第一章第三节实际金属的晶体结构

1、 前面讨论的晶体是所谓的理想晶体，即原子或分子在空间呈绝对规则的排列。但实际上晶体的某些区域总是存在原子或分子的不规则排列，这便是晶体结构缺陷，以下简称晶体缺陷。 晶体缺陷对晶体的性能和物理化学变化（如强度、塑性、扩散、固态相变等）都有着重大的影响。多晶体结构多晶体结构单晶体单晶体: : 一块晶体材料，其内部一块晶体材料，其内部的晶体位向完全一致时，即的晶体位向完全一致时，即整个材料是一个晶体，这块整个材料是一个晶体，这块晶体就称之为晶体就称之为“单晶体单晶体”，实用材料中如半导体集成电实用材料中如半导体集成电路用的单晶硅、专门制造的路用的单晶硅、专门制造的晶须和其他一些供研究用的晶须和其他一

2、些供研究用的材料。材料。 多晶体多晶体: : 实际应用的工程材料实际应用的工程材料中，哪怕是一块尺寸很小中，哪怕是一块尺寸很小材料，绝大多数包含着许材料，绝大多数包含着许许多多的小晶体，每个小许多多的小晶体，每个小晶体的内部，晶格位向是晶体的内部，晶格位向是均匀一致的，而各个小晶均匀一致的，而各个小晶体之间，彼此的位向却不体之间，彼此的位向却不相同。称这种由多个小晶相同。称这种由多个小晶体组成的晶体结构称之为体组成的晶体结构称之为“多晶体多晶体”。 晶粒：晶粒：多晶体材料中每个多晶体材料中每个小晶体的外形多为不规则小晶体的外形多为不规则的颗粒状，通常把它们叫的颗粒状，通常把它们叫做做“晶粒晶粒

3、”。 晶界：晶界：晶粒与晶粒之间的晶粒与晶粒之间的分界面叫分界面叫“晶粒间界晶粒间界”，或简称或简称“晶界晶界”。为了适。为了适应两晶粒间不同晶格位向应两晶粒间不同晶格位向的过渡，在晶界处的原子的过渡，在晶界处的原子排列总是不规则的。排列总是不规则的。 晶体结构缺陷的类型晶体结构缺陷的类型缺陷的缺陷的类型类型点缺陷点缺陷线缺陷线缺陷面缺陷面缺陷其特点是在三维方向上的尺寸都很小，缺陷的尺寸处在一、两个原子大小的级别，又称零维缺陷，例如空位，间隙原子和杂质原子等。其特点是仅在一维方向上的尺寸较大，而另外二维方向上的尺寸都很小，故也称一维缺陷，通常是指位错。其特点是仅在二维方向上的尺寸较大，而另外一

4、维方向上的尺寸很小，故也称二维缺陷，例如晶体表面、晶界和相界面等。 点缺陷点缺陷 间隙原子、空位、置换原子面缺陷面缺陷 晶体表面、晶粒间界、相界面线缺陷线缺陷 位错1、空位、空位形成原因：形成原因：原子的热运动 导致能量起伏 使一些原子脱离原有位置 迁移到别处 在原位形成的空结点脱离平衡位置的原子去处脱离平衡位置的原子去处：移至表面 、间隙 或其它空位弗兰克尔空位：弗兰克尔空位：在晶格内原子热振动时，一些能量足够大的原子离开平衡位置后，进入晶格点的间隙位置，变成间隙原子，而在原来的位置上形成一个空位，这种缺陷称为弗兰克尔空位，如图(a)所示肖脱基空位肖脱基空位: :如果正常格点上的原子，热起伏

5、过程中获得能量离开平衡位置，跳跃到晶体的表面，在原正常格点上留下空位，这种缺陷称为肖脱基空位，如图(b)所示。 弗兰克尔缺陷弗兰克尔缺陷肖脱基缺陷肖脱基缺陷处于不断的运动、消失和形成过程中 可以 遇到周围空位 换位 迁移至晶体表面 消失 遇到间隙原子 消失空位的移动空位的移动空位的浓度空位的浓度浓度随温度变化而改变浓度随温度变化而改变 温度高 浓度提高 温度低 浓度下降平衡浓度很小平衡浓度很小2、间隙原子、间隙原子处于晶格间隙中的原子间隙原子可以为晶格中的原子 也可能为异类原子产生晶格畸变是一种热平衡缺陷 -平衡浓度为固溶度或溶解度3、置换原子、置换原子占据原来基本原子平衡位置的异类原子产生晶

