h8-材料表面与界面ppt课件

1、第8章 资料的外表与界面资料科学根底资料科学根底8.1 根底知识根底知识1 1外表外表: :外表是指固体与真空的界面。外表是指固体与真空的界面。2 2界面界面: :相邻两个结晶空间的交界面称为相邻两个结晶空间的交界面称为“界面。界面。3 3相界面相界面: :相邻相之间的交界面称为相界面。相界面有三类，相邻相之间的交界面称为相界面。相界面有三类，如固相与固相的相界面如固相与固相的相界面s sB B；固相与气相之间的相界面；固相与气相之间的相界面s sG G；固相与液相之间的相界面；固相与液相之间的相界面s sL L。外表问题：外表问题：金属资料金属资料 陶瓷资料陶瓷资料 电子资料电子资料 高聚物

2、高聚物 复合资料复合资料最常见的资料表界面类型按构成途径划分最常见的资料表界面类型按构成途径划分机械作用界面机械作用界面化学作用界面化学作用界面固体结合界面固体结合界面液相或气相堆积界面液相或气相堆积界面凝固共生界面凝固共生界面粉末冶金界面粉末冶金界面黏结界面黏结界面熔焊界面熔焊界面8.1.1 物质外表物质外表 固体外表的定义：晶体三维周期构造和真空之间的过固体外表的定义：晶体三维周期构造和真空之间的过渡区域。渡区域。理想外表理想外表清洁外表清洁外表吸附外表吸附外表 理想外表理想外表:外表构造不变地延续到外表后中断，是实际外表构造不变地延续到外表后中断，是实际 上构造完好的二维点阵平面，忽略了

3、热运动热分散和热上构造完好的二维点阵平面，忽略了热运动热分散和热 缺陷及外表的物理化学景象等。缺陷及外表的物理化学景象等。d理想外表构造清洁外表：是指不存在任何吸附、催化反响、杂质分散等清洁外表：是指不存在任何吸附、催化反响、杂质分散等物理化学效应的外表物理化学效应的外表,没有外表污染的实践外表没有外表污染的实践外表台阶外表台阶外表弛豫外表构造弛豫外表构造重构外表重构外表112111110(001)周期周期台阶外表台阶外表台阶外表不是一个平面，台阶外表不是一个平面，它是由有规那么的或不它是由有规那么的或不规那么的台阶的外表所规那么的台阶的外表所组成组成弛豫外表构造dd02 2 弛豫外表弛豫外表

4、外表层之间以及外表和体内原子层之间的垂直间外表层之间以及外表和体内原子层之间的垂直间隔和体内原子层间距相比有所膨胀和紧缩景象隔和体内原子层间距相比有所膨胀和紧缩景象3重构外表：外表原子层在程度方向上的周期性晶重构外表：外表原子层在程度方向上的周期性晶格基矢格基矢as不同于体内晶格基矢不同于体内晶格基矢a，但垂直方向上的层间，但垂直方向上的层间间隔与内部层间间隔一样间隔与内部层间间隔一样密排六方重构外表表示图asa吸附外表：在实践存在的外表，普遍存在吸附物质。吸附外表：在实践存在的外表，普遍存在吸附物质。吸附物质：吸附物质： 外表环境中的气相分子、原子及其化合物，外表环境中的气相分子、原子及其化

5、合物， 来自体内分散出来的元素物质。来自体内分散出来的元素物质。吸附方式：吸附方式： 可以被简单吸附在晶体外表可以被简单吸附在晶体外表 可以外延生长在晶体外表构成新的外表层可以外延生长在晶体外表构成新的外表层 进入外表层一定深度同外表原子构成有序的外表合金进入外表层一定深度同外表原子构成有序的外表合金。8.1.2 固体的外表自在能和外表张力固体的外表自在能和外表张力外表能：每添加单位外表积时，体系自在能的增量外表能：每添加单位外表积时，体系自在能的增量 单位单位Jm-2外表张力：扩张外表单位长度所需求的力。外表张力：扩张外表单位长度所需求的力。与液体相比：与液体相比：1固体的外表自在能中包含了

