晶体缺陷9 面缺陷讲解

1、面缺陷（surface defects） 面缺陷对塑性变形与断裂，固态相变， 材料的力学、物理和化学性能都有重要 影响。 常见类型：表面、晶界、亚晶界、层错、 孪晶界和相界。 表面原子的另一侧无固体 中原子的键合，配位数少, 有空悬的化学键。 石墨烯片层示意图 一、表面 金属材料系统与周围气相或液相介质的接触面 二、 晶界和亚晶界 晶界：属于同一固相但位向不同的晶粒之间的界面。只有 几个原子间距宽度。一般晶粒尺寸：15-25um 亚晶粒：一个晶粒中若干个位向稍有差异的晶粒。亚晶粒 尺寸：1um 亚晶界：相邻亚晶粒之间的界面。 晶界分类(根据相邻晶粒位相差) 小角度晶界 相邻晶粒的位相差小于10

2、 亚晶界一般为2左右。 大角度晶界 相邻晶粒的位相差大于10 大角度晶界 小角度晶界 包括倾侧晶界、扭转晶界。一般情况下，小角包括倾侧晶界、扭转晶界。一般情况下，小角 晶界由倾侧晶界和扭转晶界混合而成。晶界由倾侧晶界和扭转晶界混合而成。 1. 小角度晶界 A. 对称倾斜晶界对称倾斜晶界 为了填补相邻两个晶粒取 向之间的偏差，每隔几行 就插入一片原子，形成一 系列平行的刃位错。 两侧晶体的位向差为，相 当于相邻晶粒绕001轴反 向各自旋转/2而成。转轴 是001，投影面(001) bb D D b 2 sin2 ; 2 2 sin 位错间距D、b与取向差之间满足下列关系： 结构特点：由两组相互垂

3、直的刃位错所组成。 B. 不对称倾斜晶界不对称倾斜晶界 两个简单立方晶体绕共 同的轴100相对转动角 后，晶界又绕晶粒的共 同轴转动角而成（具有 两个自由度）。晶界和 其中一个晶粒的100轴 成/2角，而和另一 个晶粒的-100轴成 /2 角。 c. 扭转晶界扭转晶界 两部分晶体绕某一轴在一个共同的晶面上相对扭转 一个角所构成的，扭转轴垂直于这一共同的晶面 结构特点： 晶界是由两组相互垂直的螺位错构成的网络 10 由位错构成 位错密度 位向差晶格畸变晶界能 位错密度 决定位向差与晶界能 位错类型与排列方式 决定小角晶界的类型 注： 推广：一般的小角度晶界，其旋转轴和界面可以有任意的取 向关系，

4、因此结构特点是由刃位错、螺位错或混合位错组成 的二维位错网所组成。 此为小角度晶界的位错模型 小角度晶界特点小角度晶界特点 晶界两侧的晶粒位向差较大，不能用位错模型。晶界可视为2 3(5)个原子的过渡层，有其规律但排列复杂，以相对无序理解。 图 大角度晶界模型 2.大角度晶界 10以上，一般在3040 大角度晶界能：实际上多晶体的晶界一般为大角度晶 界，各晶粒的、位向差大多在30-40左右，实验测出 各种金属大角度晶界能约在0.25-1.0J/m2范围内，与晶 粒之间位向差无关，大体为定值，如图所示。 三、晶界能：形成单位界面，系统的自由能变化 式中, 为常数，取决于材料的切变模量、 泊松比和

5、柏氏矢量b；A为积分常数，取决于位错中 心的原子错排能。 小角度晶界能是随位向差增大而增大。 小角度晶界能：主要来自位错能量(形成位错的 能量和将位错排成有关组态所做的功)，而位错 密度又决定于晶粒间的位向差，所以，小角度 晶界能也和位向差有关: 0 (Aln ) 0 41 b （） v与小角度晶界相比，大角度晶界能较高，大致在 0.5-0.6J/m2，与相邻晶粒取向无关。 v发现某些特殊取向的大角度晶界的界面能很低， 为解释这些特殊取向的晶界的性质提出了大角度 晶界的重合位置点阵模型。 在图中，大角度晶界中 的一些特殊位向，具有 1/7重合晶界和1/5重合 晶界，其界面能明显低 于普通的大角

