1、第第3 3章章 晶體缺陷晶體缺陷(Crystal defects)3.1 3.1 晶體缺陷概述晶體缺陷概述(S Summaryummary of crystal defects of crystal defects)晶體缺陷：晶體中偏離理想的完整結(jié)構(gòu)的區(qū)域。晶體缺陷：晶體中偏離理想的完整結(jié)構(gòu)的區(qū)域。化學(xué)缺陷：由局部的成分與基體不同導(dǎo)化學(xué)缺陷：由局部的成分與基體不同導(dǎo)致的缺陷致的缺陷溶質(zhì)原子溶質(zhì)原子晶體晶體缺陷缺陷點(diǎn)陣缺陷：原子排列處于幾何上的混亂點(diǎn)陣缺陷：原子排列處于幾何上的混亂狀態(tài)，與構(gòu)成晶體的元素?zé)o關(guān)的缺陷狀態(tài)，與構(gòu)成晶體的元素?zé)o關(guān)的缺陷按照定義，理想晶體不存在按照定義，理想晶體不存在總有

2、邊界，有點(diǎn)缺陷總有邊界，有點(diǎn)缺陷 晶體缺陷晶體缺陷木桶的短板？木桶的短板？影響性能，可以利用影響性能，可以利用近似完整的，可用確切的幾何模型來(lái)描述近似完整的，可用確切的幾何模型來(lái)描述點(diǎn)缺陷：空位，間隙原子點(diǎn)缺陷：空位，間隙原子線缺陷，即位錯(cuò)：刃型，螺型，混合型線缺陷，即位錯(cuò)：刃型，螺型，混合型面缺陷：堆垛層錯(cuò)、晶界、孿晶界、反面缺陷：堆垛層錯(cuò)、晶界、孿晶界、反相疇界、相界和外表面相疇界、相界和外表面體缺陷：空腔，氣泡體缺陷：空腔，氣泡宏觀？微觀？宏觀？微觀？點(diǎn)陣點(diǎn)陣缺陷缺陷3.2 3.2 點(diǎn)缺陷點(diǎn)缺陷(Point defectsPoint defects)3.2.1 3.2.1 肖脫基缺陷和弗

3、蘭克爾缺陷肖脫基缺陷和弗蘭克爾缺陷（Schottky defect and Frenkel defect)Schottky defect and Frenkel defect)點(diǎn)缺陷包括空位和間隙原子點(diǎn)缺陷包括空位和間隙原子空位是由于原子遷移到點(diǎn)陣中其他位置形成的空空位是由于原子遷移到點(diǎn)陣中其他位置形成的空結(jié)點(diǎn)。間隙原子指處于點(diǎn)陣中間隙位置的原子。結(jié)點(diǎn)。間隙原子指處于點(diǎn)陣中間隙位置的原子。 肖脫基缺陷（空肖脫基缺陷（空位）：點(diǎn)陣原子位）：點(diǎn)陣原子遷移至表面、晶遷移至表面、晶界等處形成。界等處形成。弗蘭克爾缺陷：點(diǎn)陣中某原弗蘭克爾缺陷：點(diǎn)陣中某原子遷移晶體內(nèi)的其它位置，子遷移晶體內(nèi)的其它位置，同

4、時(shí)形成一個(gè)間隙原子。同時(shí)形成一個(gè)間隙原子。3.2.2 3.2.2 點(diǎn)缺陷的特點(diǎn)點(diǎn)缺陷的特點(diǎn)（Peculiarity of point defectsPeculiarity of point defects) )晶體自由能晶體自由能F=E-TS。E：內(nèi)能，：內(nèi)能，T:溫度，溫度，S：熵。：熵。當(dāng)缺陷存在時(shí)，當(dāng)缺陷存在時(shí)，E與與S均增加，均增加， F= E- T S在某一濃度在某一濃度Cv， F有最小值有最小值平衡時(shí)，平衡時(shí)，Cv 0空位濃度與自由能的關(guān)系空位濃度與自由能的關(guān)系3.2.3 3.2.3 點(diǎn)缺陷的平衡濃度點(diǎn)缺陷的平衡濃度（Equilibrium concentration of poi

5、nt Equilibrium concentration of point defectsdefects) )空位引入的熵變：空位引入的熵變： S Sc+ Sf Sc原子排列組態(tài)變化引起的組態(tài)熵變；原子排列組態(tài)變化引起的組態(tài)熵變； Sf ：原子振動(dòng)熵變，是由于空位周圍的原子的振動(dòng)原子振動(dòng)熵變，是由于空位周圍的原子的振動(dòng)變化引起的。變化引起的。設(shè)設(shè)N個(gè)原子的晶體中有個(gè)原子的晶體中有n個(gè)空位，則由玻爾茲曼個(gè)空位，則由玻爾茲曼統(tǒng)計(jì)分布理論：統(tǒng)計(jì)分布理論：!)!(!lncnnNNkSk為波爾茲曼常數(shù)。為波爾茲曼常數(shù)。Ef為單個(gè)空位形成所需的能量，即空位形成能。為單個(gè)空位形成所需的能量，即空位形成能。!

