材料科學(xué)基礎(chǔ) 第三章_晶體缺陷

1、2021-7-18材料科學(xué)基礎(chǔ)CAI課件-李克1 緒論 第一章 原子結(jié)構(gòu)與鍵合 第二章 固體結(jié)構(gòu) 第三章 晶體缺陷 第四章 固體中原子及分子的運(yùn)動(dòng) 第五章 材料的形變與再結(jié)晶 第六章 單組元相圖及純晶體的凝固 第七章 二元相圖及其合金的凝固 材料科學(xué)基礎(chǔ)材料科學(xué)基礎(chǔ) 2021-7-18材料科學(xué)基礎(chǔ)CAI課件-李克2 第三章 晶體缺陷 Imperfections (defects) in Crystals It is the defects that makes materials so interesting, just like the human being. Defects are at

2、 the heart of materials science. 材料中 的缺陷 宏觀(guān)缺陷：孔洞，裂紋，氧化， 微觀(guān)缺陷： 晶體缺陷晶體缺陷 非晶體缺陷 腐蝕，雜質(zhì) 2021-7-18材料科學(xué)基礎(chǔ)CAI課件-李克3 實(shí)際晶體中的缺陷 晶體缺陷：晶體中各種偏離理想結(jié)構(gòu)的區(qū)域 根根 據(jù)據(jù) 幾幾 何何 特特 征征 分分 為為 三三 類(lèi)類(lèi) 點(diǎn)缺陷 （point defect) 三維空間的各個(gè)方向均很小 零維缺陷 (zero-dimensional defect) 線(xiàn)缺陷 （line defect) 在二個(gè)方向尺寸均很小 面缺陷 （plane defect) 在一個(gè)方向上尺寸很小 一維缺陷 (one-d

3、imensional defect) 二維缺陷 (two-dimensional defect) 2021-7-18材料科學(xué)基礎(chǔ)CAI課件-李克4 3.1 點(diǎn)缺陷 點(diǎn)缺陷：空位、間隙原子、溶質(zhì)原子、和雜質(zhì)原子、 +復(fù)合體（如：空位對(duì)、空位-溶質(zhì)原子對(duì)） 1、點(diǎn)缺陷的形成 （production of point defects) 原因：熱運(yùn)動(dòng)：熱振動(dòng)強(qiáng)度是溫度的函數(shù) 能量起伏=原子脫離原來(lái)的平衡位置而遷移別處 =空位(vacancy) Schottky 空位，-晶體表面 Frenkel 空位，-晶體間隙 空位消失或移位 2021-7-18材料科學(xué)基礎(chǔ)CAI課件-李克5 *點(diǎn)缺陷分類(lèi)：點(diǎn)缺陷分類(lèi)

4、： 2021-7-18材料科學(xué)基礎(chǔ)CAI課件-李克6 *點(diǎn)缺陷的形成原因點(diǎn)缺陷的形成原因： 由于熱起伏，形成熱力學(xué)穩(wěn)定的缺陷： 產(chǎn)生與消亡達(dá)致平衡 過(guò)飽和空位： 高溫淬火、冷變形加工、高能粒子輻照 根據(jù)熱力學(xué)，對(duì)空位平衡濃度進(jìn)行推導(dǎo)-課外自學(xué) 2021-7-18材料科學(xué)基礎(chǔ)CAI課件-李克7 1。電阻增大 2。提高機(jī)械性能，如屈服強(qiáng)度 3。有利于原子擴(kuò)散 4。體積膨脹，密度減小 *點(diǎn)缺陷對(duì)性能產(chǎn)生的影響點(diǎn)缺陷對(duì)性能產(chǎn)生的影響： 2021-7-18材料科學(xué)基礎(chǔ)CAI課件-李克8 3.2 位錯(cuò) 線(xiàn)缺陷 實(shí)驗(yàn)觀(guān)察：位錯(cuò)的“線(xiàn)索”或“影子” 晶體中的生長(zhǎng)螺旋生長(zhǎng)螺旋二維球泡陣列中的位錯(cuò)變形晶體表面的滑

