1、第三講 實際金屬的晶體結構第三節 實際金屬的晶體結構一、 主要內容：晶體缺陷的概念，研究晶體缺陷的意義，晶體缺陷的種類點缺陷的概念、種類，點缺陷產生的原因，晶格畸變的概念，間隙原子，置換原子，晶格空位，線缺陷的概念，線缺陷的種類，刃型位錯、螺型位錯的特征，正刃型位錯、負刃型位錯，左螺型位錯、右螺型位錯，混合型位錯，位錯周圍的應力場，位錯周圍的晶格畸變，柏氏矢量的概念，柏氏矢量的確定、表示方法，用柏氏矢量判斷位錯的類型，位錯密度，位錯在晶體中的特性。面缺陷的種類，晶體表面，晶界，小角度晶界，大角度晶界，亞晶界，堆垛層錯，相界，晶界的特性。二、 要點：缺陷的概念及缺陷的種類。三、 方法說明;晶體內

2、部的缺陷確實存在，晶體內部的缺陷對金屬的性能有很大的影響甚至起著決定性的作用。應該了解晶界與相界的區別，晶界的特性。重點概念：是晶格畸變，間隙原子，置換原子，位錯，亞結構。 難點：是螺型位錯，用模型講述會更清楚。授課內容：一、 點缺陷點缺陷的類型及特點：金屬晶體中常見的點缺陷有：空位、間隙原子、置換原子等。晶體中位于晶格結點上的原子并非靜止不動的，而是以其平衡位置為中心作熱運動。當某一瞬間，某個原子具有足夠大的能量，克服周圍原子對它的制約，跳出其所在的位置，使晶格中形成空結點，稱空位。擠入間隙的原子叫間隙原子；占據在原來晶格結點的異類原子叫置換原子。1、空位空位是一種熱平衡缺陷,即在一定溫度下

3、,空位有一定的平衡濃度。空位在晶體中的位置不是固定不變的,而是不斷運動變化的。空位是由原子脫離其平衡位置而形成的，脫離平衡位置的原子大致有三個去處：(1)遷移到晶體表面上,這樣所產生的空位叫肖脫基空位；(2)遷移到晶格的間隙中,這樣所形成的空位叫弗蘭克爾空位；(3)遷移到其他空位處,這樣雖然不產生新的空位,但可以使空位變換位置。晶格畸變：由于空位的存在。其周圍原子失去了一個近鄰原子而使相互間的作用失去平衡，因而它們朝空位方向稍有移動，偏離其平衡位置，就會在空位周圍出現一個涉及幾個原子間距范圍的彈性畸變區，叫晶格畸變。2、間隙原子處于晶格間隙中的原子即為間隙原子。在形成弗蘭克爾空位的同時,也形成

4、一個間隙原子，另外溶質原子擠入溶劑的晶格間隙中后，也稱為間隙原子,他們都會造成嚴重的晶體畸變。間隙原子也是一種熱平衡缺陷，在一定溫度下有一平衡濃度，對于異類間隙原子來說，常將這一平衡濃度稱為固溶度或溶解度。3、置換原子占據在原來基體原子平衡位置上的異類原子稱為置換原子。由于原子大小的區別也會造成晶格畸變，置換原子在一定溫度下也有一個平衡濃度值，一般稱之為固溶度或溶解度，通常它比間隙原子的固溶度要大的多。二、 線缺陷線缺陷的類型及特點：線缺陷有刃型位錯，螺型位錯和混合型位錯1、刃型位錯的定義：晶體中已滑移區與未滑移區的邊界線（即位錯線）若垂直于滑移方向，則會存在一多余半排原子面，它象一把刀刃插入

