角很小，其晶界可看成是由一列平行的刃型位錯(cuò)所構(gòu)成。,b不對(duì)稱傾斜晶界,如果傾斜晶界的界面繞x軸轉(zhuǎn)了一角度 ，則此時(shí)兩晶粒之間的位向差仍為 角，但此時(shí)晶界的界面對(duì)于兩個(gè)晶粒是不對(duì)稱的，因此，稱為不對(duì)稱傾斜晶界。 它有兩個(gè)自由度 和 。該晶界結(jié)構(gòu)可看成由兩組柏氏矢量相互垂直的刃位錯(cuò)bb交錯(cuò)排列而構(gòu)成的。,c扭轉(zhuǎn)晶界,扭轉(zhuǎn)晶界是小角度晶界的又一種類型。它可看成是兩部分晶體繞某一軸在一個(gè)共同的晶面上相對(duì)扭轉(zhuǎn)一個(gè) 角所構(gòu)成的，扭轉(zhuǎn)軸垂直于這一共同的晶面。,2大角度晶界的結(jié)構(gòu),多晶體材料中各晶粒之間的晶界通常為大角度晶界。大角度晶界的結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，其中原子排列較不規(guī)則，不能用位錯(cuò)模

4、型來描述。晶界可看成壞區(qū)與好區(qū)交替相間組合而成。隨著位向差的增大，壞區(qū)的面積將相應(yīng)增加。純金屬中大角度晶界的寬度不超過3個(gè)原子間距。,3晶界能,晶界能定義為形成單位面積界面時(shí)，系統(tǒng)的自由能變化（dF/dA ），它等于界面區(qū)單位面積的能量減去無界面時(shí)該區(qū)單位面積的能量。 小角度晶界的能量主要來自位錯(cuò)能量，而位錯(cuò)密度又決定于晶粒間的位向差，所以，小角度晶界能也和位向差有關(guān)：,晶界能可以界面張力的形式來表現(xiàn)，且可以通過界面交角的測(cè)定求出它的相對(duì)值。 當(dāng)3個(gè)晶粒相遇時(shí)，它們兩兩相交于一界面，3個(gè)界面相交于二個(gè)三叉界棱。在達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)，O點(diǎn)處的界面張力必須達(dá)到力學(xué)平衡，即其矢量和為零，故,或:,因此，

5、若取其中某一晶界能作為基準(zhǔn)，則通過測(cè)量角即可求得其他晶界的相對(duì)能量。 在平衡狀態(tài)下，三叉晶界的各面角均趨向于最穩(wěn)定的120度，此時(shí)，各晶粒之間的晶界能基本相等。,二外表面,在晶體表面上，原子排列情況與晶內(nèi)不同,表面原子會(huì)偏離其正常的平衡位置，并影響到鄰近的幾層原子，造成表層的點(diǎn)陣畸變，使它們的能量比內(nèi)部原子高，這幾層高能量的原子層稱為表面。晶體表面單位面積自由能的增加稱為表面能 （J/m2）。表面能也可理解為產(chǎn)生單位面積新表面所作的功：,式中dW為產(chǎn)生dS表面所作的功。表面能也可以單位長度上的表面張力(N/m)表示。 表面能與晶體表面原子排列致密程度有關(guān)，原子密排的表面具有最小的表面能。所以自

6、由晶體暴露在外的表面通常是低表面能的原子密排晶面。,三晶界的特性,1).晶界處點(diǎn)陣畸變大，存在著晶界能。因此，晶粒的長大和晶界的平直化都能減少晶界面積，從而降低晶界的總能量，這是一個(gè)自發(fā)過程。然而晶粒的長大和晶界的平直化均需通過原子的擴(kuò)散來實(shí)現(xiàn)，因此，隨著溫度升高和保溫時(shí)間的增長，均有利于這兩過程的進(jìn)行。 2).晶界處原子排列不規(guī)則，因此在常溫下晶界的存在會(huì)對(duì)位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)起阻礙作用，致使塑性變形抗力提高，宏觀表現(xiàn)為晶界較晶內(nèi)具有較高的強(qiáng)度和硬度。晶粒愈細(xì)，材料的強(qiáng)度愈高，這就是細(xì)晶強(qiáng)化；而高溫下則相反，因高溫下晶界存在一定的粘滯性，易使相鄰晶粒產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)。,3).晶界處原子偏離平衡位置，具有較