6、)!(!lnffnnNNkSnTnESE-TF應(yīng)用斯特林公式：應(yīng)用斯特林公式： lnN!NlnN-N可得：可得：0lnffnNnkTSTE由于由于Nn，有：有：CNnnNn0)(TnF平衡時(shí)平衡時(shí)其中其中稱為熵因子。稱為熵因子。kSAfexp0lnvffCTkS-TEkSkTE-CffvlnkTE-AkSkTE-Cfffvexpexp故平衡時(shí)故平衡時(shí)Cv與與T成指數(shù)關(guān)系成指數(shù)關(guān)系溫度升高溫度升高Cv增大增大間隙原子有類似公式間隙原子有類似公式不同：間隙原子的形成能比空位形成能大不同：間隙原子的形成能比空位形成能大2 23 3倍，平衡濃度比空位小幾個(gè)數(shù)量級(jí)。倍，平衡濃度比空位小幾個(gè)數(shù)量級(jí)。 3.

7、2.4 3.2.4 空位形成能空位形成能（Formation energy of Formation energy of vacancyvacancy) )西蒙斯巴盧菲法西蒙斯巴盧菲法測(cè)出不同溫度下的空位濃度就可得到斜率測(cè)出不同溫度下的空位濃度就可得到斜率Ef將材料加熱到不同溫度保溫，使之達(dá)到平衡狀態(tài)將材料加熱到不同溫度保溫，使之達(dá)到平衡狀態(tài)同時(shí)測(cè)定其長(zhǎng)度變化率同時(shí)測(cè)定其長(zhǎng)度變化率 和點(diǎn)陣常數(shù)變化率和點(diǎn)陣常數(shù)變化率LLaa由由kTEACfvexpTC1lnv知知Ef為為 曲線的斜率曲線的斜率由于空位濃度增大由于空位濃度增大aaLL以室溫的以室溫的L和和a為基準(zhǔn)，則為基準(zhǔn)，則aaLLC3v正電子

8、湮沒(méi)法正電子湮沒(méi)法22Na等同位素原子核崩塌放出正電子，正電子打等同位素原子核崩塌放出正電子，正電子打入試樣引起正電子入試樣引起正電子電子對(duì)湮沒(méi)過(guò)程中放出電子對(duì)湮沒(méi)過(guò)程中放出 射射線，空位的存在引起射線的能量變化，檢測(cè)此線，空位的存在引起射線的能量變化，檢測(cè)此能量變化就可以測(cè)知溫度能量變化就可以測(cè)知溫度空位濃度的關(guān)系。空位濃度的關(guān)系。試樣加熱到某溫度試樣加熱到某溫度T，急冷急冷空位來(lái)不及擴(kuò)空位來(lái)不及擴(kuò)散散高溫下的空位濃度凍結(jié)高溫下的空位濃度凍結(jié)用電阻在室用電阻在室溫下測(cè)量高溫下的空位濃度。溫下測(cè)量高溫下的空位濃度。急冷法（急冷法（非平衡方法）非平衡方法）根據(jù)測(cè)試結(jié)果得到的經(jīng)驗(yàn)公式：根據(jù)測(cè)試結(jié)果

9、得到的經(jīng)驗(yàn)公式： Ef=9kTmk：波爾茲曼常數(shù)。波爾茲曼常數(shù)。E Ef f與熔點(diǎn)與熔點(diǎn)T Tm m根據(jù)：根據(jù)：晶體中的原子間的鍵合力越大，這種鍵合越不容晶體中的原子間的鍵合力越大，這種鍵合越不容易被破壞，晶體的熔點(diǎn)將越高；易被破壞，晶體的熔點(diǎn)將越高；鍵合力越強(qiáng)，原子越不容易跳躍離開(kāi)平衡位置而鍵合力越強(qiáng)，原子越不容易跳躍離開(kāi)平衡位置而形成空位，空位形成能應(yīng)該越大。形成空位，空位形成能應(yīng)該越大。猜想猜想Ef與熔點(diǎn)與熔點(diǎn)Tm之間有某種關(guān)系？之間有某種關(guān)系？ 可算出熔點(diǎn)處可算出熔點(diǎn)處Cv在在10-4量級(jí)。量級(jí)。電阻升高電阻升高通過(guò)電阻測(cè)量空位濃度通過(guò)電阻測(cè)量空位濃度例：核反應(yīng)堆壁例：核反應(yīng)堆壁粒子粒

