固态相变 第二章 界面1.ppt

1、第三章 晶体中的界面,晶体中的三类界面： 1) 自由表面 蒸发 凝聚 2) 晶界 单相固溶体 3) 相界 a-b之间的界面,1 界面的自由能 系统的自由能 G=G0+Ag 其中G0为体积自由能；g为单位面积表面能。 什么条件下 g=F (表面张力）？ 对固体表面，什么条件下g和F两者相近？,2 固气界面 一、表面是低指数晶面 表面能随指数升高而升高； 表面的原子数随晶面指数的升高而减少。 2）表面能 g=E+PVTS 内能E的计算 和断键有关 3）考虑熵增后表面能的表达式 二、任意表面的表面能 1） 小台阶界面 2）表面能与q角的关系 三、g极图 1)作法 2)作用,3 单相固溶体中的晶界 晶

2、界的性质取决于： 两相邻晶粒位向的差别 界面相对于相邻晶粒的取向 晶界的含义 过渡层 倾转晶界和扭转晶界 q角的定义。 一、小角度晶界和大角度晶界 1）小角度晶界的晶体结构 2）晶界能和影响因素 3）大角度晶界 界面能,二、特殊大角度晶界 含义 特殊的位向 （q某一固定值） 此时g(界面能）低 2）孪晶界 共格孪晶 非共格孪晶 3）孪晶界的界面能与f的关系,三、 晶界的平衡 1）多晶体中准平衡态的建立 多晶体中可能存在各种晶界（小角度、大角度等）。 显微组织是各种晶界的组合 多晶是非平衡态，因此晶界迁移；但是室温下晶界迁移很慢。 退火时晶界迁移加快 。,2） 扭矩项 torque term 表

3、达式、物理意义 3） 时，如果三晶面相交，晶界平衡的条件 4）晶界能的金相法测定 5）孪晶界的界面能 非共格孪晶的平衡条件,1、 表面自由能和哪些因素有关？在等压条件下表面能由哪两项组成？ 分 别叙述其物理意义。 2、 什么情况下g=F （表面张力）？ 3、推导表面为密排面时表面能表达式，并说明为什么表面是密排面时表面能 最低？为什么是近似的？（分别与任意面及其它有理指数面）。 4、表面为任意指数面时，如何计算表面能？ 5、 什么是极图？叙述它的作法和用途。极图上为什么会出现脐点？ 6、 如何区分倾转晶界和扭转晶界？角是如何定义的？ 7、 小角度晶界的原子结构呈现什么样的特征？能量与什么因素有

4、关？ 8、 什么是大角度晶界？它的原子结构及晶界能与小角度晶界有何不同？ 9、 共格孪晶界与非共格孪晶界的区别是什么？孪晶界的能量与晶界取向之 间有什么关系？ 10、 多晶体中一段晶界平衡的条件是什么？什么是torque term? 在多晶体 中它由何处提供？ 11、当晶界能和角无关时，若3段晶界相交，平衡条件是什么？ 12、共格和非共格孪晶界的平衡条件是什么？ 13、当晶界能和角无关时，如何测定晶界能？ 14、解释晶粒长大时晶界向曲率中心迁移，而再结晶时背向曲率中心？,1、 表面自由能和哪些因素有关？在等压条件下表面能由哪两项组成？ 分 别叙述其物理意义。 a） g=E+PVTS， 和E、P

5、、T、S有关 b） 等压过程 g=ETS 可见内能越高，表面能越高；温度越高，表面能越低；熵越高，表面能越低。 2、什么情况下g=F （表面张力）？ 液态下,固态下，当,3、推导表面为密排面时表面能表达式，并说明为什么表面是密排面时表面能最低？（分别与任意面及其它有理指数面）。 推导表面为密排面内能表达式 对于立方晶体密排面为（111）面， 若从内部沿（111）面切开，每个原子失去三个键， 设：每个键的键能为e，每个断键使原子内能的变化为e/2， 表面上每个原子的能量升高为:,当1mol固体升华时，可形成12Na 个短键， 汽化热 Ls=12Nae/2,*这里未考虑次邻近 原子间的相互作用,对

