1、面缺陷（surface defects）面缺陷對塑性變形與斷裂，固態相變，材料的力學、物理和化學性能都有重要影響。常見類型：表面、晶界、亞晶界、層錯、孿晶界和相界。 表面原子的另一側無固體中原子的鍵合，配位數少,有空懸的化學鍵。石墨烯片層示意圖 一、表面金屬材料系統與周圍氣相或液相介質的接觸面二、 晶界和亞晶界晶界：屬于同一固相但位向不同的晶粒之間的界面。只有幾個原子間距寬度。一般晶粒尺寸：15-25um亞晶粒：一個晶粒中若干個位向稍有差異的晶粒。亞晶粒尺寸：1um亞晶界：相鄰亞晶粒之間的界面。 晶界分類(根據相鄰晶粒位相差) 小角度晶界相鄰晶粒的位相差小于10亞晶界一般為2左右。大角度晶界

2、相鄰晶粒的位相差大于10 大角度晶界小角度晶界包括傾側晶界、扭轉晶界。一般情況下，小角包括傾側晶界、扭轉晶界。一般情況下，小角晶界由傾側晶界和扭轉晶界混合而成。晶界由傾側晶界和扭轉晶界混合而成。1. 小角度晶界A. 對稱傾斜晶界對稱傾斜晶界為了填補相鄰兩個晶粒取向之間的偏差，每隔幾行就插入一片原子，形成一系列平行的刃位錯。 兩側晶體的位向差為，相當于相鄰晶粒繞001軸反向各自旋轉/2而成。轉軸是001，投影面(001) bbDDb2sin2 ;22sin位錯間距D、b與取向差之間滿足下列關系：結構特點：由兩組相互垂直的刃位錯所組成。B. 不對稱傾斜晶界不對稱傾斜晶界兩個簡單立方晶體繞共同的軸1

3、00相對轉動角后，晶界又繞晶粒的共同軸轉動角而成（具有兩個自由度）。晶界和其中一個晶粒的100軸成/2角，而和另一個晶粒的-100軸成/2 角。c. 扭轉晶界扭轉晶界兩部分晶體繞某一軸在一個共同的晶面上相對扭轉一個角所構成的，扭轉軸垂直于這一共同的晶面結構特點：晶界是由兩組相互垂直的螺位錯構成的網絡 10由位錯構成位錯密度 位向差晶格畸變晶界能位錯密度 決定位向差與晶界能位錯類型與排列方式 決定小角晶界的類型注：推廣：一般的小角度晶界，其旋轉軸和界面可以有任意的取向關系，因此結構特點是由刃位錯、螺位錯或混合位錯組成的二維位錯網所組成。 此為小角度晶界的位錯模型 小角度晶界特點小角度晶界特點晶界

4、兩側的晶粒位向差較大，不能用位錯模型。晶界可視為23(5)個原子的過渡層，有其規律但排列復雜，以相對無序理解。圖 大角度晶界模型2.大角度晶界10以上，一般在3040 大角度晶界能：實際上多晶體的晶界一般為大角度晶界，各晶粒的、位向差大多在30-40左右，實驗測出各種金屬大角度晶界能約在0.25-1.0J/m2范圍內，與晶粒之間位向差無關，大體為定值，如圖所示。三、晶界能：形成單位界面，系統的自由能變化式中, 為常數，取決于材料的切變模量、泊松比和柏氏矢量b；A為積分常數，取決于位錯中心的原子錯排能。小角度晶界能是隨位向差增大而增大。小角度晶界能：主要來自位錯能量(形成位錯的能量和將位錯排成有

5、關組態所做的功)，而位錯密度又決定于晶粒間的位向差，所以，小角度晶界能也和位向差有關:0 (Aln ) 041b（）v與小角度晶界相比，大角度晶界能較高，大致在0.5-0.6J/m2，與相鄰晶粒取向無關。v發現某些特殊取向的大角度晶界的界面能很低，為解釋這些特殊取向的晶界的性質提出了大角度晶界的重合位置點陣模型。 在圖中，大角度晶界中的一些特殊位向，具有1/7重合晶界和1/5重合晶界，其界面能明顯低于普通的大角晶界的界面能。 當兩個相鄰晶粒的位相差為某一值時，若設想兩晶粒的點陣彼此通過晶界向對方延伸，則其中一些原子將出現有規律的相互重合。由這些原子重合位置所組成的比原來晶體點陣大的新點陣，稱為

