第五章线面和体缺陷

1、第5章 线、面和体缺陷内内 容容 提提 要要一、线缺陷一、线缺陷 位错理论的产生，位错的基本慨念，位错类型，位错理论的产生，位错的基本慨念，位错类型，位错线的运动，离子和共价晶体中的位错，位错对位错线的运动，离子和共价晶体中的位错，位错对材料性质的影响。材料性质的影响。二、面缺陷二、面缺陷 晶体中的自由表面、晶界、晶界扩散、其他面缺晶体中的自由表面、晶界、晶界扩散、其他面缺陷陷三、体缺陷三、体缺陷四、金属中的强化机制四、金属中的强化机制教学目的及要求教学目的及要求 掌握晶体缺陷的类型、各类缺陷的结掌握晶体缺陷的类型、各类缺陷的结构特征、性质及其对材料性能的影响。构特征、性质及其对材料性能的影响

2、。位错理论产生的背景 位错概念最初是在研究晶体滑移变形行为时提位错概念最初是在研究晶体滑移变形行为时提出来的。出来的。 变形现象滑移变形滑移变形 、宏观塑性变形。、宏观塑性变形。 难题L塑性变形的微观过程是怎样的？塑性变形的微观过程是怎样的？L晶体实际强度与理论强度存在巨大差异的原因？晶体实际强度与理论强度存在巨大差异的原因？第第1 1节节 引言引言 人们设想在晶体中会存在某些缺陷，这些缺陷可以使形人们设想在晶体中会存在某些缺陷，这些缺陷可以使形变过程在局部地方发生、扩展，而不需要变过程在局部地方发生、扩展，而不需要2 2个晶面作整体的相个晶面作整体的相对刚性滑动。如果是这样，就有可能降低晶体

3、滑移所需要的对刚性滑动。如果是这样，就有可能降低晶体滑移所需要的切应力。切应力。 为了符合塑性形变的特点，这些缺陷至少必需满足如下为了符合塑性形变的特点，这些缺陷至少必需满足如下3 3个条件：个条件：由这种缺陷运动而引起的滑移要符合滑移的基本特征由这种缺陷运动而引起的滑移要符合滑移的基本特征这种缺陷是易动的，按这种设想所估计的临界分切应力应和这种缺陷是易动的，按这种设想所估计的临界分切应力应和实测值相近，同时它不象点缺陷那样容易受热激活所影响。实测值相近，同时它不象点缺陷那样容易受热激活所影响。能说明这些缺陷的来源和增殖。能说明这些缺陷的来源和增殖。位错概念的提出位错概念的提出 1934193

4、4年年G. L. TaylorG. L. Taylor、M. PolanyiM. Polanyi和和E. OrowanE. Orowan三人几乎三人几乎同时分别提出了位错的模型。他们认为在晶体中可能存在同时分别提出了位错的模型。他们认为在晶体中可能存在着一种缺陷，称为着一种缺陷，称为。这一假设成功地解。这一假设成功地解释了晶体理论切变强度与实际强度值之间的不可思议的差释了晶体理论切变强度与实际强度值之间的不可思议的差值。值。线、面、体缺陷的存在范围线、面、体缺陷的存在范围G共价晶体共价晶体G离子晶体离子晶体G金属金属G聚合物材料聚合物材料第第2节节 线缺陷、滑移和塑性变形线缺陷、滑移和塑性变形

5、一、形变单晶的切变强度一、形变单晶的切变强度单晶体单晶体承受外力发生塑性变形时承受外力发生塑性变形时的几种现象：的几种现象：p塑性变形是切应力引发的塑性变形是切应力引发的p塑性变形是各向异性的塑性变形是各向异性的( (即在即在各个方向是不等同的各个方向是不等同的) )p发生在高密度面和密排方向上发生在高密度面和密排方向上p需要临界切应力需要临界切应力 C C临界切应力求解临界切应力求解分切应力分切应力C C的大小为：的大小为： 分切应力分切应力CR的计算公式的计算公式 为试棒的拉伸应力。为试棒的拉伸应力。coscos coscos 称为称为取向因子取向因子，或称，或称施密特施密特(Schmid

6、)(Schmid)因子因子，取向因子越大，则分切应力越大。，取向因子越大，则分切应力越大。 当作用在某滑移系上的分切应力大于临界分切应力时，该当作用在某滑移系上的分切应力大于临界分切应力时，该滑移系即开始滑移。滑移系即开始滑移。 Schmid因子最大的条件因子最大的条件F 当当=45=45时时( ( 也为也为45)45)，取，取向因子有最大值向因子有最大值1/21/2，此时，此时可得到最大分切应力。可得到最大分切应力。F当当=90=90或或00时时 s s，晶，晶体不能沿滑移面密排滑移体不能沿滑移面密排滑移方向上产生滑移变形。方向上产生滑移变形。F 硬取向及几何硬化硬取向及几何硬化F软取向及几

