第三讲实际金属的晶体结构

1、第三讲 实际金属的晶体结构第三节 实际金属的晶体结构一、 主要内容：晶体缺陷的概念，研究晶体缺陷的意义，晶体缺陷的种类点缺陷的概念、种类，点缺陷产生的原因，晶格畸变的概念，间隙原子，置换原子，晶格空位，线缺陷的概念，线缺陷的种类，刃型位错、螺型位错的特征，正刃型位错、负刃型位错，左螺型位错、右螺型位错，混合型位错，位错周围的应力场，位错周围的晶格畸变，柏氏矢量的概念，柏氏矢量的确定、表示方法，用柏氏矢量判断位错的类型，位错密度，位错在晶体中的特性。面缺陷的种类，晶体表面，晶界，小角度晶界，大角度晶界，亚晶界，堆垛层错，相界，晶界的特性。二、 要点：缺陷的概念及缺陷的种类。三、 方法说明;晶体内

2、部的缺陷确实存在，晶体内部的缺陷对金属的性能有很大的影响甚至起着决定性的作用。应该了解晶界与相界的区别，晶界的特性。重点概念：是晶格畸变，间隙原子，置换原子，位错，亚结构。 难点：是螺型位错，用模型讲述会更清楚。授课内容：一、 点缺陷点缺陷的类型及特点：金属晶体中常见的点缺陷有：空位、间隙原子、置换原子等。晶体中位于晶格结点上的原子并非静止不动的，而是以其平衡位置为中心作热运动。当某一瞬间，某个原子具有足够大的能量，克服周围原子对它的制约，跳出其所在的位置，使晶格中形成空结点，称空位。挤入间隙的原子叫间隙原子；占据在原来晶格结点的异类原子叫置换原子。1、空位空位是一种热平衡缺陷,即在一定温度下

3、,空位有一定的平衡浓度。空位在晶体中的位置不是固定不变的,而是不断运动变化的。空位是由原子脱离其平衡位置而形成的，脱离平衡位置的原子大致有三个去处：(1)迁移到晶体表面上,这样所产生的空位叫肖脱基空位；(2)迁移到晶格的间隙中,这样所形成的空位叫弗兰克尔空位；(3)迁移到其他空位处,这样虽然不产生新的空位,但可以使空位变换位置。晶格畸变：由于空位的存在。其周围原子失去了一个近邻原子而使相互间的作用失去平衡，因而它们朝空位方向稍有移动，偏离其平衡位置，就会在空位周围出现一个涉及几个原子间距范围的弹性畸变区，叫晶格畸变。2、间隙原子处于晶格间隙中的原子即为间隙原子。在形成弗兰克尔空位的同时,也形成

4、一个间隙原子，另外溶质原子挤入溶剂的晶格间隙中后，也称为间隙原子,他们都会造成严重的晶体畸变。间隙原子也是一种热平衡缺陷，在一定温度下有一平衡浓度，对于异类间隙原子来说，常将这一平衡浓度称为固溶度或溶解度。3、置换原子占据在原来基体原子平衡位置上的异类原子称为置换原子。由于原子大小的区别也会造成晶格畸变，置换原子在一定温度下也有一个平衡浓度值，一般称之为固溶度或溶解度，通常它比间隙原子的固溶度要大的多。二、 线缺陷线缺陷的类型及特点：线缺陷有刃型位错，螺型位错和混合型位错1、刃型位错的定义：晶体中已滑移区与未滑移区的边界线（即位错线）若垂直于滑移方向，则会存在一多余半排原子面，它象一把刀刃插入

5、晶体中，使此处上下两部分晶体产生原子错排，这种晶体缺陷称为刃型位错。多余半排原子面在滑移面上方的称正刃型位错，记为“”；相反，半排原子面在滑移面下方的称负刃型位错，记为“”。2、刃型位错的结构特征1）有一额外的半原子面，分正和负刃型位错；2）可理解为是已滑移区与未滑移区的边界线，可是直线也可是折线和曲线，但它们必与滑移方向和滑移矢量垂直；3）只能在同时包含有位错线和滑移矢量的滑移平面上滑移； 4）位错周围点阵发生弹性畸变，有切应变，也有正应变；5）位错畸变区只有几个原子间距，是狭长的管道，故是线缺陷。 3、螺型位错的定义晶体中已滑移区与未滑移区的边界线（即位错线）若平行于滑移方向，则在该处附近

