第一章金属的实际结构和晶体缺陷

一、多晶体结构第二节金属的实际结构和晶体缺陷1实际晶体中由于晶体的生长条件、晶体中原子的热运动、材料加工过程中各种因素的影响，原子的排列不可能这样规则和完整，而是或多或少地存在偏离理想结构的区域。通常把这种偏离平衡位置而出现不完整性的区域称为晶体缺陷。但必须指出，缺陷的存在只是晶体中局部的破坏，它只是一个很小的量，从整体上看晶体还是完整的。二、晶格缺陷2根据晶体缺陷的几何特征，晶体缺陷可分为三类：

（1）点缺陷：

在三维空间各方向上尺寸都很小的缺陷，相当于原子数量级。如：空位、间隙原子、置换原子等。（2）线缺陷：在两个方向上尺寸很小，另外一个方向上的尺寸很大的缺陷，主要指位错。（3）面缺陷：在一个方向上的尺寸很小，另外两个方向上的尺寸很大的缺陷。如：晶界、相界、表面等。

3（一）点缺陷点缺陷的类型（1）空位：肖脱基空位－离位原子进入其它空位或迁移至晶界或表面。弗兰克尔空位－离位原子进入晶体间隙。（2）间隙原子：位于晶体点阵间隙的原子（自间隙原子、异类间隙原子）。（3）置换原子：位于晶体点阵位置的异类原子。4点缺陷的形成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。晶体中存在能量起伏，使得某一瞬间，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。ΔGmBA’A晶格中的势能分布

空位是一种热平衡缺陷。温度越高，空位浓度越大。5点阵畸变：点缺陷的存在，使得周围原子相互之间的作用力失去平衡，为了达到新的平衡，原子需要重新调整其平衡位置，从而使点阵产生弹性畸变，即点阵畸变，又称晶格畸变。点缺陷周围原子偏离了其平衡位置，形成弹性应力场。形成点缺陷后，晶体的内能升高，增加的能量称为点缺陷形成能。6点缺陷的形成与运动（1）平衡点缺陷：热振动中的能力起伏。过饱和点缺陷：外来作用，如高温淬火、辐照、冷加工等。（2）点缺陷的运动（迁移、复合－浓度降低；聚集－浓度升高－塌陷）7点缺陷对晶体性能的影响（1）结构变化：晶格畸变（如空位引起晶格收缩，间隙原子引起晶格膨胀，置换原子可引起收缩或膨胀）。（2）性能变化：物理性能（如电阻率增大）。（3）力学性能（屈服强度提高）。（4）增大扩散系数。8（二）线缺陷

晶体中的线缺陷指各种类型的位错，是晶体中某处一列和若干列原子发生了有规律的错排现象，错排区是细长的管状畸变区域，长度可达几百至几万个原子间距，宽度仅几个原子间距。位错主要有两种模型：一种为刃型位错，一种为螺型位错。位错对材料的塑性变形、强度、断裂等力学性能起着决定性的作用。同时，位错对扩散、相变等过程也有较大的影响。9（1）刃型位错模型：1）有一多余半原子面；

2）位错线┻晶体滑移方向。位错类型10（1）刃型位错11（1）刃型位错12在位错线周围一个有限区域内，原子离开了其平衡位置，即产生了点阵畸变。点阵畸变区出现弹性应力场。（1）点阵畸变在多余半原子面两侧左右对称。（2）在含有半原子面部分，晶体受压应力；在不含半原子面部分，晶体受拉应力。通常把点阵畸变程度大于正常原子间距1/4的区域称为位错宽度，约3～5个原子间距。因此，位错线并不是一条几何上的线，而是以位错线为中心包含几个原子间距的一个狭长管道。（1）刃型位错13分类：正刃型位错（┻）：多余半原子面在上；负刃型位错（┳）：多余半原子面在下。刃型位错的正负之分并无本质区别，只是为了表示两者的相对位置，便于以后讨论。（1）刃型位错14（2）螺型位错screwdislocation模型：1）无多余半原子面；

