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1 材料学院陈铮博士生学位课近代物理冶金学材料学院陈铮博士生学位课近代物理冶金学 第十一章 界面理论第十一章 界面理论 2 西北工业大学材料学院陈铮博士生学位课近代物理冶金学西北工业大学材料学院陈铮博士生学位课近代物理冶金学 本章内容本章内容 晶界与相界的结构学、能量学、动力学理论晶界与相界的结构学、能量学、动力学理论 晶界理论、相界理论晶界理论、相界理论 3 材料学院陈铮博士生学位课近代物理冶金学材料学院陈铮博士生学位课近代物理冶金学 第一节 晶界理论第一节 晶界理论 4 西北工业大学材料学院陈铮博士生学位课近代物理冶金学西北工业大学材料学院陈铮博士生学位课近代物理冶金学 本节思路本节思路 两侧的位向差别等，形成不同的相界结构对应 不同能量和运动的机制 两侧的位向差别等，形成不同的相界结构对应 不同能量和运动的机制 a共格界面共格界面b 半共格界面半共格界面c 非共格界面非共格界面 5 西北工业大学材料学院陈铮博士生学位课近代物理冶金学西北工业大学材料学院陈铮博士生学位课近代物理冶金学 1.1.1.1.晶界结构学晶界结构学晶界结构学晶界结构学 －系因晶界两侧晶粒的位向差，形成不同的晶界结构－系因晶界两侧晶粒的位向差，形成不同的晶界结构－系因晶界两侧晶粒的位向差，形成不同的晶界结构－系因晶界两侧晶粒的位向差，形成不同的晶界结构 共格面共格面共格面共格面 －孪晶界－孪晶界－孪晶界－孪晶界 半共格面半共格面半共格面半共格面 －小角度晶界－小角度晶界－小角度晶界－小角度晶界 刃位错刃位错刃位错刃位错 结构－结构－结构－结构－ 模型模型模型模型 非共格面－大角度晶界－非非共格面－大角度晶界－非非共格面－大角度晶界－非非共格面－大角度晶界－非 位错结构（模型）位错结构（模型）位错结构（模型）位错结构（模型） 过冷液体过冷液体过冷液体过冷液体 模型－皂模型－皂模型－皂模型－皂 泡筏模型泡筏模型泡筏模型泡筏模型 晶界－不同位向晶体的连接面，按连接方式分类晶界－不同位向晶体的连接面，按连接方式分类晶界－不同位向晶体的连接面，按连接方式分类晶界－不同位向晶体的连接面，按连接方式分类 堆垛层错堆垛层错堆垛层错堆垛层错 结构（模结构（模结构（模结构（模 型）型）型）型） 对称与对称与对称与对称与 非对称非对称非对称非对称 倾侧倾侧倾侧倾侧 螺位错螺位错螺位错螺位错 结构－结构－结构－结构－ 模型模型模型模型 扭转扭转扭转扭转 小岛模型小岛模型小岛模型小岛模型 －无序群－无序群－无序群－无序群 模型模型模型模型 重合点阵重合点阵重合点阵重合点阵 ＋位错＋＋位错＋＋位错＋＋位错＋ 台阶模型台阶模型台阶模型台阶模型 典型的薄晶界典型的薄晶界典型的薄晶界典型的薄晶界 非薄晶界非薄晶界非薄晶界非薄晶界 6 西北工业大学材料学院陈铮博士生学位课近代物理冶金学西北工业大学材料学院陈铮博士生学位课近代物理冶金学 2. 2. 2. 2. 