材料表面与界面晶界偏析的作用
材料的表面与界面
（2）贝尔比层：材料经抛光后，表面形成厚度约5-100nm的光亮而致密层，称为· 金属和合金的贝尔比层往往存在非晶、微晶和金属氧化物.贝尔比层坚硬并且具有 良好的耐腐蚀性. 机械加工后金属表面组织：氧化物层（10-100nm）-贝尔比层（5-100nm）-严重 畸变区（1-2μ m）-强烈畸变区-轻微畸变区
通过晶格的收缩或扩张而形成特殊排列的位错作为两相的过渡区.过渡区的位错称为失配位错.
多晶材料中的界面；（1）多晶材料中的相平衡 两个非共格相界的平衡： ①120︒<ψ <180︒时，第二相在母相中呈圆形，对母相不润湿，呈柱状分布； ②60︒<ψ <120︒时，第二相在母相三晶粒交界处沿晶界部分渗入； ③0︒<ψ <60︒时，第二相在母相三晶粒交界处形成三角状，随二面角减小铺展的越开； ④ψ =0︒时，第二相在母相的晶界区铺开；
旋转对称：旋转角θ =2π /n,n为正整数，称为旋转对称的滑移群：对某一直线作镜像反应后，再沿此线平行方向滑移 半个平移基失.镜像滑移群+点群→17种对称群，称为二位空间群. 原子的表面密度：单胞中某一表面上原子的总面积与该表面积之比.ρ =Aa/As （2）清洁表面：在真空中分开晶体，或将已有表面在真空中经过离子轰击、高温 脱附后得到的表面，这种表面没有吸附其它异类原子，只存在表面原子的排列变化 ①表面重构：形成晶体表面的悬空键的存在，使其处于高能不稳定状态，为了降低 表面自由能，表面原子的位置必然发生变化，这种变化的结果，使得表面原子的 平移对称性与理想表面显著不同，这种表面变化称为表面重构. ②表面弛豫：为了降低体系能量，表面上的原子会发生相对正常位置的上或者下 位移，表面原子的这种位移称为表面弛豫.其显著特征是表面第一层原子和第二层 原子之间的距离改变，越深入体相，弛豫效应越弱，并迅速消失. ③表面台阶结构：存在各种各样的缺陷：TLK模型，T指平台，L表示单原子高度的 台阶，K表示单原子尺度的扭折. （3）吸附表面：除了表面原子几何位置发生变化外，还通过吸附外来原子来降低 表面自由能.包括物理吸附(弱、快、无选择性)和化学吸附（强、慢、选择性）. 表面热力学：①表面自由能：自由能极图 ②表面自由能的各向异性影响因素：a.键能Eb； b.单位面积键的数量 ③晶体的稳定形状：表面自由能趋向最小，所以对于各向同性的液体来说，形状 总是趋于球形.定义体积恒定情况下表面自由能最小的形状为平衡形状. 对于各向异性的晶体来说，晶体的平衡形状就是自由能极图的最大内接多边形 实际表面：①表面粗糙度（表面不平整程度小于1mm时）R=Ar/Ag Ag为几何表面积；Ar为包括内表面在内的实际表面积 ②表面杂质的偏析（表面杂质浓度比体内大时）与耗尽（表面浓度比体内小时） 如果杂质原子在表面能使表面自由能降低，则形成偏析，反之形成耗尽； 由热力学条件得出、且偏析尺度为原子尺度（纳米级），称为平衡偏析； 实际上表面的偏析主要发生在几十纳米到几个微米的范围，这种偏析为非平衡 偏析，原因：表面区内存在许多空位、晶格畸变等缺陷，它们形成了明显的应力 场，并引起相应的畸变能，与主成分原子半径不同的各种杂质，进入畸变区域后， 将有利于畸变能的减少，使表面自由能降低，故形成各种非平衡偏析. ③金属与合金的表面组织受环境温度、氧气分压、合金组分浓度等的影响； 表面组织： （1）表面层晶粒尺寸变化：在切磨、抛光等机械加工时，产生大量的热，使表面
