材料化学 课件 第二章 晶体结构缺陷-5-面缺陷

第二章晶体结构缺陷2.1概述2.2点缺陷2.3缺陷表示及反应方程式2.4线缺陷及位错2.5面缺陷第五节面缺陷2.5面缺陷2.5.1有关概念2.5.2外表面2.5.3晶界2.5.4相界2.5.1有关概念晶体的面缺陷，是将晶体分成两部分的诸多边界，边界两侧质点的排列不同，但每侧内部晶体结构相同，两侧有不同的取向。这类缺陷的特点是：在一薄层内原子的排列偏离平衡位置。因此，它们的物理、化学和机械性能与规则排列的晶体内部有很大区别。固体材料的边界有如下几种：表面、晶界、相界2.5.2表面晶体表面结构不同于晶体内部。表面质点周围的环境不同于晶体内部质点，配位数少于晶体内部，导致表面原子偏离正常位置，其能量高于晶体内部。晶体表面单位面积能量的增加称为比表面能。吸附会显著改变表面能，所以外表面会吸附外来杂质，与之形成各种化学键，其中物理吸附式依靠分子键，化学吸附式依靠离子键或共价键。陶瓷材料的外表面同理想晶体是有差别的，因为在形成时会受温度、压力、浓度及杂质等外界环境的影响，出现同理想结构发生偏离的现象。这种现象若发生在固体表面则形成表面缺陷，如常有高低不平和微裂纹出现，这些缺陷都会降低固体材料的机械强度。B.当固体受外力作用时，破裂常常从表面开始，实际上是从有表面缺陷的地方开始的，即使表面缺陷非常微小，甚至在一般显微镜下也分辨不出的微细缺陷，都足以使材料的机械强度大大降低。C.由于表面的微细缺陷和表面原子的高能态，使其也极易与环境、其他侵蚀性物质发生化学反应而被腐蚀，所以固体往往都在表面，尤其表面凸起或裂缝缺陷部位首先产生腐蚀现象。D.在生产中，要消除表面缺陷是非常困难的，但可以用表面处理的办法来减少缺陷的暴露，如陶瓷材料的施釉、金属材料的镀层、热处理、涂层等。晶界原子排列示意图晶界：不同位向晶粒与晶粒之间的界面（过渡区）叫“晶粒间界”—简称晶界。2.5.3晶界

根据相邻晶粒之间位向差的大小不同可将晶界分为两类：小角度晶界－相邻晶粒的位向差小于10º的晶界；亚晶界均属小角度晶界，一般小于2º

；大角度晶界－相邻晶粒的位向差大于10º的晶界，多晶体中90％以上的晶界属于此类。2.5.3晶界亚晶界位错结构示意图亚晶界（小角晶界）

：每个晶粒内的晶格位向在不同区域上有微小差别的界面（过渡区），由一系列刃型位错组成。按照相邻亚晶粒之间位向差的型式不同，可将小角度晶界分为倾斜晶界、扭转晶界和重合晶界等。小角对称倾斜晶界的几何模型a.对称倾斜晶界可看作把晶界两侧晶体互相倾斜的结果。2.5.3晶界b．扭转晶界扭转晶界可看成是两部分晶体绕某一轴在一个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。

小角扭转晶界几何模型2.5.3晶界

多晶材料中各晶粒之间的晶界通常为大角度晶界。大角度晶界的结构较复杂，其中原子排列较不规则，不能用位错模型来描述。晶界可看成坏区与好区交替相间组合而成。随着位向差的增大，坏区的面积将相应增加。纯金属中大角度晶界的宽度不超过3个原子间距。

多晶体的晶界一般为大角度晶界，各晶粒的位向差大多在30º-40º左右。2.5.3晶界（a）三个晶粒边界附近的原子没有相同的原子间距或排列2.5.3晶界（b）不锈钢样品中的晶粒和晶界晶界的特性1)晶界处点阵畸变大，存在着晶界能。晶粒的长大和晶界的平直化都能减少晶界面积，从而降低晶界的总能量，这是一个自发过程。然而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，随着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。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。晶粒愈细，材料的强度愈高，这就是细晶强化；而高温下则相反，因高温下晶界存在一定的粘滞性，易使相邻晶粒产生相对滑动。3)晶界处原子的扩散速度比在晶内快得多。这是由于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。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。显然，原始晶粒愈细，晶界愈多，则新相形核率也相应愈高，因此我们要控制晶粒大小。5)由于成分偏析和内吸附现象，特别是晶界富集杂质原子情况下，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。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。

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”，此公共晶面就称孪晶面。

孪晶显微组织照片孪晶几何模型

孪晶界分为两类，即共格孪晶界和非共格孪晶界。两个晶粒的原子在界面上可以一对一地匹配，这种界面叫共格孪晶界，如图（a）。反之，不是一对一地匹配称为非共格孪晶界如图（b）。对称的孪晶界是典型的共格界面。图3-21共格界面与非共格界面示意图共格孪晶界非共格孪晶界金属晶体常采取立方密积结构形式----原子球以三层为一循环的密堆积结构，原子面的排列形式是…ABCABCABCABC…若某一晶面（比如A）在晶体生长时丢失，原子面的排列形式成为：…ABCABCBCABCABC…B晶面便是错位的面缺陷

这一类整个晶面发生错位的缺陷称为堆垛层错

堆垛层错

2.5.4相界相界面是