晶界能量学（与偏析）－晶界能量学（与偏析）－晶界能量学（与偏析）－晶界能量学（与偏析）－热力学问题热力学问题热力学问题热力学问题 孪晶界对孪晶界对孪晶界对孪晶界对 应层错能应层错能应层错能应层错能 小角度晶界对应小角度晶界对应小角度晶界对应小角度晶界对应 畸变能理论畸变能理论畸变能理论畸变能理论 位向与位错密度位向与位错密度位向与位错密度位向与位错密度 有对应关系－晶有对应关系－晶有对应关系－晶有对应关系－晶 界能随位向增大界能随位向增大界能随位向增大界能随位向增大 无偏析或无偏析或无偏析或无偏析或 较小较小较小较小 大角度晶界对应电子屏大角度晶界对应电子屏大角度晶界对应电子屏大角度晶界对应电子屏 蔽理论蔽理论蔽理论蔽理论 晶界为空位密集区，电晶界为空位密集区，电晶界为空位密集区，电晶界为空位密集区，电 子屏蔽的静电能为主－子屏蔽的静电能为主－子屏蔽的静电能为主－子屏蔽的静电能为主－ 晶界能与位向无关晶界能与位向无关晶界能与位向无关晶界能与位向无关 基于能量理论基于能量理论基于能量理论基于能量理论 晶界的畸变能、静电能作用晶界的畸变能、静电能作用晶界的畸变能、静电能作用晶界的畸变能、静电能作用 晶粒长大趋势晶粒长大趋势晶粒长大趋势晶粒长大趋势异类原子偏聚晶界－吸附异类原子偏聚晶界－吸附异类原子偏聚晶界－吸附异类原子偏聚晶界－吸附 晶界数量、晶界能下降－系统能量下降晶界数量、晶界能下降－系统能量下降晶界数量、晶界能下降－系统能量下降晶界数量、晶界能下降－系统能量下降 7 西北工业大学材料学院陈铮博士生学位课近代物理冶金学西北工业大学材料学院陈铮博士生学位课近代物理冶金学 晶界移动，吞食晶界另一侧晶粒－晶晶界移动，吞食晶界另一侧晶粒－晶晶界移动，吞食晶界另一侧晶粒－晶晶界移动，吞食晶界另一侧晶粒－晶 粒长大粒长大粒长大粒长大 热力学热力学热力学热力学 问题问题问题问题 3.3.3.3.晶界运动晶界运动晶界运动晶界运动－着重动力学问题－着重动力学问题－着重动力学问题－着重动力学问题 大角度晶界大角度晶界大角度晶界大角度晶界 沿晶界相沿晶界相沿晶界相沿晶界相 对滑动对滑动对滑动对滑动 小角度晶界小角度晶界小角度晶界小角度晶界 对称对称对称对称对称对称对称对称 倾侧晶界倾侧晶界倾侧晶界倾侧晶界 晶界运动的微观机制晶界运动的微观机制晶界运动的微观机制晶界运动的微观机制 系统能量系统能量系统能量系统能量 下降下降下降下降 原子扩散原子扩散原子扩散原子扩散 垂直晶界垂直晶界垂直晶界垂直晶界 移动移动移动移动 原子扩散原子扩散原子扩散原子扩散 、无序群、无序群、无序群、无序群 迁移等迁移等迁移等迁移等 非对称倾非对称倾非对称倾非对称倾 侧晶界侧晶界侧晶界侧晶界 扭转晶扭转晶扭转晶扭转晶 界界界界 晶粒相对滑动－超晶粒相对滑动－超晶粒相对滑动－超晶粒相对滑动－超 塑性塑性塑性塑性 刃位错滑刃位错滑刃位错滑刃位错滑 移移移移 刃位错滑刃位错滑刃位错滑刃位错滑 移＋攀移移＋攀移移＋攀移移＋攀移 螺位错螺位错螺位错螺位错 运动运动运动运动 8 西北工业大学材料学院陈铮博士生学位课近代物理冶金学西北工业大学材料学院陈铮博士生学位课近代物理冶金学 长度长度 4、晶界能4、晶界能 晶界的特性晶界的特性晶界结构疏松，在多晶体中晶界是原子快 速扩散的通道，并容易引起杂质原子偏聚。晶界上有许 多空位、位错和键变形等缺陷使之处于应力畸变状态， 故能阶较高，使晶界成为固态相变时优先成核区域。 晶界结构疏松，在多晶体中晶界是原子快 速扩散的通道，并容易引起杂质原子偏聚。晶界上有许 多空位、位错和键变形等缺陷使之处于应力畸变状态， 故能阶较高，使晶界成为固态相变时优先成核区域。 