第七章 表 面 与 界 面一、表面二、晶界、亚晶界（重点）三、孪晶界四、相界五、复合材料及其界面 二维缺陷 界面、表面、 晶界、亚晶界、孪晶界 层错界、 相界、 胞壁一、表面 1表面的结构 表面原子一侧没有固体原子与之键合，有较高能量，几个原子层厚，与周围气相或液相接触的面 结构、性能与晶体内部不相同 2表面能 晶体表面原子与周围原子键合数减少，多余的未结合的键使内能增加 表面能 V（J/m2）=dw/dA，即为增加单位表面积所作的功 3晶体表面 为密排面：各晶面原子排列密度不同,各面表面能不同密排面作表面，晶体表面能最低表面能极图 实际晶体外表面台阶化 4表面吸附 表面原子结合键不饱和 通过吸附可达到平衡状态，吸附层几个原子层厚 正吸附：吸附原子浓度高于其在晶内浓度， 反之负吸附 驱动力：表面自由能的降低Gibbs吸附方程 =-x/RT( / x)T：吸附量 x：溶质原子在晶体中平衡体积浓度 R：气体常数T：绝对温度 ( / x)T：一定温度下比表面能随溶质原子浓度的改变率( / x)T0，增加溶质浓度，表面能降低，正吸附表面偏聚( / x)T0，10 小角度晶界：位向差为210（位错模型解释） 亚晶界：位向差2 2 大角度晶界模型大角度晶界中仍有周期性结构重合位置点阵模型 相邻晶粒点阵延伸互相穿插，两晶粒位向转动一特定角度后，两晶粒的阵点有部分处于重合位置，由重合的阵点构成重合位置点阵 大角晶界模型： 晶界力求与重合点阵密排面重合，即使有偏离，晶界会台阶化，使大部分面积分段与密排面重合，中间以小台阶相连。
如图，AB、CD与重合点阵密排面重合，中间BC小台阶相连 3 小角度晶界：对称倾侧晶界、不对称倾侧晶界对称倾侧晶界 由相隔一定距离刃型位置垂直排列组成 位错间距离D：与柏氏矢量及位向差有关 已知晶体点阵常数，想法测出位错蚀坑距离，可计算位向差不对称倾侧晶界-两组不同方向的刃错组成 不对称倾侧晶界-扭转晶界 两晶体各转/2后形成晶界，晶界与x轴成角扭转晶界：两晶体绕轴旋转后相差后螺型位错网络组成 扭转晶界示意图 扭转晶界位错模型4亚晶界- 每个晶粒中直径10-100m的晶块（亚晶粒）之的界面 亚晶界-溶质原子优先聚集和第二相优先析出的地方，可阻碍位错运动，影响材料力学性能 晶界上非正常结点位置原子引发晶格畸变，使能量升高小角度晶界能EB：可由位错模型计算EB=E0（A-ln）E0=Gb/4（1-）A=EC4（1-）/Gb2 EC为位错中心能量5晶界能晶界能-实线测量值、虚线计算值 小于15-200 两者符合很好EB在小角时与位向敏感，大角度时为常数多晶材料中的界面-三个晶界平衡时有 E1/sin1=E2/sin2=E3/sin3晶界能应用-少量第二相形状lA、第二相在基体晶粒内 与基体完全不共格或完全共格，呈球状 与基体只有一个共有晶面，为减少界面能，第二相呈园盘状或片状B.界面上第二相形状平衡时界面能的关系，-=2-cos/2界面能-/- 比值的大小决定第二相形貌 =180 呈球状=0 呈连续薄膜0180，可形成不同形状第二相 称为二面角。
C.二面角的用途（a）杂质在金属压力加工中影响 Cu中Bi有热脆是因为Bi低熔点液相薄膜分布（b）粉末冶金烧结时润湿性：选Co与WC（c）对焊料影响：焊接时用助焊剂使焊料润湿被焊金属表面 A. 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-1Sn%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 6. 