10、子(氦離子氦離子)輻照輻照大量空位大量空位空位聚集成空腔空位聚集成空腔氦離子聚集成氦氣泡氦離子聚集成氦氣泡體缺陷體缺陷輻照輻照損傷損傷擴(kuò)散加快擴(kuò)散加快是擴(kuò)散的重要媒介是擴(kuò)散的重要媒介體積增加，密度減小體積增加，密度減小西蒙斯西蒙斯巴盧菲法巴盧菲法輻照損傷：用高能輻照（電子，中子，質(zhì)子，輻照損傷：用高能輻照（電子，中子，質(zhì)子， 粒子等高能粒子照射材料）導(dǎo)入大量空位粒子等高能粒子照射材料）導(dǎo)入大量空位和間隙原子，引起材料損傷和間隙原子，引起材料損傷產(chǎn)生原因：產(chǎn)生原因：高溫淬火：由高溫快速冷卻（淬火），點(diǎn)缺陷高溫淬火：由高溫快速冷卻（淬火），點(diǎn)缺陷無(wú)充分的遷移時(shí)間，大部分空位保留至低溫，無(wú)充分的遷移

11、時(shí)間，大部分空位保留至低溫，形成淬火空位形成淬火空位對(duì)時(shí)效析出過(guò)程起重要作用，是急冷法測(cè)對(duì)時(shí)效析出過(guò)程起重要作用，是急冷法測(cè)定空位形成能的基礎(chǔ)。定空位形成能的基礎(chǔ)。冷加工：在再結(jié)晶溫度以下對(duì)材料進(jìn)行塑性變形冷加工：在再結(jié)晶溫度以下對(duì)材料進(jìn)行塑性變形由于位錯(cuò)交割可產(chǎn)生大量的點(diǎn)缺陷由于位錯(cuò)交割可產(chǎn)生大量的點(diǎn)缺陷產(chǎn)生的過(guò)飽和空位可形成位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)阻力，引產(chǎn)生的過(guò)飽和空位可形成位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)阻力，引起材料的強(qiáng)度、硬度升高，塑性、韌性降低起材料的強(qiáng)度、硬度升高，塑性、韌性降低高能輻照高能輻照晶體中超過(guò)平衡濃度的點(diǎn)缺陷。晶體中超過(guò)平衡濃度的點(diǎn)缺陷。3.3.1 3.3.1 位錯(cuò)的發(fā)現(xiàn)位錯(cuò)的發(fā)現(xiàn)（Discovery o

12、f dislocations)Discovery of dislocations)切應(yīng)力導(dǎo)切應(yīng)力導(dǎo)致晶面相致晶面相互滑移，互滑移，塑性變形塑性變形正應(yīng)力可能導(dǎo)致材正應(yīng)力可能導(dǎo)致材料彈性變形和斷裂料彈性變形和斷裂塑性變形由切應(yīng)力產(chǎn)生塑性變形由切應(yīng)力產(chǎn)生滑移的實(shí)驗(yàn)證據(jù)滑移的實(shí)驗(yàn)證據(jù)由此可推導(dǎo)理論剪切強(qiáng)度由此可推導(dǎo)理論剪切強(qiáng)度2mG是實(shí)驗(yàn)剪切強(qiáng)度的是實(shí)驗(yàn)剪切強(qiáng)度的103104倍。為什么？倍。為什么？1934年，年，Taylor, Polanyi, Orowan幾乎同時(shí)提出幾乎同時(shí)提出了位錯(cuò)的概念了位錯(cuò)的概念切應(yīng)力下兩晶面發(fā)生整體滑移模型切應(yīng)力下兩晶面發(fā)生整體滑移模型位錯(cuò)的滑移位錯(cuò)的滑移推地毯推地毯