材料物理化学-第五章 表面与界面
湖南工学院
④n↑或↓ 三、吸附与表面改性 吸附：新鲜的固体表面能迅速地从空气中吸附气体或其它物质来降低其表面能。吸附是 一种物质的原子或分子附着在另一种物质表面现象。 表面改性：通过改变固体表面结构状态和官能团。 表面活性剂：降低体系的表面（或界面）张力的物质。
5.3 无机材料的晶界与相界
液体
开 the contact 两相的化学性能或
F 为润湿张力，θ为润湿角（接触角 angle），由于 所以，润湿先决条件是γSV>γS或γSL很小，当固液 化学结合方式很接近时，是可以满足这一要求。
材料物理化学
固
湖南工学院
改变γSV——减少氧化吸附膜； 改变γSL——两相组成相似； 改变γLV——液体中加入表面活性剂 ⑶浸渍润湿 浸渍润湿指固体浸入液体中的过程。
湖南工学院
第五章
表面与界面
表面的质点由于受力不均衡而处于较高的能阶。这就使物体表面呈现一系列特殊的性 质。高分散度物系比低分散度物系能量高得多，必然使物系由于分散度的变化而使两者在物 理性能（如熔点、沸点、蒸气压、溶解度、吸附、润湿和烧结等）和化学性质（化学活性、 催化、固相反应）方面有很大的差别。随着材料科学的发展，固体表面的结构和性能日益受 到科学界的重视。随着近年来表面微区分析、超高真空技术以及低能电子衍射等研究手段的 发展，使固体表面的组态、构型、能量和特性等方面的研究逐渐发展和深入，并逐渐形成一 门独立学科——表面化学和表面物理。 表面与界面的结构、性质，在无机非金属固体材料领域中，起着非常重要的作用。例如 固相反应、烧结、晶体生长、玻璃的强化、陶瓷的显微结构、复合材料都与它密切相关。 表面：—个相和它本身蒸汽（或真空）接触面称之。 界面：—个相与另一个相（结构不同）接触的分界面称之。 相界：指具有不同组成或结构的两固相间的分界面。 晶界：是指同材料相同结构的两个晶粒之间的边界。 习惯上把液-气界面、固-气界面称为液体表面和固体表面。表面可以由一系列的物理化 学数据来描述（表面积、表面组成、表面张力、表面自由能、熵、焓等），表面与界面的组 成和结构对其性能有着重要的影响。 表面与界面起突出作用的新型材料，如薄膜、多层膜、超晶格、超细微粒与纳米材料等 发展如日中天。
表面与界面物理思考题答案
表⾯与界⾯物理思考题答案邓⽼师部分 (2)1，原⼦间的键合⽅式及性能特点。
(2)2，原⼦的外层电⼦结构，晶体的能带结构。
(2)3，晶体（单晶体，多晶体）的基本概念，晶体与⾮晶体的区别。
(2)4，空间点阵与晶胞、晶⾯指数、晶⾯间距的概念，原⼦的堆积⽅式和典型的晶体结构。
(2)5，表⾯信息获取的主要⽅式及基本原理。
(3)6，为什么XPS可获得表⾯信息，⽽X射线衍射只能获得体信息？ (3)7，利⽤光电⼦能谱（XPS）和俄歇（A UGER）电⼦能谱（AES）进⾏表⾯分析的基本原理和应⽤范围。
(4)8，透射电⼦显微镜有哪⼏种⼯作模式，它们可获得材料的什么信息？ (4)9，扫描电⼦显微镜的⼆次电⼦像和背反射电⼦像的成像原理。
(4)10，说明电⼦束的基本特征，举出⼏种利⽤电⼦束的波动性和粒⼦性的分析技术。
(5)11，什么是电⼦结合能的位移？价带能态密度可采⽤什么⽅法测试，简述其原理。
