晶体缺陷面缺陷表面与界面级课件

面缺陷类型：

表面(crystalsurface)：固体材料与气体或液体的分界面

内界面(interface)：晶界、亚晶界、孪晶界、相界、层错

晶界(grainboundaries)：位向不同的相邻晶粒之间的界面。

亚晶界(sub-boundaries)：晶粒又可分为更小的亚晶粒。一般晶粒尺寸为15~25μm。亚晶粒尺寸为1μm。亚晶粒之间的界面称为亚晶界。

孪晶界(twinboundaries)：相邻两晶粒的原子，相对一定晶面呈镜面对称排列，这两晶粒间的界面叫孪晶界。

相界(phaseboundaries)

:合金的组织往往由多个相组成，不同的相具有不同的晶体结构和化学成分，两个相之间的界面。

层错(stackingfaults)

:面缺陷类型：13.3.1外表面

表面能(γ）（Surfaceenergy）：晶体表面单位面积自由能的增加

表示法：γ=dw/dsγ=T/Lγ=[被割断的结合键数/形成单位新表面]×[能量/每个键]

影响γ的因素：(1)γ与晶体表面原子排列的致密程度有关。原子密排的表面具有最小的表面能。(2)γ还与晶体表面曲率有关。曲率半径小,曲率大,γ愈大。(3)外部质的性质。介质不同,则γ不同。(4)还与晶体性质有关。晶体本身结合能高，则γ大。（离子晶体表面）3.3.1外表面表面能(γ）（Surfaceen23.3.2晶界和亚晶界

晶界(grainboundary)：属于同一固相但位向不同的晶粒之间的界面。亚晶界(subgrainboundary)：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。在晶粒内部还存在许多位向差极小（<1o）的亚结构，称为亚晶粒

确定晶界位置：(1)两晶粒的位向差θ;(2)晶界相对于一个点阵某一平面的夹角φ。按θ的大小分类：小角度晶界θ<10º，亚晶界均属小角度晶界，一般小于2°;大角度晶界θ>10º，多晶体中90％以上的晶界属于此类。3.3.2晶界和亚晶界晶界(grainboundary31.小角度晶界

小角度晶界（lowanglegrainboundaries）：由一系列相隔一定距离的刃型位错所组成。分类：(1)对称倾斜界面（tiltboundary）：是把晶界两侧晶体互相倾斜的结果。晶界平面为两个相邻晶粒的对称面。是由一列平行的刃型位错所组成。相邻位错距离D与b、θ之间关系：D=b/[2sin(θ/2)]

(2)不对称倾斜界面：两晶粒不以二者晶界为对称的晶界看成两组互相垂直的刃型位错排列而成的。两位错各自的间距为D⊥和D├，则有3.40式。

(3)扭转晶界（twistboundary）：将一块晶体沿横断面切开,并使上下部分晶体绕轴转动θ角,再与下部分晶体粘在一起形成。可看成是由互相交叉的螺位错所组成。

1.小角度晶界小角度晶界（lowangl42.大角度晶界

大角度晶界（highanglegrainboundaries）为原子呈不规则排列的一过渡层。大多数晶粒之间的晶界都属于大角度晶界。重合位置点阵（coincidencesitelattice）模型：图3.65，该模型说明，在大角度晶界结构中将存在一定数量重合点阵原子。2.大角度晶界大角度晶界（highanglegrain53.晶界能

晶界能：形成单位面时，系统的自由能变化。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。J/㎡。小角度晶界的能量：主要来自位错能量(形成位错的能量和将位错排成有关组态所作的功)，而位密度又决定于晶粒间的位向差，所以晶界能量与θ有关：γ=γ0θ(A－lnθ)

式中γ0=Gb/4п(1－ν)为常数，A为积分常数，取决于位错中心的原子错排能。小角度晶界的晶界能是随位向差增加而增大，但该公式只适用于小角度晶界，而对大角度晶界不适用。大角度晶界能量：与θ无关，基本上为一恒定值,0.25—1.0J/㎡在平衡状态时，三叉晶界的各面角均趋与稳定状态，此时φ1=φ2=φ3=120º。3.晶界能晶界能：形成单位面时，系统的自由能变64.晶界特征

（1）晶界处点畸变大，存在晶界能。（2）晶界处原子排列不规则，常温下晶界的存在会对位错的运动起阻碍运动，使塑型变形抗力提高，使晶体（材料）的硬度和强度提高。产生细晶强化。

（3）晶界处原子具有较高的动能，且晶界处存在大量缺陷。原子在晶界处扩散比晶内快得多。（4）固态相变时易在晶界处形成新核。（5）晶界上富集杂质原子多，熔点低，加热时容易过热和过烧。（6）晶界腐蚀速度比晶内快。（7）晶界具有不同与晶内的物理性质。亚晶界属与小角度晶界，为各种亚结构的交界，大小和尺寸与热加工条件有关。4.晶界特征（1）晶界处点畸变大，存在晶界能。73.3.3孪晶界

孪晶(twin)：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”

孪晶分类：

①共格孪晶面（coherenttwinboundary）：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。

②非共格孪晶面(non-coherenttwinboundary）：孪晶界上只有部分原子为两部分晶体所共有孪晶的形成常常与晶体中的堆垛层错有密切关系，γ高不易形成孪晶。

fcc结构：孪晶面为{111}bcc结构：孪晶面为{112}。

依照形成原因不同分为：变形孪晶、生长孪晶、退火孪晶3.3.3孪晶界孪晶(twin)：两个晶体(或一83.3.4相界

相界（phaseboundary)：具有不同结构的两相之间的分界面。

按相界面上原子间匹配程度分为：共格界面、半共格界面、非共格界面3.3.4相界相界（phaseboundary)：具9

1.共格界面（coherentphaseboundary）：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。

特征：界面两侧的保持一定的位向关系，沿界面两相具有相同或近似的原子排列，两相在界面上原子匹配得好，界面能很低。理想的完全共格界面只有在孪晶面（界）。右图分别为具有完善和弹性畸变的共格关系的界面1.共格界面（coherentphaseboun10

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。所以半共格界面是由共格区和非共格区相间组成。半共格界面上的位错间距取决于相界处两相匹配晶面的错配度(δ):δ＝(αα－αβ)/αα

2.半共格界面（semi-coherentphaseboundary)：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能，这类界面为半共格界面。特征：沿相界面每隔一定距离产生一个刃型位错，除113.非共格界面（noncoherentphaseboundary）：特征：原子不规则排列的薄层为两相的过渡层。相界能包括两部分：弹性畸变能和化学交互作用能。弹性畸变能大小取决于错配度δ（misfitmatch）的大小；化学交互作用能取决于界面上原子与周围原子的化学键结合状况。相界面结构不同，这两部分能量所占的比例不同。对共格相界，界面能以应变能为主；对于非共格相界，界面能以化学能为主且总的界面能较高。从相界能的角度来看，从共格至半共格到非共格依次递增。3.非共格界面（noncoherentphase121、各类缺陷的定义和特征2、点缺陷的类型和平衡浓度公式3、线缺陷的类型（刃型、螺型、混合型位错），刃位错、螺位错和混合位错的判断及其特征。4、柏氏矢量的特征，柏氏矢量与位错的关系5、位错运动及特性、滑移、(双)交滑移、多滑移、攀移、交割、割价、扭折、塞积6、位错的应力场、应变能、线张力、作用在位错上的力7、位