材料科学基础 第8章 材料的表面与界面

1、 材料的表面与界面材料的表面与界面 1 2 3 界面与组织形貌界面与组织形貌4 复合体系的界面结合特性复合体系的界面结合特性6 高聚物的表面与界面张力高聚物的表面与界面张力5 材料的复合原理材料的复合原理7 基础知识基础知识 晶体中的界面结构晶体中的界面结构 晶体中界面的偏聚与迁移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）。存在分界面（面缺陷）。 按照界面两边状态可分为：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；表面：分界面一侧为气体或真空的界面； 界面界面 晶界、亚晶界晶界、亚晶界

2、：多晶体材料内部成分、：多晶体材料内部成分、 结构相同而取向不同的晶粒（或亚结构相同而取向不同的晶粒（或亚 晶）之间的界面；晶）之间的界面； 相界相界：指材料中不同相之间的界面。：指材料中不同相之间的界面。 8.2 8.2 晶体中的界面结构晶体中的界面结构 8 8.2.1 .2.1 界面的类型与结构界面的类型与结构 mg-3al-0.8zn合金中的晶界合金中的晶界 晶界晶界 相界相界 pb-sn合金中的相界合金中的相界 8.2 8.2 晶体中的界面结构晶体中的界面结构 8.2 8.2 晶体中的界面结构晶体中的界面结构 2、小角晶界小角晶界 两个晶粒的位相差在两个晶粒的位相差在10以下。以下。

3、典型亚晶界典型亚晶界 晶粒晶粒平均直径一般平均直径一般在在m量量级，而亚晶粒的级，而亚晶粒的 平均直径则通常平均直径则通常在在nm量量级。级。 简单小角简单小角晶界晶界模型模型： 倾倾转晶界转晶界由刃型位错构成由刃型位错构成 扭转晶界扭转晶界由螺型位错构成由螺型位错构成 8.2 8.2 晶体中的界面结构晶体中的界面结构 （1）对称倾转晶界）对称倾转晶界 8.2 8.2 晶体中的界面结构晶体中的界面结构 实验观察到的对称倾转晶界实验观察到的对称倾转晶界 8.2 8.2 晶体中的界面结构晶体中的界面结构 小角对称倾转晶界位错模型小角对称倾转晶界位错模型 8.2 8.2 晶体中的界面结构晶体中的界面

4、结构 当当b=0.25nm =1时，时，d=14.3nm； =10时，时，d = 1.4nm 5b（5个原子间距）个原子间距） 一般说来一般说来，只有当，只有当 10 原子排列不规则，不原子排列不规则，不 能用位错模型描述。能用位错模型描述。 岛屿模型岛屿模型 8.2 8.2 晶体中的界面结构晶体中的界面结构 重合位置重合位置点阵模型点阵模型（了解）（了解） 体心立方晶体中重合位体心立方晶体中重合位 置点阵置点阵 8.2 8.2 晶体中的界面结构晶体中的界面结构 二二、相界相界 根据界面上的原子排列结构不同根据界面上的原子排列结构不同，相，相界分为共格界分为共格 、半共格以及非共格三类。、半共

5、格以及非共格三类。 （1）共格相界）共格相界 8.2 8.2 晶体中的界面结构晶体中的界面结构 有应变共格界面有应变共格界面 8.2 8.2 晶体中的界面结构晶体中的界面结构 （2）半共格相界）半共格相界 若若aa和和ab分别为无应力时的分别为无应力时的a和和b的点阵常数，这两的点阵常数，这两 个点阵的错配度定义为：个点阵的错配度定义为： 8.2 8.2 晶体中的界面结构晶体中的界面结构 (3) 非共格界面非共格界面 当两相在相界面处的原子排列相差很大时，即当两相在相界面处的原子排列相差很大时，即d d很大很大 时，只能形成非共格界面。时，只能形成非共格界面。 8.2 8.2 晶体中的界面结构

6、晶体中的界面结构 8.2.2界面能量界面能量 一、晶界能一、晶界能 晶界是晶界是一一种种面面缺陷，使缺陷，使体系的自由能增加体系的自由能增加，定义，定义 形成单位面积的晶界而引起体系形成单位面积的晶界而引起体系自由能的增高为自由能的增高为晶界晶界 能能。 每个晶粒有减小晶界面积的趋势。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，达到平衡保温时间足够长，晶界通过转动方位，达到平衡 时：时： 233112 312 sinsinsin 8.2 8.2 晶体中的界面结构晶体中的界面结构 对于对于小角晶界，可以用组成它的位错能量进行小角晶界，可以用组成它的位错能量进行估算。估算。