6、晶界的界 面能。 当两个相邻晶粒的位相差为某一 值时，若设想两晶粒的点阵彼此 通过晶界向对方延伸，则其中一 些原子将出现有规律的相互重合。 由这些原子重合位置所组成的比 原来晶体点阵大的新点阵，称为 重合位置点阵。 1/5重合位置点阵 晶界上重合位置越多，即晶界上 越多的原子为两个晶粒所共有， 则原子排列的畸变程度就越小， 晶界能也相应越低。 重合位置点阵模型 应用场离子显微镜研究晶界，发现当相邻晶粒处在某些特 殊位向时，不受晶界存在的影响，两晶粒有1/n的原子处 在重合位置，构成一个新的点阵称为“1/n重合位置点 阵”，1/n称为重合位置密度。 体心立方结构的重合位置点阵 2 33 11 2

7、 312 sinsinsin 在平衡状态下，三叉晶界各面角均趋于120,此时各晶界能基本相等 三个颗粒交界处的界面张力平衡 设有两个设有两个 晶粒与一个晶粒与一个相晶粒相交于一公共晶棱，并形成三叉晶界，已相晶粒相交于一公共晶棱，并形成三叉晶界，已 知知相所张的两面角为相所张的两面角为100，界面能，界面能 为为0.31Jm-2，试求，试求 相与相与相的相的 界面能界面能 。 单相合金的二维截面 对于各向同性的大角度晶界，因为界面能恒定，三个角 度均为120度。稳定形状是6边形。 加热时小于六边形的晶粒要缩小，直至消失。 大于六边形的晶粒要长大，并逐渐演变为平衡晶粒形貌。 孪晶界：两晶粒沿公共晶

8、面形成镜面对称关系 二、 孪晶界和相界 孪晶界 相界：相邻两相之间的界面 按结构特点：共格、半共格、非共格相界 1. 共格界面 F界面上的原子同时位于两相晶格的结点上，即两相的 晶格是彼此衔接的，界面上的原子为两者共有。 F特征：沿界面两相具有相同或近似的原子排列，两相 原子在界面上匹配得好，界面能很低。 F理想的完全共格界面，只有在孪晶界，且孪晶界即为 孪晶面时才可能存在。 2. 半共格界面 F两相在相界处的晶面间距相差较大，界面上两相原子 只能部分地保持匹配，这样的界面称为半共格界面或 部分共格界面。 F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

9、的。由共 格区和非共格区相间组成。 3. 非共格界面 当两相在相界面处的原子排列相差很大时, 只能形成非共格界面。 3、孪晶界(twin boundary) 孪晶界是晶界中最简单的一种 孪晶关系指相邻两晶粒或一个晶粒内部相邻两 部分沿一个公共晶面(孪晶界)构成镜面对称的 位向关系 孪晶界上的原子同时位于两个晶体点阵的结点 上，为孪晶的两部分晶体所共有，这种形式的 界面称为共格界面。 3、孪晶界 孪晶界 v孪晶的形成与堆垛层错有密切关系。面 心立方按ABCABCABC顺序堆垛起来， 如果从某一层开始其堆垛顺序发生颠倒， 如图。 v按ABCABCACBACBA堆垛，则上下 两部分晶体形成了镜面对称的孪晶关系。 孪晶界 共格孪晶界即孪晶面上原子没有发生错排， 不会引起弹性应变，故界面能很低，如图。 例如Cu的共格孪晶界的界面能仅为0.025J/m2， 但非共格孪晶界的能量较高，接近大角度晶界的1/2。 共格、非共格孪晶 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ABCABCABC，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。 非共格孪晶界：由许多位错构成 晶界缺陷多 能量高 结构复杂 畸变能 1） 2） 阻碍位错运