晶体缺陷9 面缺陷

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亚晶界一般为2左右。大角度晶界

2、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) bbDDb2sin2 ;22sin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1

3、00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，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

4、两侧的晶粒位向差较大，不能用位错模型。晶界可视为23(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

5、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 ) 041b（）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

6、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 2312sinsinsin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，

7、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

8、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

9、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）