6、于纯金属当TTm时，gsv=0.15Lsv/Na Tm越高，gsv值越高。 表面熵增 短键使表面混乱度提高，补偿了内能增加引起的表面能增加。,2）对于非密排面 短断键多，所以表面能高。 可做3.2题,4、表面为任意指数面时，如何计算表面能？ 对于任意（无理指数）面，界面是小台阶结构，,5、 什么是极图？叙述它的作法和用途。极图上为什么会出现脐点？ g极图的作法： 1) 从原点作射线，以每个方向上的表面能为截据作射线的垂线， 所得图形为g极图。 2) 用途： 若已知g极图，可推出晶体外形， 若已知晶体外形，可判别各表面的晶面指数。,6、 如何区分倾转晶界和扭转晶界？ 角是如何定义的？ 若转轴和晶

7、界平行，则是倾转晶界， 若转轴和晶界垂直，则是扭转晶界。 q角是指倾转角或扭转角,如右图所示。,7、 小角度晶界的原子结构呈现什么样的特征？ 能量与什么因素有关？ 小角度晶界是位错的组合。小角度倾转晶界是一组刃位错的组合；而小角度扭转晶界是两组螺位错交错成网格。 在两个位错之间，晶界两侧原子匹配良好，但在位错芯部原子的排列不规则。 晶界可能是两个相邻晶粒的对称面，也可能不是。若不是对称面，晶界可能是不同柏氏矢量的位错的组合。,小角度晶界的能量与位错间距有关，而位错间距与q角有关，因此，能量与q有关。,g1/D, D=b/q g q,8、 什么是大角度晶界？它的原子结构及晶界能与小角度晶界有何不

8、同？,大角度晶界是两晶粒之间的过渡层，原子排列不规整。能量高，与小角度晶界不同，大角度晶界的能量q角之间没有定量的关系。,9、 共格孪晶界与非共格孪晶界的区别是什么？孪晶界的能量与晶界取向之间有什么关系？,1) 孪晶 经某一对称变化后，晶界两 侧的点阵完全重合 2）共格和非共格孪晶 共格孪晶： 孪晶面与晶界重合 非共格孪晶：孪晶面与晶界不重合,3) 界面能 一般情况：共格孪晶界面能最低， 非共格孪晶界面能远 高于共格孪晶 特殊情况：当晶界处于某种特殊位向 时界面能能低，称之为特 殊大角度孪晶界。,10、 多晶体中一段晶界平衡的条件是什么？什么是torque term? 在多晶体 中它由何处提供

9、？,晶界端点必需有一个力阻止晶界转动，其大小为： 推导：,在多晶体中，torque term是由其它晶界提供,11、当晶界能和角无关时，若3段晶界相交，平衡条件是什么？,证明：,12、共格和非共格孪晶界的平衡条件是什么？,共格和非共格孪晶界处于最低能量状态， 对于非共格界面和共格界面，界面能都必需小于扭矩项。,13、当晶界能和角无关时， 如何测定晶界能？,四、晶界的热激活迁移 （一）晶界的平衡和迁移 1、晶界上有曲率，则有迁移的趋势：,平面120、三维109.28亚稳状态,讨论：当某一段晶界呈现曲率时，晶界上为什么会有一个作用力？ 如果界面是圆柱面，该力的大小和方向是什么？ 这样的晶界什么时候

10、处于平衡态？,2、若 ，或双向弯曲曲面晶界，合力为零,3、晶界长大机制,讨论：若晶体是一个柱状晶，它在什么情况下最稳定？什么情况下它会长大或缩小？,（二）晶界迁移的驱动力,驱动力：两晶粒的DGv不同 原子从高能量晶粒流向低能量晶粒 晶界从低能量晶粒向高能量晶粒迁移dx， 则从高能量晶粒向低能晶粒流入的原子摩尔数：,其中晶界的面积为1（单位面积）， dx为迁移距离，Vm摩尔体积,释放的能量为：,相当于有一个力作用在晶界上， 它作的功为：,讨论：再结晶和再结晶后晶粒长大时晶界迁移的驱动力是否相同？为什么？,1）再结晶驱动力：新旧晶粒位错应变能差 2）晶粒长大的驱动力：曲率半径，界面能差,React

11、ion fronts (high angle boundaries) migrating during recrystallization: a) TEM of an austenitic stainless steel containing 15% Cr and 15% Ni, cold worked to a 50% area reduction and annealed at 800 for 3 hours; and b) micrograph of a sample of pure tantalum cold worked to 72% area reduction and annea