与位错线有关的一个－－泊松比； －－柏氏矢量；－－失配度；剪切模量； ＋＝ −− −− − − 与位错线有关的一个－－泊松比； －－柏氏矢量；－－失配度；剪切模量； ＋＝ −− −− − − 0 0 000 2 ln1ln 14 r bG r b AA bG W μ δ π γ μπ δ μ δ π γ μπ δ v vv v vv 9 西北工业大学材料学院陈铮博士生学位课近代物理冶金学西北工业大学材料学院陈铮博士生学位课近代物理冶金学 晶界形状由晶界形状由表面张力表面张力的相互关系决定。 晶界在多面体中的形 状、构造和分布称为 的相互关系决定。 晶界在多面体中的形 状、构造和分布称为晶界构形晶界构形。。 固－固－气界面张力平衡关系固－固－气界面张力平衡关系 SV SS γ γ γ γψ ψ 2 1 2 cos 固－固－液界面张力平衡关系固－固－液界面张力平衡关系 SL SS γ γ γ γϕ ϕ 2 1 2 cos ϕ ϕ B固－固－液平衡的二面角B固－固－液平衡的二面角 γ γSL SL γ γSS SS γ γSL SL 固态晶粒固态晶粒固态晶粒固态晶粒 γ γSV SV γ γSS SS A热腐蚀角槽角A热腐蚀角槽角 ψ ψ γ γSV SV 多晶体的组织多晶体的组织 10 西北工业大学材料学院陈铮博士生学位课近代物理冶金学西北工业大学材料学院陈铮博士生学位课近代物理冶金学 γγSS/ γγSL cos（（ ϕ ϕ ϕ ϕ ／２）／２） ϕ ϕ ϕ ϕ润湿性相分布润湿性相分布 2 1 00全润湿浸湿整个材料全润湿浸湿整个材料 33 32/3 ABCDE 抛光断面抛光断面 不同热处理时的第二相分布不同热处理时的第二相分布 二面角二面角二面角二面角ϕ ϕ ϕ ϕ与润湿关系与润湿关系与润湿关系与润湿关系 11 西北工业大学材料学院陈铮博士生学位课近代物理冶金学西北工业大学材料学院陈铮博士生学位课近代物理冶金学 多晶材料中，如果有两种多晶材料中，如果有两种不同热膨胀系数不同热膨胀系数的晶相组 成，在加热与冷却过程中，由于两相膨胀系数的差别，在 晶界上会有 的晶相组 成，在加热与冷却过程中，由于两相膨胀系数的差别，在 晶界上会有应力τ存在应力τ存在。最终会在晶界上出现裂纹，甚至 使多晶体破裂。 。最终会在晶界上出现裂纹，甚至 使多晶体破裂。 LTdK/Δ ΔΔ Δα ατ τ＝ 1晶界应力与热膨胀系数差、温度及复合层厚度成正比。1晶界应力与热膨胀系数差、温度及复合层厚度成正比。 2若热膨胀系数是各向同性，晶界应力不会产生。2若热膨胀系数是各向同性，晶界应力不会产生。 3若产生晶界应力，则厚度愈厚，应力愈大。3若产生晶界应力，则厚度愈厚，应力愈大。 晶界应力晶界应力 12 材料学院陈铮博士生学位课近代物理冶金学材料学院陈铮博士生学位课近代物理冶金学 第二节相界理论第二节相界理论 13 西北工业大学材料学院陈铮博士生学位课近代物理冶金学西北工业大学材料学院陈铮博士生学位课近代物理冶金学 本节思路本节思路 相界两侧的结构差别，形成不同的相界相界两侧的结构差别，形成不同的相界相界两侧的结构差别，形成不同的相界相界两侧的结构差别，形成不同的相界进进进进 而，建立相界结构与能量的关系而，建立相界结构与能量的关系而，建立相界结构与能量的关系而，建立相界结构与能量的关系 