6、重合位置點陣。1/5重合位置點陣晶界上重合位置越多，即晶界上越多的原子為兩個晶粒所共有，則原子排列的畸變程度就越小，晶界能也相應越低。重合位置點陣模型 應用場離子顯微鏡研究晶界，發現當相鄰晶粒處在某些特殊位向時，不受晶界存在的影響，兩晶粒有1/n的原子處在重合位置，構成一個新的點陣稱為“1/n重合位置點陣”，1/n稱為重合位置密度。 體心立方結構的重合位置點陣 2 33 11 2312sinsinsin在平衡狀態下，三叉晶界各面角均趨于120,此時各晶界能基本相等三個顆粒交界處的界面張力平衡設有兩個設有兩個 晶粒與一個晶粒與一個相晶粒相交于一公共晶棱，并形成三叉晶界，已相晶粒相交于一公共晶棱，

7、并形成三叉晶界，已知知相所張的兩面角為相所張的兩面角為100，界面能，界面能 為為0.31Jm-2，試求，試求 相與相與相的相的界面能界面能 。單相合金的二維截面 對于各向同性的大角度晶界，因為界面能恒定，三個角度均為120度。穩定形狀是6邊形。 加熱時小于六邊形的晶粒要縮小，直至消失。 大于六邊形的晶粒要長大，并逐漸演變為平衡晶粒形貌。孿晶界：兩晶粒沿公共晶面形成鏡面對稱關系二、 孿晶界和相界孿晶界相界：相鄰兩相之間的界面按結構特點：共格、半共格、非共格相界 1. 共格界面F界面上的原子同時位于兩相晶格的結點上，即兩相的晶格是彼此銜接的，界面上的原子為兩者共有。F特征：沿界面兩相具有相同或近

8、似的原子排列，兩相原子在界面上匹配得好，界面能很低。F理想的完全共格界面，只有在孿晶界，且孿晶界即為孿晶面時才可能存在。 2. 半共格界面F兩相在相界處的晶面間距相差較大，界面上兩相原子只能部分地保持匹配，這樣的界面稱為半共格界面或部分共格界面。F特征：沿相界面每隔一定距離產生一個刃型位錯，除刃型位錯線上的原子外，其余原子都是共格的。由共格區和非共格區相間組成。3. 非共格界面當兩相在相界面處的原子排列相差很大時,只能形成非共格界面。3、孿晶界(twin boundary)孿晶界是晶界中最簡單的一種孿晶關系指相鄰兩晶粒或一個晶粒內部相鄰兩部分沿一個公共晶面(孿晶界)構成鏡面對稱的位向關系孿晶界

9、上的原子同時位于兩個晶體點陣的結點上，為孿晶的兩部分晶體所共有，這種形式的界面稱為共格界面。 3、孿晶界 孿晶界v孿晶的形成與堆垛層錯有密切關系。面心立方按ABCABCABC順序堆垛起來，如果從某一層開始其堆垛順序發生顛倒，如圖。v按ABCABCACBACBA堆垛，則上下兩部分晶體形成了鏡面對稱的孿晶關系。 孿晶界共格孿晶界即孿晶面上原子沒有發生錯排，不會引起彈性應變，故界面能很低，如圖。例如Cu的共格孿晶界的界面能僅為0.025J/m2，但非共格孿晶界的能量較高，接近大角度晶界的1/2。 共格、非共格孿晶 共格孿晶界：界面上原子正好在兩側晶粒點陣位置上多通過形變后退火而形成，與堆垛層錯密切相關，如fcc(111)面通常是ABCABCABC，從某一層開始堆垛變成ABC ACBACBA 則形成孿晶，CAC為堆垛層錯界面。非共格孿晶界：由許多位錯構成晶界缺陷多能量高結構復雜畸變能1）