(5)12，表⾯的定义，什么是清洁表⾯和实际表⾯？ (5)13，什么是表⾯的TLK模型？表⾯缺陷产⽣的原因是什么？ (5)14，什么是表⾯弛豫和表⾯重构？画出表⾯弛豫和表⾯重构的原⼦排列图。
(5)15，为什么表⾯原⼦排列与体内不同，请⽐较重构与弛豫的异同，并解释S I（111）2×1重构的成因。
(6)16，纳⽶材料有哪些效应？ (6)17，说明表⾯张⼒和表⾯⾃由能分别⽤于什么情况。
解释表⾯吸附对表⾯⾃由能的影响。
如何测试材料的表⾯⾃由能，简述其基本原理。
(6)18，什么是晶体材料的易⽣长晶⾯，它与什么因素有关？N A C L为简单⽴⽅晶体，它的易⽣长晶⾯是什么？ (7)陶⽼师部分 (8)1，表⾯态的产⽣原因和种类，它对材料性能有何影响？ (8)2，形成空间电荷区的原因和表⾯空间电荷区的类型。
(8)3，什么是准费⽶能级？ (8)4，有⼀半导体材料，其体费⽶能级在导带下1/3E G处，表⾯费⽶能级距导带2/3E G处，E G 为禁带宽度。
表面与界面问题论文
表面与界面问题论文在工程上一般地将固相和气相之间的分界面称为表面,把固相之间的分界面称为界面。
表面和界面都被认为是一极薄层，其成分、结构、性能都有别于内部基体材料，所以通常采用热力学上的自由能、熵、焓等的函数或理论来描述和解释表面和界面中的问题。
表面与界面问题的研究在材料加工中占有重要的位置，它关系到材料在使用时的机械、光、电、磁及热力学等方面的性能。
表面与界面问题的研究结果，能为材料的合成与加工提供新的或改进的方法，从而导致新材料的产生或材料优异性能的开发。
合成与加工的进步也导致加工企业生产高质量、低成本的产品[30]。
一、表面问题:研究表面首先涉及的是表面的分析所使用的方法和仪器，在文献[3]中主要介绍了XPS和AES分析表面的机理和作用：X—射线光电子能谱(XPS) ，XPS能无损地测定表面组分和电子价态，所以XPS广泛地用作表面分析技术、数据处理和线形分析、价带谱、半导体、高聚物、薄膜。
俄歇电子能谱(AES)----由电子束和固体表面相互作用产生的AES，广泛地应用于近表面区的元素和化学分析。
对观察到的跃迁进行分析时，常可测得在分析区域中元素的原子环境AEs是在近表面区例如直至1ｕ左右，最广泛地用于深度剖析的方法、定量分析、深度剖析、小面积分析。
单一的XPS数据对表面化学或组分的变化不是充分灵敏的，所以常采用组合XPS—AES共同分析材料表面的结构和性能。
还可以直接利用金相显微镜和扫描电镜对横断面上沿层深的组织变化进行观察。
文献[6]还介绍了利用声发射技术对渗硼层脆性进行定量分析和评价。
在所给的论文中表面研究的应用主要涉及以下几个方面：1、表面结构表面的结构与内部有许多差异，它存在台阶、扭折、空位、吸附原子、位错露头、及原子偏析等等缺陷。
它们对于固体材料的表面状态和表面形成过程都有影响。
如文献[2]，介绍了用XPS研究了注入银离子的BiSrCaCuO玻璃的表面结构.银离子注入改变了铋系玻璃的表面结构，引起的增强扩散效应加剧了晶化过程中的质点迁移，使样品中各元素的化学环境较原始玻璃有更明显的变化，因而影响铋系玻璃表面的晶相形成和晶体生长。
《材料表面与界面》PPT
•贝尔比层形成与作用 •动抛性光(熔时化抛)光, 在剂凝磨固去前表，面由层于原面子表，面下张面力一的层作在用瞬使间表内面保变持得流平