7、何软化软取向及几何软化几个基本概念几个基本概念二、晶体中的滑移及刃型位错二、晶体中的滑移及刃型位错1. 1. 刃型位错模型刃型位错模型19341934年英年英国物理和国物理和气象学家气象学家Geoffrey Geoffrey TaylorTaylor爵爵士提出的士提出的位错模型位错模型G晶体在晶体在生长过程生长过程中产生位中产生位 在晶体生长过程中，由于温度梯度、浓度梯度、机械振动等在晶体生长过程中，由于温度梯度、浓度梯度、机械振动等的影响，使生长着的晶体偏转或弯曲，引起相邻晶块之间的影响，使生长着的晶体偏转或弯曲，引起相邻晶块之间有位相差，形成位错；或由于相邻晶粒发生碰撞或因液流有位相差，形

8、成位错；或由于相邻晶粒发生碰撞或因液流冲击，以及冷却时体积变化的热应力等原因会使晶体表面冲击，以及冷却时体积变化的热应力等原因会使晶体表面产生台阶或受力变形而形成位错。产生台阶或受力变形而形成位错。G局部应力集中局部应力集中和和塑性变形塑性变形形成位错形成位错 晶体内部的某些界面晶体内部的某些界面( (如第二相质点、孪晶界、晶界等如第二相质点、孪晶界、晶界等) )和微和微裂纹附近往往存在应力集中，当此应力高至足以便该局部裂纹附近往往存在应力集中，当此应力高至足以便该局部区域发生滑移时，就在该区域产生位错。晶体在形变过程区域发生滑移时，就在该区域产生位错。晶体在形变过程中产生应力集中也会在局部区

9、域形成位错。中产生应力集中也会在局部区域形成位错。2. 2. 刃型位错的形成机制刃型位错的形成机制塑性变形形成刃塑性变形形成刃型位错的机制型位错的机制晶体生长过程中的晶体生长过程中的刃型位错形成机制刃型位错形成机制3. 3. 位错运动机制位错运动机制位位错错滑滑移移运运动动位错运动导致的效应位错运动导致的效应：晶体上下两部分之间永久错开一：晶体上下两部分之间永久错开一个原子单位，产生塑性变形，在晶体表面留下一个滑移个原子单位，产生塑性变形，在晶体表面留下一个滑移台阶。所需要的切应力很小，远小于理论值。台阶。所需要的切应力很小，远小于理论值。4. 4. 描述位错的几何量描述位错的几何量G晶体学方

10、向晶体学方向G位移矢量位移矢量( (由位错运动由位错运动引起的原子位移的方向引起的原子位移的方向和大小和大小) )用柏氏用柏氏(Burgers)(Burgers)矢量矢量 进行进行描述描述b柏氏矢量柏氏矢量b b：用于描述位错：用于描述位错区原子的畸变特征，包括畸区原子的畸变特征，包括畸变的位置和畸变的程度。变的位置和畸变的程度。描述因位错滑移运动而导致的原子位移量的方法描述因位错滑移运动而导致的原子位移量的方法：用环绕：用环绕位错作通过无缺陷材料的回路位错作通过无缺陷材料的回路( (柏格斯回路柏格斯回路) )来获得。来获得。L问题：问题：同一个刃型位错，观察位错的方向不同，同一个刃型位错，观

11、察位错的方向不同，得到的柏氏矢量不同。得到的柏氏矢量不同。J解决办法：定义位错的单位切线矢量解决办法：定义位错的单位切线矢量G刃型位错的柏氏矢量刃型位错的柏氏矢量 垂直于位错线垂直于位错线( (由由 描述描述) )G刃型位错的滑移面同时包含刃型位错的滑移面同时包含 和和 ( (由由获得获得) )柏氏矢量的物理意义柏氏矢量的物理意义G柏氏矢量既表示柏氏矢量既表示位错的位错的性质性质，又表示了，又表示了位错区位错区域点阵畸变总量的大小域点阵畸变总量的大小和方向和方向。G柏氏矢量表示位错滑移柏氏矢量表示位错滑移后，晶体上、下部分产后，晶体上、下部分产生生相对位移的方向和大相对位移的方向和大小小，即滑

12、移矢量。，即滑移矢量。5. 5. 刃型位错的性质刃型位错的性质G在刃型位错周围的原子不同在刃型位错周围的原子不同程度地程度地偏离了平衡位置偏离了平衡位置，致，致使周围点阵发生了使周围点阵发生了弹性畸变弹性畸变。对正刃型位错而言，晶面上对正刃型位错而言，晶面上部原子显得拥挤，受到部原子显得拥挤，受到压应压应力力，而晶面下部原子显得稀，而晶面下部原子显得稀疏，受到疏，受到拉应力拉应力。G位错周围点阵畸变是位错周围点阵畸变是对称对称的，位的，位错错中心的畸变度最大中心的畸变度最大，随着与中，随着与中心距离的增加，畸变程度逐渐减心距离的增加，畸变程度逐渐减小。一般把点阵畸变程度大于正小。一般把点阵畸变

13、程度大于正常原子间距常原子间距1/41/4的区域宽度定义为的区域宽度定义为位错宽度位错宽度，其值约为，其值约为2525个原子间个原子间距。位错线长度有数百个到数万距。位错线长度有数百个到数万个原子间距，与位错长度相比，个原子间距，与位错长度相比，位错宽度显得非常小，所以把位位错宽度显得非常小，所以把位错看作是错看作是线缺陷线缺陷。 5. 5. 刃型位错的性质刃型位错的性质G位错线是晶体中已滑移区域和未滑移区域的边界线，因此位错线是晶体中已滑移区域和未滑移区域的边界线，因此，它们或者中止于表面，或者中止于晶，它们或者中止于表面，或者中止于晶界和相界，或者与其他位错线相交，或者自行在晶体内形成界和