6、原子平面已扭曲为螺旋面，即位错线附近的原子是按螺旋形式排列的，这种晶体缺陷称为螺型位错。根据原子旋转方向的不同,螺型位错可分为左螺型和右螺型位错,通常用拇指代表螺旋前进方向，其余四指代表螺旋方向，符合右手法则的称右螺旋位错；符合左手法则的称为左螺旋位错。4、螺型位错的结构特征 1）无额外的半原子面，原子错排程轴对称，分右旋和左旋螺型位错；2）一定是直线，与滑移矢量平行，位错线移动方向与晶体滑移方向垂直；3）滑移面不是唯一的，包含螺型位错线的平面都可以作为它的滑移面；4）位错周围点阵也发生弹性畸变，但只有平行于位错线的切应变而无正应变，即不引起体积的膨胀和收缩；5）位错畸变区也是几个原子间距宽度

7、，同样是线位错。5、刃型位错与螺形位错的不同(1)螺形位错没有额外半原子面；刃形位错有一个额外半原子面。(2)螺形位错线是一个具有一定宽度的细长的晶格畸变管道,其中只有切应变,而无正应变；刃形位错线是一个具有一定宽度的细长晶格畸变管道,其中既有正应变,又有切应变。(3)位错线与滑移方向平行,位错线运动的方向与位错线垂直；位错线与晶体滑移的方向垂直,即位错线运动的方向垂直于位错线6、混合型位错晶体中已滑移区与未滑移区的边界线（即位错线）既不平行也不垂直于滑移方向，即滑移矢量与位错线成任意角度，这种晶体缺陷称为混合型位错。混合型位错可分解为刃型位错分量和螺型位错分量，它们分别具有刃型位错和螺型位错

8、的特征。位错的易动性    晶体中位错处的原子处于高能不稳定状态，因此在切应力作用下原子很容易移动。含有位错晶体的滑移过程实质上是位错的运动过程，此过程中原子实际的位移距离远小于原子间距，这种滑移要比两个相邻原子面整体相对移动（即刚性滑移）容易得多。7、柏氏矢量用来描述位错区域原子的畸变特征（包括畸变发生在什么晶向以及畸变有多大）的物理参量，称为柏氏矢量。它是一个矢量，1939年由柏格斯（J.M.Burgers）率先提出。柏氏矢量的确定柏氏矢量可通过柏氏回路来确定。在含有位错的实际晶体中作一个包含位错发生畸变的回路，然后将这同样大小的回路置于理想晶体中，此时回路将

9、不能封闭，需引一个额外的矢量b连接回路，才能使回路闭合，这个矢量b就是实际晶体中位错的柏氏矢量。1）右手法则刃型位错的柏氏矢量与位错线垂直，其正负可用右手法则确定，如图所示。 （通常先人为地规定位错线的方向，然后用右手食指表示位错线的方向，中指表示柏氏矢量的方向，当拇指向上是为正刃型位错，向下时为负刃型位错。）螺型位错的柏氏矢量与位错线平行，且规定柏氏矢量与位错线正向平行的为右旋；反向平行的为左旋。8、柏氏矢量的特征1）用柏氏矢量可判断位错的类型。柏氏矢量与位错线垂直者为刃型位错，平行者为螺型位错，既不垂直又不平行者为混合位错。2）柏氏矢量反映位错区域点阵畸变总累积的大小。柏氏矢量越大，位错周

10、围晶体畸变越严重。3）用柏氏矢量可以表示晶体滑移的方向和大小。位错运动导致晶体滑移时，滑移量大小即柏氏矢量b，滑移方向即为柏氏矢量的方向。 4）一条位错线具有唯一的柏氏矢量。它与柏氏回路的大小和回路在位错线上的位置无关，位错在晶体中运动或改变方向时，其柏氏矢量不变。 5）若位错可分解，则分解后各分位错的柏氏矢量之和等于原位错的柏氏矢量。6）位错可定义为柏氏矢量不为零的晶体缺陷，它具有连续性，不能中断于晶体内部。其存在形态可形成一个闭合的位错环，或连接于其他位错，或终止在晶界，或露头于晶体表面。三、 面缺陷晶体中面缺陷的类型与特点1、 表面与界面    晶体材料中存

11、在着许多界面，如（外）表面与内界面等。界面通常包含几个原子层厚的区域，该区域内的原子排列甚至化学成分往往不同于晶体内部，又因其在三维空间表现为一个方向上尺寸很小，另外两个方向上尺寸较大，故称为面缺陷。    表面是指固体材料与气体或液体的分界面；而内界面包括晶界、孪晶界、亚晶界、相界及层错等。界面的存在对晶体的力学、物理和化学等性能产生着重要的影响。    晶体内部的原子处于其他原子的包围中，周围原子对它的作用力对称分布，因此它处于均匀的力场中，总合力为零，处于能量最低的状态。而表面原子却不同，它与气相(或液相)接触，处于不均匀的力场