滑。
•由于金属有高的热导率，表面层又迅速地凝固成20Å 左右
的非晶态层。
• 对于金属和合金来说，它们的抛光表面大都有一层贝尔比
层，其成分是金属和它的氧化物的混合物。贝尔比层可起到 耐蚀、强化的作用。。
会吸附水分子，并解离成羟基(OH-)，而使表面的物埋化表面：空气/表面组成/设计组成。 •表面组成：表面能小的氧化物易在玻璃表面富集,如PbO,
材料 铝
铁
加工方式与粗糙系数
加工条件 箔
板材抛光 阳极氧化层，厚20µm
2号金刚砂抛光，苯去脂 膜
粗糙系数 6 1.6
200~900
3.8 60
(3) 粗糙度对材料或应用的影响 材料表面受力的影响 由于固体的表面是不平整性，当两个表面相互接触时, 真实接 触面积与表观接触面积差别较大。
在实际应用中，表观面积与加工方式和负荷无关。 而真实接触面积会随受力负荷而改变：
几种调整的方式后形式清洁表面结构示意图
(1) 弛豫
•表面区原子(或离子)间的距离偏离体内的晶格常数，而晶胞
结构基本不变, 这种情况称弛豫。
• 离子晶体的表面容易发生弛豫，主要作用力是库仑静电力，
这是一种长程作用。
•弛豫产生原子位置偏移，主要在垂直表面方向。因此，一
般认为弛豫后表面原子排列的平移对称性不变，只是微观对 称性发生了变化。
贝尔比层 微晶区 明显变形区
磨料颗粒
•研磨时, 金属表面的温度可达500℃~1000℃，有时会产生熔
化。
•金属导热性好, 冷却迅速, 熔化的原子来不及回到平衡位置，
材料科学基础 第8章 材料的表面与界面
8.3 晶体中界面的偏聚与迁移 8.3.1 晶界平衡偏析
CB
C0
exp(
G ) kT
可见，溶质原子在静态晶界中偏析的程度和它在溶剂中的溶 解度有关。
8.3 晶体中界面的偏聚与迁移
晶界硬化 不锈钢的敏化 晶界腐蚀 粉末烧结过程 回火脆性
8.3 晶体中界面的偏聚与迁移
8.3.2 界面迁移驱动力 晶界迁移：晶界在其法线方向上的位移，是通过晶粒边缘上
8.2 晶体中的界面结构
三、相界 根据界面上的原子排列结构不同，可把固体中的相界分为
共格、半共格以及非共格三类。 （1）共格相界
8.2 晶体中的界面结构 有应变共格界面
8.2 晶体中的界面结构
（2）半共格相界
若aa和ab分别为无应力时的a和b的点阵常数，这两个点阵的
错配度定义为：
ab aa a
晶界迁移率B与扩散系数D之间的关系为： B＝D/kT ≈B0 e(-Q/kT)
当界面保持平衡时，界面两侧压力差值为P，
则：
gldq＝Plrdq
所以：
P＝g/r
而对任意曲面，则有： 恒温时：
P＝g(1/r1+1/r2) dm＝VdP
则：
m1－m2＝VP
通过以上分析可见，晶界曲率是晶界迁移的驱动力，界面总
是向凹侧推进。
8.3 晶体中界面的偏聚与迁移
8.3.3影响界面迁移的因素 (1) 温度
a
8.2 晶体中的界面结构
(3) 非共格界面
当两相在相界面处的原子排列相差很大时，即很大时，只能
形成非共格界面。
8.2 晶体中的界面结构 8.2.2界面能量 一、晶界能
由于晶界是一种缺陷，它的出现使体系的自由能增加，我们 定义形成单位面积的晶界而引起体系自由能增高称为晶界能。
显微偏析对材料性能的影响及改善措施
THANKS
谢谢您的观看