14、相界，或者与其他位错线相交，或者自行在晶体内形成一个封闭环。一个封闭环。( (据此可以检测位错的存在据此可以检测位错的存在) )G位错滑移矢量位错滑移矢量b b垂有于位错线，而滑移面是位错线和滑移矢垂有于位错线，而滑移面是位错线和滑移矢量量b b所构成的位移平面。所构成的位移平面。G刃型位错线的形状可以是直线、折线或曲线。刃型位错线的形状可以是直线、折线或曲线。5. 5. 刃型位错的性质刃型位错的性质三、其它类型的位错三、其它类型的位错 1. 1. 螺型位错及其构建模型螺型位错及其构建模型螺型位错具有以下特征螺型位错具有以下特征F螺型位错是原子错排呈轴线对称螺型位错是原子错排呈轴线对称的一种线

15、缺陷的一种线缺陷F螺型位错的位错线螺型位错的位错线(t)(t)与滑移矢量与滑移矢量(b)(b)相平行，因此，其位错线只能相平行，因此，其位错线只能是直线。是直线。F螺型位错线的移动方向与晶体滑螺型位错线的移动方向与晶体滑移方向、应力矢量相垂直。移方向、应力矢量相垂直。F螺位错无额外半原子面，原子错螺位错无额外半原子面，原子错排是呈轴对称的排是呈轴对称的F根据位错线附近呈螺旋形排列的根据位错线附近呈螺旋形排列的原子的旋转方向不同，螺型位错原子的旋转方向不同，螺型位错可分为右旋和左旋螺型位错。可分为右旋和左旋螺型位错。F纯螺型位错的滑移面不是唯一的，纯螺型位错的滑移面不是唯一的，凡是包含螺型位错线

16、的平面都可以作凡是包含螺型位错线的平面都可以作为它的滑移面；但实际上，滑移通常为它的滑移面；但实际上，滑移通常皂在那些原子密排面上进行。皂在那些原子密排面上进行。F螺型位错线周围的点阵发生了弹性螺型位错线周围的点阵发生了弹性畸变，但是，只有平行于位错线的切畸变，但是，只有平行于位错线的切应变而无正应生，即不会引起体积膨应变而无正应生，即不会引起体积膨张和收缩，且在垂直于位错线的平面张和收缩，且在垂直于位错线的平面投影上，看不到原子的位移，看不出投影上，看不到原子的位移，看不出有缺陷。有缺陷。F螺型位错周围的点阵畸变随离位错螺型位错周围的点阵畸变随离位错线距离的增加而急剧减少，故它也是线距离的增

17、加而急剧减少，故它也是包含几个原子宽度的线缺陷。包含几个原子宽度的线缺陷。螺型位错柏氏矢量的确定方法2. 2. 混合位错混合位错 实际的位错线通常是混合实际的位错线通常是混合型的，其位错线与滑移矢量既型的，其位错线与滑移矢量既不垂直又不平行，这种位错称不垂直又不平行，这种位错称之为之为混合位错混合位错3. 3. 位错环及其形成位错环及其形成4. 4. 位错的关键特征位错的关键特征p根据柏氏矢量根据柏氏矢量b b与位错线之间的关系可以确定与位错线之间的关系可以确定 位错的类型位错的类型p位错可以在包含位错可以在包含b b和和t t的面的面( (滑移面滑移面) )上滑动，运动的结果都上滑动，运动的

18、结果都是在位错线滑动过的区域之中，造成了上下两半晶体整是在位错线滑动过的区域之中，造成了上下两半晶体整体相对位移过一个体相对位移过一个b b的距离。的距离。4. 4. 位错的关键特征位错的关键特征p柏氏矢量是固定的。一个位错的特征可以各点不同，柏氏矢量是固定的。一个位错的特征可以各点不同，但柏氏矢量永远是一样的。但柏氏矢量永远是一样的。p一个位错不能终止在晶体无缺陷区域的中部，它可一个位错不能终止在晶体无缺陷区域的中部，它可以终止在晶体表面、在它自身或是其他位错上。以终止在晶体表面、在它自身或是其他位错上。4. 4. 位错的关键特征位错的关键特征实际晶体中柏氏矢量的表示法实际晶体中柏氏矢量的表

19、示法5. 5. 位错运动方式位错运动方式G滑移滑移G攀移攀移 条件条件F高浓度的空位高浓度的空位F高温高温F正应力正应力 攀移的特点：攀移的特点： 通过空位迁移和原子扩散来实通过空位迁移和原子扩散来实现，必然引起晶体体积的变化，称现，必然引起晶体体积的变化，称之为非保守运动或非守恒运动。之为非保守运动或非守恒运动。四、在金属晶体中的滑移面和滑移方向四、在金属晶体中的滑移面和滑移方向G晶体的低温塑性变形方式：位错滑移、孪生晶体的低温塑性变形方式：位错滑移、孪生G晶体的高温塑性变形方式：位错攀移、晶界滑动晶体的高温塑性变形方式：位错攀移、晶界滑动F刃型位错的运动方式：滑移、攀移刃型位错的运动方式：