5、移 位錯(cuò)概念的提出（一） 2021-7-18材料科學(xué)基礎(chǔ)CAI課件-李克9 單晶體強(qiáng)度：理論與實(shí)驗(yàn)之間的巨大誤差 理論值：根據(jù)剛性相對(duì)滑動(dòng)模型得到tc=103104MPa 實(shí)驗(yàn)值：tc=110 MPa，相差甚遠(yuǎn) 位錯(cuò)概念的提出（二） 1934年，Taylor等提出位錯(cuò)的概念，認(rèn)為 存在著某種缺陷-位錯(cuò)，模型：位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng) （逐步傳遞）=晶體的逐步滑移，計(jì)算證 實(shí)理論屈服強(qiáng)度接近實(shí)驗(yàn)值。后來(lái)實(shí)驗(yàn)觀(guān) 察到實(shí)際位錯(cuò)。 2021-7-18材料科學(xué)基礎(chǔ)CAI課件-李克10 3.2.1 位錯(cuò)的基本類(lèi)型和特征 a. 刃型位錯(cuò) edge dislocation b. 螺型位錯(cuò) screw dislocation

6、 根據(jù)幾何結(jié)構(gòu)特征： 2021-7-18材料科學(xué)基礎(chǔ)CAI課件-李克11 特征特征： 1 1）有一額外原子面，）有一額外原子面， 刃口處的原子列稱(chēng)為位錯(cuò)線(xiàn)。半原刃口處的原子列稱(chēng)為位錯(cuò)線(xiàn)。半原 子面在上子面在上, ,正刃型位錯(cuò)正刃型位錯(cuò) ； 下為負(fù)刃型位錯(cuò)下為負(fù)刃型位錯(cuò) 2 2）刃位錯(cuò)的位錯(cuò)線(xiàn)不一定是直線(xiàn)，）刃位錯(cuò)的位錯(cuò)線(xiàn)不一定是直線(xiàn)， 可以是折線(xiàn)，可以是折線(xiàn)， 也可以也可以 是曲線(xiàn)，是曲線(xiàn)， 但位錯(cuò)線(xiàn)必與滑移矢量垂直。但位錯(cuò)線(xiàn)必與滑移矢量垂直。 3 3）位錯(cuò)線(xiàn)垂直于）位錯(cuò)線(xiàn)垂直于滑移矢量滑移矢量，位錯(cuò)線(xiàn)與滑移矢量構(gòu)成的面是，位錯(cuò)線(xiàn)與滑移矢量構(gòu)成的面是 滑移面，滑移面， 刃位錯(cuò)的滑移面是唯一的。

7、刃位錯(cuò)的滑移面是唯一的。 4 4）刃型位錯(cuò)周?chē)木w產(chǎn)生畸變，上壓，）刃型位錯(cuò)周?chē)木w產(chǎn)生畸變，上壓， 下拉，下拉， 半原子半原子 面是對(duì)稱(chēng)的，面是對(duì)稱(chēng)的， 位錯(cuò)線(xiàn)附近畸變大，位錯(cuò)線(xiàn)附近畸變大， 遠(yuǎn)處畸變小。遠(yuǎn)處畸變小。 5 5）位錯(cuò)周?chē)幕儏^(qū)一般只有幾個(gè)原子寬（一般點(diǎn)陣畸變）位錯(cuò)周?chē)幕儏^(qū)一般只有幾個(gè)原子寬（一般點(diǎn)陣畸變 程度大于其正常原子間距的程度大于其正常原子間距的1/41/4的區(qū)域?qū)挾?，的區(qū)域?qū)挾龋?定義為位錯(cuò)定義為位錯(cuò) 寬度，寬度， 約約2525個(gè)原子間距。）個(gè)原子間距。） * * 畸變區(qū)是狹長(zhǎng)的管道，畸變區(qū)是狹長(zhǎng)的管道， 故位錯(cuò)可看成是線(xiàn)缺陷。故位錯(cuò)可看成是線(xiàn)缺陷。 a. 刃

