南京航空航天大学《材料科学基础》第8章 材料表面与界面.ppt

● 8.1 基础知识 界面： 定义：指不同的相间或同一相的不同取向区域之间的分界面。 界面是晶体中的面缺陷，对晶体材料的性质和发生的转变过程有重要影响。 常见的材料表界面类型可以按照其分界面两侧相的类型划分为： 常见的材料表界面也可以按其形成途径分为： (1)机械作用界面 (2)化学作用界面 (3)固体结合界面 (4)液相或气相沉积界面 (5)凝固共生界面 (6)粉末冶金界面 (7)粘结界面 (8)熔焊界面 ● 8.1.2 固体的表面自由能和表面张力 定义与液体的表面自由能和表面张力类似，此外： ①固体的表面自由能中包含了弹性能。 ②固体的表面张力是各向异性的。 ③决定固体表面形态的主要是形成固体表面时的条件以及它所经历的历史。 ④固体的表面自由能和表面张力的测定非常困难。 ● 8.1.3 纯金属表面张力的估算 当形成新的表面时，在新表面上和靠近新表面处原子的键合一部分被切断了，这些被切断键的能量之和就构成了金属的表面能。而表面能与表面积的比值就是表面张力。 其中，ΔHv为摩尔蒸发热，N0为阿付加德罗常数，ZR为界面配位数，Z0是原子的体积配位数 ● 8.1.4 固液界面与润湿 ● 8.1.5 固固界面与粘附 ● 8.2.1 界面类型与结构 ●一、按界面两边物质状态分类 表面 晶界，亚晶界，相界 表面 物质表面 晶界与亚晶界 晶界、亚晶界是晶体结构和组成成分相同、但取向不同的两部分晶体的界面。 晶粒之间的界面叫晶界； 亚晶之间界面称亚晶界。 为了完全确定晶界的位置，必须说明： （1）一个点阵相对于另一点阵的位向θ； （2）晶界相对于一个点阵的位向φ。 因此，二维点阵的晶界有两个自由度。 对三维晶体，则需要5个自由度确定晶界的位置 相界 相邻两晶体不仅位向不同，晶体结构也不同，有时成分也不同，即界面两边为两个不同的相，该界面称相界。 ● 二、 按界面两边晶体取向差角度分类 ● 1、小角晶界：两相邻晶粒的位向差约小于10° 对称倾侧晶界（最简单的晶界） 不对称倾侧晶界 扭转晶界 ● 2、大角晶界：位向差大于10°的晶界 （1）小角晶界： 假如θ=1o，b=0.25nm，则位错间距为14nm。 当θ=10o时， b=0.25nm，位错间距离仅1.4nm，即只有5个原子间距， 此时位错密度太大，说明此模型不很适用。 θ大时，这个模型不适用。 实验已经证明倾侧晶界的存在。许多研究者应用缀饰法和电子显微镜薄膜透射方法，也都观测到了这类晶界。 不对称倾侧晶界： 如果倾侧晶界的界面绕X轴转了一个角度ф，两晶粒之间的倾侧角度为θ，θ角仍然很小，但是，界面相对于两晶粒是不对称的，所以称为不对称倾侧晶界。 它有ф和θ两个自由度， 在这种情况下，只靠垂直的同号刃型位错（柏氏矢量为b）排列就不够了，还要加入另一组其柏氏矢量b1与b垂直的位错。 扭转晶界 将一个晶体沿中间平面切开，然后使右半晶体绕Y轴转过θ角，再与左半晶体会合在一起，形成图示的晶界。 晶界与图面平行，两晶粒绕与界面垂直的轴转一角度θ。红点代表晶界下面的原子，蓝点代表晶界上面的原子。 单纯的倾侧晶界或扭转晶界是小角度晶界的两种简单型式； 对于一般的小角度晶界，其旋转轴和界面可有任意的取向关系，所以是由刃型位错和螺型位错组合构成。 （2）大角晶界 一般把θ10°的晶界称为大角晶界。大角晶界的模型比较复杂，原子排列不规则，不能用位错模型来描述，其结构直至目前也不太了解。 各种不同的晶体点阵相对于各自的特殊晶轴旋转一定角度都能出现“重合位置点阵”。 作为例子，在表中仅列出了几种晶轴的数据，实际上对很多晶轴旋转都有相应的数据，能出现重合位置点阵的位向是很多的。 若界面和重合位置点阵的密排面有所偏离时，晶界也力求把大部分面积和重合位置点阵的密排面重合，而在重合位置点阵的密排面之间出现台阶（如下图中的BC）来满足晶界和重合位置点阵密排面间偏离的角度。显然，这角度越大，台阶就越多。这就是大角度晶界“重合位置点阵”模型。 如两晶粒的位向稍偏离能出现重合位置点阵的位向，可以认为在界面上加入一组重合