晶界偏聚-平衡偏聚及非平衡偏聚 平衡偏聚公式 Cg=Co exp（dEs/RT） Cg：晶界上溶质原子浓度，Co ：晶内溶质原子浓度，dEs晶界、晶内能量差平衡偏聚特点 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 B.非平衡偏聚 由于空位的存在，促使溶质原子在晶界偏聚， 辐射或加热时产生大量空位在冷却时向晶界迁移并消失，同时拖着溶质原子运动，溶质原子富集在晶界 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，因硼（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7.晶界的其它特性a. 晶界熔点低，易过烧 b. 晶界是易扩散通道 c. 晶界易形核d. 晶界易受腐蚀 e. 晶界常温下强化，高温下弱化三.孪晶界：共格 非共格孪晶界 A.共格孪晶界：界面上原子正好在两侧晶粒点阵位置上,多通过形变后退火而形成，与堆垛层错密切相关，如fcc(111)面通常是ABCABCABC，从某一层开始堆垛变成ABC ACBACBA 则形成孪晶，CAC为堆垛层错界面B. 非共格孪晶界：由许多位错构成四、相界：不同结构的两固相间界面，有共格，半共格，非共格 1.1.共格相界共格相界： 界面完全有序，无错配区域，界面是两相点阵的共有点阵面。
仅在少数情况下出现，如钴相变中fcc相与hcp相的相界A相B相相界 2.半共格相界 与小角度晶界类似，错配区为界面上位错，如两种结构相同的晶体，点阵参数有少量差异 a. 相界上存在的点阵参数差异在界面上引进刃型位错，使 位错在单位距离内造成的距离等于相界上点阵平移的相对差 值，松驰晶格中共格弹性畸变 b b.相界上原子排列成斜方网络时，若界面上原子仍平行，可用刃型位错描述，若相界两侧原子排列夹角上有差异，则可用螺型位错描述.半共格相界位错模型3非共格相界：与大角晶界相似，界面基本无序五、复合材料复合材料：由两种或以上在物理和化学上性质不同的物质组合起来得到的一种多相固体材料，由基体，增强体和基体与增强体的界面组成复合材料的发展： 原始的复合材料：几千年前，砌墙的麻、泥土和草 20世纪50年代：玻璃纤维增强塑料（玻璃钢） 20世纪60年代：碳纤维、碳纤维增强树脂 现在：金属基（MMC）、陶瓷基（CMC：Ceramics Matrix Composite）、 C/C复合材料、树脂基或聚合物基复合材料RMC,混杂复合材料、功能复合材料复合材料特征： 1、 性能的可设计性：根据构件要求选择基体、增强体及其含量，选择复合工艺及增强体排列方式 2、 各向异性 3、 结构一次成型性复合材料性能基体合金SiCp的体积百分数（%）弹性模量E/GPa屈服强度0.2 /MPa抗拉强度b /MPa延伸率%6061068.9275.8310.312.01596.5400.0455.17.520103.4413.7496.45.525113.8427.5517.14.530120.7434.3551.63.040144.8448.2586.12.0Al/SiC复合材料的组织一、复合材料分类：1、按复合效果： 结构复合材料与功能复合材料。