12、之中，其能量较高，高出的能量称为表面自由能，实验测定其数值大约为晶界能的三倍，对于日常广泛应用的大块材料来说，它们的比表面(单位体积晶体的表面积)很小，因此表面对晶体性能的影响不如晶界重要。但是对于多孔物质或粉末材料，它们的比表面很大，此时表面能就成为不可忽略的重要因素。    从原子结合的角度看，晶体表面结构的主要特点是存在着不饱和键力及范德瓦耳斯力。不论是金属晶体，离子晶体、或者是共价晶体，由于表面原子的近邻原子数减少，其相应的结合键数也减少，或者说，结合键尚未饱和，因此表面原子有强烈的倾向与环境中的原子或分子相互作用，发生电子交换，使结合键趋于饱和。晶体表面

13、的范德瓦耳斯力可以作如下理解：晶体表层原子在不均匀力场作用下会偏离其平衡位置而移向晶体内部，但是正、负离子(或正、负电荷)偏离的程度不同，结果在晶体表面或多或少地产生了双电层。如图    晶体中不同晶面的表面能数值不同，这是由于表面能的本质是表面原子的不饱和键，而不同晶面上的原子密度不同，密排面的原子密度最大，则该面上任一原子与相邻晶面原子的作用键数最少，故以密排面作为表面时不饱和键数最少，表面能量低。晶体总是力图处于最低的自由能状态，所以一定体积的晶体的平衡几何外形应满足表面能总和为最小的原理。自然界的有些矿物或人工结晶的盐类等常具有规则的几何外形，它们的表面常

14、由最密排面及次密排面组成，这是一种低能的几何形态。2、晶界和亚晶界属于同一固相但位向不同的晶粒之间的界面称为晶界；而每个晶粒有时又由若干个位向稍有差异的亚晶粒所组成，相邻亚晶粒间的界面称为亚晶界。晶粒的平均直径通常在0.0150.25mm范围内，而亚晶粒的平均直径则通常为0.001mm的范围内。二维点阵中晶界位置可用两个晶粒的位向差和晶界相对于一个点阵某一平面的夹角来确定。根据相邻晶粒之间位向差角的大小不同可将晶界分为两类：1.小角度晶界相邻晶粒的位向差小于10°的晶界；亚晶界均属小角度晶界，一般小于2°；2.大角度晶界相邻晶粒的位向差大于10°的晶界，多晶体中9

15、0以上的晶界属于此类。小角度晶界的结构按照相邻亚晶粒间位向差的型式不同，小角度晶界可分为倾斜晶界、扭转晶界和重合晶界等。它们的结构可用相应的模型来描述。1.对称倾斜晶界对称倾斜晶界可看作是把晶界两侧晶体互相倾斜的结果。由于相邻两晶粒的位向差角很小，其晶界可看成是由一列平行的刃型位错所构成 。2.不对称倾斜晶界如果倾斜晶界的界面绕x轴转了一角度，则此时两晶粒之间的位向差仍为角，但此时晶界的界面对于两个晶粒是不对称的，故称不对称倾斜晶界。它有两个自由度和。该晶界结构可看成由两组柏氏矢量相互垂直的刃型位错交错排列而构成的。3.扭转晶界扭转晶界是小角度晶界的一种类型。它可看成是两部分晶体绕某一轴在一个

16、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。该晶界的结构可看成是由互相交叉的螺型位错所组成 。扭转晶界和倾斜晶界均是小角度晶界的简单情况，不同之处在于倾斜晶界形成时，转轴在晶界内；扭转晶界的转轴则垂直于晶界。一般情况下，小角度晶界都可看成是两部分晶体绕某一轴旋转一角度而形成的，只不过其转轴既不平行于晶界也不垂直于晶界。对于这样的小角度晶界，可看作是由一系列刃位错、螺位错或混合位错的网络所构成。大角度晶界的结构    晶粒之间的晶界通常为大角度晶界，如图3-72。大角度晶界的结构较复杂，原子排列很不规则，有人认为大角度晶界的结构接近于图示的模型。

17、取向不同的相邻晶粒的界面不是光滑的曲面，而是由不规则的台阶组成的。分界面上既包含有同时属于两晶粒的原子D，也包含有不属于任一晶粒的原子A；既包含有压缩区B，也包含有扩张区C。这是由于晶界上的原子同时受到位向不同的两个晶粒中原子的作用所致。总之，大角度晶界上原子排列比较紊乱，但也存在一些比较整齐的区域。因此，晶界可看成坏区与好区交替相间组合而成。随着位向差分的增大，坏区的面积将相应增加。纯金属中大角度晶界的宽度一般不超过3个原子间距。    近年来，有人应用场离子显微镜研究晶界，提出了大角度晶界的“重合位置点阵”模型，在二维正方点阵中，当两个相邻晶粒的位向差为37&