5、晶體中，使此處上下兩部分晶體產生原子錯排，這種晶體缺陷稱為刃型位錯。多余半排原子面在滑移面上方的稱正刃型位錯，記為“”；相反，半排原子面在滑移面下方的稱負刃型位錯，記為“”。2、刃型位錯的結構特征1）有一額外的半原子面，分正和負刃型位錯；2）可理解為是已滑移區與未滑移區的邊界線，可是直線也可是折線和曲線，但它們必與滑移方向和滑移矢量垂直；3）只能在同時包含有位錯線和滑移矢量的滑移平面上滑移； 4）位錯周圍點陣發生彈性畸變，有切應變，也有正應變；5）位錯畸變區只有幾個原子間距，是狹長的管道，故是線缺陷。 3、螺型位錯的定義晶體中已滑移區與未滑移區的邊界線（即位錯線）若平行于滑移方向，則在該處附近

6、原子平面已扭曲為螺旋面，即位錯線附近的原子是按螺旋形式排列的，這種晶體缺陷稱為螺型位錯。根據原子旋轉方向的不同,螺型位錯可分為左螺型和右螺型位錯,通常用拇指代表螺旋前進方向，其余四指代表螺旋方向，符合右手法則的稱右螺旋位錯；符合左手法則的稱為左螺旋位錯。4、螺型位錯的結構特征 1）無額外的半原子面，原子錯排程軸對稱，分右旋和左旋螺型位錯；2）一定是直線，與滑移矢量平行，位錯線移動方向與晶體滑移方向垂直；3）滑移面不是唯一的，包含螺型位錯線的平面都可以作為它的滑移面；4）位錯周圍點陣也發生彈性畸變，但只有平行于位錯線的切應變而無正應變，即不引起體積的膨脹和收縮；5）位錯畸變區也是幾個原子間距寬度

7、，同樣是線位錯。5、刃型位錯與螺形位錯的不同(1)螺形位錯沒有額外半原子面；刃形位錯有一個額外半原子面。(2)螺形位錯線是一個具有一定寬度的細長的晶格畸變管道,其中只有切應變,而無正應變；刃形位錯線是一個具有一定寬度的細長晶格畸變管道,其中既有正應變,又有切應變。(3)位錯線與滑移方向平行,位錯線運動的方向與位錯線垂直；位錯線與晶體滑移的方向垂直,即位錯線運動的方向垂直于位錯線6、混合型位錯晶體中已滑移區與未滑移區的邊界線（即位錯線）既不平行也不垂直于滑移方向，即滑移矢量與位錯線成任意角度，這種晶體缺陷稱為混合型位錯。混合型位錯可分解為刃型位錯分量和螺型位錯分量，它們分別具有刃型位錯和螺型位錯

8、的特征。位錯的易動性    晶體中位錯處的原子處于高能不穩定狀態，因此在切應力作用下原子很容易移動。含有位錯晶體的滑移過程實質上是位錯的運動過程，此過程中原子實際的位移距離遠小于原子間距，這種滑移要比兩個相鄰原子面整體相對移動（即剛性滑移）容易得多。7、柏氏矢量柏氏矢量的確定柏氏矢量可通過柏氏回路來確定。在含有位錯的實際晶體中作一個包含位錯發生畸變的回路，然后將這同樣大小的回路置于理想晶體中，此時回路將不能封閉，需引一個額外的矢量b連接回路，才能使回路閉合，這個矢量b就是實際晶體中位錯的柏氏矢量。1）右手法則刃型位錯的柏氏矢量與位錯線垂直，其正負可用右手法則確定，

9、如圖所示。 （通常先人為地規定位錯線的方向，然后用右手食指表示位錯線的方向，中指表示柏氏矢量的方向，當拇指向上是為正刃型位錯，向下時為負刃型位錯。）螺型位錯的柏氏矢量與位錯線平行，且規定柏氏矢量與位錯線正向平行的為右旋；反向平行的為左旋。8、柏氏矢量的特征1）用柏氏矢量可判斷位錯的類型。柏氏矢量與位錯線垂直者為刃型位錯，平行者為螺型位錯，既不垂直又不平行者為混合位錯。2）柏氏矢量反映位錯區域點陣畸變總累積的大小。柏氏矢量越大，位錯周圍晶體畸變越嚴重。3）用柏氏矢量可以表示晶體滑移的方向和大小。位錯運動導致晶體滑移時，滑移量大小即柏氏矢量b，滑移方向即為柏氏矢量的方向。 4）一條位錯線具有唯一的

