什么是界面?

[拼音]：jiemian

[外文]：interfaces

物理上的界面不只是指一个几何分界面，而是指一个薄层，这种分界的表面（界面）具有和它两边基体不同的特殊性质。因为物体界面原子和内部原子受到的作用力不同，它们的能量状态也就不一样，这是一切界面现象存在的原因。界面层的克分子自由能较内部大，这种过剩的自由能称为界面自由能，简称界面能。单位界面面积上的界面能称比界面能，即增加单位界面面积所需的功。

金属系统中的界面不外乎五种，即气-液、气-固、液-液、液-固，固-固。例如，冶金炉内液体金属和大气之间是气-液界面，在液态金属凝固过程中，已凝固晶体和未凝固液体之间是固- 液界面；固体金属开裂过程中，裂纹表面就是固-气界面。对于金属材料，最重要的是固-固界面。金属中的固-固界面可以概括为两种：一种是结构相同而取向不同晶体之间的界面，如晶界、亚晶界。其他如孪晶界、层错界、胞壁等则属于特殊晶界。另一种是结构不同的晶体之间的界面即相界。在合金中，相界连接的两个晶体除结构不同和取向不同之外，往往化学成分也不相同。此外，在有序合金中，还会出现反相畴界。在铁磁性材料中还会出现磁畴壁等。总之，固-固界面是固体(金属)中的一种缺陷，有其自身的结构、化学成分和物理化学特性。这种缺陷，从它在物质中分布的几何特征来看，是二维的，借此区别于其他晶体缺陷如位错和空位等。

在晶界面上，原子排列从一个取向过渡到另一个取向，故晶界处原子排列处于过渡状态。场离子显微镜（见金属和合金的微观分析）可以观察到晶界上原子分布情况，看出晶界是只有2～3个原子厚度的薄层，并且使两个相邻不同取向的晶粒匹配得很好。晶界结构与相邻晶粒之间的取向差（图1中的θ角）有关。取向差比较大 (θ＞10°)的晶界称为大角度晶界；取向差比较小 (θ＜10°)的晶界称为小角度晶界。在多晶体材料中，各晶粒之间的取向差大都在30°～40°左右，属于大角度晶界。

最简单的晶界是倾侧晶界（图2），相当于晶体的两部分沿界面的轴线相对转动θ角，造成晶粒间的取向差。倾侧晶界是由一列平行的刃型位错墙组成。倾侧角θ和位错的间距D以及伯格斯矢量的数值b存在下列关系：

当θ很小时，上式可化简为：

另一种特殊情况是晶体两部分沿垂直于界面轴旋转一个θ角，形成扭转晶界。扭转晶界是由两组相交的螺型位错所构成。纯粹的倾侧晶界和扭转晶界是晶界的两种特殊形式。一般晶界的旋转轴和界面可以有任意的取向关系，所以实际上小角度晶界是由二维(平面分布)的位错网络所构成。

大角度晶界的结构很难用位错模型描述。随两晶粒间取向差的增大，位错间距变小，当取向差超过10°～15°，相邻位错的核心实际上重叠在一起，失去了单根位错的物理意义。实验指出，晶界性质随取向差和晶界面的不同而改变，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；为了解释特殊取向差晶界的性质，提出了大角度晶界的重合位置点阵(CSL)模型，认为这些特殊晶界上的原子中有一定数目是处在晶界两边晶粒点阵的重合位置上。一般用


代表两点阵的重合位置密度。此外：

图3为体心立方晶体的两部分相对［110］轴转动 50.5° 后形成的重合位置点阵。图中[110]轴垂直于纸面，黑圈表示重合原子位置。图3中构成重合位置点阵的重合位置密度为


， 即每 11个阵点位置上就有一个重合位置。经旋转的两晶体，由于有很大取向差，它们交接处就是一种特殊大角度晶界（图3中ABCD）。晶界力求和重合位置点阵的密排面或较密排面重合， 如图3中AB和CD两部分。若晶界面和重合位置点阵的密排面成一个不大的角度，晶界面也力求把大部分面积和重合位置点阵的密排面重合，而在不重合部分出现台阶（图中BC部分）。它们之间交角越大台阶就越密。

为了研究晶界的几何普遍性理论，博尔曼（W.Bollman）等提出了0－点阵理论。用几何学方法描述互相穿插的点阵中的阵点的最近邻关系。利用这个理论可以建立重合位置点阵。确定晶界的走向以及与理想的重合位置点阵偏离时晶界中二次位错(晶界位错)网络的伯格斯矢量。最近有人用电子衍射术及高分辨率电子显微术研究了大角度晶界的周期结构获得了0-点阵理论的一些证据（图4）。

晶界原子结构的计算机模拟计算研究进一步指出：为了获得低的晶界能，特殊重合位置大角度晶界两边的晶粒须作刚体平移，晶界上的原子也须作适当的弛豫。这就使晶界结构偏离理想重合位置点阵模型的原子排列，而由若干原子规则排列的单元周期分布在不规则排列的原子中，这些单元为有限的几种原子紧密排列的多面体。

由于晶界上原子排列偏离理想晶体结构，所以比晶粒内部能量高。一般晶界每原子面积的自由能在 0.1～0.4eV(250～1000erg/cm2)范围，随不同金属而异。对于特殊晶界如孪晶界为0.002～0.1eV(5～250erg/cm2)。由于晶界本身结构特点和它两边晶粒的不同取向，它对多晶体的物理、化学和力学性质影响很大。如原子在晶界上比晶内扩散快;有些杂质原子可以在晶界上偏聚;在常温下晶界起强化作用，晶粒越细，材料强度越高；而在高温下晶界强度低，反而属于薄弱环节。材料产生高温蠕变时，裂纹往往在晶界上萌生和扩展。

如果界面相邻两侧晶粒不仅取向不同，而且结构或成分也不相同，即它们代表不同的两个相，其间界称为相界。按照原子在界面上排列的不同，可以把相界分成三种类型，一是共格相界，界面上的原子同时处于两个相晶格点阵的结点上，显然这时界面两侧的两相必须具有特殊取向关系，而且为了保持界面上的共格，还经常在周围伴随着晶格畸变。均匀合金脱溶分解初期形成的新相，或两相点阵常数相近，或晶体结构相同时，往往具有共格界面。与此情况相反，完全没有共格关系的界面称为非共格相界。第三种是借助于位错才维持其共格性的界面称为部分共格相界。部分共格界面在马氏体转变及外延生长晶体中较常见。晶体表面也可以看作是一种特殊相界面。在表面上的原子，其相邻原子数比晶体内部少，相当于一部分结合键被折断，因而有较高的能量，产生了表面能。与晶界能比较，表面能数值更大些。

参考书目

D.McLean著，杨顺华译：《金属中的晶粒间界》，科学出版社，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.

参考文章

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