【正文】 面能越高。 ?晶體本身的 結(jié)合能 高，則表面能大。 熔點(diǎn) 高，則結(jié)合能大，因而表面能也往往較高。 Section Surface Defects 面缺陷 63 63 晶體表面 ? 外表面是非常粗糙的，比材料內(nèi)部活性更大。 ? 納米結(jié)構(gòu)材料（超細(xì)粉體與納米材料、多孔材料和凝膠類似）是表面能很高的一類材料。 ? 對于日常廣泛應(yīng)用的大塊材料來說，它們的 比表面 (單位體積晶體的表面積 )很小，因此表面對晶體性能的影響不如晶界重要。但是對于多孔物質(zhì)或粉末材料，它們的比表面很大，此時(shí)表面能就成為不可忽略的重要因素，甚至是關(guān)鍵因素。 ? 粉末的表面能數(shù)值相當(dāng)可觀，成為不少過程的驅(qū)動(dòng)力，例如粉末在高溫下可燒結(jié)為整體，其驅(qū)動(dòng)力就來自于高的表面能。 64 64 晶界 (Grain boundary) 晶界 就是空間取向 (或位向 )不同的相鄰晶粒之間的界面。晶粒內(nèi)又可分為位向差只有幾分到幾度的若干小晶塊、這些小晶塊可稱為 亞晶粒 ，相鄰亞晶粒之間的界面稱為 亞晶界 。 1．小角度晶界 ( θ＜ 10176。 ) 多晶體各晶粒之間的晶界 ?對稱傾轉(zhuǎn)型 (title boundary)： 它是由一列豎直排列的刃型位錯(cuò)構(gòu)成，亦稱“ 位錯(cuò)墻 ”。 ?扭轉(zhuǎn)型 ：它可以看成兩個(gè)簡單立方晶粒之間的扭轉(zhuǎn)晶界。扭轉(zhuǎn)型小角度晶界，是由 相交的螺位錯(cuò)網(wǎng)絡(luò) 所構(gòu)成。 ?由于小角度晶界的界面能低于規(guī)則晶粒的晶界能，所以小角度晶界對滑移幾乎沒有什么阻礙作用。 2. 大角度晶界 (θ＞ 10176。 ) 亞晶界 ?相當(dāng)于兩晶粒之間的過渡層，是僅有 23個(gè)原子厚度的薄層，總體來說，原子排列相對無序，也比較稀疏些。 65 65 Figure (a) The atoms near the boundaries of the three grains do not have an equilibrium spacing or arrangement. (b) Grains and grain boundaries in a stainless steel sample. 66 66 Figure The small angle grain boundary is produced by an array of dislocations, causing an angular mismatch θ between lattices on either side of the boundary. 圖 222 對稱傾轉(zhuǎn)型小角度晶界 67 67 晶界特性 ? 晶粒長大和晶界的平直化都可減少晶界的總面積，從而降低晶界的總能量。大角度晶界的界面能遠(yuǎn)高于小角度晶界的界面能。所以，大角度晶界的遷移速率較小角度晶界大。 ? 由于界面能的存在，當(dāng)金屬中存在能降低界面能的異類原子時(shí)，這些原子就將向晶界偏聚，這種現(xiàn)象稱為 內(nèi)吸附 。凡是提高界面能的原子，將會(huì)在晶粒內(nèi)部偏聚，這種現(xiàn)象叫做 反內(nèi)吸附 。 ? 晶粒越細(xì)，金屬材料的強(qiáng)度和硬度越高。 ? 由于界面能的存在，使晶界的熔點(diǎn)低于晶粒內(nèi)，且易于腐蝕和氧化。 ? 晶界上的空位、位錯(cuò)等缺陷較多，因此，原子的擴(kuò)散速度較快，在發(fā)生相變時(shí)，新相晶核往往首先在晶界形成。 68 68 Figure The effect of grain size on the yield strength of steel at room temperature. 69 69 晶界的觀察 ? 光學(xué)顯微鏡分析是一種可以觀察 2022倍以下的顯微組織（包括晶界）的技術(shù)。 金相學(xué) (Metallography)就是金屬樣品的制備和顯微組織的觀察分析的過程。 ? 金相樣品的制備包括使用砂紙進(jìn)行粗磨和細(xì)磨，拋光成鏡面。樣品表面用化學(xué)浸蝕劑浸蝕，晶界比晶內(nèi)更易于腐蝕。根據(jù)樣品表面腐蝕的程度，反射或散射來自光學(xué)顯微鏡的光線。晶界處腐蝕得很深，光線大部分被散射，因此晶界看上去為黑色的線。 ? 在陶瓷材料樣品中，可以采用 熱腐蝕 或 熱刻蝕（ thermal grooving） 的技術(shù)來觀察晶界。這個(gè)過程主要包括拋光和低于燒結(jié)溫度的短時(shí)加熱過程。 ? 圖像分析 程序不僅可以確定晶粒度，還可以得到平均晶粒尺寸、晶粒分布，孔隙率和第二相等定量數(shù)據(jù)。光學(xué)顯微鏡和掃描電鏡都可以配備圖像分析系統(tǒng)。 70 70 Figure Microstructure of palladium (x 100). 71 71 堆垛層錯(cuò)（ Stacking Faults） ? 堆垛層錯(cuò) （層錯(cuò)），就是晶體中的原子按正常堆垛次序發(fā)生了差錯(cuò)而出現(xiàn)的面缺陷。 ? 堆垛層錯(cuò)破壞了晶體的正常周期，從而增加了晶體的能量。