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1、3.3 晶体中的界面,严格来说，界面包括外表面（自由表面）和内界面。表面是指固体材料与气体或液体的分界面，它与摩擦、磨损、氧化、腐蚀、偏析、催化、吸附现象，以及光学、微电子学等均密切相关；而内界面可分为晶粒边界和晶内的亚晶界、孪晶界、层错及相界面等。,界面通常包含几个原子层厚的区域，该区域内的原子排列甚至化学成分往往不同于晶体内部，又因它系二维结构分布，故也称为晶体的面缺陷。界面的存在对晶体的力学、物理和化学等性能产生重要的影响。,一晶界的结构及晶界能,多数晶体物质是由许多晶粒所组成，属于同一固相但位向不同的晶粒之间的界面称为晶界，它是一种内界面；而每个晶粒有时又由若干个位向稍有差异的亚晶粒所
2、组成，相邻亚晶粒间的界面称为亚晶界。晶粒的平均直径通常在0.015-0.25 mm范围内，而亚晶粒的平均直径则通常为0.001mm数量级。,二维平面中的晶界,三维空间中的晶界,根据相邻晶粒之间位向差的大小不同可将晶界分为两类： 小角度晶界-相邻晶粒的位向差小于10 晶界；亚晶界均属小角度晶界，一般小于2 ； 大角度晶界一相邻晶粒的位向差大于10 晶界，多晶体中90以上的晶界属于此类。,1小角度晶界的结构 按照相邻亚晶粒之间位向差的不同，可将小角度晶界分为倾斜晶界、扭转晶界和重合晶界(大角度晶界)等。它们的结构可用相应的模型来描述。 a对称倾斜晶界 对称倾斜晶界可看作把晶界两侧晶体互相倾斜的结果
3、。由于相邻两晶粒的位向差 角很小，其晶界可看成是由一列平行的刃型位错所构成。,b不对称倾斜晶界,如果倾斜晶界的界面绕x轴转了一角度 ，则此时两晶粒之间的位向差仍为 角，但此时晶界的界面对于两个晶粒是不对称的，因此，称为不对称倾斜晶界。 它有两个自由度 和 。该晶界结构可看成由两组柏氏矢量相互垂直的刃位错bb交错排列而构成的。,c扭转晶界,扭转晶界是小角度晶界的又一种类型。它可看成是两部分晶体绕某一轴在一个共同的晶面上相对扭转一个 角所构成的，扭转轴垂直于这一共同的晶面。,2大角度晶界的结构,多晶体材料中各晶粒之间的晶界通常为大角度晶界。大角度晶界的结构较复杂，其中原子排列较不规则，不能用位错模
4、型来描述。晶界可看成坏区与好区交替相间组合而成。随着位向差的增大，坏区的面积将相应增加。纯金属中大角度晶界的宽度不超过3个原子间距。,3晶界能,晶界能定义为形成单位面积界面时，系统的自由能变化（dF/dA ），它等于界面区单位面积的能量减去无界面时该区单位面积的能量。 小角度晶界的能量主要来自位错能量，而位错密度又决定于晶粒间的位向差，所以，小角度晶界能也和位向差有关：,晶界能可以界面张力的形式来表现，且可以通过界面交角的测定求出它的相对值。 当3个晶粒相遇时，它们两两相交于一界面，3个界面相交于二个三叉界棱。在达到平衡状态时，O点处的界面张力必须达到力学平衡，即其矢量和为零，故,或:,因此，
5、若取其中某一晶界能作为基准，则通过测量角即可求得其他晶界的相对能量。 在平衡状态下，三叉晶界的各面角均趋向于最稳定的120度，此时，各晶粒之间的晶界能基本相等。,二外表面,在晶体表面上，原子排列情况与晶内不同,表面原子会偏离其正常的平衡位置，并影响到邻近的几层原子，造成表层的点阵畸变，使它们的能量比内部原子高，这几层高能量的原子层称为表面。晶体表面单位面积自由能的增加称为表面能 （J/m2）。表面能也可理解为产生单位面积新表面所作的功：,式中dW为产生dS表面所作的功。表面能也可以单位长度上的表面张力(N/m)表示。 表面能与晶体表面原子排列致密程度有关，原子密排的表面具有最小的表面能。所以自