显微偏析对材料性能的影响 及改善措施
汇报人： 2024-01-19
目录
• 引言 • 显微偏析的形成机制 • 显微偏析对材料性能的具体影
响 • 改善显微偏析的措施 • 实例分析 • 结论
01
引言
显微偏析的定义
显微偏析是指合金中化学成分、组织结构、物理性能等在微小区域内存在的不均 匀现象。
它通常是由于合金在凝固或固态相变过程中，由于温度梯度、浓度梯度、扩散系 数等因素的影响，导致溶质元素在枝晶间和枝晶干上的分布不均匀。
02
03
钛合金
通过优化熔炼和铸造工艺参数，如控 制熔炼速度、增加冷却速率等，可以 有效降低钛合金的显微偏析程度。
06
结论
显微偏析对材料性能的重要影响
降低材料强度
显微偏析导致材料中化学成分不均匀，从而 影响材料的整体强度。
增加材料脆性
由于显微偏析的存在，材料内部存在应力集 中区域，这可能导致材料脆性增加。
优化合金成分
02
调整合金中关键元素的含量，使其满足材料的性能要求，同时
降低偏析倾向。
合金纯净度
03
提高合金的纯净度，减少杂质元素对晶体生长过程的影响，从
而降低偏析程度。
熔炼和铸造工艺改进
熔炼温度控制
精确控制熔炼温度，确保各组分充分熔化且均匀混合 。
铸造方法选择
选用适当的铸造方法，如定向凝固、悬浮铸造等，以 改善合金的凝固行为，减少偏析。
对于需要保护气氛热处理的合金 ，应严格控制热处理气氛的成分 和稳定性，以避免氧化、氮化等 不良反应的发生。
05
实例分析
不同合金的显微偏析程度对比
铝合金
材料成形原理-第十章 偏析
三、微观偏析的防止和消除
均匀化退火时间取决于枝晶间距和扩散系数。所以凡能细化晶 粒的措施，如提高冷却速度，加入晶粒细化剂等，减轻微观偏 析，再通过均匀化退火处理，可消除。 对合金进行孕育处理或加入某些元素往往能使树枝状晶的尺 寸或单位面积上的树枝状晶的数量发生变化，这将改变枝晶内的 溶质分布。 但是晶界上存在的稳定化合物，如氮化物、硫化物和某些碳 化物，即使采用均匀化退火往往也无能为力。因此，对于这些化 合物所引起的晶界偏析，应该从减少合金中氮、硫的含量入手。
fS C k0C0 1 1 k0
S
由此可知，枝晶偏析的产生主要决定于 ：①溶质元素的分配系数k0和扩散系数DS ，②冷却条件和枝晶间距。 各种元素在不同合金系中的分配系数k0和 扩散系数DS是不同的，因此，枝晶偏析程度也 不同。分配系数k0愈小(k0 ＜1时)或k0愈大(k0 ＞1时)，或扩散系数DS愈小，则枝晶偏析愈严 重。因此，可用l1- k0l定性地衡量枝晶偏析的 程度。 l1- k0l愈大，枝晶偏析愈严重， l1k0l称为偏析系数。
DS
S2
DS－溶质在固相中的扩散系数 －局部凝固时间 S－枝晶间距一半
几种元素在铁中的k0和l1- k0l示于表10-1。可以看 出碳钢中，S、P、C是最易产生枝晶偏析的元素。
表10-1不同元素在铁中的偏析系数
元 素 P S B C V Ti M0 Mn Ni Si Cr
质量分数(%)
0.01 0.01 ～ ～ 0.03 0.04
Ni-Cu合金的铸态组织（SEM）
枝 晶 偏 析