通常把產(chǎn)生單位面積層錯(cuò)所需的能量稱為 層錯(cuò)能 。它主要是在電子學(xué)方面的影響，晶體中并不產(chǎn)生點(diǎn)陣畸變，畸變能可以不計(jì)。因此，層錯(cuò)能的能量比晶界能量要低得多。堆垛層錯(cuò)對滑移有阻礙作用。 ? 金屬的層錯(cuò)能越小，則層錯(cuò)出現(xiàn)的幾率越大，如在奧氏體不銹鋼中，可以看到大量的層鍺，而在鋁中則根本看不到層錯(cuò)。 金屬 Ag Au Cu Al Ni 不銹鋼 層錯(cuò)能 20 45 75 200 240 13 表 24 部分面心立方金屬的層錯(cuò)能（ 10－ 7J/cm2） 72 72 孿晶界（ Twin Boundaries） ? 晶面原子完全是共格的，而且兩側(cè)的晶體以界面為對稱面成鏡面對稱，這樣一對晶體稱為 孿晶 （或把兩個(gè)對稱面之間的與母體成鏡面對稱的一部分晶體稱為孿晶）。這種對稱界面就是 孿晶面 ，也是 孿晶界 。孿晶界對滑移有阻礙作用，增加了金屬的強(qiáng)度。孿晶界的運(yùn)動(dòng)也會(huì)導(dǎo)致金屬的變形。 ? 和堆垛層錯(cuò)和孿晶界相比，界面能高的晶界阻礙滑移的能力最強(qiáng) 。 界面能 (10－ 7 ) Al Cu Pt Fe 堆垛層錯(cuò) 200 75 95 孿晶界 120 45 195 190 晶界 625 645 1000 780 表 25 金屬中面缺陷的界面能 73 73 Figure 225 Application of a stress to the perfect crystal (a) may cause a displacement of the atoms, (b) causing the formation of a twin. Note that the crystal has deformed as a result of twinning. 圖 225 對一個(gè)完整晶體施加應(yīng)力（ a）引起原子移動(dòng)（ b）產(chǎn)生孿晶，注意由此，晶體而產(chǎn)生相應(yīng)的變形（ c）黃銅內(nèi)部的孿晶的顯微形貌 ( 250) 74 74 Figure 225 (c) A micrograph of twins within a grain of brass (x250). 圖 225 對一個(gè)完整晶體施加應(yīng)力（ a）引起原子移動(dòng)（ b）產(chǎn)生孿晶，注意由此，晶體而產(chǎn)生相應(yīng)的變形（ c）黃銅內(nèi)部的孿晶的顯微形貌 ( 250) 75 75 76 76 相界 ? 具有不同晶體結(jié)構(gòu)的兩相之間的分界面稱為 相界 。 ? 共格界面 是指界面上的原子同時(shí)位于兩相晶格的結(jié)點(diǎn)上，為兩種晶格所共有。 ? 在共格界面上，兩相的原子間距多少存在著一些差異，從而必然導(dǎo)致彈性畸變。界面兩邊原子排列相差越大，則彈性畸變越大，從而使相界的能量提高。當(dāng)相界的應(yīng)變能高至不能維持共格關(guān)系時(shí)，則共格關(guān)系破壞，變成 非共格相界 。介于共格與非共格之間的是 半共格相界 ，界面上的兩相原子部分地保持著對應(yīng)關(guān)系，其特征是在相界面上每隔一定距離就存在 —個(gè)刃型位錯(cuò)。 ? 非共格界面的界面能最高，半共格的次之，共格界面的界面能最低。 77 77 圖 226 相界面結(jié)構(gòu)示意圖 78 78 ? Effect on Mechanical Properties via Control of the Slip Process ? Strain Hardening ? SolidSolution Strengthening ? GrainSize Strengthening ? Effects on Electrical, Optical, and Magic Properties Section Importance of Defects 79 79 (c)2022 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning? is a trademark used herein under license. Figure If the dislocation at point A moves to the left, it is blocked by the point defect. If the dislocation moves to the right, it interacts with the disturbed lattice near the second dislocation at point B. If the dislocation moves farther to the right, it is blocked by a grain boundary. 80 80 Figure Microstructure of iron, for Problem 454 (x500 81 81 Figure The microstructure of BMT ceramics obtained by paction and sintering of BMT powders.