材料晶界及界面
金属材料晶界界面缺陷的研究
金属材料晶界界面缺陷的研究近年来，金属材料晶界界面缺陷的研究逐渐成为材料科学的热门领域。
晶界界面缺陷的存在对金属材料的力学性能、电学性能以及腐蚀性能等方面有着重要影响。
本文将探讨金属材料晶界界面缺陷的研究现状及其在材料科学中的应用。
首先，我们来讨论晶界界面缺陷的类型。
晶界界面缺陷包括位错、空位、间隙原子及团簇、晶界错配等。
位错是晶体中晶格平面的错配，它对材料的力学性能有着直接的影响。
在晶界界面附近，位错的密度会增加，导致材料的强度下降。
空位是晶体中缺失的原子，可以改变材料的扩散行为和热稳定性。
间隙原子及团簇指的是晶格中多余的原子或原子团，它们常常在晶界附近聚集，并影响材料的力学性能和腐蚀性能。
晶界错配是晶体中晶格常数不匹配导致的晶界缺陷，对材料的塑性变形性能有着显著的影响。
其次，我们来探讨金属材料晶界界面缺陷的研究方法。
研究晶界界面缺陷的方法主要包括透射电子显微镜（TEM）、扫描电子显微镜（SEM）、原子力显微镜（AFM）以及计算模拟等。
TEM是研究晶界界面缺陷最常用的手段之一。
通过TEM，可以观察到晶界附近的位错和晶界错配现象。
SEM和AFM可以提供样品表面的形貌信息，并对晶界界面缺陷进行初步分析。
计算模拟方法可以通过模拟晶界界面的原子排布、缺陷能量以及应力分布等信息，为研究晶界界面缺陷提供理论支持。
随后，我们来讨论晶界界面缺陷对金属材料性能的影响。
晶界界面缺陷对材料的力学性能有着重要影响。
晶界位错和晶界错配会导致材料的断裂和塑性变形行为的改变。
晶界附近的空位和间隙原子会影响材料的扩散行为和热稳定性。
此外，晶界界面缺陷还会对材料的电学性能和腐蚀性能产生影响。
因此，研究晶界界面缺陷对于改善金属材料的力学性能、电学性能以及腐蚀性能具有重要意义。
最后，我们来探讨金属材料晶界界面缺陷研究的未来发展方向。
随着扫描透射电子显微镜（STEM）以及原子力显微镜的发展，研究者可以更加准确地观察和表征晶界界面缺陷。
陶瓷晶界和各类固体分界面
(3)约翰尼森(Jnhnnessen)模型. 本模型认为， Si-SiO2分 界面的界面是不平坦的，界面域内有硅夹杂物(硅岛）， 过渡区的组分是Siox(1＜x＜2)。对于厚度为1000Å的的 SiO2膜，不平整度达20Å，硅岛由几个硅原于到几十 个硅原子组成，总的过渡区约35Å。John—nessen模型 能较好地解释Si-SiO2分界面的许多现象。
二、分界面
分界面（interface）是指两个或数个凝集相的 交界面。按照此定义，晶粒间界和相界都应算作 分界面。但是在目前的许多技术资料中的分界面 通常用来指两种不同相间的有规则界面。interface 也译为界面或内表面。 从工艺角度来看，分界面有：(1)由氧化、腐蚀、 粘连等化学作用生成的分界面；(2)由真空淀积(蒸 发、溅射)、化学气相沉积、热压、界面扩散等形 成的固态结合分界；(3)液相沉积和凝固共生的分 解面；(4)熔焊或粘接的分界面等。
含Ni导电带有二个不足之处。 (1)Ni在热处理时(425℃2分钟、350℃10分钟)会沿 着Au的晶界扩散到表面，生成Nio，Nio与焊锡的 润湿性较差，必须用强清洁剂(如热草酸或焊药等) 来清除Nio，这样会使整个电路可靠性下降。 (2)温度试验中发现，高于150 ℃时，焊锡中的Sn 会溶于Ni中，生成Sn-Ni金属间化合物，若焊接时 间较长，就会把纯Ni耗，如果Ni的下层是Cu，则 Sn又继续把它耗尽，会使焊点强度下降10％；如 果Ni的下层是不溶于Ni-Sn金属间的化合物材料(如 W等)，则多层导电带的附着力变差。