6、由晶体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).晶界处点阵畸变大，存在着晶界能。因此，晶粒的长大和晶界的平直化都能减少晶界面积，从而降低晶界的总能量，这是一个自发过程。然而晶粒的长大和晶界的平直化均需通过原子的扩散来实现，因此，随着温度升高和保温时间的增长，均有利于这两过程的进行。 2).晶界处原子排列不规则，因此在常温下晶界的存在会对位错的运动起阻碍作用，致使塑性变形抗力提高，宏观表现为晶界较晶内具有较高的强度和硬度。晶粒愈细，材料的强度愈高，这就是细晶强化；而高温下则相反，因高温下晶界存在一定的粘滞性，易使相邻晶粒产生相对滑动。,3).晶界处原子偏离平衡位置，具有较
7、高的动能，并且晶界处存在较多的缺陷如空穴、杂质原子和位错等，故晶界处原子的扩散速度比在晶内快得多。 4).在固态相变过程中，由于晶界能量较高且原子活动能力较大，所以新相易于在晶界处优先形核。显然，原始晶粒愈细，晶界愈多，则新相形核率也相应愈高。 5).由于成分偏析和内吸附现象，特别是晶界富集杂质原子情况下，往往晶界熔点较低，故在加热过程中，因温度过高将引起晶界熔化和氧化，导致过热现象产生。,6).由于晶界能量较高、原子处于不稳定状态，以及晶界富集杂质原子的缘故，与晶内相比，晶界的腐蚀速度一般较快。这就是用腐蚀剂显示全相样品组织的依据，也是某些金属材料在使用中发生晶间腐蚀破坏的原因。,四孪晶界,
8、孪晶是指两个晶体（或一个晶体的两部分）沿一个公共晶面构成镜面对称的位向关系，这两个晶体就称为“孪晶”，此公共晶面就称孪晶面。 孪晶界可分为两类，即共格孪晶界和非共格孪晶界,共格孪晶界就是孪晶面。在孪晶面上的原子同时位于两个晶体点阵的结点上，为两个晶体所共有，属于自然地完全匹配是无畸变的完全共格晶面，因此它的界面能很低（约为普通晶界界面能的1/10），很稳定，在显微镜下呈直线，这种孪晶界较为常见。(孪晶界面与孪晶面重合)。 如果孪晶界相对于孪晶面旋转一角度，即可得到另一种孪晶界-非共格孪晶界。此时，孪晶界上只有部分原子为两部分晶体所共有，因而原子错排较严重，这种孪晶界的能量相对较高，约为普通晶界
9、的1/2。(孪晶界面与孪晶面不重合)。,五相界,具有不同结构的两相之间的分界面称为“相界”。按结构特点，相界面可分为共格相界(理想的与存在弹性畸变的)、半共格相界和非共格相界三种类型。,1共格相界 所谓共格是指界面上的原子同时位于两相晶格的结点上，即两相的晶格是彼此衔接的，界面上的原子为两者共有。但是理想的完全共格界面，只有在孪晶界，且孪晶界即为孪晶面时才可能存在。,2半共格相界 若两相邻晶体在相界面处的晶面间距相差较大，则在相界面上不可能做到完全的一一对应，于是在界面上将产生一些位错，以降低界面的弹性应变能，这时界面上两相原子部分地保持匹配，这样的界面称为半共格界面或部分共格界面。,3非共格相界 当两相在相界面处的原子排列相差很大时,只能形成非共格界面。,相界能: 从理论上来讲，相界能包括两部分，即弹性畸变能和化学交互作用能。弹性畸变能大小取决于错配度 的大小；而化学交互作用能取决于界面上原子与周围原子的化学键结合状况。相界面结构不同，这两部分能量所占的比例不同。,如对共格相界，由于界面上原子保持着匹配关系，故界面上原子结合键数目不变，因此这里应变能是主要的；而对于非共格相界，由于界面上原子的化学键数目和强度与晶内相比发生了很大变化，故其界面能以化学能为主，而且总的界面能较高。从相界能的角度来看，从共格至半共格到非共格依次递增。,