铸钢组织也呈树枝状，其中先结 晶的枝杆中心含碳量较低，后结晶出 的分枝含碳量较高，枝晶间含碳量更 高，树枝晶中这种化学成分不均匀的 现象，称为枝晶偏析，因为他属于 一个晶粒范围的成分不均匀，所以也 称为晶内偏析。 图6-5表示用电子探针所测定低 合金钢溶液中生成的树枝状晶各截面 得溶质等浓度线。从中可以清楚看出 溶质在一次分枝、二次分枝以及晶内 的分部。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
淬透性：
微量硼对低碳贝氏体钢过冷奥氏体转变的影响
微量硼能抑制铁素体的形核，使“C”曲线右移，从而改变其基本形 状，具有自己独特的“C”曲线；微量的硼能够明显地提高钢的淬硬 性，随冷速的加大，硬度逐渐提高，组织由上贝氏体过渡到板条贝 氏体，具有更好的强韧性协同作用。
超低碳微合金钢中硼的偏聚
首先, 淬火等温保持时, 晶界会出现非平衡偏聚偏聚量随时间增加而从小 到大, 直至某个峰值峰值出现的早晚与等温温度有关达到峰值后, 随时间 延长偏聚可能消失,也可能转变成析出态。淬火等温时晶界上溶质反常偏 聚量比连续冷却时少, 两侧贫化区也不明显其次, 随等温保持温度的升高, 淬火与等温温差减少, 晶界偏聚量峰值下降等温时预变形也会引起相似的 偏聚。
晶界非平衡偏聚
平衡偏聚： 平衡偏聚现象是一种热力学平衡现象，当溶质原子与晶界之间有相互作用 时，就会在晶界上产生溶质富集或贫化现象其主要特点是富集程度只取决 于系统平衡参数，与材料经历的历史过程无关，因此随系统参数的变化可 以完全重复或可逆(即消失与产生)。
非平衡偏聚： 非平衡偏聚是一种动力学过程也有人称为动态偏聚，是指由于各种外界因素 如温度、应力、辐照等的变化引起某种溶质原子在晶界或相界的化学位不同， 从而造成元素再分布的现象。
硫在铁中生成低熔点的硫化物，并与基体形成熔点更低的共晶体， 因为熔点低，这种共晶体常常汇集在晶界处，形成富集。由于低熔 点共晶体的存在，使钢材的高温性能和热加工工艺性能恶化。产生 “热脆”。所以要尽量减少硫的含量。 磷在钢中会引起冷脆性。也 需要严格控制。
非平衡偏聚的影响因素： 空位、杂质原子、空位和杂质原子复合体
元素特别是微量元素在晶界上的偏聚对工程材料的力学行为有着深刻的 影响, 多年来这一直是冶金工作者和材料科学工作者感兴趣的问题例如, 引起沿晶脆断的原因有回火脆、蠕变空洞降、应力释放开裂和晶间应力 腐蚀开裂例等, 已经证实微量元素As,P,Sn和Sb在晶界上的偏聚对这些问 题起作用,少量Se,Te,Ge和等元素对材料的力学性能有害。也发现有些元 素在晶界上的偏聚会给材料的力学性能带来有益的影响, 如微量硼在晶 界的偏聚可以提高钢的淬透性, 提高耐热钢与合金高温强度和蠕变性能 等因此研究元素在晶界上的偏聚有着重要的实际意义
用硼径轨显微照相技术研究了超低碳微合金从1150℃以5 ℃/s冷却到850 ℃过程 中硼晶界偏聚的形成与发展过程，测基了不同温度时硼富集因子与贫化区宽度， 分析了铜元素对硼晶界偏聚的影响。
已有研究表明微合金钢冷却过饱和空位与溶质原子形成复合体，复合体扩散到晶界后，空位消失 在晶界，溶质原子就留在晶界附近，从而造成溶质原子在晶界的富集，这种偏 聚是不稳定的，在一定条件下，偏聚到晶界的溶质原子会扩散回晶内(称为反偏 聚或反向扩散)，从而使这种偏聚减小甚至溃失。贺信莱等研究表非平衡偏聚过 程中偏聚到晶界的硼来自两侧的贫化区，富集因子的变化反映了晶界上硼浓度 的变化，贫化区宽度的变化反映了复合体向晶界的扩散情况。