1、第八节 面缺陷,内界面,面缺陷对材料的物理、化学和力学性能都有重要影响。,面缺陷,外表面：,固体与气体(液体)的界面。,晶界：,相界：,相邻晶粒晶体结构、化学成分、点阵常数相同，但位向不同。,相邻晶粒成分不同，结构不同；若结构相同，点阵常数也会有较大差别。,一、晶界晶界：相邻晶粒之间的界面。根据相邻晶粒位向差的大小，晶界可分为：小角度晶界：相邻晶粒位向差10，一般在3040范围。,1、小角度晶界,(1)对称倾侧晶界：相邻两晶粒位向差角 很小。,晶界看成由一系列相隔一定距离的刃型位错垂直排列而成。晶界平面是两个相邻晶粒的对称平面，两边晶粒绕其各自旋转了方向相反的/2。：倾侧角。如相邻位错距离为D
2、，则 ： 当很小时，随的增大，位错间距将减小。,若=1=0.0175rad（弧度），b=2.5A，D=142A；若=10=0.175rad时，D=14.2A ，每隔56个原子就有一个位错，此时位错密度过大（约为41015/m2，相当于经过剧烈冷变形后的位错密度）。若 10，此模型不适用。,(2)扭转晶界：,模型：扭转晶界：由两组交叉的螺型位错构成的网络组成。晶界两侧的原子位置在位错处不吻合，而其余处是吻合的。,小结：,单纯的倾侧晶界和扭转晶界是小角度晶界的两种特殊情况。一般的小角度晶界更复杂，但都存在位错网络。,2、大角晶界,模型：相邻晶粒在邻接处由不规则的台阶组成。晶界上的原子同时受到位向不
3、同的两个晶粒中的原子作用。纯金属中大角度晶界的厚度不超过3个原子间距。 基本特点：(1)过渡层厚度仅几个原子间距;(2)原子排列很混乱;(3)原子排列相对稀疏。,A：不属于任一晶粒的原子； D：同时属于两个晶粒的原子；B：受压缩的区域；C：受拉伸的区域。,大角晶界模型,二、亚晶界,亚晶界：晶粒内部位向差很小(通常1)的亚结构之间的交界。属于小角晶界。晶粒平均直径：约 0.0150.24mm(15240m);亚结构平均直径：约 0.001mm(1m)。亚结构的形成：在凝固、变形、再结晶以及固态相变等过程中形成。,三、孪晶界,孪晶：指相邻两个晶粒(或一个晶粒内的两个部分)的原子相对于一个公共晶面呈
4、镜面对称排列。孪晶面：孪晶间的公共晶面。 孪晶界：孪晶之间的界面。共格界面：界面上的原子所占位置恰好是相邻两晶粒点阵的共有位置。共格孪晶界：孪晶界与孪晶面一致的孪晶界。非共格孪晶界：孪晶界与孪晶面不一致的孪晶界。,四、相界,相界：相邻两个相之间的界面。共格相界：相邻两个晶粒的原子在界面上一对一地相互匹配形成的相界面。理想的具有完善共格关系的相界少见；具有弹性畸变的共格相界常见。非共格相界：不存在点 阵匹配规则性的相界面。半共格相界：两相的原子在界面上部分匹配的相界面。其特征是沿相界面，每隔一定距离产生一个刃型位错，相界上其余原子是共格的。,五、界面能,界面能：由于界面上原子排列不规则，产生点阵
5、畸变，引起的能量增量。用单位面积上的能量(J/m2)表示。纯金属及单相合金：大角度晶界-晶界能最高；小角度晶界-晶界能较低；共格孪晶界-晶界能最低。多相合金中:非共格相界面-界面能最高；共格相界面界-面能最低；半共 格相界面-界面能居中。,界面能与位相差的关系：,小角晶界：界面能：与位向 差有关，0=Gb/4(1-)，为常数，取决于材料的切变模量G和位错的b；B积分常数，取决于位错中心原子错排能。随的增加而增大。,大角晶界：位向差：一般都在3040左右。界面能：与位向差无关，大体上为一常数(约0.251.0J/m2)。故两晶粒间的界面能 A将取决于界面面积A。,晶界能：可以以界面张力的形式表现
6、出来，且可以通过界面交角的测定求出它们的相对值。,纯金属及单相合金中，大角晶界：12=23=31，则 12=23=31=120。说明三个晶粒交界时，界面角趋向于最稳定的120。故在平衡条件下（退火状态），单相合金金相试样中观察到三叉晶界，确实接近120。,六、晶界的特性,金属的许多现象和变化过程都与晶界有关，金属材料的力学性能和破坏事故，晶界往往起着很大的、有时甚至是决定性的作用。晶界处原子排列不规则，存在较多的空位、位错等，点阵畸变较大，原子偏离其平衡位置，具有较高的动能。,晶界具有的特性：,晶粒长大和晶界平直化在热力学上是自发过程。当然需要动能，温度越高，越有利于晶粒长大和晶界平直化，如奥
7、氏体晶粒随加热温度的升高而增大。常温下晶界的强度高于晶内。晶界处原子的扩散速度比晶内快。晶界的熔点较晶内低。固态相变首先发生于晶界。晶界的腐蚀速度比晶内快。晶界处易富集某些微量元素。如B、C、N等。,七、晶体的外表面,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，其结构、性能与晶体内部不相同。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：晶体表面的单位面积自由能的增量(J/m2)。表面能也可以用单位长度上的表面张力(N/m)表示。,金属晶体中各晶面的原子排列密度不同，各个面的表面能也不同。面心立方金晶体表面能极图：图中径向矢量等于垂直于该矢量的晶体表面上表面张力的大小。原子密排表面111具有最小的表面能。若以密排晶面作表面，晶体能量较低。,晶体的外表面：通常尽可能是这类低表面能的晶面。,表面与低能晶面成一定角度：表面成台阶状。台阶的平面：低表面能的晶面。台阶的密度：取决于表面与低能面的交角。微观尺度上：表面是“粗糙”的。,