13、明場(chǎng)明場(chǎng) 暗場(chǎng)暗場(chǎng) 不銹鋼中的位錯(cuò)（不銹鋼中的位錯(cuò)（TEM）3.3.2 3.3.2 位錯(cuò)的概念和柏氏矢量位錯(cuò)的概念和柏氏矢量（Definition of dislocation and Burgers Definition of dislocation and Burgers vector)vector) 立體模型立體模型 平面圖平面圖 刃型位錯(cuò)刃型位錯(cuò)位錯(cuò)位錯(cuò)(Dislocation)(Dislocation)定義：晶體中某一列或數(shù)列原定義：晶體中某一列或數(shù)列原子發(fā)生有規(guī)律的錯(cuò)排形成的缺陷。子發(fā)生有規(guī)律的錯(cuò)排形成的缺陷。 代表晶體局部錯(cuò)動(dòng)的代表晶體局部錯(cuò)動(dòng)的大小和方向，是表征位錯(cuò)性質(zhì)的重要參

14、量，聯(lián)系大小和方向，是表征位錯(cuò)性質(zhì)的重要參量，聯(lián)系著位錯(cuò)的應(yīng)力場(chǎng)、能量、線張力、作用力、運(yùn)動(dòng)著位錯(cuò)的應(yīng)力場(chǎng)、能量、線張力、作用力、運(yùn)動(dòng)方向等。方向等。做法：繞位錯(cuò)沿相鄰的原子作閉合回路（柏氏回做法：繞位錯(cuò)沿相鄰的原子作閉合回路（柏氏回路），再于完整晶體中作同樣步數(shù)和方向的回路，路），再于完整晶體中作同樣步數(shù)和方向的回路，從終點(diǎn)到起點(diǎn)的矢量即為柏氏矢量。從終點(diǎn)到起點(diǎn)的矢量即為柏氏矢量。柏氏矢量柏氏矢量b b立體圖立體圖螺型位錯(cuò)螺型位錯(cuò)頂視圖頂視圖 螺型位錯(cuò)的柏氏矢量螺型位錯(cuò)的柏氏矢量定義：定義：刃型位錯(cuò)：柏氏矢量與位錯(cuò)線垂直的位錯(cuò)。刃型位錯(cuò)：柏氏矢量與位錯(cuò)線垂直的位錯(cuò)。螺型位錯(cuò)：柏氏矢量與位錯(cuò)線

15、平行的位錯(cuò)。螺型位錯(cuò)：柏氏矢量與位錯(cuò)線平行的位錯(cuò)。混合型位錯(cuò)：柏氏矢量與位錯(cuò)線既不平行也混合型位錯(cuò)：柏氏矢量與位錯(cuò)線既不平行也不垂直的位錯(cuò)。不垂直的位錯(cuò)。立體圖立體圖 頂視圖頂視圖混合型位錯(cuò)混合型位錯(cuò)3.3.3 3.3.3 位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)（Movement of dislocations)Movement of dislocations)刃型位錯(cuò)的滑移刃型位錯(cuò)的滑移 b b 正 刃 型 位 錯(cuò) 負(fù) 刃 型 位 錯(cuò) 滑 移 結(jié) 果 初始狀態(tài)初始狀態(tài) b b 正 刃 型 位 錯(cuò) 負(fù) 刃 型 位 錯(cuò) 滑 移 結(jié) 果 滑移結(jié)果滑移結(jié)果 位錯(cuò)滑移難易位錯(cuò)滑移難易塑性變形阻力大小塑性變形阻力大小 塑

16、性變形應(yīng)力大小塑性變形應(yīng)力大小強(qiáng)度的高低。強(qiáng)度的高低。位錯(cuò)的滑移方式不同，阻力大小不同。位錯(cuò)的滑移方式不同，阻力大小不同。位錯(cuò)滑移位錯(cuò)滑移刃型位錯(cuò)的易動(dòng)性刃型位錯(cuò)的易動(dòng)性滑移方向：與位錯(cuò)線垂直，與滑移方向：與位錯(cuò)線垂直，與b b一致。一致。滑移方式：有固定的滑移面（位錯(cuò)線和滑移方式：有固定的滑移面（位錯(cuò)線和b b決定決定的平面）的平面） 滑移結(jié)果：形成寬度為滑移結(jié)果：形成寬度為b b的臺(tái)階。的臺(tái)階。刃型位錯(cuò)的滑移特點(diǎn)刃型位錯(cuò)的滑移特點(diǎn)螺型位錯(cuò)的滑移螺型位錯(cuò)的滑移滑移方向：與位錯(cuò)線垂直，與滑移方向：與位錯(cuò)線垂直，與b b垂直。垂直。滑移方式：無(wú)固定的滑移面。滑移方式：無(wú)固定的滑移面。滑移結(jié)果：形

