《材料科学基础(东北大学)第五章课件》由会员分享，可在线阅读，更多相关《材料科学基础(东北大学)第五章课件（35页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第五章 界面,5.1.1 固气界面,固体与气体间的界面结构可以用刚性球模型进行描述。,从图中可以看出 随着面指数的提高，原子的面密度降低。,5.1 界面结构,表面自由能的起因就是表面的一层原子缺少某些原子与之相邻接，例如与111相平行的表面上的各原子，就缺少了12个近邻中的3个邻接原子。如果金属的键力是，每个键可以使每个原子的内能降低/2，因此，有3个破断键的每个表面原子比体内原子多出内能3/2。对于纯金属，可以从升华热Ls计算，若气化1mol的固体，就可以构成12NA个破断键，因此Ls=12N/2。111的表面自由能可以近似的表示为： =0.25Ls/N,当宏观表面具有高的或者无理hkl指数
2、面时，表面就会出现台阶状结构，其中的每层台阶宽均为密排面。与密排面的夹角为的晶体平面因为存在台阶所包含的破断键将比密排面上的破断键多一些，图中斜表面的长度设定为单位长，垂直纸面的厚度也设定为单位长度，那么，单位面积表面上，将有（cos/a）（1/a）个破断键伸出密排面，并且从台阶的阶高又多出（sin|/a）（1/a）个附加的破断键。再给每个破断键/2的能量，那么 =（cos+sin|）/2a2,5.1.2 晶界分类(根据相邻晶粒位相差),小角度晶界： （Low-angle grain boundary） 相邻晶粒的位相差小于10 亚晶界一般为2左右。 大角度晶界： （High-angle gr
3、ain boundary） 相邻晶粒的位相差大于10,大角度晶界,小角度晶界,小角度晶界的结构,a）对称倾斜晶界： (symmetric tilt boundary) 晶界两侧晶体互相倾斜 晶界的界面对于两个晶粒是对称的 其晶界视为一列平行的刃型位错组成。,倾侧前,倾侧后,a）对称倾斜晶界 b) 不对称倾斜晶界 根据位相差的形式 c) 扭转晶界,位错的间距D、柏氏矢量b和晶粒位相差之间的关系： b/D （ 很小时）,对称倾斜晶界,b）不对称倾斜晶界： (asymmetric tilt boundary) 晶界的界面对于两个晶粒是不对称的； 可以视为对称倾斜晶界的界面绕某一轴转了一角度。 晶界的
4、结构可以看成两组柏氏矢量相互垂直的刃型位错交错排列而成。,不对称倾斜晶界,c）扭转晶界(twist boundary)： 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 晶界结构：互相垂直的螺型位错,一般情况下，任意的小角度晶界可视为一系列刃型位错、螺型位错或混合位错的网络所构成,多晶材料中晶粒间的晶界通常为大角度晶界 大角度晶界比较复杂，原子排列紊乱，不能用位错模型描述,大角度晶界的结构,大角度晶界模型,共有,压缩区,扩张区,不属于任一晶粒,纯金属中大角度晶界的宽度不超过3个原子间距（原子层）,重合位置点阵模型 Coincidence site lattice model,当两个相邻晶粒
5、的位相差为某一值时，若设想两晶粒的点阵彼此通过晶界向对方延伸，则其中一些原子将出现有规律的相互重合。由这些原子重合位置所组成的比原来晶体点阵大的新点阵，称为重合位置点阵。,1/5重合位置点阵,晶界上重合位置越多，即晶界上越多的原子为两个晶粒所共有，则原子排列的畸变程度就越小，晶界能也相应越低。,孪晶界 twin grain boundary,孪晶 Twins 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相关系，这两个晶体称为孪晶； 这一公共晶面称为孪晶面(孪晶界) Twin plane (boundary)。,共格孪晶界 Coherent twin boundary 非共格孪晶