10、柏氏矢量。它與柏氏回路的大小和回路在位錯線上的位置無關，位錯在晶體中運動或改變方向時，其柏氏矢量不變。 5）若位錯可分解，則分解后各分位錯的柏氏矢量之和等于原位錯的柏氏矢量。6）位錯可定義為柏氏矢量不為零的晶體缺陷，它具有連續性，不能中斷于晶體內部。其存在形態可形成一個閉合的位錯環，或連接于其他位錯，或終止在晶界，或露頭于晶體表面。三、 面缺陷晶體中面缺陷的類型與特點1、 表面與界面    晶體材料中存在著許多界面，如（外）表面與內界面等。界面通常包含幾個原子層厚的區域，該區域內的原子排列甚至化學成分往往不同于晶體內部，又因其在三維空間表現為一個方向上尺寸很小，另

11、外兩個方向上尺寸較大，故稱為面缺陷。    表面是指固體材料與氣體或液體的分界面；而內界面包括晶界、孿晶界、亞晶界、相界及層錯等。界面的存在對晶體的力學、物理和化學等性能產生著重要的影響。    晶體內部的原子處于其他原子的包圍中，周圍原子對它的作用力對稱分布，因此它處于均勻的力場中，總合力為零，處于能量最低的狀態。而表面原子卻不同，它與氣相(或液相)接觸，處于不均勻的力場之中，其能量較高，高出的能量稱為表面自由能，實驗測定其數值大約為晶界能的三倍，對于日常廣泛應用的大塊材料來說，它們的比表面(單位體積晶體的表面積)很小，因此表面對晶

12、體性能的影響不如晶界重要。但是對于多孔物質或粉末材料，它們的比表面很大，此時表面能就成為不可忽略的重要因素。    從原子結合的角度看，晶體表面結構的主要特點是存在著不飽和鍵力及范德瓦耳斯力。不論是金屬晶體，離子晶體、或者是共價晶體，由于表面原子的近鄰原子數減少，其相應的結合鍵數也減少，或者說，結合鍵尚未飽和，因此表面原子有強烈的傾向與環境中的原子或分子相互作用，發生電子交換，使結合鍵趨于飽和。晶體表面的范德瓦耳斯力可以作如下理解：晶體表層原子在不均勻力場作用下會偏離其平衡位置而移向晶體內部，但是正、負離子(或正、負電荷)偏離的程度不同，結果在晶體表面或多或少地產

13、生了雙電層。如圖    晶體中不同晶面的表面能數值不同，這是由于表面能的本質是表面原子的不飽和鍵，而不同晶面上的原子密度不同，密排面的原子密度最大，則該面上任一原子與相鄰晶面原子的作用鍵數最少，故以密排面作為表面時不飽和鍵數最少，表面能量低。晶體總是力圖處于最低的自由能狀態，所以一定體積的晶體的平衡幾何外形應滿足表面能總和為最小的原理。自然界的有些礦物或人工結晶的鹽類等常具有規則的幾何外形，它們的表面常由最密排面及次密排面組成，這是一種低能的幾何形態。2、晶界和亞晶界屬于同一固相但位向不同的晶粒之間的界面稱為晶界；而每個晶粒有時又由若干個位向稍有差異的亞晶粒所組成