6、格畸变是一种热平衡缺陷 -平衡浓度为固溶度或溶解度 线缺陷就是各种类型的位错。它是指晶体中的原子发生了有规律的错排现象。其特点是原子发生错排的范围只在一维方向上很大，是一个直径为35个原子间距，长数百个原子间距以上的管状原子畸变区。1 1、刃型位错、刃型位错形成及定义形成及定义（图1-33） ： 晶体在大于屈服值的切应力作用下，以ABCD面为滑移面发生滑移。EF是晶体已滑移部分和未滑移部分的交线，犹如砍入晶体的一把刀的刀刃，即刃位错（或棱位错）。几何特征：几何特征： 位错线与原子滑移方向相垂直；位错线与原子滑移方向相垂直；滑移面上部位错线周围原子受压滑移面上部位错线周围原子受压应力作用，原子间

7、距小于正常晶应力作用，原子间距小于正常晶格间距；滑移面下部位错线周围格间距；滑移面下部位错线周围原子受张应力作用，原子间距大原子受张应力作用，原子间距大于正常晶格间距。于正常晶格间距。分类：分类：正刃位错，正刃位错， “ ” ；负刃位错，负刃位错， “T” 。符号中水平线代表滑移面，垂直符号中水平线代表滑移面，垂直线代表半个原子面。线代表半个原子面。刃型位错的重要特征：刃型位错有一额外半原子面位错线是一个具有一定宽度的细长晶格畸变管道，其中有正应力也有切应变，对于正刃型位错，滑移面之上晶格受到压应力，滑移面上受到拉应力，负刃型位错正好相反位错线与晶体的滑移方向相垂直。位错线运动的方向垂直于位错

8、线。形成及定义形成及定义（图（图1-35） ： 晶体在外加切应力晶体在外加切应力 作作用下，沿用下，沿ABCD面滑移，面滑移，图中图中EF线为已滑移区与未线为已滑移区与未滑移区的分界处。由于位滑移区的分界处。由于位错线周围的一组原子面形错线周围的一组原子面形成了一个连续的螺旋形坡成了一个连续的螺旋形坡面，故称为螺型位错。面，故称为螺型位错。2 2、螺型位错螺型位错几何特征：几何特征：位错线与原子滑移方向相平行；位错线周围原子的位错线与原子滑移方向相平行；位错线周围原子的配置是螺旋状的。配置是螺旋状的。分类：分类：有左、右旋之分，根据螺旋面旋转方向，符合右手法则有左、右旋之分，根据螺旋面旋转方向

9、，符合右手法则（即以右手拇指代表螺旋面前进方向，其他四指代表螺旋面的（即以右手拇指代表螺旋面前进方向，其他四指代表螺旋面的旋转方向）的称右旋螺型位错。旋转方向）的称右旋螺型位错。螺型位错的重要特征：螺型位错没有额外半原子面位错线是一个具有一定宽度的细长晶格畸变管道，其中只有切应变，没有正应力位错线与晶体的滑移方向相平行。位错线运动的方向垂直于位错线。 在外力在外力 作用下，两部分之间发生相对滑移，在晶作用下，两部分之间发生相对滑移，在晶体内部已滑移和未滑移部分的交线既不垂直也不平体内部已滑移和未滑移部分的交线既不垂直也不平行滑移方向（伯氏矢量行滑移方向（伯氏矢量b），这样的位错称为混合位），这

10、样的位错称为混合位错。如错。如图图1-38所示。所示。 位错线上任意一点，经矢量分解后，可分解为刃位错线上任意一点，经矢量分解后，可分解为刃位错和螺位错分量。晶体中位错线的形状可以是任位错和螺位错分量。晶体中位错线的形状可以是任意的，但位错线上各点的伯氏矢量相同，只是各点意的，但位错线上各点的伯氏矢量相同，只是各点的刃型、螺型分量不同而已。的刃型、螺型分量不同而已。 3 3、混合位错混合位错（a）混合位错的）混合位错的形成形成（b）混合位错分解为刃位错）混合位错分解为刃位错和螺位错示意图和螺位错示意图（c）混合位错线附近原）混合位错线附近原子滑移透视图子滑移透视图A 纯螺型位错纯螺型位错B 纯