（1）、双层导电带
Cr—Au双层金属膜是我国混合集成电路中普遍 采用的薄膜导电带. Cr与衬底有良好的附着性、Au具有优良的导电 性，能抗蚀抗氧化，所以Cr—Au是比较理想的双 层导电带。 近年来发现Cr—Au导电带有以下缺点：Cr在高 温时很快往Au中扩散，使导电带电阻增加；另外 Cr还会进入表面并进一步氧化，生成Cr2O3，这样 整个导电附着性能变差，使噪声电平增大；焊接 性能明显下降。
晶界知识整理
晶体缺陷分类及特征： [1] 点缺陷（ point defect ）：特征是三维空间的各个方面上尺寸都很小， 尺寸范围约为一个或几个原子尺度，又称零维缺陷，包括空位、间隙原子、杂 质和溶质原子。 [2] 线缺陷（ line defect ）：特征是在两个方向上尺寸很小 , 另外一个方 面上很大，又称一维缺陷，如各类位错。 [3] 面缺陷（ planar defect ）：特征是在一个方面上尺寸很小 , 另外两个 方面上很大，又称二维缺陷，包括表面、晶界、亚晶界、相界、孪晶界等。
能全部吻合，而使部分形成共格 区，不吻合处形成韧位错，晶面
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。
半共格界面示意
孪晶（twin）的定义：指两个晶体（或一个晶体的两部分）沿一个公共晶面构成 对称的位相关系，这两个晶体就称为孪晶，这个公共的晶面即成为孪晶面 。
孪晶分类：
①共格孪晶面（ coherent twin boundary ）：
一、 晶体生长 二、 过冷度 三、 晶向与界面 四、 晶界结构
生长界面结构决定了晶体生长机制。界面的稳定性关系到晶体生长的完整性。 晶体的生长形态取决于各个晶面的相对生长速率。 对于晶体生长而言：固液界面在宏观上是凸形、凹形还是平坦面，在界面上有 无小界面出现、流体中对流的大小、体系的热稳定性等。
空间位向不同的 相邻晶粒之间的 界面。 多晶体中，每一个晶粒就是一个小单晶 。 相邻晶粒的位向不同，交界面叫 晶粒界，简称晶界 。 晶粒内部位向差极小的亚结构，交界为亚晶界 。
晶界的结构、性质与相邻晶粒的位向差有关。位向差小于10o， 小角度晶界 ；10o以上， 大度角晶界 。
晶界处原子排列紊乱，能量增高≥晶界能。
确定晶界位置用：
多晶材料中晶界的结构与性质
多晶材料中晶界的结构与性质多晶材料是由许多晶粒组成的材料，其中晶界是晶粒之间的边界。
晶界在多晶材料中起着至关重要的作用，不仅影响着材料的力学性能、热学性能和电学性能，还决定了多晶材料的微观结构和宏观性质。
晶界的结构与性质受到多种因素的影响，包括材料成分、制备工艺以及外界条件等。
首先，晶界的结构与晶粒的晶体结构有密切的关系。
在多晶材料中，晶界的结构可以是固溶体、相变界面或错配界面。
其中，固溶体晶界是指两个相邻晶粒间存在有限的固溶体溶解，这种晶界具有连续性和均匀性。
相变界面晶界是指两个相邻晶粒间存在明显的相变，这种晶界常表现出不同的晶体结构和晶体取向。
错配界面晶界则是指两个相邻晶粒间存在着晶格失配，这种晶界一般具有高度的应变和位错密集度。
其次，晶界的性质与晶界的几何形态和分布有关。
晶界的几何形态主要包括直线型、点型、面型和界面型。
直线型晶界是指晶粒之间的一维接触，常见于纤维材料。
点型晶界是指晶粒之间的点状接触，常见于球状晶粒的材料。
面型晶界是指晶粒之间的平面接触，是多晶材料中最常见的晶界类型。
界面型晶界是指晶粒之间不易定义的曲面接触，常见于复合材料和液固界面。
此外，晶界的性质还与晶界的宽度和分布密度有关。