20、滑移、攀移F螺型位错的运动方式：滑移、交滑移螺型位错的运动方式：滑移、交滑移L为什么滑移发生在密排面的密排方向上？为什么滑移发生在密排面的密排方向上？C位错滑移所需的临界分切应力位错滑移所需的临界分切应力 RCRC源于晶体固有源于晶体固有的的点阵摩擦阻力点阵摩擦阻力。提供最低阻力的面必须是在原。提供最低阻力的面必须是在原子尺度最光滑的面，即那些最高原子密度的面是子尺度最光滑的面，即那些最高原子密度的面是光滑的面。光滑的面。A从能量上讲，位错引起的系统内能的升高与柏氏矢量从能量上讲，位错引起的系统内能的升高与柏氏矢量b b的平的平方成正比，方成正比，E E |b|b|2 2。在晶体内柏氏矢量是连

21、接等同点阵位。在晶体内柏氏矢量是连接等同点阵位置的最短距离，即晶体的最密排方向。置的最短距离，即晶体的最密排方向。L为什么滑移发生在密排面的密排方向上？为什么滑移发生在密排面的密排方向上？1. FCC1. FCC晶体结构中的滑移面和滑移方向晶体结构中的滑移面和滑移方向 FCC FCC滑移系滑移系F滑移方向滑移方向，滑移面一般为，滑移面一般为111111FFCCFCC结构共有四个不同的结构共有四个不同的111111晶面，每个滑移面有晶面，每个滑移面有3 3个个晶向，故共有晶向，故共有4 43=123=12个滑移系。个滑移系。2. BCC2. BCC晶体的滑移系晶体的滑移系bccbcc滑移系滑移系

22、 滑移方向为滑移方向为，可能出现的滑移面有，可能出现的滑移面有110110、112112、123123如果三组滑移面都能启动，则潜在的滑如果三组滑移面都能启动，则潜在的滑移系数目为：移系数目为：3. HCP3. HCP晶体结构晶体结构hcphcp滑移系滑移系 滑移方向滑移方向1120，滑移面，滑移面(0001)(0001)、棱柱面、棱柱面1010 1010、 棱锥面棱锥面1010 1111，滑移系统与，滑移系统与c/ac/a的比值有关。的比值有关。F当滑移面为当滑移面为(0001)(0001)时，晶体中滑移时，晶体中滑移面 只 有 一 个 ， 此 面 上 有 三 个面 只 有 一 个 ， 此

23、面 上 有 三 个1120晶向，故滑移系数目为晶向，故滑移系数目为1 13=33=3个。个。F当滑移面为当滑移面为1010 1 100时，晶体中滑时，晶体中滑移面共有移面共有3 3个，每个滑移面上一个个，每个滑移面上一个1120晶向，故滑移系数目为晶向，故滑移系数目为3 31=31=3个。个。F当滑移面为斜面当滑移面为斜面1010 1111时，此时时，此时滑移面共有滑移面共有6 6个，每个滑移面上一个，每个滑移面上一个个1120，故滑移系数目为，故滑移系数目为6 61=61=6个。个。由于由于hcphcp金属滑移系数目较少，塑性通常都不高金属滑移系数目较少，塑性通常都不高 一般来讲，纯金属的塑

24、性取决于其滑移系的数目、这些一般来讲，纯金属的塑性取决于其滑移系的数目、这些滑移面是否相交以及其面密度。滑移面是否相交以及其面密度。FFCCFCC结构有结构有1212个独立并且彼此相交的滑移系，滑移面都是个独立并且彼此相交的滑移系，滑移面都是密排面，所以，具有这种结构的材料一般呈现塑性行为。密排面，所以，具有这种结构的材料一般呈现塑性行为。FBCCBCC材料在高温也是呈现良好塑性，但是在某些情况下，材料在高温也是呈现良好塑性，但是在某些情况下，会出现低温的低塑性。会出现低温的低塑性。FHCPHCP金属的滑移复杂得多。金属的滑移复杂得多。五、离子、共价和聚合物晶体内的位错五、离子、共价和聚合物晶

25、体内的位错 1. 1. 离子晶体离子晶体 由于局部电中性的要求，使离子固体中位错概由于局部电中性的要求，使离子固体中位错概念变复杂。保持电中性的措施：念变复杂。保持电中性的措施： F在晶体学等同位置间最短矢量不是离子接触方向在晶体学等同位置间最短矢量不是离子接触方向F滑移面滑移面( (即最高密度面即最高密度面) )不是密排面不是密排面F有效滑移系的数目有限有效滑移系的数目有限离子晶体具有较大的柏氏矢量离子晶体具有较大的柏氏矢量b b的图形解释的图形解释G在离子晶体中，一般而言，无论是滑移面还是滑移方向都不在离子晶体中，一般而言，无论是滑移面还是滑移方向都不一定是密排的，结果位错在离子晶体中运动