12、led at 900 for 30 minutes (SEM, BSE).,（三）晶界迁移的动力学,从高能晶粒（晶粒1）跃迁至低能晶粒（晶粒2）的原子流为：,从低能晶粒（晶粒2）跃迁至高能晶粒（晶粒1）的原子流为：,Ga为跨越晶界所需的激活能,G为两个晶粒内部体积自由能之差,A1, A2 分别为晶粒1和2接纳外来原子的几率 n1 n2 分别为晶粒1和2单位体积中适合跃迁的原子数， n1 n2 分别为晶粒1和2中原子的振动频率,当G0时 J21=J12, A2n1 n1 = A1n2n2= An n 实际上对于同一种晶体，A1=A2, n1=n2, n1=n2,每个原子的体积为Vm/Na,M为晶

13、界迁移率，单位驱动力下的晶界位移速度 M和温度有关，温度越高，M值越大；,讨论：单相固溶体中的杂质原子对晶界的迁移回产生什么样的影响？ 为什么一些特殊大角度晶界的迁移对杂质原子不敏感？,讨论：什么是再结晶织构？它与形变织构有何不同？,讨论：大角度晶界和小角度晶界、排列紧密的特殊晶界迁移率有何区别？,300锡对铅晶界迁移速度的影响,溶解度低的溶质原子在晶界偏析的程度大。 随着温度增加，由于溶质原子在晶内和在晶界的能量差别减小，晶界偏析也减弱。,合金系的溶质固溶度和溶质在晶界富化程度间的关系,（四）晶粒长大动力学 1、正常生长,正常长大：晶体中没有第二相颗粒,2、非正常生长,非正常长大：少数晶粒异

14、常长大，主要是因为晶粒长大时晶界迁移受第二相颗粒阻碍。,一个粒子的阻力：(2prcosqg)sinq 当q=45时， sinqcosq=1/2, 阻力大最大值: prg 单位面积晶界上的阻力：,阻力和驱动力F的方向相反。,当P=F时，,讨论：要获得细小的高温组织，可以采取何种措施？ 采用铝处理的镇静钢为何在1000加热时会发生晶粒显著长大的现象？,Transmission electron micrograph showing the interaction between intermetallic particles and migrating boundaries during recr

15、ystallization of an aluminum alloy,2 固溶体中的相界 （一）相界的共格性 1、完全共格 2、半共格 3、非共格 4、复杂共格,讨论：什么是共格相界？形成共格相界的条件是什么？在透射电镜中如何区别共格与非共格相界？ 讨论：半共格界面上的晶体结构呈现什么样的特征？半共格界面的界面能与什么因素有关？ 讨论：什么是复杂共格界面？叙述它的晶体学模型。,14、当某一段晶界呈现曲率时，晶界上为什么会有一个作用力？说明它的大 小和方向。,由于晶界能，存在界面张力。如果是有曲率的柱面，作用力的大小为：,15、若晶体是一个柱状晶，它在什么情况下最稳定？什么情况下它会长大或 缩小

16、？,设：,如果晶粒是六边形，q1=q2=q3=120， 晶粒是稳定的。 如果边数小于6，晶粒收缩，反之膨胀。,16、再结晶和再结晶后晶粒长大时晶界迁移的驱动力是否相同？为什么？,再结晶驱动力 两晶粒的DGv不同，形变的畸变能导致晶内能量升高， 原子从高能量晶粒流向低能量晶粒。 晶界从低能量晶粒向高能量晶粒迁移dx， 则从高能量晶粒向低能晶粒流入的原子（摩尔数）为,其中晶界的面积为1（单位面积）， dx为迁移距离，Vm摩尔体积,释放的能量为：,相当于有一个力作用在晶界上，它作的功为：,2）晶粒长大的驱动力：曲率半径。,17、单相固溶体中的杂质原子对晶界的迁移回产生什么样的影响？ 为什么一些特殊大

17、角度晶界的迁移对杂质原子不敏感？,杂质原子进入晶界，使晶界上原子排列紧密，致密度提高，导致迁移率降低。 特殊大角度晶界因为原子排列紧密，杂质原子不易进入，所以对杂质原子不敏感。,只有少数取向的晶界迁移很快，其它晶界迁移很慢（由于杂质原子）， 于是形成织构。 形变织构是在形变过程中形成的择优取向，形变后多晶体内晶粒有平行于 形变方向的趋势。,18、什么是再结晶织构？它与形变织构有何不同？,19、推导晶界迁移速率的表达式，并说明晶界迁移率与哪些因素有关。,从高能晶粒（晶粒1）跃迁至低能晶粒（晶粒2）的原子流为：,从低能晶粒（晶粒2）跃迁至高能晶粒（晶粒1）的原子流为：,Ga为跨越晶界所需的激活能,