14、，相鄰亞晶粒間的界面稱為亞晶界。晶粒的平均直徑通常在0.0150.25mm范圍內，而亞晶粒的平均直徑則通常為0.001mm的范圍內。二維點陣中晶界位置可用兩個晶粒的位向差和晶界相對于一個點陣某一平面的夾角來確定。根據相鄰晶粒之間位向差角的大小不同可將晶界分為兩類：1.小角度晶界相鄰晶粒的位向差小于10°的晶界；亞晶界均屬小角度晶界，一般小于2°；2.大角度晶界相鄰晶粒的位向差大于10°的晶界，多晶體中90以上的晶界屬于此類。小角度晶界的結構按照相鄰亞晶粒間位向差的型式不同，小角度晶界可分為傾斜晶界、扭轉晶界和重合晶界等。它們的結構可用相應的模型來描述。1.對稱傾斜

15、晶界對稱傾斜晶界可看作是把晶界兩側晶體互相傾斜的結果。由于相鄰兩晶粒的位向差角很小，其晶界可看成是由一列平行的刃型位錯所構成 。2.不對稱傾斜晶界如果傾斜晶界的界面繞x軸轉了一角度，則此時兩晶粒之間的位向差仍為角，但此時晶界的界面對于兩個晶粒是不對稱的，故稱不對稱傾斜晶界。它有兩個自由度和。該晶界結構可看成由兩組柏氏矢量相互垂直的刃型位錯交錯排列而構成的。3.扭轉晶界扭轉晶界是小角度晶界的一種類型。它可看成是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。該晶界的結構可看成是由互相交叉的螺型位錯所組成 。扭轉晶界和傾斜晶界均是小角度晶界的簡單情況，不同之

16、處在于傾斜晶界形成時，轉軸在晶界內；扭轉晶界的轉軸則垂直于晶界。一般情況下，小角度晶界都可看成是兩部分晶體繞某一軸旋轉一角度而形成的，只不過其轉軸既不平行于晶界也不垂直于晶界。對于這樣的小角度晶界，可看作是由一系列刃位錯、螺位錯或混合位錯的網絡所構成。大角度晶界的結構    晶粒之間的晶界通常為大角度晶界，如圖3-72。大角度晶界的結構較復雜，原子排列很不規則，有人認為大角度晶界的結構接近于圖示的模型。取向不同的相鄰晶粒的界面不是光滑的曲面，而是由不規則的臺階組成的。分界面上既包含有同時屬于兩晶粒的原子D，也包含有不屬于任一晶粒的原子A；既包含有壓縮區B，也包含有

17、擴張區C。這是由于晶界上的原子同時受到位向不同的兩個晶粒中原子的作用所致。總之，大角度晶界上原子排列比較紊亂，但也存在一些比較整齊的區域。因此，晶界可看成壞區與好區交替相間組合而成。隨著位向差分的增大，壞區的面積將相應增加。純金屬中大角度晶界的寬度一般不超過3個原子間距。    近年來，有人應用場離子顯微鏡研究晶界，提出了大角度晶界的“重合位置點陣”模型，在二維正方點陣中，當兩個相鄰晶粒的位向差為37°時(相當于晶粒2相對晶粒1繞某固定軸旋轉了37°)，設想兩晶粒的點陣彼此通過晶界向對方延伸，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

18、置所組成比原來晶體點陣大的新點陣，通常稱為重合位置點陣。在上述具體圖例中，每5個原子即有一個是重合位置，故重合位置點陣密度為15或稱為15重合位置點陣。3、晶界能晶界上的原子排列是不規則的，存在畸變，從而使系統的自由能增高。晶界能定義為形成單位面積界面時系統自由能的變化(dF/dA)，它等于界面區單位面積的能量減去無界面時該區單位面積的能量。4、晶界的特性1.晶界處點陣畸變大，存在晶界能。晶粒的長大和晶界的平直化都能減少晶界面積，從而降低晶界的總能量，這是一個自發過程。晶粒的長大和晶界的平直化均需通過原子的擴散來實現，因此，溫度升高和保溫時間的增長，均有利于這兩過程的進行。2.晶界處原子排列不