晶界的宽度通常由晶粒尺寸和晶界界面的结构决定。
晶界宽度较大的材料通常具有较高的界面能和界面扩散速率。
晶界的分布密度是指单位体积内晶界的数量，分布密度较高的材料往往具有较高的强度和韧性。
晶界的结构和性质对多晶材料的性能有重要影响。
首先，晶界可以阻碍位错的运动和滑移，从而提高多晶材料的强度。
晶界还可以限制晶粒的生长和晶格缺陷的扩散，增强材料的稳定性和耐腐蚀性能。
其次，晶界对多晶材料的导电性、导热性和光学性能也有重要影响。
晶界的存在会增加电导率和热导率，降低光学透明度。
因此，在一些应用领域，如导体材料、热障涂层和太阳能电池等，晶界的结构和性质的控制变得尤为重要。
然而，要准确描述晶界的结构与性质仍然是一个挑战。
晶界处的主要特征
晶界处的主要特征晶界是固体材料中相互结合的晶体之间的界面或界面区域。
它是固体材料中晶体相互连接的重要部分，对材料的性能和性质起着重要作用。
晶界具有以下主要特征。
1. 结构不规则晶界处的晶体结构与晶体内部的结构不同。
由于晶界是不同晶体之间的结合区域，晶格常常会发生错位，导致晶界处的结构不规则。
这种不规则的结构会影响晶界的力学性能和电子结构等特性。
2. 界面能晶界具有一定的界面能，即在晶体界面上形成的能量差。
界面能是晶体内部能量和晶体表面能量之间的差异，它决定了晶界的稳定性和结合强度。
晶界的界面能越低，晶体结合越牢固。
3. 形貌多样晶界的形貌非常多样，可以是平整的、弯曲的、粗糙的等。
形貌的差异主要取决于晶体的生长方式和晶体之间的相互作用。
不同形貌的晶界对材料的性能和性质有着不同的影响。
4. 原子结构错位晶界处的晶体结构通常存在错位，即晶格中的原子位置不完全匹配。
这种错位会导致晶界处的原子排列不规则，进而影响材料的力学性能和电子结构等特性。
晶界错位的类型和数量会对材料的性能产生显著影响。
5. 导电性差异晶界是晶体中导电性差异最明显的区域之一。
由于晶界的结构不规则和原子排列错位，导致晶界处的电子结构与晶体内部有所不同，因此晶界通常具有较高的电阻率和较低的电导率。
这种导电性差异对于一些电子器件的性能有着重要的影响。
6. 力学性能变化晶界的存在会对材料的力学性能产生显著影响。
晶界的存在可以增加材料的硬度和强度，提高材料的韧性和抗拉强度。
然而，过多或过大的晶界会导致材料的脆性增加，降低材料的力学性能。
7. 化学反应晶界是材料中化学反应的重要场所之一。
由于晶界的结构不规则和原子排列错位，使得晶界处的化学活性较高，易于发生化学反应。
晶界上的化学反应对材料的性能和性质有着重要的影响，例如晶界腐蚀、晶界扩散等现象。
晶界作为固体材料中晶体之间的连接区域，具有结构不规则、界面能、形貌多样、原子结构错位、导电性差异、力学性能变化和化学反应等主要特征。
材料表面与界面的特性及其应用
材料表面与界面的特性及其应用材料表面和界面性质是材料科学中的重要研究领域，因为这些性质决定了材料的性能和用途。
在本文中，我们将探讨材料表面和界面的特性及其应用。
一、表面和界面的概念表面是指材料外部与环境接触的部分，分为实际表面和几何表面两种。
实际表面是真实的材料表面，几何表面是理想情况下的平滑表面。
材料的表面特性主要包括表面形貌、表面化学组成、表面结构和表面能等。
界面是指两种不同的材料或相同材料的不同部分之间的分界面，它们之间的接触面积和界面能量影响着材料的特性。
材料的界面性质主要包括晶界、异质界面、相界面等，其中晶界是指晶粒之间的界面，异质界面是指不同材料之间的界面，相界面是指同一材料中不同相之间的界面。
二、表面和界面的特性1. 表面形貌表面形貌是指表面的几何形状和表面纹理。