18、G为两个晶粒内部体积自由能之差,A1, A2 分别为晶粒1和2接纳外来原子的几率 n1 n2 分别为晶粒1和2单位体积中适合跃迁的原子数， n1 n2 分别为晶粒1和2中原子的振动频率,当G0时 J21=J12, A2n1 n1 = A1n2n2= An n 实际上对于同一中晶体，A1=A2, n1=n2, n1=n2,每个原子的体积为Vm/Na,M为晶界迁移率，和温度有关，温度越高，M值越大；,20、晶粒正常长大和非正常长大的主要区别是什么？非正常长大时晶 粒的最大直径与什么因素有关？,正常长大：晶体中没有第二相颗粒,非正常长大：晶粒长大时晶界迁移受第二相颗粒阻碍。,一个粒子的阻力：(2pr

19、cosqg)sinq 当q=45时， sinqcosq=1/2, 阻力大最大值: prg 单位面积晶界上的阻力：,阻力和驱动力F的方向相反。,当P=F时，,21、什么是二次再结晶（又称为异常长大）？,由于非正常生长，大多数晶界迁移受阻，晶粒长大很慢，少数晶界不受阻， 晶粒长大很快，这些晶粒吞并其它晶粒，形成粗大、不均匀的的显微组织。,22、单相固溶体中若出现大量第二相颗粒时会对合金的高温力学性能 产生什么影响？为什么？,阻止晶界迁移，提高抗蠕变性能。,23、什么是共格相界？形成共格相界的条件是什么？在透射电镜中如 何区别共格与非共格相界？,界面上原子排列完全连续 界面两侧原子排列规律相同，间距

20、相同 TEM衍衬像中有应变区,24、半共格界面上的晶体结构呈现什么样的特征？半共格界面的界面 能与什么因素有关？,晶界两侧晶粒的原子排列规律相同，但原子间的间距不同。 能量于错配度有关。,25、什么是复杂共格界面？叙述它的晶体学模型。,1）有固定的位向关系。 2）界面两侧原子在局部区域有良好匹配。 3）有界面位错来调整原子间距，以形成在 更大范围内的良好匹配。 4）具有小台阶结构，进一步降低界面能。,第二相形貌取决于： 界面能、晶格畸变能,二、界面能对第二相颗粒形貌的影响 1）完全共格 形貌一般为球状,2）部分共格 理论上： 盘状 （哪一面共格？） 实际上： 可能是杆状或针状,什么是魏氏组织？

21、什么情况下会 形成魏氏组织？,魏氏组织是指金相组织中出现的针状或片状组织，这些针或片在显微镜下 只有少数的几种取向。 当 基体的对称性很高，析出相与基体呈现固定位向关系（部分共格或 复杂共格）则容易出现魏氏组织。,3）非共格沉淀：球状 高界面能 多面体 特殊界面 4）晶界沉淀 形貌特征。,当晶界上出现第二相颗粒时，为什么部分界面是平直界面，而其它部分是光滑曲面？,Constrained misfit 和unconstrained misfit 的物理意义有何不同？ 两者的数值 哪一个大？,unconstrained misfit：,Constrained misfit,三、应变能对第二相形貌的

22、影响,1、共格沉淀（指半共格）,应变能 DGs 分三种情况讨论： 各向同性，弹性模量相同： 各向同性，弹性模量不同： 各向异性：,各为什么形貌？,2、非共格沉淀 没有共格应变的问题， 体积失配 D， 形貌和什么有关？D对形貌的影响,硬-球；软-片,片,四、共格的失落 1、临界条件 2、失落过程 几种模型,五、可滑动界面 1）两种界面 外延界面 epitaxial 滑动界面 glissile 定义、区别 2）Schockley 位错 什么是Schockley 位错 Schockley位错和层错的关系 3）Schockley 位错和滑动位错的关系,5 界面的迁移和相变 大多数相变为不均匀相变 过程