8、型位錯(cuò) edge dislocation 2021-7-18材料科學(xué)基礎(chǔ)CAI課件-李克12 b. 螺型位錯(cuò) screw dislocation 1 1）無(wú)額外半原子面，）無(wú)額外半原子面， 原子錯(cuò)排是軸對(duì)稱(chēng)的原子錯(cuò)排是軸對(duì)稱(chēng)的 2 2）分左螺旋位錯(cuò)，符合左手法則；右分左螺旋位錯(cuò)，符合左手法則；右螺旋位錯(cuò)螺旋位錯(cuò) ，符合符合右手法則右手法則 3 3）位錯(cuò)線(xiàn)與位錯(cuò)線(xiàn)與滑移矢量滑移矢量平行，且為直線(xiàn)，位錯(cuò)線(xiàn)的運(yùn)動(dòng)方向與滑移矢量垂直平行，且為直線(xiàn)，位錯(cuò)線(xiàn)的運(yùn)動(dòng)方向與滑移矢量垂直 4 4）凡是以螺型位錯(cuò)線(xiàn)為晶帶軸的晶帶凡是以螺型位錯(cuò)線(xiàn)為晶帶軸的晶帶 所有晶面都可以為滑移面。所有晶面都可以為滑移面。 5)

9、 5) 點(diǎn)陣畸變引起平行于位錯(cuò)線(xiàn)的切應(yīng)變，無(wú)正應(yīng)變。點(diǎn)陣畸變引起平行于位錯(cuò)線(xiàn)的切應(yīng)變，無(wú)正應(yīng)變。 6 6）螺型位錯(cuò)是包含幾個(gè)原子寬度的線(xiàn)缺陷。）螺型位錯(cuò)是包含幾個(gè)原子寬度的線(xiàn)缺陷。 位錯(cuò)線(xiàn)bb：已滑移區(qū)和未滑移區(qū)的邊界線(xiàn) 特征：特征： 2021-7-18材料科學(xué)基礎(chǔ)CAI課件-李克13 混合位錯(cuò) 滑移矢量既不平行也滑移矢量既不平行也 不垂直于位錯(cuò)線(xiàn)，不垂直于位錯(cuò)線(xiàn)， 而而 是與位錯(cuò)線(xiàn)相交成任是與位錯(cuò)線(xiàn)相交成任 意角度，一般混合位意角度，一般混合位 錯(cuò)為曲線(xiàn)形式，錯(cuò)為曲線(xiàn)形式， 故每故每 一點(diǎn)的滑移矢量與位一點(diǎn)的滑移矢量與位 錯(cuò)線(xiàn)的交角不同。錯(cuò)線(xiàn)的交角不同。 位錯(cuò)線(xiàn)不能終止于晶體內(nèi)位錯(cuò)線(xiàn)不能終止

10、于晶體內(nèi) 部，只能露頭于晶體表面部，只能露頭于晶體表面 2021-7-18材料科學(xué)基礎(chǔ)CAI課件-李克14 1。首先選定位錯(cuò)的正向 ； (出紙面的方向) 2。然后繞位錯(cuò)線(xiàn)周?chē)饔倚]合回路-柏氏回路；在 不含有位錯(cuò)的完整晶體中作同樣步數(shù)和方向同樣步數(shù)和方向的路徑， 3。由終點(diǎn)向始點(diǎn)引一矢量， 即為此位錯(cuò)線(xiàn)的柏氏矢量， 記為 3.2.2 柏氏矢量（Burgers Vector ） b 1、柏氏矢量的確定 刃型位錯(cuò) 2021-7-18材料科學(xué)基礎(chǔ)CAI課件-李克15 各種位錯(cuò)的柏氏矢量 2021-7-18材料科學(xué)基礎(chǔ)CAI課件-李克16 1、反映位錯(cuò)周?chē)c(diǎn)陣畸變的總積累（包括強(qiáng)度和方向） 2、該矢

11、量的方向表示位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致晶體滑移的方向， 而該矢量的模表示畸變的程度稱(chēng)為位錯(cuò)的強(qiáng)度。 （strength of dislocation） 2、柏氏矢量的物理意義 2021-7-18材料科學(xué)基礎(chǔ)CAI課件-李克17 1 1、柏氏矢量的守恒性：與柏氏回路起點(diǎn)的選擇無(wú)關(guān)，柏氏矢量的守恒性：與柏氏回路起點(diǎn)的選擇無(wú)關(guān)， 也與回路的具體途徑無(wú)關(guān)也與回路的具體途徑無(wú)關(guān) 2 2、柏氏矢量的唯一性：柏氏矢量的唯一性：一根位錯(cuò)線(xiàn)具有唯一的柏氏一根位錯(cuò)線(xiàn)具有唯一的柏氏 矢量，其各處的柏氏矢量都相同，且當(dāng)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)時(shí)，矢量，其各處的柏氏矢量都相同，且當(dāng)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)時(shí)， 其柏氏矢量也不變。其柏氏矢量也不變。 3 3、位錯(cuò)的連