7、高的動(dòng)能，并且晶界處存在較多的缺陷如空穴、雜質(zhì)原子和位錯(cuò)等，故晶界處原子的擴(kuò)散速度比在晶內(nèi)快得多。 4).在固態(tài)相變過程中，由于晶界能量較高且原子活動(dòng)能力較大，所以新相易于在晶界處優(yōu)先形核。顯然，原始晶粒愈細(xì)，晶界愈多，則新相形核率也相應(yīng)愈高。 5).由于成分偏析和內(nèi)吸附現(xiàn)象，特別是晶界富集雜質(zhì)原子情況下，往往晶界熔點(diǎn)較低，故在加熱過程中，因溫度過高將引起晶界熔化和氧化，導(dǎo)致過熱現(xiàn)象產(chǎn)生。,6).由于晶界能量較高、原子處于不穩(wěn)定狀態(tài)，以及晶界富集雜質(zhì)原子的緣故，與晶內(nèi)相比，晶界的腐蝕速度一般較快。這就是用腐蝕劑顯示全相樣品組織的依據(jù)，也是某些金屬材料在使用中發(fā)生晶間腐蝕破壞的原因。,四孿晶界,

8、孿晶是指兩個(gè)晶體（或一個(gè)晶體的兩部分）沿一個(gè)公共晶面構(gòu)成鏡面對(duì)稱的位向關(guān)系，這兩個(gè)晶體就稱為“孿晶”，此公共晶面就稱孿晶面。 孿晶界可分為兩類，即共格孿晶界和非共格孿晶界,共格孿晶界就是孿晶面。在孿晶面上的原子同時(shí)位于兩個(gè)晶體點(diǎn)陣的結(jié)點(diǎn)上，為兩個(gè)晶體所共有，屬于自然地完全匹配是無畸變的完全共格晶面，因此它的界面能很低（約為普通晶界界面能的1/10），很穩(wěn)定，在顯微鏡下呈直線，這種孿晶界較為常見。(孿晶界面與孿晶面重合)。 如果孿晶界相對(duì)于孿晶面旋轉(zhuǎn)一角度，即可得到另一種孿晶界-非共格孿晶界。此時(shí)，孿晶界上只有部分原子為兩部分晶體所共有，因而原子錯(cuò)排較嚴(yán)重，這種孿晶界的能量相對(duì)較高，約為普通晶界

9、的1/2。(孿晶界面與孿晶面不重合)。,五相界,具有不同結(jié)構(gòu)的兩相之間的分界面稱為“相界”。按結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，相界面可分為共格相界(理想的與存在彈性畸變的)、半共格相界和非共格相界三種類型。,1共格相界 所謂共格是指界面上的原子同時(shí)位于兩相晶格的結(jié)點(diǎn)上，即兩相的晶格是彼此銜接的，界面上的原子為兩者共有。但是理想的完全共格界面，只有在孿晶界，且孿晶界即為孿晶面時(shí)才可能存在。,2半共格相界 若兩相鄰晶體在相界面處的晶面間距相差較大，則在相界面上不可能做到完全的一一對(duì)應(yīng)，于是在界面上將產(chǎn)生一些位錯(cuò)，以降低界面的彈性應(yīng)變能，這時(shí)界面上兩相原子部分地保持匹配，這樣的界面稱為半共格界面或部分共格界面。,3非共格相界 當(dāng)兩相在相界面處的原子排列相差很大時(shí),只能形成非共格界面。,相界能: 從理論上來講，相界能包括兩部分，即彈性畸變能和化學(xué)交互作用能。彈性畸變能大小取決于錯(cuò)配度 的大小；而化學(xué)交互作用能取決于界面上原子與周圍原子的化學(xué)鍵結(jié)合狀況。相界面結(jié)構(gòu)不同，這兩