2）位错线//晶体滑移方向。分类：左螺型位错；右螺型位错。15（2）螺型位错screwdislocation16（2）螺型位错screwdislocation(c)2003Brooks/ColePublishing/ThomsonLearning17（3）混合型位错模型：位错线既不垂直于滑移方向，也不平行于滑移方向。混合型位错可以分解为刃型位错和螺型位错。18位错的性质：1）是已滑移区和未滑移区的边界。2）位错线不能在晶体内部中断。在晶体内，位借可以自成闭合的位错环，或者和其他位错相连接，或者穿过晶体终止在晶界或晶体表面。193位错密度（1）表示方法：ρ＝L/Vρ＝n/A式中

L――位错线的总长度；

V――晶体体积。

A――晶体的截面面积；

n――过A面积的位错线数目。

位错密度的单位为1/m2。一般经过充分退火的金属中位错密度为1010～1012m-2；而经剧烈冷变形的金属中位错密度高达1015～1016m-2以上。203位错密度（2）晶体强度与位错密度的关系

（τ-ρ图）c两种提高工程材料强度的途径：（1）尽量减小位错密度，制造几乎不含位错的结构完整的小晶体，比如晶须（丝状单晶体）。例如直径为1.6µm的铁晶须，其抗拉强度高达13400MN/mm2，而工业纯铁的抗拉强度仅有300MN/mm2；（2）尽量增大位错密度，比如制造非晶态材料。

21位错观察：浸蚀后电镜下观察(c)2003Brooks/ColePublishing/ThomsonLearning22位错观察：浸蚀后电镜下观察23SmithWF.FoundationsofMaterialsScienceandEngineering.McGRAW.HILL.3/E位错观察：浸蚀后电镜下观察24位错组态位错在晶体中的分布形式很多。位错在经充分退火的金属中，相互连接成网络，称之为位错网；也可以垂直排列成小角度晶界；经塑性变形的金属中，位错可以在滑移面上形成塞积群；也可能在夹杂物或沉淀物周围形成位错环；也可能形成更复杂的位错缠结等．25

（三）面缺陷晶体的面缺陷包括晶体的外表面和晶体的内界面（包括晶界、亚晶界、孪晶界、相界、堆垛层错等）。面缺陷对金属的物理性能、化学性能和力学性能都有着重要影响。26

1晶界晶界：两个空间位向不同的相邻晶粒之间的界面。27

1晶界根据相邻晶粒位向差的大小，可把晶界分为小角晶界和大角晶界两种类型：（1）小角度晶界：晶粒位向差小于10°的晶界。其结构为位错列，又分为对称倾侧晶界和扭转晶界。（2）大角度晶界：当两个相邻晶粒之间的位向差大于10°的晶界。28

（1）小角度晶界对称倾侧晶界：晶界结构由一系列间距一定的刃型位错组成。转轴平行于晶界。29（1）小角度晶界对称倾侧晶界对称倾侧晶界：晶界结构由一系列间距一定的刃型位错组成。30

（1）小角度晶界扭转晶界扭转晶界：晶界结构由互相交叉的螺型位错组成，转轴垂直于晶界。31（1）小角度晶界对称倾侧晶界和扭转晶界是小角度晶界的两种简单形式。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。

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（2）大角度晶界其结构为几个原子范围内的原子的混乱排列，可视为一个过渡区。33

（2）大角度晶界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局于两晶粒的原于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。34

晶界是原子或离子扩散的快速通道，也是空位消除的地方，这种特殊作用对固相反应、烧结起重要作用，对陶瓷、耐火材料等多晶材料性能如蠕变、强度等力学性能影响较大。35

（3）界面能小角度晶界界面能：大角度晶界界面能基本为一恒定值。36

2亚晶界亚晶界：位向差小于1度的亚晶粒之间的边界。为刃型位错结构。37

3孪晶界孪晶：孪晶是指相邻两个晶粒或一个晶粒内部的相邻两部分的原子相对于一个公共晶面呈镜面对称排列，此公共晶面称为孪晶面。孪晶界可分为两类：共格孪晶界和非共格孪晶界。孪晶界与孪晶面一致的界面称为共格孪晶界。孪晶界与孪晶面不一致的界面称为非共格孪晶界。在形变过程中和退火过程中容易形成孪晶。38

4相界（1）相界：相邻两个相之间的界面。分类：共格、半共格和非共格相界。39

5界面特性（1）界面能会引起界面吸附。（2）界面上原子扩散速度较快。