这些形状和纹理决定了材料的摩擦、磨损、润滑性能等。
表面形貌通常通过光学显微镜、扫描电子显微镜等观察技术获得。
2. 表面化学组成表面化学组成是表面化学反应和表面吸附现象的结果，包括化学基团、氧化物、热处理物种等。
表面化学组成影响材料的电子结构、化学反应和材料与环境之间的相互作用。
3. 表面结构表面结构是指表面的晶体结构和缺陷结构。
它们决定了表面的力学强度、疲劳寿命等。
表面结构通常通过X射线衍射、中子衍射、TEM等实验手段获得。
4.表面能表面能是表面分子间相互作用的能量和表面吸附分子的能量。
表面能决定了表面与其他材料之间的亲疏性和黏附性。
表面能通常通过表面张力、接触角等实验技术测量。
5. 总界面能总界面能是指材料界面的总能量，包括界面张力和界面形变能等。
总界面能主要影响材料的界面稳定性，是材料界面优化的重要指标。
三、表面和界面的应用表面和界面的特性在材料科学中具有重要的应用，主要包括以下方面：1. 表面修饰利用表面化学组成和结构的差异，对材料表面进行化学、物理、生物修饰，以达到特定的表面性质。
例如，通过表面修饰可使金属表面耐蚀、增加光电转换效率等。
材料科学基础-晶界与界面
C. 二面角的用途 （a）杂质在金属压力加工中影响 Cu中Bi有 热脆是因为Bi低熔点液相薄膜分布 （b）粉末冶金烧结时润湿性：选Co与WC （c）对焊料影响：焊接时用助焊剂使焊料润 湿被焊金属表面
7.晶界偏聚平衡偏聚及非平衡偏聚 A. 平衡偏聚 平衡条件下由于溶质与溶剂原子尺寸相差很 大，溶质原子在晶内、晶界的畸变能差很大， 造成溶质原子在晶界富集 ，如Cu-1Sn%合 金，：Sn的偏析，Sn的原子半径比Cu大9%， 发生严重点阵畸变
扭转晶界：两晶体绕轴旋转后相差θ后螺型位 错。 网络组成扭转晶界示意图如下：
扭转晶界 位错模型
4.亚晶界
每个晶粒中直径10~100μm的晶块（亚晶粒） 之的界面 溶质原子优先聚集和第二相优生析出的地方 可阻碍位错运动，影响材料力学性能
金属晶粒内的重结构示意图 Fe-4Si合金中的亚晶界
8.晶界的其它特性
a. 晶界熔点低，易过烧 b. 晶界是易扩散通道 c. 晶界易形核 d. 晶界易受腐蚀 e. 晶界常温下强化，高温下弱化
9.孪晶界：共格、非共格孪晶
A.共格孪晶界：界面上原子正好在两侧晶粒点 阵位置上多通过形变后退火而形成，与堆垛 层错密切相关，如fcc(111)面通常是ABCAB CABC……，从某一层开始堆垛变成ABC ACBACBA…… 则形成孪晶，CAC为堆垛层 错界面. B. 非共格孪晶界：由许多位错构成
F. 晶界偏聚意义 对强韧性、晶间腐蚀、应力腐蚀、蠕变断裂强度、 钢回火脆性，钢淬透性有重要影响： a. 纯铁中氧含量增至0.057%，由于氧在晶界偏聚降 低晶界结合力，脆性转变温度提高至300℃以上， Ni-Cr合金钢经250~350℃回火后脆性增大，是因为 P（磷）在奥氏体化时在晶界偏聚。 b. Ni3Al金属间化合物加入0.1%B后，B在晶界偏聚 提高Ni3Al室温塑性 c. 中、低碳钢中加入0.0005~0.003%B可提高淬透 性，即是硼（B）偏聚在晶界降低奥氏体晶界能，抑 制奥氏体分解时的先共析铁素体形成
界面结构
2. 晶界上的特性
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。
晶界结构示意图 （两晶面彼此相对转10°）
3. 晶界结构的分类