11、刃型位错纯刃型位错4、柏氏矢量柏氏矢量的确定方法刃型位错的柏氏矢量与其位错线相垂直刃位错的特征螺型位错的柏氏矢量与其位错线相平行螺位错的特征4、柏氏矢量柏氏矢量的特征用柏氏矢量可以判断位错类型用柏氏矢量可以表示位错区域晶格畸变总量的大小用柏氏矢量可以表示晶体滑移的方向和大小一条位错线的柏氏矢量是恒定不变的对于一个位错来说，同时包含位错线和柏氏矢量的晶面是潜在的滑移面。4、柏氏矢量1 1）位错线的连续性）位错线的连续性 位错线不可能中断于晶体内部。在晶体内部，位错线不可能中断于晶体内部。在晶体内部，位错线要么自成环状回路，要么与其它位错相交位错线要么自成环状回路，要么与其它位错相交于节点，要么穿

12、过晶体终止于晶界或晶体表面于节点，要么穿过晶体终止于晶界或晶体表面5、位错密度2 2）位错密度：单位体积内位错线的总长度）位错密度：单位体积内位错线的总长度 =L/V =L/V 式中式中 L L为晶体长度，为晶体长度，n n为位错线数目，为位错线数目，S S晶体截面积。晶体截面积。 一般退火金属晶体中一般退火金属晶体中 为为10 106 610108 8cmcm-2-2数量级，经剧烈冷加工数量级，经剧烈冷加工的金属晶体中，的金属晶体中， 为为10 1010 10101012 12cmcm-2-2SnlSln5、位错密度1、晶体表面影响表面能的因素有：（1）外部介质的性质（2）裸露晶面的原子密度

13、（3）晶体表面的曲率2、晶 界（1 1）小角度晶界）小角度晶界 晶界的结构和性质与相邻晶晶界的结构和性质与相邻晶粒的取向差有关，当取向差粒的取向差有关，当取向差小小于于10 10o o时，称为小角度晶界。时，称为小角度晶界。 根据形成晶界时的根据形成晶界时的操作操作不同，不同，晶界分为倾斜晶界和扭转晶界。晶界分为倾斜晶界和扭转晶界。（2 2）大角度晶界）大角度晶界 相邻晶粒的位向差大于相邻晶粒的位向差大于10 10的晶界。的晶界。大约大约2323个原子厚的薄层，原子排列较个原子厚的薄层，原子排列较混乱，结构较复杂：由原子排列紊乱区混乱，结构较复杂：由原子排列紊乱区域与原子排列较整齐区域交替相间

14、而成。域与原子排列较整齐区域交替相间而成。2、晶 界 晶粒内部位向差小于晶粒内部位向差小于 1 1 的亚结构，也称亚晶粒，的亚结构，也称亚晶粒，亚晶之间的界面，称为亚晶界。亚晶之间的界面，称为亚晶界。通常由位错构成。通常由位错构成。3、亚晶界金属中的亚晶组织金属中的亚晶组织亚晶界通常由位错构成。亚晶界通常由位错构成。亚晶界模型亚晶界模型 晶体结构可以看成由许多密排晶面按一定顺序堆垛而成 晶面堆垛顺序发生局部差错而产生的一种晶体缺陷称为堆垛层错4、堆垛层错相界相界晶界晶界5、相 界不同结构的晶粒之间的界面 界面结构类型界面结构类型: 共格共格界面界面, 半共格半共格, 非共格非共格 共格共格界面

15、界面: 界面上的原子同时位于两相晶界面上的原子同时位于两相晶格的结点上，为两种晶格所共有。格的结点上，为两种晶格所共有。具有完整共格关系的相界具有完整共格关系的相界具有弹性畸变的共格相界具有弹性畸变的共格相界半共格相界半共格相界非共格相界非共格相界能量能量最低最低能量能量最高最高 (1) (1) 晶界有界面能，晶粒越细晶界越多，能量越高，晶界有界面能，晶粒越细晶界越多，能量越高，越不稳定。为降低能量、减少晶界长度，晶粒有长越不稳定。为降低能量、减少晶界长度，晶粒有长大的趋势。大的趋势。( (在一定的温度下在一定的温度下) )(2) (2) 相变时新相晶核往往优先在界面上形成。相变时新相晶核往往优先在界面上形成。6 晶界特性(3) (3) 晶界内吸附现象晶界内吸附现象 即杂质原子向晶界的偏聚。即杂质原子向晶界的偏聚。(4) (4) 晶界对材料的塑性变形起阻碍作用，晶粒越细，晶界对材料的塑性变形起阻碍作用，晶粒越细，界面积越大，材料的强度越高。界面积越大，材料的强度越高。 晶界强化或细晶强化晶界强化或细晶强化(5)(5)晶界由于有界面能，且低熔点杂质含量较高，故晶界由