26、的阻力比金属晶体一定是密排的，结果位错在离子晶体中运动的阻力比金属晶体的要高。同类离子相接触的可能性进一步限制了离子晶体的滑的要高。同类离子相接触的可能性进一步限制了离子晶体的滑移数目。所以，这些因素都会降低位错在离子晶体中的可动性，移数目。所以，这些因素都会降低位错在离子晶体中的可动性，导致脆性断裂的倾向。导致脆性断裂的倾向。2.共价晶体共价晶体 在共价晶体中也存在位错。在共价晶体中也存在位错。p在共价晶体中，低的配位数导致它的原子堆垛因子在共价晶体中，低的配位数导致它的原子堆垛因子较低，也导致它的直线和面密度较低，这使得它的较低，也导致它的直线和面密度较低，这使得它的柏氏矢量比较长，位错移

27、动的固有点阵阻力值高。柏氏矢量比较长，位错移动的固有点阵阻力值高。p位错移动时必须破断高的共价键能，从而使得它具位错移动时必须破断高的共价键能，从而使得它具有高的强度。有高的强度。p在在Si Si和和GeGe中的位错对晶体的电学和晶体长大特性有中的位错对晶体的电学和晶体长大特性有重要影响。重要影响。六、位错对材料性能的影响六、位错对材料性能的影响p力学性能力学性能p扩散扩散p电学电学p光学光学p晶体生长晶体生长七、位错的观察七、位错的观察(补充知识补充知识)1. 1. 蚀坑法蚀坑法2. 2. 电镜法电镜法锗晶体中位错的电子显微镜图象锗晶体中位错的电子显微镜图象第第3 3节节 面缺陷面缺陷 面缺

28、陷: 原子偏离理想状态的区域在二维方向上都较原子偏离理想状态的区域在二维方向上都较大，而在第三维方向上很小的晶体缺陷。包括大，而在第三维方向上很小的晶体缺陷。包括晶界、相界、外表面、层错、孪晶面等等。等等。 表面与界面的理论是非常重要的基础理论表面与界面的理论是非常重要的基础理论之一，而且具有广泛的应用价值。之一，而且具有广泛的应用价值。气相气相( (或真空或真空) )与凝聚相之间的分界面称为与凝聚相之间的分界面称为表面表面(surface)(surface)凝聚相与凝聚相之间的分界面称为凝聚相与凝聚相之间的分界面称为界面界面(inteface)(inteface)一、晶体中的自由表面一、晶体

29、中的自由表面 材料表面在材料的服役和制备过程中起着举足材料表面在材料的服役和制备过程中起着举足轻重的作用，如催化、腐蚀、磨损、吸附等现象只轻重的作用，如催化、腐蚀、磨损、吸附等现象只发生在表面上；光电、声电、压电转换现象发生在表面上；光电、声电、压电转换现象都与表面密不可分；此外，表面在晶体生长中起着都与表面密不可分；此外，表面在晶体生长中起着决定性的作用。决定性的作用。1. 1. 理想表面理想表面 理想表面是一种理论结构完整的二维点阵平面。理想表面是一种理论结构完整的二维点阵平面。p 忽略了晶体内部的周期势场中断的影响忽略了晶体内部的周期势场中断的影响p忽略表面原子的热运动以及出现的缺陷和扩

30、散现象忽略表面原子的热运动以及出现的缺陷和扩散现象p忽略外界环境的作用忽略外界环境的作用2. 2. 实际晶体的表面结构特征实际晶体的表面结构特征p表面重构表面重构 严格意义上的理想表面是不存在的。形成晶体严格意义上的理想表面是不存在的。形成晶体表面时表面时的存在，使得理想表面处于高能的的存在，使得理想表面处于高能的不稳定状态。为了降低表面自由能，表面原子的不稳定状态。为了降低表面自由能，表面原子的位置必然发生变化。这种变化的结果，使得在平位置必然发生变化。这种变化的结果，使得在平行于表面的平面内，表面原子的平移对称性与理行于表面的平面内，表面原子的平移对称性与理想表面显著不同，这种表面结构的变

31、化称为想表面显著不同，这种表面结构的变化称为(surface reconstruction)(surface reconstruction)。p表面驰豫表面驰豫 晶体的三维周期性在表面处中断，表面上原晶体的三维周期性在表面处中断，表面上原子的配位情况发生了变化，并且表面原子附近子的配位情况发生了变化，并且表面原子附近的电荷分布也有改变，使的电荷分布也有改变，使表面原子所在的力场表面原子所在的力场与体内原子不同与体内原子不同。因此，表面上的原子会发生。因此，表面上的原子会发生相对正常位置的上或下的位移，以降低体系的相对正常位置的上或下的位移，以降低体系的能量。表面原子的这种位移称为能量。表面原子

32、的这种位移称为表面驰豫表面驰豫(surface relaxation)(surface relaxation)。2. 2. 实际晶体的表面结构特征实际晶体的表面结构特征p表面台阶结构表面台阶结构2. 2. 实际晶体的表面结构特征实际晶体的表面结构特征p吸附表面吸附表面 与体相原子不同，固体表面的原子有一部分与体相原子不同，固体表面的原子有一部分键被切断，以悬空键键被切断，以悬空键(dangling bonds)(dangling bonds)的形式存的形式存在，使表面具有较高的自由能。为降低表面自由在，使表面具有较高的自由能。为降低表面自由能，除表面原子几何位置发生变化能，除表面原子几何位置发