6、弹性能。外表张力在数值固体的外表自在能中包含了弹性能。外表张力在数值上不等于外表自在能；上不等于外表自在能；2固体的外表上的原子组成和陈列是各向异性的，张力固体的外表上的原子组成和陈列是各向异性的，张力是各向异性的，不同晶面的外表自在能也不一样。是各向异性的，不同晶面的外表自在能也不一样。3实践固体的外表绝大多数处于非平衡形状，决议固体实践固体的外表绝大多数处于非平衡形状，决议固体外表形状的主要是构成固体外表时的条件以及它所阅外表形状的主要是构成固体外表时的条件以及它所阅历的历史。历的历史。4固体的外表自在能和外表张力的测定非常困难。固体的外表自在能和外表张力的测定非常困难。 8.1.4 8.

7、1.4 固液界面与润湿固液界面与润湿机械光滑、注水采油、油漆涂布、金属焊接、搪瓷坯釉、陶机械光滑、注水采油、油漆涂布、金属焊接、搪瓷坯釉、陶瓷瓷/ /金属的封接等工艺和实际都与润湿过程有关。金属的封接等工艺和实际都与润湿过程有关。润湿的热力学定义：固体与液体接触后能使体系的吉布斯自润湿的热力学定义：固体与液体接触后能使体系的吉布斯自在能降低，称为润湿。在能降低，称为润湿。润湿方式：润湿方式： 附着润湿附着润湿 铺展润湿铺展润湿 浸渍润湿浸渍润湿 铺展润湿概念：液滴落在清洁平滑固体外表的过程。忽略液体重力和粘度影响，那么铺展是由固/气(SG)、固/液(SL)和液/气(LG)三个界面张力所决议：

8、式中是润湿角；F 称润湿张力。 90不润湿； 。 cosLGSLSGSLSGLGFcosSGSL8.1.5 固固界面与黏附固固界面与黏附固固界面：构造与组分中存在不同的两个固相之间的界面固固界面：构造与组分中存在不同的两个固相之间的界面黏附：两黏附固体界面上的黏结景象，是经过跨越两固相黏附：两黏附固体界面上的黏结景象，是经过跨越两固相界面的相互作用而产生的。界面的相互作用而产生的。aaWa=+-aaaaaWa=2Wa为黏附功8.1.2.1 小角晶界及界面能 小角晶界：两晶粒间的位向差小于10； 大角晶界：位向差超越10。 小角晶界又可分：倾转晶界一系列刃位错构成 改动晶界螺位错构成 对称倾转晶

9、界和改动晶界1对称倾转晶界对称倾转晶界可以看作是取向一致的两个晶体相互倾转 角构成的界面。 2/分类分类(2)(2)不对称倾斜界面：晶界看成两组相互垂直的刃型不对称倾斜界面：晶界看成两组相互垂直的刃型位错陈列而成的。位错陈列而成的。(3)(3)改动晶界：将一块晶体沿横断面切开改动晶界：将一块晶体沿横断面切开, ,并使上下部并使上下部分晶体绕轴转动分晶体绕轴转动角角, ,再与下部分晶体粘在一同构成。再与下部分晶体粘在一同构成。可看成是由相互交叉的螺位错所组成。可看成是由相互交叉的螺位错所组成。大角度晶界大角度晶界 大角度晶界：为原子呈不规那么陈列的一过渡层。大多数大角度晶界：为原子呈不规那么陈列

10、的一过渡层。大多数晶粒之间的晶界都属于大角度晶界。晶粒之间的晶界都属于大角度晶界。 晶界特征晶界特征 1 1晶界处点阵畸变大，存在晶界能。晶界处点阵畸变大，存在晶界能。 2 2常温下晶界的存在会对位错的运动起妨碍运动，使常温下晶界的存在会对位错的运动起妨碍运动，使塑型变形抗力提高，使晶体资料的硬度和强度提高。塑型变形抗力提高，使晶体资料的硬度和强度提高。 3 3晶界处原子具有较高的动能，且晶界处存在大量缺晶界处原子具有较高的动能，且晶界处存在大量缺陷。原子在晶界处分散比晶内快得多。陷。原子在晶界处分散比晶内快得多。 4 4固态相变时易在晶界处构成新核。固态相变时易在晶界处构成新核。 5 5晶界