6、界 Non-coherent twin boundary,界面上的原子为两个晶体共有，是无畸变的完全匹配，能量低，稳定，常见，表现为一条直线,界面上只有部分原子为两个晶体共有，原子错排严重，能量高，,共格孪晶界就是孪晶面,例如 FCC晶格中(111)面的堆垛顺序为A B C A B C A B C ,当某一层开始出现颠倒时，变成 A B C A C B A C B A,堆垛层错,孪晶的形成与堆垛层错密切相关 根据孪晶形成原因，有形变孪晶、生长孪晶和退火孪晶 堆垛层错能低的金属易于产生孪晶,对称关系,316L不锈钢中的退火孪晶,5.1.3 相界phase boundary,具有不同结构的两相之间
7、的分界面称为“相界”,弹性畸变,完美共格,1 共格相界(coherent phase boundary)： 共格指界面上的原子同时位于两相晶格的结点上；理想完全共格界面畸变小，界面能低；具有弹性畸变的共格相界更具有普遍性,2 半共格界面(half-coherent interface)： 界面上的两相原子部分地保持匹配，这存在于两相邻晶体在界面处的晶面间距相差较大的情况，界面上将产生一些位错来降低界面的弹性应变能 3 非共格界面(non-coherent interface)： 当两相邻晶体在界面处的晶面间距相差很大时，这种相界与大角度晶界相似，可看成是由原子不规则排列的薄过渡层构成,16Mn
8、低合金钢SEMF+Fe3C double phases,5.2.1 晶界能量 grain boundary energy,晶界上原子畸变引起的系统自由能的升高，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，单位：J/m2,小角度晶界能量主要来自位错能量，与位相差有关： = 0(A-ln) 0=Gb/4p(1-u) 大角度晶界能量基本为定值，与晶粒之间位相差无关 ： 0.25-1.0J/m2,5.2 界面的性质,晶界偏聚 ：溶质原子在晶界处的浓度偏离平均的现象。 平衡偏聚 平衡条件下由于溶质与溶剂原子尺寸相差很大，溶质原子在晶内、晶界的畸变能差很大，造成溶质原子在晶界富集如Cu-1S
9、n%合金，：Sn的偏析，Sn的原子半径比Cu大9%，发生严重点阵畸变。 当Sn处于晶界时畸变能明显降低,5.2.2 界面偏聚,（1）平衡偏聚公式 Cg=AC1exp（u/kT） Cg：晶界上溶质原子浓度，C1晶内溶质原子浓度，u晶界、晶内能量差 （2）平衡偏聚特点 a. 由公式可见一定溶质浓度在一定温度下对应一定偏聚量 b. 温度升高时，偏聚量迅速下降，至一定温度后，偏聚消失 c. 溶质原子分布悬殊，偏聚时晶界浓度可比晶内高10-1000倍 d. 平衡偏聚层只1-2个或几个原子间距宽，与晶界层厚相当,非平衡偏聚 由于空位的存在，促使溶质原子向晶界迁移的偏聚，辐射或加热时产生大量空位在冷却时向晶
10、界迁移并消失，同时拖着溶质原子运动，溶质原子富集在晶界。 （1）非平衡偏聚特点： a. 偏聚范围大，在晶界上形成一定宽度偏聚带，达几微米，偏聚带两侧有溶质原子贫化区。 b. 非平衡偏聚在适当冷却速度下发生 c. 一定冷速下，淬火温度升高，由于空位增多，偏聚及贫化宽度增加,晶界偏聚意义 对强韧性、晶间腐蚀、应力腐蚀、蠕变断裂强度、钢回火脆性，钢淬透性有重要影响： a. 纯铁中氧含量增至0.057%，由于氧在晶界偏聚降低晶界结合力，脆性转变温度提高至300以上，Ni-Cr合金钢经250350回火后脆性增大，是因为P（磷）在奥氏体化时在晶界偏聚。 b. Ni3Al金属间化合物加入0.1%B后，B在晶