33、生变化( (表面重构和表面重构和表面驰豫表面驰豫) )以外，还通过吸附外来原子或分子来以外，还通过吸附外来原子或分子来降低表面自由能，以使表面处于更稳定的状态。降低表面自由能，以使表面处于更稳定的状态。物理吸附、化学吸附物理吸附、化学吸附2. 2. 实际晶体的表面结构特征实际晶体的表面结构特征二、晶体中的晶界二、晶体中的晶界从晶体几何学的角度来从晶体几何学的角度来看，两晶粒交接后，各看，两晶粒交接后，各晶粒原子排列的位向差晶粒原子排列的位向差的角度称为的角度称为晶界角晶界角。 相邻晶粒间的界面称为相邻晶粒间的界面称为晶界晶界相邻两个晶粒的取向差小于相邻两个晶粒的取向差小于1010 时，其界面称

34、为小角度晶界。时，其界面称为小角度晶界。1. 1.小角度晶界及其模型小角度晶界及其模型二、晶体中的晶界二、晶体中的晶界2. 2.大角度晶界及其模型大角度晶界及其模型 相邻晶粒的位向差大于相邻晶粒的位向差大于1010 F 过冷液体模型过冷液体模型 可解释晶界扩散速度比晶内快的事实。可解释晶界扩散速度比晶内快的事实。 无法解释有些晶界扩散的各向异性以及晶界范无法解释有些晶界扩散的各向异性以及晶界范围较窄，只有围较窄，只有2 23 3个原子宽的现象。个原子宽的现象。二、晶体中的晶界二、晶体中的晶界F小岛模型小岛模型 莫特莫特(Mott) (Mott) 认为在大角度晶界区存在原子排列认为在大角度晶界区

35、存在原子排列匹配较好，具有晶态特征的匹配较好，具有晶态特征的“岛岛”，其尺寸在几，其尺寸在几个几十个原子之间。它们分布在原子匹配较差，个几十个原子之间。它们分布在原子匹配较差，具有接近非晶特征的具有接近非晶特征的“海海”中。中。 小岛模型小岛模型，还因为还因为“岛岛”具有晶态的各向异性，而具有晶态的各向异性，而。 葛庭燧对大角度晶界提出过葛庭燧对大角度晶界提出过无序群模型无序群模型，认为，认为大角度晶界中有排列比较整齐的区域，也有较为大角度晶界中有排列比较整齐的区域，也有较为疏松的区域。疏松区域被称为无序群，类似非晶疏松的区域。疏松区域被称为无序群，类似非晶态，有较大的流动性。态，有较大的流动

36、性。 这个模型与莫特模型有异曲同工之处，葛庭这个模型与莫特模型有异曲同工之处，葛庭燧注重的是无序群，即莫特模型中的燧注重的是无序群，即莫特模型中的“海海”；而；而莫特关注的重点则是莫特关注的重点则是“岛岛”。F晶界重合位置点阵模型晶界重合位置点阵模型3. 3. 晶界能及其来源晶界能及其来源 单位面积晶界界面的能量称之为单位面积晶界界面的能量称之为晶界能晶界能，一般在，一般在13J/m13J/m2 2 (10003000erg/cm(10003000erg/cm2 2) )。高的晶界能导致化学反应和结构转变。高的晶界能导致化学反应和结构转变。 来源来源：界面处的原子排列混乱，晶格畸变严重，导致体

37、系能量：界面处的原子排列混乱，晶格畸变严重，导致体系能量升高。升高。三、晶粒尺寸的测量三、晶粒尺寸的测量四、晶界扩散四、晶界扩散 实验发现，在晶粒界扩散的激活能大体是在通常意义的体实验发现，在晶粒界扩散的激活能大体是在通常意义的体扩散的一半。这样，在同一温度下沿晶粒界的扩散速度一般比扩散的一半。这样，在同一温度下沿晶粒界的扩散速度一般比通常意义的体扩散的高。通常意义的体扩散的高。1. 1. 相界面相界面C共格界面共格界面 两相在某种晶面上具有两相在某种晶面上具有相同相同的原子排列方式及相近的原子间的原子排列方式及相近的原子间距距时，两相的晶格在界面上能够时，两相的晶格在界面上能够相互衔接，一一

38、对应，这种界面相互衔接，一一对应，这种界面称为称为。 共格相界面的晶格畸变较小，共格相界面的晶格畸变较小，还不足以破坏其共格的形式。还不足以破坏其共格的形式。五、其它面缺陷五、其它面缺陷A半共格界面半共格界面B非共格界面非共格界面2. 2. 堆垛层错堆垛层错F层错的产生机制：空位群塌陷、插入原子层、位错层错的产生机制：空位群塌陷、插入原子层、位错 交互作用等。大小在交互作用等。大小在0.10.3J/m0.10.3J/m2 2F通过合金化可以改变层错能通过合金化可以改变层错能G为 什为 什么层错么层错能明显能明显低于晶低于晶界界 能？能？3. 3.倾转晶界倾转晶界4. 4.扭转晶界扭转晶界 由螺