11、上富集杂质原子多，熔点低晶界上富集杂质原子多，熔点低 6 6晶界腐蚀速度比晶内快。晶界腐蚀速度比晶内快。 7 7晶界具有不同与晶内的物理性质。晶界具有不同与晶内的物理性质。 8.2.1.4 8.2.1.4 相界相界1.1.共格界面共格界面coherent phase boundary coherent phase boundary ： 特征：界面两侧的坚持一定的位向关系，沿界面两相具有特征：界面两侧的坚持一定的位向关系，沿界面两相具有一样或近似的原子陈列，两相在界面上原子匹配得好，界面一样或近似的原子陈列，两相在界面上原子匹配得好，界面上能量高。理想的完全共格界面只需在孪晶面界。上能量高。理想

12、的完全共格界面只需在孪晶面界。2. 2. 半共格界面半共格界面semi-coherent phase boundary ) semi-coherent phase boundary ) 特征：沿相界面每隔一定间隔产生一个刃型位错，除刃特征：沿相界面每隔一定间隔产生一个刃型位错，除刃型位错线上的原子外，其他原子都是共格的。所以半共格界型位错线上的原子外，其他原子都是共格的。所以半共格界面是由共格区和非共格区相间组成。面是由共格区和非共格区相间组成。 半共格界面上的位错间距取决于相界处两相匹配晶面半共格界面上的位错间距取决于相界处两相匹配晶面的错配度的错配度3.3.非共格界面非共格界面noncoh

13、erent phase boundarynoncoherent phase boundary 特征：原子不规那么陈列的薄层为两相的过渡层。特征：原子不规那么陈列的薄层为两相的过渡层。8.3 界面的偏聚与迁移8.3.1 晶界平衡偏析 晶界偏析：在平衡条件下，溶质原子离子在晶界处 浓度偏离平均浓度。 偏析的自发趋势：晶界构造缺陷比晶内多，溶质原子 离子处于晶内的能量比处在晶界的能量高，经过偏析 使系统能量降低。 偏析驱动力是内能差：设一个原子位于晶内和晶界的内 能分别为El 和Eg ，那么偏析的驱动力为：1agEEE8.3.2 8.3.2 晶界迁移晶界迁移晶界迁移晶界迁移 晶界在其法线上的位移，从

14、微观上看，是经晶界在其法线上的位移，从微观上看，是经过晶粒边缘上的原子向其临近晶粒的跳动实现的过晶粒边缘上的原子向其临近晶粒的跳动实现的典型情况：晶粒长大过程；相变过程。典型情况：晶粒长大过程；相变过程。 影响晶界迁移的主要要素 溶质或杂质原子 - 降低迁移率，与晶界偏析、晶界构造有关。 晶界第二相颗粒 - 妨碍作用，晶界脱离第二相颗粒的 迁移是系统能量提高的过程需生长出这段晶界，产 生晶界迁移的阻力。 温度 - 迁移率与晶界分散系数D 由Einstein 关系联络： 由上式知随温度的升高，晶界迁移率提高。 晶粒位向 - 晶界的晶粒取向差小，迁移率低。 kTDB晶界8.6 复合体系的界面结合特

15、性复合体系的界面结合特性界面相是复合资料的一个组成部分，其作用可以归纳一下界面相是复合资料的一个组成部分，其作用可以归纳一下几个方面。几个方面。传送作用：界面能传送力，即将外力传送给加强物，起到传送作用：界面能传送力，即将外力传送给加强物，起到基体和加强体之间的桥梁作用基体和加强体之间的桥梁作用阻断作用：结适宜当的界面有阻止裂纹扩展、中断资料破阻断作用：结适宜当的界面有阻止裂纹扩展、中断资料破坏、减缓应力集中的作用坏、减缓应力集中的作用维护作用：界面相可以维护加强体免受环境的侵蚀，防止维护作用：界面相可以维护加强体免受环境的侵蚀，防止基体与加强体之间的化学反响，起到维护加强体的作用。基体与加强体之间的化学反响，起到维护加强体的作用。本章重点本章重点1、掌握固体外表的定义、物质的外表的类型、掌握固体外表的定义、物质