结构复合材料具有高的比强度和比模量，疲劳性能好，减振性能好，高温性能好等，用于工程结构中的受载构件； 功能复合材料有独特的物理性能，用于功能器件2、按基体类型： 树脂基或聚合物基复合材料RMC（Resin Matrix Composite），金属基复合材料MMC，（Metal Matrix Composite ），和陶瓷基复合材料CMC，（Ceramic Matrix Composite ）等3、按增强体的形态与排布方式： 颗粒增强复合材料，连续纤维增强复合材料，短纤维或晶须增强复合材料，单向纤维复合材料、三向及多向编织复合材料、混杂复合材料 把颗粒尺度为150m的称为颗粒增强复合材料，0.011m粒子增强的称为分散强化（弥散强化）复合材料亚微米至纳米粒子增强的称为精细复合材料l二、增强体及其性能l 要求高强度，高模量，增强体直径小，含有缺陷几率小，用于航空航天结构的复合材料的增强体密度小l三、复合效应：l复合材料具有复合效应，使材料在基本保持原有组分的性能基础上，增添原组分没有的性能l复合效应分为：l 线形效应，非线形效应，界面效应，尺寸效应及各向异性效应l线形效应可分为：l 平均效应，平行效应，相补效应，相抵效应。
l非线形效应可分：l 乘积效应，系统效应，诱导效应，共振效应l平均效应，又称加和效应（Mean Properties），反映为复合材料的混合定则（Rule of Mixture）lPc=f1p1n+f2p2n+f3p3n+f4p4n+lPc ：复合材料的某一性质，如强度，模量，热导率等l pi ：组成复合材料的基体或增强体的某性质lFi：体积分数， f1+f2+f3+f4+=100%ln：常数，由实验确定，范围为-1n1l相补效应（协同效应）和相抵效应（不协同效应）往往共存的l通过原料的选择、设计和工艺尽量得到相补效应，避免相抵的情况l混杂复合材料：由两种或以上增强体增强同一基体，或者可以认为是两种或以上单一复合材料混杂复合而成的材料最能体现相补效应（协同效应）和相抵效应（不协同效应）l混杂效应：混杂复合材料的某些性能偏离按混合规则计算结果的现象，向增加方向偏离（性能改善）的情况称为正混杂效应（相补效应，协同效应），而向减低方向偏离（性能下降）的情况称为负混杂效应（相抵效应，不协同效应）l一般某些性能出现正混杂效应，某些性能出现负混杂效应l我们需要的性能出现正混杂效应，而负混杂效应在容忍范围内可认为材料设计是成功的。
l非线形效应中乘积效应（Product Properties）又称传递特性，交叉耦和效应l如对材料输入X，材料性能输出为Y，而Y又作为另外一种材料的输入，另外一种材料产生输出为Z，两种材料复合得出一种新的机能材料乘积效应对开发新型功能材料指出了方向，可获得很高的性能，还可创造出任何单一材料不可能存在的功能效应如把钴铁氧体（CoFe2O4）的微粉和钛酸钡（BaTiO3）铁电微粉复合，利用钴铁氧体（CoFe2O4）的磁场中的磁致伸缩产生应力传递到钛酸钡（BaTiO3）铁电微粉上，通过钛酸钡的压电效应把应力转变为电势，完成磁和电之间的转换，这种复合材料的磁电效应是目前最好的单晶体材料的100倍l 传递过程不仅适用于上述的二重过程，还适用于三重和三重以上的过程l复合材料的传递特性l非线形效应中系统效应，诱导效应，共振效应l系统效应l 机理不清楚，但存在，如彩色胶片由红、黄、兰三种感光层复合，结果是五彩缤纷的画面，复合涂层使材料表面硬度大幅度提高，超过按混合定则的计算值l诱导效应l 实验发现增强体的晶形会通过界面诱导基体结构改变而形成界面层相l共振效应：两个相邻物体在一定条件下发生共振l四、复合材料的界面效应l 1 阻断效应：可阻断裂纹扩展，中断材料破坏，减缓应力集中等。
l 2 不连续效应：在界面上引起物理性质不连续性和界面摩擦出现的现象，如电阻，介电特性，磁性，耐热性，尺寸稳定性等l 3 散射和吸收效应：光波，声波，热弹性波，冲击波等在界面产生的散射和吸收，如透光性，隔热性，隔音性，耐冲击性l 4 感应效应：增强物的表面结构使基体与增强物接触的物质的结构由于诱作用而改变，如弹性，热膨胀性，抗冲击性和耐热性的改变等l 5 界面结晶效应：基体结晶时，易在界面上形。