17、成寬度為滑移結(jié)果：形成寬度為b b的臺(tái)階。的臺(tái)階。螺型位錯(cuò)的滑移特點(diǎn)螺型位錯(cuò)的滑移特點(diǎn)滑移方向：與位錯(cuò)線垂直（法線方向）。滑移方向：與位錯(cuò)線垂直（法線方向）。滑移方式：有固定的滑移面。滑移方式：有固定的滑移面。滑移結(jié)果：形成寬度為滑移結(jié)果：形成寬度為b b的臺(tái)階。的臺(tái)階。 b b b b 滑移前 滑移中 滑移后 滑移方向 混合型位錯(cuò)的滑移混合型位錯(cuò)的滑移滑移方向：與位錯(cuò)線垂直。滑移方向：與位錯(cuò)線垂直。滑移結(jié)果：形成寬度為滑移結(jié)果：形成寬度為b的臺(tái)階。的臺(tái)階。位錯(cuò)的定義：晶體中已滑移區(qū)和未滑移區(qū)位錯(cuò)的定義：晶體中已滑移區(qū)和未滑移區(qū)的分界。的分界。各種位錯(cuò)滑移的共性各種位錯(cuò)滑移的共性刃型位錯(cuò)的半原

18、子面垂直于滑移面的上下移動(dòng)刃型位錯(cuò)的半原子面垂直于滑移面的上下移動(dòng)位錯(cuò)攀移位錯(cuò)攀移 未攀移 正攀移 負(fù)攀移 攀移伴隨著擴(kuò)散，需要比滑移更大的能量，所攀移伴隨著擴(kuò)散，需要比滑移更大的能量，所以攀移需要熱激活，稱為非守恒運(yùn)動(dòng)。以攀移需要熱激活，稱為非守恒運(yùn)動(dòng)。滑移不需要熱激活，稱為守恒運(yùn)動(dòng)。滑移不需要熱激活，稱為守恒運(yùn)動(dòng)。需要熱激活需要熱激活攀移要在較高的溫度下才可發(fā)攀移要在較高的溫度下才可發(fā)生生常溫塑性變形常溫塑性變形滑移，幾乎沒(méi)有攀移作用滑移，幾乎沒(méi)有攀移作用高溫高溫攀移起重要作用攀移起重要作用例：如淬火或冷加工后的金屬加熱時(shí)的回復(fù)再例：如淬火或冷加工后的金屬加熱時(shí)的回復(fù)再結(jié)晶過(guò)程結(jié)晶過(guò)程正應(yīng)

19、力、過(guò)飽和空位均有利于攀移進(jìn)行。正應(yīng)力、過(guò)飽和空位均有利于攀移進(jìn)行。3.3.4 3.3.4 位錯(cuò)對(duì)晶體性能的影響位錯(cuò)對(duì)晶體性能的影響（Influence of dislocations on the Influence of dislocations on the properties of crystals)properties of crystals)猜想猜想位錯(cuò)密度升高，屈服強(qiáng)度降低？位錯(cuò)密度升高，屈服強(qiáng)度降低？ 位錯(cuò)與強(qiáng)度位錯(cuò)與強(qiáng)度位錯(cuò)密度位錯(cuò)密度為晶體單為晶體單位體積內(nèi)位體積內(nèi)位錯(cuò)線的位錯(cuò)線的長(zhǎng)度長(zhǎng)度 特殊材料特殊材料普通材料普通材料位錯(cuò)強(qiáng)化位錯(cuò)強(qiáng)化原因：位原因：位錯(cuò)互相阻錯(cuò)互相阻礙

20、，增加礙，增加運(yùn)動(dòng)阻力運(yùn)動(dòng)阻力 位錯(cuò)的應(yīng)變能：位錯(cuò)造成晶體的局部應(yīng)變，引位錯(cuò)的應(yīng)變能：位錯(cuò)造成晶體的局部應(yīng)變，引起的自由能升高起的自由能升高單位長(zhǎng)度位錯(cuò)所引起的應(yīng)變能：?jiǎn)挝婚L(zhǎng)度位錯(cuò)所引起的應(yīng)變能：E= Gb b2 G：切彈性模量，：切彈性模量，b b：柏氏矢量的模，：柏氏矢量的模， ：與幾：與幾何因素有關(guān)的系數(shù)，取值為何因素有關(guān)的系數(shù)，取值為0.51。位錯(cuò)應(yīng)變能對(duì)性能的影響位錯(cuò)應(yīng)變能對(duì)性能的影響位錯(cuò)消失自由能降低位錯(cuò)消失自由能降低位錯(cuò)附近優(yōu)先腐蝕位錯(cuò)附近優(yōu)先腐蝕（位錯(cuò)的應(yīng)變能提供了腐蝕的部分驅(qū)動(dòng)力）（位錯(cuò)的應(yīng)變能提供了腐蝕的部分驅(qū)動(dòng)力）位錯(cuò)引起的局部點(diǎn)陣畸變引起傳導(dǎo)電子的額外位錯(cuò)引起的局部點(diǎn)陣