23、：形核界面形成 长大界面迁移 一、界面迁移和相变 1、 界面类型： 2、相变按界面分类： 3、相变按界面迁移速率分类 glissile military 界面控制转变（长大） non glissile civilian 扩散控制转变（长大） 混合控制转变（长大） 二、扩散控制长大和界面控制长大 1、界面迁移的驱动力 2、界面迁移的速率 3、决定non-glissile相变类型(界面迁移类型）的因素,26、在Al-Ag系的 Al-4%Ag的合金中，为什么析出的GPZ是球状，而时效处理后呈现片 状？为什么部分共格或复杂共格界面呈片状？ 27、在立方金属基体中为什么出现盘状沉淀时，盘面平行与100面

24、？ 28、铝基合金在时效过程中往往会形成 GP区，为什么在 Al-Ag和Al-Zn系中GP区 是球状，而 Al-Cu系中GP区却是片状？ 29、什么是体积错配度？的大小对第二相颗粒的形貌起什么作用？ 30、应变能Gs和半共格相界界面能中的st项是否是一个概念？ 31、共格沉淀相长大时为什么会发生共格失落？共格失落的临界条件是什么？ 32、为什么实际的临界半径大于理论临界 径？ 33、滑动界面与非滑动界面的区别是什么？ 34、什么是Shockley位错？fcc结构中的Shockley位错如何能形成滑动界面？ 35、什么是相界迁移的驱动力？什么是相界的迁移率？这两者如何决 定了界面的迁移机制？ 3

25、6、为什么military 型相变一定是界面控制长大？ Civilian 型相变呢？ 37、什么是局部平衡？什么情况下能实现局部平衡？ 38、沉淀（脱溶）转变是否一定是扩散控制长大？为什么？ 39、若共格相界两侧的两相晶体结构和化学成分均不相同，则相界具有怎样的微观结构？这种相界如何迁移? 40、什么是局部平衡？什么情况下能实现局部平衡？ 41、沉淀（脱溶）转变是否一定是扩散控制长大？为什么？ 42、共析分解属于哪一种的长大？为什么？,26、在Al-Ag系的 Al-4%Ag的合金中，为什么析出的GPZ是球状， 而时效处理后呈现片 状？,Al与Ag的原子半径相差很小（Dr=0.7%)，因此决定第

26、二相形貌的主要因素 是界面能，形貌为球状时，界面能最小；因而GPZ为球状。 时效析出的是密排六方，与基体（a-Al）结构不同，界面是部分（复杂） 共格界面，密排六方的（0001)面与面心立方的（111)共格，其它的面不共格， 根据g极图，应呈片状。,28、当晶界上出现第二相颗粒时，为什么部分界面是平直界面， 而其它部分是光滑曲面？,因为颗粒与一个晶粒共格，与另一晶粒不共格,30、铝基合金在时效过程中往往会形成 GP区，为什么在 Al-Ag和Al-Zn系中 GP区 是球状，而 Al-Cu系中GP区却是片状？,Al-Ag, Al-Zn d5% 应变能起主导作用，呈片状,30、在立方金属基体中为什么

27、出现盘状沉淀时，盘面平行于100面？,因为方向是软位向，易变形。 在方向上应变能小,31、什么是体积错配度？的大小对第二相颗粒的形貌起什么作用？,若错配度很小，界面能起主要作用，颗粒为球状，若错配度大，应变能起主要作用，向针状或盘状过渡。,引入形状因子：若颗粒是椭球，引入一因子f(c/a),它的最大值为1，,（c/a）1， f1 ， 球状； （c/a）， f ， 针状； （c/a）0， f0 ， 盘状状；,很小时，界面能起主要作用，颗粒为球状 很大时，应变能起主要作用，f值缩小能降 低DGs，所以形貌向针状或盘状转 变。,32、应变能Gs和半共格相界界面能中的st项是否是一个概念？,不是。 gst是由于错配而引起的界面能的变化； Gs 是由于错配而引起的应变，导致体积自由能变化,33、共格沉淀颗粒在长大过程中为什么会发生共格的失落？ 共格失落的临界条件是什么？,作G g曲线， rrcri, 非共格，,34、为什么实际的临界半径大于理论临界 径？,因为界面位错形成困难。,35、滑动界面与非滑动界面的区别是什么？,非滑动界面： 位错的滑移面平行于界面 滑动界面： 位错的滑移面不平行于界面,36、什么是Shockley位错？fcc结构中的Shockley位错如何能形成滑动界面？,在fcc结构的相邻两个密排面之间移动一个 则形