14 西北工业大学材料学院陈铮博士生学位课近代物理冶金学西北工业大学材料学院陈铮博士生学位课近代物理冶金学 共格面－完全共格面－完全共格面－完全共格面－完全 有序、无错配有序、无错配有序、无错配有序、无错配 半共格面－局半共格面－局半共格面－局半共格面－局 部错配部错配部错配部错配 对应晶面差别对应晶面差别对应晶面差别对应晶面差别 较小，相界为较小，相界为较小，相界为较小，相界为 共有晶面＋位共有晶面＋位共有晶面＋位共有晶面＋位 错－松弛应力错－松弛应力错－松弛应力错－松弛应力 对应晶面差别对应晶面差别对应晶面差别对应晶面差别 小，相界为共小，相界为共小，相界为共小，相界为共 有晶面有晶面有晶面有晶面 非共格面－基非共格面－基非共格面－基非共格面－基 本无序本无序本无序本无序 两相差别大，两相差别大，两相差别大，两相差别大， 无共有晶面。无共有晶面。无共有晶面。无共有晶面。 相界－不同结构间的连接面，按连接方式分类相界－不同结构间的连接面，按连接方式分类相界－不同结构间的连接面，按连接方式分类相界－不同结构间的连接面，按连接方式分类 畸变能为主，化学相互作用能小畸变能为主，化学相互作用能小畸变能为主，化学相互作用能小畸变能为主，化学相互作用能小 畸变能小，化畸变能小，化畸变能小，化畸变能小，化 学相互作用能学相互作用能学相互作用能学相互作用能 大。大。大。大。 弹性应力场理弹性应力场理弹性应力场理弹性应力场理 论－共格弹性论－共格弹性论－共格弹性论－共格弹性 能能能能 位错模型－位位错模型－位位错模型－位位错模型－位 错能量叠加错能量叠加错能量叠加错能量叠加 15 西北工业大学材料学院陈铮博士生学位课近代物理冶金学西北工业大学材料学院陈铮博士生学位课近代物理冶金学 共格晶界共格晶界界面两侧的晶体具有非常相似的结构和 类似的取向，越过界面原子面是连续的 界面两侧的晶体具有非常相似的结构和 类似的取向，越过界面原子面是连续的 半共格晶界半共格晶界界面间距比较小的一个相发生应 变，在界面位错线附近发生局部晶格畸变。 界面间距比较小的一个相发生应 变，在界面位错线附近发生局部晶格畸变。 非共格晶界非共格晶界界面两侧结构相差很大且与相邻晶 体间有畸变的原子排列。 界面两侧结构相差很大且与相邻晶 体间有畸变的原子排列。 相界－按连接方式分类相界－按连接方式分类 16 西北工业大学材料学院陈铮博士生学位课近代物理冶金学西北工业大学材料学院陈铮博士生学位课近代物理冶金学 引用声明引用声明 本课件的基本内容引用国内外学者的专著、 教材、论文、课件、报告等，没有逐一注释，向 相关学者表示感谢。同时，请课件学习者注意， 十分谨慎使用引用声明而不逐一注释的方式。 本课件的基本内容引用国内外学者的专著、 教材、论文、课件、报告等，没有逐一注释，向 相关学者表示感谢。同时，请课件学习者注意， 十分谨慎使用引用声明而不逐一注释的方式。 陈铮陈铮 17 西北工业大学材料学院陈铮博士生学位课近代物理冶金学西北工业大学材料学院陈铮博士生学位课近代物理冶金学 谢谢大家 谢谢大家 ----Thanks for your attention
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