21、畸變引起傳導(dǎo)電子的額外散射散射位錯(cuò)引起電阻升高位錯(cuò)引起電阻升高位錯(cuò)是短路擴(kuò)散的重要通道位錯(cuò)是短路擴(kuò)散的重要通道位錯(cuò)加速擴(kuò)散位錯(cuò)加速擴(kuò)散3.4.1 3.4.1 晶界晶界（Grain boundarys)Grain boundarys)晶界為取向不同的兩晶體之間的界面。晶界為取向不同的兩晶體之間的界面。小角度晶界：小角度晶界：相鄰晶粒的取向差相鄰晶粒的取向差 151515的晶界的晶界形成過(guò)程形成過(guò)程小角度晶界小角度晶界對(duì)稱傾側(cè)晶界對(duì)稱傾側(cè)晶界2sin2bD bD 形成過(guò)程形成過(guò)程不對(duì)稱傾側(cè)晶界不對(duì)稱傾側(cè)晶界 -/2 /2 /2 +/2 柏氏矢量垂直的平行刃型柏氏矢量垂直的平行刃型位錯(cuò)墻位錯(cuò)墻sin

22、bD兩組位錯(cuò)各自的間距兩組位錯(cuò)各自的間距密度由密度由 和和 決定決定形成過(guò)程形成過(guò)程扭轉(zhuǎn)晶界扭轉(zhuǎn)晶界螺型位錯(cuò)網(wǎng)螺型位錯(cuò)網(wǎng)每組位錯(cuò)的間距每組位錯(cuò)的間距bD Df( )隨取向差隨取向差 增大而減小。增大而減小。若若 15，可計(jì)算出可計(jì)算出D4b（柏氏矢量，原子間柏氏矢量，原子間距），位錯(cuò)墻模型不再適用，為小角度晶界的角距），位錯(cuò)墻模型不再適用，為小角度晶界的角度上限。度上限。小角度晶界的結(jié)構(gòu)特征小角度晶界的結(jié)構(gòu)特征實(shí)際的小角度晶界實(shí)際的小角度晶界旋轉(zhuǎn)軸和界面可以是任意旋轉(zhuǎn)軸和界面可以是任意取向關(guān)系，由刃型位錯(cuò)和螺型位錯(cuò)組合構(gòu)成。取向關(guān)系，由刃型位錯(cuò)和螺型位錯(cuò)組合構(gòu)成。 大角度晶界大角度晶界大角晶界

23、處總有幾個(gè)原子層排列混亂，大角晶界處總有幾個(gè)原子層排列混亂，有不同的模型描述。有不同的模型描述。過(guò)冷液體模型：過(guò)冷液體模型：認(rèn)為晶界上的原子排列類似于微認(rèn)為晶界上的原子排列類似于微晶，具有長(zhǎng)程無(wú)序，短程有序的特點(diǎn)晶，具有長(zhǎng)程無(wú)序，短程有序的特點(diǎn)。晶界晶界各向同性，可解釋葛庭燧發(fā)現(xiàn)的晶界滑各向同性，可解釋葛庭燧發(fā)現(xiàn)的晶界滑移引起的內(nèi)耗。移引起的內(nèi)耗。小島模型：小島模型：認(rèn)為晶界是由具有結(jié)晶特征的島和認(rèn)為晶界是由具有結(jié)晶特征的島和具有非晶特征的海構(gòu)成的具有非晶特征的海構(gòu)成的可解釋晶界擴(kuò)散的各向異性。可解釋晶界擴(kuò)散的各向異性。大角晶界的原子排列方式有不同的模型來(lái)描述。大角晶界的原子排列方式有不同的模