39、型位错有序排列而成，为小角度扭转晶界。由螺型位错有序排列而成，为小角度扭转晶界。如果位错密度增加，导致晶粒取向差角如果位错密度增加，导致晶粒取向差角 2020 时，时，晶界就发展称为大角度晶界。晶界就发展称为大角度晶界。5. 5.孪晶界孪晶界F界面上点阵自然地完全界面上点阵自然地完全匹配，不存在点阵畸变。匹配，不存在点阵畸变。F孪晶的出现破坏了完整孪晶的出现破坏了完整晶体中原子排列的本来顺序。晶体中原子排列的本来顺序。是一种面缺陷。是一种面缺陷。F孪晶面的出现，常常与孪晶面的出现，常常与晶体中某些晶面的堆垛顺序晶体中某些晶面的堆垛顺序的变化相联系。的变化相联系。(六六) 界面能对晶粒、相形貌的

40、影响界面能对晶粒、相形貌的影响 (补充知识补充知识) 界面和位错都使体系的自由能升高。从热力界面和位错都使体系的自由能升高。从热力学定律可知，界面总是有缩小的趋势，或者降低学定律可知，界面总是有缩小的趋势，或者降低总界面能的趋势，因此界面能的大小在一定程度总界面能的趋势，因此界面能的大小在一定程度上影响着各种晶体组织的形态。上影响着各种晶体组织的形态。1. 1. 单相组织平衡晶界特点单相组织平衡晶界特点(六六) 界面能对晶粒、相形貌的影响界面能对晶粒、相形貌的影响2. 2. 复相组织复相组织第二相分布在基体晶粒内第二相分布在基体晶粒内第二相分布在基体两晶粒第二相分布在基体两晶粒 的晶界上的晶界

41、上第二相分布在基体三晶粒第二相分布在基体三晶粒 的交界上的交界上(六六) 界面能对晶粒、相形貌的影响界面能对晶粒、相形貌的影响3. 3. 晶界的运动晶界的运动p当不同晶粒之间存在自由能差别时，则晶界有运当不同晶粒之间存在自由能差别时，则晶界有运动的趋势，其速率取决于晶界两侧化学位梯度。动的趋势，其速率取决于晶界两侧化学位梯度。利用晶界迁移可以使系统的自由能降低。利用晶界迁移可以使系统的自由能降低。p影响晶界迁移速率的因素：溶质、第二相质点影响晶界迁移速率的因素：溶质、第二相质点( (尺尺寸、大小、分布、体积分数等寸、大小、分布、体积分数等) )。(六六) 界面能对晶粒、相形貌的影响界面能对晶粒

42、、相形貌的影响F晶界吸附晶界吸附4. 4. 界面的性质界面的性质(六六) 界面能对晶粒、相形貌的影响界面能对晶粒、相形貌的影响F化学成分在界面偏聚化学成分在界面偏聚 正偏聚正偏聚 负偏聚负偏聚影响界面偏聚的因素影响界面偏聚的因素。4. 4. 界面的性质界面的性质晶界偏聚的特点晶界偏聚的特点p一定的溶质浓度，在一定温度下对应有一定的平衡晶一定的溶质浓度，在一定温度下对应有一定的平衡晶界偏聚量。界偏聚量。p温度升高时，这种偏聚趋于消失。温度升高时，这种偏聚趋于消失。p晶界的平衡偏聚量悬殊很大，溶质元素在晶界的浓度晶界的平衡偏聚量悬殊很大，溶质元素在晶界的浓度可比晶内的浓度高可比晶内的浓度高1010

43、10001000倍。倍。p平衡偏聚的活质原子在晶界上是很薄的一层，只有平衡偏聚的活质原子在晶界上是很薄的一层，只有1 12 2个或几个原子间距的宽度，晶界层的厚度相当薄。个或几个原子间距的宽度，晶界层的厚度相当薄。晶界偏聚的意义晶界偏聚的意义 晶界偏聚对材料的许多性能(如强韧性、晶间腐蚀、应力腐蚀、蠕变断裂强度、钢的回火脆性、钢的淬透性等)都有重要影响。 F晶界偏聚是造成某些钢的晶间断裂的主要原因之一。F晶界偏聚有时也能改善材料的性能。如1979年日本的青木发现在金属间化合物Ni3Al中加入0.1%的B后，由于B原子在晶界偏聚，从而使其室温塑性大大提高。F在低、中碳钢中加入微量的B(0.000

44、5%0.003%)能显著提高钢的淬透性，可以代替一些昂贵的合金元素，如Cr、Ni、Mo等。F界面有不同于晶内的力学性质界面有不同于晶内的力学性质 一般情况下，在常温下晶界的强度高于晶内，而且晶界一般情况下，在常温下晶界的强度高于晶内，而且晶界阻碍位错的运动，因此细晶粒材料具有较高的强度。高温下阻碍位错的运动，因此细晶粒材料具有较高的强度。高温下晶界的强度低于晶内，因此容易造成沿晶界的流动。晶界的强度低于晶内，因此容易造成沿晶界的流动。F界面有不同于晶内的化学性质界面有不同于晶内的化学性质 因为界面上的原子能量较高，因此化学稳定性较低，容因为界面上的原子能量较高，因此化学稳定性较低，容易受到腐蚀