19、規則，在常溫下晶界的存在會對位錯的運動起阻礙作用，致使塑性變形抗力提高，宏觀表現為晶界較晶內具有較高的強度和硬度。晶粒越細,材料的強度越高，這就是細晶強化；高溫下則由于晶界存在一定的粘滯性，易使相鄰晶粒產生相對滑動。3.晶界處原子偏離平衡位置，具有較高的動能，并且晶界處存在較多的缺陷如空穴、雜質原子和位錯等，故晶界處原子的擴散速度比在晶內快得多。4.在固態相變過程中,由于晶界能量較高且原子活動能力較大,所以新相易于在晶界處優先形核.原始晶粒越細,晶界越多,則新相形核率也相應越高。5.由于成分偏析和內吸附現象，特別是晶界富集雜質原子的情況下，往往晶界熔點較低，故在加熱過程中，因溫度過高將引起晶界

20、熔化和氧化，導致“過熱”現象產生。6.由于晶界能量較高、原子處于不穩定狀態，以及晶界富集雜質原子的緣故，與晶內相比晶界的腐蝕速度一般較快。這就是用腐蝕劑顯示金相樣品組織的依據，也是某些金屬材料在使用中發生晶間腐蝕破壞的原因。 5、孿晶界孿晶是指兩個晶體(或一個晶體的兩部分)沿一個公共晶面構成鏡面對稱的位向關系，這兩個晶體就稱為“孿晶(twin)”，此公共晶面就稱孿晶面 ，如圖3-75。孿晶的形成與堆垛層錯有密切關系。例如，面心立方晶體是以111面按ABCABC的順序堆垛而成的，可用表示。如果從某一層開始，其堆垛順序發生顛倒，就成為ABCACBACBA，即 ，則上下兩部分晶體就構成了鏡面對稱的孿

21、晶關系。可以看出CAC處相當于堆垛層錯，接著就按倒過來的順序堆垛，仍屬正常的fcc堆垛順序，但與出現層錯之前的那部分晶體順序正好相反，故形成了對稱關系。孿晶界可分為兩類，共格孿晶界和非共格孿晶界。共格孿晶界就是孿晶面在孿晶面上的原子同時位于兩個晶體點陣的結點上，為兩個晶體所共有，屬于自然地完全匹配是無畸變的完全共格晶面，它的界面能很低，約為普通晶界界面能的110，很穩定，在顯微鏡下呈直線，這種孿晶界較為常見。如果孿晶界相對于孿晶面旋轉一角度，即可得到另一種孿晶界非共格孿晶界。此時，孿晶界上只有部分原子為兩部分晶體所共有，因而原子錯排較嚴重，這種孿晶界的能量相對較高，約為普通晶界的12。依形成原

22、因的不同，孿晶可分為“形變孿晶”、“生長孿晶”和“退火孿晶”等。正因為孿晶與層錯密切相關，一般層錯能高的晶體不易產生孿晶。 6、相界具有不同結構的兩相之間的分界面稱為“相界”。按結構特點，相界面可分為共格相界、半共格相界和非共格相界三種類型。1）共格相界所謂“共格”是指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。它是一種無畸變的具有完全共格的相界，其界面能很低。但是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。對相界而言，其兩側為兩個不同的相，即使兩個相的晶體結構相同，其點陣常數也不可能相等，因此在形成共格界面時，必然在相界附近產生一定的彈性畸變，晶面間距較小者發生伸長，較大者產生壓縮，以互相協調，使界面上原子達到匹配。顯然，這種共格相界的能量相對于具有完善共格關系的界面（如孿晶界）的能量要高。2）半共格相界 若兩相鄰晶體在相界面處的晶面間距相差較大，則在相界面上不可能做到完全的一一對應，于是在界面上將產生一些位錯，以降低界面的彈性應變能，這時界面上兩