24、型來(lái)描述。各能解釋一些實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，但也都有與實(shí)驗(yàn)事實(shí)不各能解釋一些實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，但也都有與實(shí)驗(yàn)事實(shí)不相符的地方。相符的地方。A晶粒與晶粒與B晶粒晶粒有有15的原子處的原子處于重合位置。于重合位置。例：簡(jiǎn)單立方點(diǎn)陣?yán)汉?jiǎn)單立方點(diǎn)陣晶界兩側(cè)的部分晶界兩側(cè)的部分原子同時(shí)處于原子同時(shí)處于A晶粒和晶粒和B晶粒的晶粒的點(diǎn)陣上，這類原點(diǎn)陣上，這類原子位置稱為重合子位置稱為重合位置。所有重合位置。所有重合位置所構(gòu)成的點(diǎn)位置所構(gòu)成的點(diǎn)陣稱為重合位置陣稱為重合位置點(diǎn)陣。點(diǎn)陣。重合位置點(diǎn)陣模型重合位置點(diǎn)陣模型任意角度晶界：特殊晶界小角度晶界（位錯(cuò)墻）任意角度晶界：特殊晶界小角度晶界（位錯(cuò)墻）重合位置密度：重合位置占總點(diǎn)陣

25、位置上的比例。重合位置密度：重合位置占總點(diǎn)陣位置上的比例。重合位置密度越大，晶界上原子排列的畸變?cè)叫。睾衔恢妹芏仍酱螅Ы缟显优帕械幕冊(cè)叫。Ы缒茉降汀＞Ы缒茉降汀?bcc：分別繞：分別繞110軸旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)50.5，繞，繞100軸旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)36.9，繞，繞110軸旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)70.5、38.9，繞，繞111軸旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)60.5、38.2，有，有1/11、1/5、1/3、1/9、1/3、1/7的的原子處于重合位置點(diǎn)陣上。原子處于重合位置點(diǎn)陣上。fcc：分別繞：分別繞110軸旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)50.5，繞，繞100軸旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)36.9，繞，繞110軸旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)38.9，繞，繞111軸旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)60.0

26、、38.2，有，有1/11、1/5、1/9、1/7、1/7的原子處于重的原子處于重合位置點(diǎn)陣上。合位置點(diǎn)陣上。 MgO晶體中晶界結(jié)構(gòu)單元組態(tài)的晶體中晶界結(jié)構(gòu)單元組態(tài)的高分辨電鏡高分辨電鏡(High Resolution Electron Microscope, HREM)照照片及其結(jié)構(gòu)單元片及其結(jié)構(gòu)單元晶界面由周期晶界面由周期性排列的結(jié)構(gòu)性排列的結(jié)構(gòu)單元組成。單元組成。結(jié)構(gòu)單元模型結(jié)構(gòu)單元模型結(jié)構(gòu)單元：通結(jié)構(gòu)單元：通過(guò)原子位置調(diào)過(guò)原子位置調(diào)整而得到的具整而得到的具有最低交互作有最低交互作用能的界面組用能的界面組態(tài)，是一些特態(tài)，是一些特征的多邊形的征的多邊形的原子組合。原子組合。 晶界引起的單位

27、面積上的自由能升高。晶界引起的單位面積上的自由能升高。小角度晶界的晶界能小角度晶界的晶界能晶界能晶界能)1 (40Gb晶界能晶界能 隨隨 增大而升高。增大而升高。因位錯(cuò)密度因位錯(cuò)密度隨隨 增大而增大而升高。升高。 = 0 (A-ln )A為積分常數(shù)，取決于位錯(cuò)中心的原子錯(cuò)排能；為積分常數(shù)，取決于位錯(cuò)中心的原子錯(cuò)排能；其中其中G為晶體的切彈性模量，為晶體的切彈性模量，b為位錯(cuò)的柏氏矢為位錯(cuò)的柏氏矢量的模，量的模， 為為泊松比。泊松比。銅的晶界能與取向差的關(guān)系銅的晶界能與取向差的關(guān)系大角度大角度晶界的晶界的晶界能晶界能與取向與取向差無(wú)關(guān)差無(wú)關(guān) 取向差超過(guò)取向差超過(guò)10或或 15后，小角度晶界后，小

28、角度晶界能公式不再適用。能公式不再適用。 小角度晶界與大角度晶界的區(qū)別：小角度晶界與大角度晶界的區(qū)別：小角度晶界可用位錯(cuò)模型描述，大角度晶界不能小角度晶界可用位錯(cuò)模型描述，大角度晶界不能小角度晶界的晶界能與小角度晶界的晶界能與 有關(guān)，大角度晶界相反有關(guān)，大角度晶界相反二者不存在絕對(duì)界限二者不存在絕對(duì)界限晶界的作用：晶界的作用：晶界消失會(huì)導(dǎo)致自由能降低晶界消失會(huì)導(dǎo)致自由能降低優(yōu)先腐蝕，相變中的優(yōu)先形核位置優(yōu)先腐蝕，相變中的優(yōu)先形核位置溶質(zhì)原子偏聚于晶界溶質(zhì)原子偏聚于晶界晶界處的擴(kuò)散容易晶界處的擴(kuò)散容易常溫下會(huì)阻礙位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，提高強(qiáng)度；常溫下會(huì)阻礙位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，提高強(qiáng)度；高溫下晶界可發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)，提