18、#176;时(相当于晶粒2相对晶粒1绕某固定轴旋转了37°)，设想两晶粒的点阵彼此通过晶界向对方延伸，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比原来晶体点阵大的新点阵，通常称为重合位置点阵。在上述具体图例中，每5个原子即有一个是重合位置，故重合位置点阵密度为15或称为15重合位置点阵。3、晶界能晶界上的原子排列是不规则的，存在畸变，从而使系统的自由能增高。晶界能定义为形成单位面积界面时系统自由能的变化(dF/dA)，它等于界面区单位面积的能量减去无界面时该区单位面积的能量。4、晶界的特性1.晶界处点阵畸变大，存在晶界能。晶粒的长大和晶界的平直化都能减少晶界面积，从

19、而降低晶界的总能量，这是一个自发过程。晶粒的长大和晶界的平直化均需通过原子的扩散来实现，因此，温度升高和保温时间的增长，均有利于这两过程的进行。2.晶界处原子排列不规则，在常温下晶界的存在会对位错的运动起阻碍作用，致使塑性变形抗力提高，宏观表现为晶界较晶内具有较高的强度和硬度。晶粒越细,材料的强度越高，这就是细晶强化；高温下则由于晶界存在一定的粘滞性，易使相邻晶粒产生相对滑动。3.晶界处原子偏离平衡位置，具有较高的动能，并且晶界处存在较多的缺陷如空穴、杂质原子和位错等，故晶界处原子的扩散速度比在晶内快得多。4.在固态相变过程中,由于晶界能量较高且原子活动能力较大,所以新相易于在晶界处优先形核.

20、原始晶粒越细,晶界越多,则新相形核率也相应越高。5.由于成分偏析和内吸附现象，特别是晶界富集杂质原子的情况下，往往晶界熔点较低，故在加热过程中，因温度过高将引起晶界熔化和氧化，导致“过热”现象产生。6.由于晶界能量较高、原子处于不稳定状态，以及晶界富集杂质原子的缘故，与晶内相比晶界的腐蚀速度一般较快。这就是用腐蚀剂显示金相样品组织的依据，也是某些金属材料在使用中发生晶间腐蚀破坏的原因。 5、孪晶界孪晶是指两个晶体(或一个晶体的两部分)沿一个公共晶面构成镜面对称的位向关系，这两个晶体就称为“孪晶(twin)”，此公共晶面就称孪晶面 ，如图3-75。孪晶的形成与堆垛层错有密切关系。例如，面心立方晶

21、体是以111面按ABCABC的顺序堆垛而成的，可用表示。如果从某一层开始，其堆垛顺序发生颠倒，就成为ABCACBACBA，即 ，则上下两部分晶体就构成了镜面对称的孪晶关系。可以看出CAC处相当于堆垛层错，接着就按倒过来的顺序堆垛，仍属正常的fcc堆垛顺序，但与出现层错之前的那部分晶体顺序正好相反，故形成了对称关系。孪晶界可分为两类，共格孪晶界和非共格孪晶界。共格孪晶界就是孪晶面在孪晶面上的原子同时位于两个晶体点阵的结点上，为两个晶体所共有，属于自然地完全匹配是无畸变的完全共格晶面，它的界面能很低，约为普通晶界界面能的110，很稳定，在显微镜下呈直线，这种孪晶界较为常见。如果孪晶界相对于孪晶面旋

22、转一角度，即可得到另一种孪晶界非共格孪晶界。此时，孪晶界上只有部分原子为两部分晶体所共有，因而原子错排较严重，这种孪晶界的能量相对较高，约为普通晶界的12。依形成原因的不同，孪晶可分为“形变孪晶”、“生长孪晶”和“退火孪晶”等。正因为孪晶与层错密切相关，一般层错能高的晶体不易产生孪晶。 6、相界具有不同结构的两相之间的分界面称为“相界”。按结构特点，相界面可分为共格相界、半共格相界和非共格相界三种类型。1）共格相界所谓“共格”是指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。它是一种无畸变的具有完全共格的相界，其界面能很低。但是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。对相界而言，其两侧为两个不同的相，即使两个相的晶体结构相同，其点阵常数也不可能相等，因此在形成共格界面时，必然在相界附近产生一定的弹性畸变，晶面间距较小者发生伸长，较大者产生压缩，以互相协调，使界面上原子达到匹配。显然，这种共格相界的能量相对于具有完善共格关系的界面（如孪晶界）的能量要高。2）半共格相界 若两相邻晶体在相界面处的晶面间距相差较大，则在相界面上不可能做到完全的一一对应，于是在界面上将产生一些位错，以降低界面的弹性应变