7、对称对称倾转晶界，设位错间距为倾转晶界，设位错间距为d，取一个面积元，其，取一个面积元，其 面积为面积为d1，仅含一根位错，而单位长度刃位错的能，仅含一根位错，而单位长度刃位错的能 量为：量为： c e r rgb e 0 2 ln )1 (4 单位单位面积上的界面能为：面积上的界面能为： ebe/deq q/|b| 8.2 8.2 晶体中的界面结构晶体中的界面结构 二、相二、相界能界能 弹性畸变能（应变能）：弹性畸变能（应变能）： 原子原子离开平衡位置所离开平衡位置所引起；引起； 大小取决于错配度。大小取决于错配度。 化学交互作用能化学交互作用能： 界面界面上原子间结合键数目和强度发生变化所

8、上原子间结合键数目和强度发生变化所引起；引起； 大小取决于界面原子与周围原子的化学键结合状况。大小取决于界面原子与周围原子的化学键结合状况。 共共格相界：以应变能为主；格相界：以应变能为主； 非非共格相界：以化学能共格相界：以化学能为主。为主。 通常，共格通常，共格半半共共格格非非共共格相界能依次格相界能依次递增。递增。 8.3 8.3 晶体中界面的偏聚与迁移晶体中界面的偏聚与迁移 8.3.1 晶界平衡偏析晶界平衡偏析 8.3 8.3 晶体中界面的偏聚与迁移晶体中界面的偏聚与迁移 晶界硬化晶界硬化 不锈钢的敏化不锈钢的敏化 晶界腐蚀晶界腐蚀 粉末烧结过程粉末烧结过程 回火脆性回火脆性 溶质原子

9、在静态晶界中偏析的程度和它在溶剂中的溶解度有关。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 8.3 晶体中界面的偏聚与迁移晶体中界面的偏聚与迁移 8.3.2 界面迁移驱动力界面迁移驱动力 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。粒边缘上的原子向其邻近晶粒的跳动实现的。 l 晶界曲率是晶界迁移的驱动力，界面总是向凹侧推进；晶界曲率是晶界迁移的驱动力，界面总是向凹侧推进； l 晶界处于平直状态时，晶界迁移会停止。晶界处于平直状态时，晶界迁移会停止。 8.3 8.3 晶体中界面的偏聚与迁移

10、晶体中界面的偏聚与迁移 8.3.3影响界面迁移的因素影响界面迁移的因素 （1） 温度温度 晶界晶界迁移率迁移率b与扩散系数与扩散系数d之间的关系为：之间的关系为： bd/kt b0 e(-q/kt) （2）溶质溶质或杂质原子或杂质原子 少量少量溶质或杂质原子就会对晶界迁移率产生显著的溶质或杂质原子就会对晶界迁移率产生显著的 影响。影响。 8.3 8.3 晶体中界面的偏聚与迁移晶体中界面的偏聚与迁移 锡锡 对对 铅铅 晶晶 界界 迁迁 移移 速速 度度 的的 影影 响响 8.3 8.3 晶体中界面的偏聚与迁移晶体中界面的偏聚与迁移 (3) 第二相颗粒第二相颗粒 第二第二相相颗粒往往颗粒往往对晶界

11、对晶界迁移起阻碍迁移起阻碍作用作用。 晶界迁移方向晶界迁移方向 晶界晶界 r 1 1 2r 取单位晶界面积两侧取单位晶界面积两侧 厚度均为厚度均为r的正方体，的正方体， 所有中心位于该体积所有中心位于该体积 内半径为内半径为r的颗粒都将的颗粒都将 与该晶界交截。与该晶界交截。 8.4.1 单相组织形貌单相组织形貌 由于界面能作用，一般规律是：平衡时，由于界面能作用，一般规律是：平衡时， 两个晶粒相遇于两个晶粒相遇于1个面（晶面）；个面（晶面）； 3个晶粒相遇于个晶粒相遇于1条条线（晶棱）；线（晶棱）； 4个晶粒相遇于个晶粒相遇于1点（晶粒角隅）。点（晶粒角隅）。 晶粒晶粒1 晶粒晶粒2 晶粒晶粒3 晶粒晶粒4 8.8.4 4 界面与组织形貌界面与组织形貌 8.8.4 4 界面与组织形貌界面与组织形貌 8.4.2复相组织形貌复相组织形貌 晶粒晶粒内部的第二相内部的第二相 可能呈薄片状（盘状）、针状、块状、球状等不同形貌，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：主要取决于与基体之间的界面能，包括： l 表面能表面能 l 弹性应变能弹性应变能 某种可能的某种可能的共