11、界偏聚提高Ni3Al室温塑性 c. 中、低碳钢中加入0.00050.003%B可提高淬透性，即是硼（B）偏聚在晶界降低奥氏体晶界能，抑制奥氏体分解时的先共析铁素体形成,影响晶界偏聚的因素,（1）晶界溶质浓度； （2）温度； （3）畸变能差和溶质原子的固溶度 （4）溶质元素引起的界面变化,5.2.3 界面结合方式的分类,1)机械结合。基体与增强材料之间不发生化学反应，纯粹靠机械连结，靠纤维的粗糙表面与基体产生摩擦力而实现的。 2)溶解和润湿结合。基体润湿增强材料，相互之间发生原子扩散和溶解，形成结合。界面是溶质原子的过渡带。 3)反应结合。基体与增强材料间发生化学反应，在界面上生成化合物，使基体
12、和增强材料结合在一起。 4)交换反应结合。基体与增强材料间发生化学反应，生成化合物，且还通过扩散发生元素交换，形成固溶体而使两者结合。 5)混合结合。这种结合较普遍，是最重要的一种结合方式。是以上几种结合方式中几个的组合。,界面强度理论,1 强界面理论 理论认为：界面结合良好，即认为材料性能与界面强度无关，即使增加界面强度，复合材料断裂强度也不增加。要求界面本身能有效地传递载荷，本身不发生破坏。 2 弱界面强度理论 理论认为：复合材料受力时，认为界面在传递载荷过程中发生破坏或削弱而引起整个复合材料破坏。若界面强度理论认为，界面强度决定复合材料强度。 实际界面破坏又四种形式： （1） 由弹性收缩
13、或塑性收缩而产生地拉伸应力造成地界面破坏。 （2） 增强材料周围形成一定厚度的化合物，在拉应力作用下造成的破坏。 （3） 传递载荷过程中剪应力造成的破坏。 （4） 界面反应削弱纤维造成增强材料的破坏。,5.3 界面理论的应用,5.3.1 晶粒长大,晶粒长大的驱动力是晶界能的下降,即长大前后的界面能差值。 一、晶粒的正常长大 1.定义：指晶体中有许多晶粒获得长大条件，晶粒的长大是连续地，均匀地进行，晶粒长大过程中晶粒的尺寸是 比较均匀的，晶粒平均尺寸的增大也是连续的。 2.晶粒长大的方式 （1）弯曲的晶界总是趋向于平直化，即向曲率中心移动以减少界面积，同时，大角度晶界的迁移率总是大于小角 度晶界
14、的迁移率。,（2）晶界总是向角度较锐的晶粒方向移动,力图使三个夹角都等于120度。,当界面张力平衡时： 因为大角度晶界TA=TB=TC， 而A+B+C=360度 A=B=C=120度 在二维坐标中，晶界边数少于6的晶粒，其晶界向外凸出，必然逐渐缩小，甚至消失，而边数大于6的晶粒，晶界 向内凹进，逐渐长大，当晶粒的边数为6时，处于稳定状态。 在三维坐标中，晶粒长大最后稳定的形状是正十四面体。,晶粒正常长大的平均速度： 驱动力F由于晶界能的存在和晶界的曲率半径所致：,5.3.2 第二相质点对晶粒长大的作用,在单相晶体材料中往往有第二相质点存在，原有的晶界和第二相质点与基本间的相界都会对基体晶粒的长
15、大起作用，当基体晶界与第二相质点相遇时，在夹有离子的部位，原晶界消失而被粒子与基体间的相界所代替。,第二相质点的数量越多，颗粒越小，则阻碍晶粒长大的能力越强。,第二相质点的极限直径,f 粒子体积含量分数 r 半径,5.3.3 第二相析出形状,基体和第二相之间的界面能将影响第二相的形貌和分布。固体中第二相与基体一般有部分共格界面和部分非共格界面。 若第二相存在于晶界面上。与基体相界面为非共格关系，则它的形貌取决于其在两个晶粒间所张的角度，亦称为两面角。在相界面与包含该粒的晶界的三叉结点处，根据界面张力的平衡条件得,（1）当=时，=120，第二相平衡形貌似透镜形。 （2）当时，120，作为极端情况，则180，此时表示第二相与基体不侵润，形成球形。 （3）当时，120，作为极端情况，=1/2，则0，此时表示第二相与基体完全侵润，第二相沿基体晶界面扩展，呈一薄层。,5.3.4 晶界设计,晶界设计就是利用现有的试验数据，在开发新材料或者改进材料时，有意识地控制晶界的数量和类型 ，以期达到所要求的性能指标。,晶界设计的指标有： 1.晶界类型的分布； 2.晶界取向分布； 3.晶界倾斜分布； 4.晶界两面角分布； 5.晶界析出物分布； 6.晶界移动稳定性； 7.晶界参数稳定性。,