45、。易受到腐蚀。F界面有不同于晶内的物理性质界面有不同于晶内的物理性质 例如界面将使电阻增大，并可对材料的磁性、光学性质例如界面将使电阻增大，并可对材料的磁性、光学性质等物理性质产生重要的影响。等物理性质产生重要的影响。F界面上的原子具有较高的能量，因此界面的状态界面上的原子具有较高的能量，因此界面的状态有利于原子扩散，并对以扩散为主要待征的物理冶有利于原子扩散，并对以扩散为主要待征的物理冶金过程产生重大影响，如烧结、化学热处理等等。金过程产生重大影响，如烧结、化学热处理等等。F界面的状态有利于新相的形核，在固态相变、再界面的状态有利于新相的形核，在固态相变、再结晶及热处理等过程中起很重要的作用

46、。结晶及热处理等过程中起很重要的作用。第第4节节 体缺陷体缺陷p空洞空洞p夹杂物夹杂物p沉淀相沉淀相第第5节节 金属中的强化机制金属中的强化机制金属强化的基本原理p消除位错消除位错 ( (如理想晶体、晶须如理想晶体、晶须) )p充分提高晶体中的位错密度充分提高晶体中的位错密度p钉扎位错钉扎位错p提高位错移动的阻力提高位错移动的阻力一、固溶强化一、固溶强化 固溶体合金中的溶质原子，固溶体合金中的溶质原子，不论是以置换方式或填隙方不论是以置换方式或填隙方式溶入基体金属，都会对金式溶入基体金属，都会对金属的塑性变形产生影响。主属的塑性变形产生影响。主要表现是使变形抗力提高，要表现是使变形抗力提高，应

47、力应变曲线升高，变形能应力应变曲线升高，变形能力力( (塑性塑性) )下降，这就是下降，这就是“”。固溶强化的本质位错被溶质原子气团钉位错被溶质原子气团钉扎而难于启动，增加了位错滑移的阻力。扎而难于启动，增加了位错滑移的阻力。固溶强化的机理固溶强化的机理F溶质原子与位错的弹性交互作用而形成溶质原子与位错的弹性交互作用而形成科垂耳科垂耳(Cotrell)(Cotrell)气团气团，对位错滑移的阻碍作用，对位错滑移的阻碍作用F溶质原子偏聚区和短程有序对位错运动的阻碍作用。溶质原子偏聚区和短程有序对位错运动的阻碍作用。F溶质原予与扩展位错的化学交互作用而形成溶质原予与扩展位错的化学交互作用而形成铃木

48、气团铃木气团( (溶溶质原子在堆跺层错内偏聚质原子在堆跺层错内偏聚) )，对扩展位错的束集和交滑移，对扩展位错的束集和交滑移的阻碍作用。的阻碍作用。F溶质原子与位错的溶质原子与位错的电交互作用电交互作用，导致溶质原子在刃位错，导致溶质原子在刃位错周围偏聚，这也对位错的滑移产生阻力，引起强化。但周围偏聚，这也对位错的滑移产生阻力，引起强化。但其强化效果不很显著。其强化效果不很显著。二、应变硬化二、应变硬化 应变硬化又称为加工硬化。通常金属经冷加工变形应变硬化又称为加工硬化。通常金属经冷加工变形后，其强度、硬度增加、塑性降低，是材料重要力后，其强度、硬度增加、塑性降低，是材料重要力学行为学行为(

49、(或特性或特性) )之一，具有较大的实际意义。之一，具有较大的实际意义。 1. 1.应变硬化现象应变硬化现象 金属在冷加工过程中，要不断地塑性变形，就需金属在冷加工过程中，要不断地塑性变形，就需要不断增加外应力。这表明金属对塑性变形的抗力要不断增加外应力。这表明金属对塑性变形的抗力是随变形量的增加而增加。这种流变应力随应变的是随变形量的增加而增加。这种流变应力随应变的增加而增加的现象就是增加而增加的现象就是加工硬化加工硬化。应变硬化产生的原因应变硬化产生的原因 位错密度升高，位错形成缠结，位错的运位错密度升高，位错形成缠结，位错的运动能力降低。形成位错胞和亚晶粒。动能力降低。形成位错胞和亚晶粒

50、。 金属变形之前，位错密度一般为金属变形之前，位错密度一般为10106 610107 7cmcm-3-3；当变形程度很大时，位错密度可增加；当变形程度很大时，位错密度可增加到到1010111110101212cmcm-3 -3。 理论研究表明，塑性变形过程中的流变应力理论研究表明，塑性变形过程中的流变应力与位错密度存在一定的的关系与位错密度存在一定的的关系(Baily-Hirsch)(Baily-Hirsch) = = 0 0+aGb+aGb 1/21/2 0 0+K+K 1/21/2 0 0- -形变前的流变应力，形变前的流变应力，G-G-切变模量，切变模量，b-b-位错的柏氏位错的柏氏矢量，矢量，a- a-比例常数比例常数(0.30.5)(0.30.5)。三、晶粒细化强化三、晶粒细化强化 晶粒越细，屈服极限及硬度越高。晶粒度对拉伸晶粒越细，屈服极限及硬度越高。晶粒度对拉伸曲线也