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物理上的界面不只是指一個幾何分界面,而是指一個薄層,這種分界的表面(界面)具有和它兩邊基體不同的特殊性質。

1 界面 -正文

物理上的界面不只是指一個幾何分界面,而是指一個薄層,這種分界的表面(界面)具有和它兩邊基體不同的特殊性質。因為物體界面原子和內部原子受到的作用力不同,它們的能量狀態也就不一樣,這是一切界面現象存在的原因。界面層的克分子自由能較內部大,這種過剩的自由能稱為界面自由能,簡稱界面能。單位界面面積上的界面能稱比界面能,即增加單位界面面積所需的功。

金屬系統中的界面不外乎五種,即氣-液、氣-固、液-液、液-固,固-固。例如,冶金爐內液體金屬和大氣之間是氣-液界面,在液態金屬凝固過程中,已凝固晶體和未凝固液體之間是固- 液界面;固體金屬開裂過程中,裂紋表面就是固-氣界面。對於金屬材料,最重要的是固-固界面。金屬中的固-固界面可以概括為兩種:一種是結構相同而取向不同晶體之間的界面,如晶界、亞晶界。其他如孿晶界、層錯界、胞壁等則屬於特殊晶界。另一種是結構不同的晶體之間的界面即相界。在合金中,相界連接的兩個晶體除結構不同和取向不同之外,往往化學成分也不相同。此外,在有序合金中,還會出現反相疇界。在鐵磁性材料中還會出現磁疇壁等。總之,固-固界面是固體(金屬)中的一種缺陷,有其自身的結構、化學成分和物理化學特性。這種缺陷,從它在物質中分佈的幾何特徵來看,是二維的,藉此區別於其他晶體缺陷如位錯和空位等。

晶界 在晶界面上,原子排列從一個取向過渡到另一個取向,故晶界處原子排列處於過渡狀態。場離子顯微鏡(見金屬和合金的微觀分析)可以觀察到晶界上原子分佈情況,看出晶界是只有2~3個原子厚度的薄層,並且使兩個相鄰不同取向的晶粒匹配得很好。晶界結構與相鄰晶粒之間的取向差(圖1中的θ角)有關。取向差比較大 (θ>10°)的晶界稱為大角度晶界;取向差比較小 (θ<10°)的晶界稱為小角度晶界。在多晶體材料中,各晶粒之間的取向差大都在30°~40°左右,屬於大角度晶界。

界面界面
小角度晶界  最簡單的晶界是傾側晶界(圖2),相當於晶體的兩部分沿界面的軸線相對轉動θ角,造成晶粒間的取向差。傾側晶界是由一列平行的刃型位錯牆組成。傾側角θ和位錯的間距D以及伯格斯矢量的數值b存在下列關係:

界面

θ很小時,上式可化簡為:

界面

界面界面

另一種特殊情況是晶體兩部分沿垂直於界面軸旋轉一個θ角,形成扭轉晶界。扭轉晶界是由兩組相交的螺型位錯所構成。純粹的傾側晶界和扭轉晶界是晶界的兩種特殊形式。一般晶界的旋轉軸和界面可以有任意的取向關係,所以實際上小角度晶界是由二維(平面分佈)的位錯網路所構成。

大角度晶界  大角度晶界的結構很難用位錯模型描述。隨兩晶粒間取向差的增大,位錯間距變小,當取向差超過10°~15°,相鄰位錯的核心實際上重疊在一起,失去了單根位錯的物理意義。實驗指出,晶界性質隨取向差和晶界面的不同而改變,一些特殊取向差的大角度晶界比其他任意大角度晶界的能量低;為了解釋特殊取向差晶界的性質,提出了大角度晶界的重合位置點陣(CSL)模型,認為這些特殊晶界上的原子中有一定數目是處在晶界兩邊晶粒點陣的重合位置上。一般用界面代表兩點陣的重合位置密度。此外:

界面

圖3為體心立方晶體的兩部分相對[110]軸轉動 50.5° 后形成的重合位置點陣。圖中【110】軸垂直於紙面,黑圈表示重合原子位置。圖3中構成重合位置點陣的重合位置密度為界面, 即每 11個陣點位置上就有一個重合位置。經旋轉的兩晶體,由於有很大取向差,它們交接處就是一種特殊大角度晶界(圖3中ABCD)。晶界力求和重合位置點陣的密排面或較密排面重合, 如圖3中AB和CD兩部分。若晶界面和重合位置點陣的密排面成一個不大的角度,晶界面也力求把大部分面積和重合位置點陣的密排面重合,而在不重合部分出現台階(圖中BC部分)。它們之間交角越大台階就越密。
界面界面

晶界理論  為了研究晶界的幾何普遍性理論,博爾曼(W.Bollman)等提出了0-點陣理論。用幾何學方法描述互相穿插的點陣中的陣點的最近鄰關係。利用這個理論可以建立重合位置點陣。確定晶界的走向以及與理想的重合位置點陣偏離時晶界中二次位錯(晶界位錯)網路的伯格斯矢量。最近有人用電子衍射術及高解析度電子顯微術研究了大角度晶界的周期結構獲得了0-點陣理論的一些證據(圖4)。

界面界面

晶界原子結構的計算機模擬計算研究進一步指出:為了獲得低的晶界能,特殊重合位置大角度晶界兩邊的晶粒須作剛體平移,晶界上的原子也須作適當的弛豫。這就使晶界結構偏離理想重合位置點陣模型的原子排列,而由若干原子規則排列的單元周期分佈在不規則排列的原子中,這些單元為有限的幾種原子緊密排列的多面體。

由於晶界上原子排列偏離理想晶體結構,所以比晶粒內部能量高。一般晶界每原子面積的自由能在 0.1~0.4eV(250~1000erg/cm2)範圍,隨不同金屬而異。對於特殊晶界如孿晶界為0.002~0.1eV(5~250erg/cm2)。由於晶界本身結構特點和它兩邊晶粒的不同取向,它對多晶體的物理、化學和力學性質影響很大。如原子在晶界上比晶內擴散快;有些雜質原子可以在晶界上偏聚;在常溫下晶界起強化作用,晶粒越細,材料強度越高;而在高溫下晶界強度低,反而屬於薄弱環節。材料產生高溫蠕變時,裂紋往往在晶界上萌生和擴展。

相界 如果界面相鄰兩側晶粒不僅取向不同,而且結構或成分也不相同,即它們代表不同的兩個相,其間界稱為相界。按照原子在界面上排列的不同,可以把相界分成三種類型,一是共格相界,界面上的原子同時處於兩個相晶格點陣的結點上,顯然這時界面兩側的兩相必須具有特殊取向關係,而且為了保持界面上的共格,還經常在周圍伴隨著晶格畸變。均勻合金脫溶分解初期形成的新相,或兩相點陣常數相近,或晶體結構相同時,往往具有共格界面。與此情況相反,完全沒有共格關係的界面稱為非共格相界。第三種是藉助於位錯才維持其共格性的界面稱為部分共格相界。部分共格界面在馬氏體轉變及外延生長晶體中較常見。晶體表面也可以看作是一種特殊相界面。在表面上的原子,其相鄰原子數比晶體內部少,相當於一部分結合鍵被折斷,因而有較高的能量,產生了表面能。與晶界能比較,表面能數值更大些。

2 界面 -參考書目

D.McLean著,楊順華譯:《金屬中的晶粒間界》,科學出版社,北京,1965。(D.McLean,Grain Boundaries in Metals,The Clarendon Press,Oxford,1957.)
Lawrence E. Murr, Interfacial Phenomenɑ in Metals and Alloys,Addison-Wesley Publ.Co.,London,1975.
W. Bollman, Crystal Defects and Crystalline Interfaces, Springer-Verlag, Heidelberg, Berlin,1970.
H. Gleiter & B. Chalmers, High-angle Grain Boundaries,Pergamon Press,Oxford,1972.

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