（1）按两个晶粒之间夹角的大小来分： 小角度晶界（ θ ＝0°→3～10°） 中角度晶界（ θ ＝3°→10～15° ） 大角度晶界（ θ ＞15° ） （2）根据晶界两边原子排列的连贯性来分： 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
界面附近的原子可以通过收缩或扩张等方式，使两侧的原子排列 保持一定的相位关系，这种界面称为准共格相界面。
若晶格常数差别进一步增大，交界处原子的收缩或扩张程度增 大，弹性畸变过于严重，则相界结构不稳定，而失去准共格特征。
半共格界面特征：沿相界面每隔一定距离产生一个刃型位错，除刃型位 错线上的原子外，其余原子都是共格的。
过渡区中形成一个新相
（晶界相）， 它既非α Fe2O3相又非γ -Fe2O3相。
非共格晶界
6. 多晶体中的晶粒分布和晶界
考察多晶体体系中，晶界的特征。 （1） 多晶体中晶粒的形态 在多晶体中体系应该满足：
(a)充塞空间条件，即晶粒应完整无缺地充满整个空间； (b)晶界面自由能极小的条件。
式中：G—剪切模量； δ —失配度；
b —柏氏矢量；
μ —柏松比； r0—与位错线有关的一个长度。
5. 相界
在热力学平衡条件下，不同相之间的交界区称为相界。 （1） 共格相界 两相具有相同或相似的晶格结构, 晶格常数也比较接近。在相界
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材料晶界及界面
课程目的：
自然界及人类使用的相当大部分材料都是多晶体材料或复相材料，含有大量的晶界和相界面。
这些存在于各种材料内部的晶界及相界对材料的加工及使用性能起着至关重要的作用。
如力学性能、物理和化学性能等等。
因此学习和掌握材料晶界及界面的有关知识，对于材料科学与工程系的大学生是是很重要的。
目前有关这方面的知识已经在材料系有关的课程中有所涉及，但系统性及深度均不够。
本课程的目的将集中讲述材料晶界与界面的有关知识，为材料系学生从事材料科学的深入研究打下一个较好的专业知识基础。
课程对象：材料系高年级本科生
课程内容：共32学时
该课程内容分以下五个部分
●前言（3学时）
主要概略回顾材料晶体学及晶界与界面的基本知识和基本概念，举例阐述材料晶界及界面的重要性
●材料晶界及界面的基本模型及研究理论（8学时）
晶界与界面类型和结构
小角度晶界与大角度晶界（亚晶界与晶界）
倾斜晶界与旋转晶界
各种晶界模型及理论
共格、半共格与非共格相界面
相界面：确定取向关系与无确定取向关系
晶界结构、能量和成分偏聚：层错和孪晶界等
相界面的能量计算：化学能和结构能界面能量的测量
新相的形核和平衡形状，相界面的原子排列和位错网络
相界面的移动：扩散控制台阶长大机制及切变机制
相界面的吸附、偏聚和析出现象
●晶界及界面结构表征的实验技术及方法（8学时课堂＋3学时实验课）晶界与界面研究主要在两个方面：晶界及界面结构、晶界及界面微区成分实验技术及方法：
透射电子显微镜：晶界及界面形貌观察。
高分辩透射电镜：晶界及界面原子像
X-ray能谱，能量损失谱：晶界及界面微区化学成分
微区电子衍射：晶界及界面两侧晶体取向关系
扫描电镜及电子背散射分析：晶界及界面晶体取向关系的统计分析。
●晶界及界面对材料各种性能的影响规律（6学时）
对材料力学性能（强度、塑性、疲劳、断裂及蠕变等）的影响规律
对材料物理性能（电导率、磁性能及超导性能等）的影响规律对材料化学性能（抗腐蚀性）的影响规律
几种典型材料中的晶界及界面及其与性能的关系（4学时）超级钢中超细晶粒及晶界与材料强度的关系
高温超导材料中的晶界及相界与材料超导性能的关系
大塑性变形材料中位错界面及其与材料加工硬化性的关系
新型磁性材料中晶界及相界与材料磁性能的观系。