29、高塑性。高溫下晶界可發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)，提高塑性。3.4.2 3.4.2 堆垛層錯(cuò)堆垛層錯(cuò)（Stacking faults)Stacking faults)概念：晶體中的局部的堆垛順序錯(cuò)誤，是一種概念：晶體中的局部的堆垛順序錯(cuò)誤，是一種面缺陷。面缺陷。 例例:fcc密排面的正確堆垛順序密排面的正確堆垛順序ABCABCABC因晶體生長(zhǎng)時(shí)的隨機(jī)錯(cuò)誤或晶面相對(duì)滑動(dòng)，出因晶體生長(zhǎng)時(shí)的隨機(jī)錯(cuò)誤或晶面相對(duì)滑動(dòng)，出現(xiàn)現(xiàn)ABCBCABC或或ABCBABCABC堆垛，堆垛，局部順序由原來(lái)的局部順序由原來(lái)的“正序正序” AB、BC、CA變成變成“反序反序”BA、AC、CB，相當(dāng)于正確堆垛順序，相當(dāng)于正確堆垛順序中抽出或

30、插入了一層密排面。中抽出或插入了一層密排面。 堆垛層錯(cuò)本身幾乎不產(chǎn)生點(diǎn)陣畸變，對(duì)材料的堆垛層錯(cuò)本身幾乎不產(chǎn)生點(diǎn)陣畸變，對(duì)材料的性能影響不大，但可通過(guò)其邊界的位錯(cuò)對(duì)材料性能影響不大，但可通過(guò)其邊界的位錯(cuò)對(duì)材料的性能發(fā)生較大的影響。的性能發(fā)生較大的影響。堆垛層錯(cuò)能：堆垛層錯(cuò)能：堆垛層錯(cuò)引起的單位面積自由能增加堆垛層錯(cuò)引起的單位面積自由能增加3.4.3 3.4.3 孿晶界孿晶界（Twin boundarys)Twin boundarys)孿晶界：孿晶之間的界面。孿晶界：孿晶之間的界面。共格界面：界面上的原子為界面兩側(cè)所共有共格界面：界面上的原子為界面兩側(cè)所共有非共格界面：界面兩側(cè)的原子分屬不同的點(diǎn)陣

31、非共格界面：界面兩側(cè)的原子分屬不同的點(diǎn)陣共格孿晶界的界面能很低（堆垛層錯(cuò)能）。非共格孿晶界的界面能很低（堆垛層錯(cuò)能）。非共格孿晶界的界面能約為大角度晶界的一半共格孿晶界的界面能約為大角度晶界的一半。孿晶：兩部分晶體沿一定的晶面成鏡面對(duì)稱關(guān)系孿晶：兩部分晶體沿一定的晶面成鏡面對(duì)稱關(guān)系3.4.4 3.4.4 外表面外表面（Surface)Surface)外表面：固體與氣、液相或真空的界面。外表面：固體與氣、液相或真空的界面。 表面存在懸（掛）鍵，使晶體表面附近的自由表面存在懸（掛）鍵，使晶體表面附近的自由能比晶體內(nèi)部高。能比晶體內(nèi)部高。 表面能：晶體單位表面積上的自由能升高。表面能：晶體單位表面積上的自由能升高。 實(shí)際表面總是吸附一些氣體原子以降低表面能量實(shí)際表面總是吸附一些氣體原子以降低表面能量清潔表面：指經(jīng)離子轟擊、退火、解理、熱蝕、清潔表面：指經(jīng)離子轟擊、退火、解理、熱蝕、外延、場(chǎng)效應(yīng)、蒸發(fā)等特殊處理后在外延、場(chǎng)效應(yīng)、蒸發(fā)等特殊處理后在10-910-10Pa超高真空下的表面。超高真空下的表面。為降低表面能，表面的數(shù)原子層厚的原子的狀為降低表面能，表面的數(shù)原子層厚的原子的狀態(tài)也會(huì)發(fā)生變化，使原子的排列發(fā)生適當(dāng)?shù)恼{(diào)態(tài)也會(huì)發(fā)生變化，使原子的排列發(fā)生適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，主要有弛豫和重構(gòu)兩種方式。整，主要有弛豫和重構(gòu)兩種方式。表面弛豫：表面的