12、續(xù)性：位錯(cuò)線(xiàn)只能、位錯(cuò)的連續(xù)性：位錯(cuò)線(xiàn)只能終止終止在晶體表面或界在晶體表面或界 面上，面上， 而不能中止于晶體內(nèi)部（單晶和多晶）；而不能中止于晶體內(nèi)部（單晶和多晶）； 在晶體內(nèi)部它只能形成封閉的環(huán)線(xiàn)或與其他位錯(cuò)相在晶體內(nèi)部它只能形成封閉的環(huán)線(xiàn)或與其他位錯(cuò)相 交于結(jié)點(diǎn)上。交于結(jié)點(diǎn)上。 3、柏氏矢量的特性 2021-7-18材料科學(xué)基礎(chǔ)CAI課件-李克18 柏氏矢量的大小和方向可用它在晶軸上的分量-點(diǎn)陣 矢量 來(lái)表示 在立方晶體中， 可用于相同的晶向指數(shù)來(lái)表示： 4、柏氏矢量的表示法 222 wvu n a b 位錯(cuò)強(qiáng)度 位錯(cuò)合并 2021-7-18材料科學(xué)基礎(chǔ)CAI課件-李克19 3.2.3 位

13、錯(cuò)的運(yùn)動(dòng) 人們?yōu)槭裁磳?duì)位錯(cuò)感興趣？人們?yōu)槭裁磳?duì)位錯(cuò)感興趣？ 大量位錯(cuò)在晶體中的運(yùn)動(dòng)大量位錯(cuò)在晶體中的運(yùn)動(dòng) =晶體宏觀(guān)塑性變形晶體宏觀(guān)塑性變形 力學(xué)性能如強(qiáng)度、塑性、斷裂都與位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)有關(guān)力學(xué)性能如強(qiáng)度、塑性、斷裂都與位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)有關(guān) 位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的兩種基本形式：滑移和攀移位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的兩種基本形式：滑移和攀移 2021-7-18材料科學(xué)基礎(chǔ)CAI課件-李克20 滑移面：滑移面：位錯(cuò)線(xiàn)與柏氏矢量所在平面位錯(cuò)線(xiàn)與柏氏矢量所在平面 刃位錯(cuò)的滑移面：位錯(cuò)線(xiàn)與滑移矢量構(gòu)成的面是滑移面，刃位錯(cuò)的滑移面：位錯(cuò)線(xiàn)與滑移矢量構(gòu)成的面是滑移面， 刃位錯(cuò)的滑移面是唯一的刃位錯(cuò)的滑移面是唯一的 螺位錯(cuò)的滑移面：凡是以螺型位錯(cuò)線(xiàn)為晶

14、帶軸的晶帶面螺位錯(cuò)的滑移面：凡是以螺型位錯(cuò)線(xiàn)為晶帶軸的晶帶面 都可以為滑移面都可以為滑移面 1、位錯(cuò)的滑移、位錯(cuò)的滑移 滑移：在外加切應(yīng)力的作用下，通過(guò)位錯(cuò)中心附近的原子 沿柏氏矢量方向在滑移面上，不斷地作少量的位移（小于 一個(gè)原子間距） 2021-7-18材料科學(xué)基礎(chǔ)CAI課件-李克21 滑移時(shí)，刃型位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)方向始終垂直于位錯(cuò)線(xiàn)，滑移時(shí)，刃型位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)方向始終垂直于位錯(cuò)線(xiàn)， 而平行于柏氏矢量而平行于柏氏矢量 刃型位錯(cuò)的滑移僅限于單一的滑移面上刃型位錯(cuò)的滑移僅限于單一的滑移面上 2021-7-18材料科學(xué)基礎(chǔ)CAI課件-李克22 螺型位錯(cuò)的滑移 螺型位錯(cuò)的滑移螺型位錯(cuò)的滑移不僅限于不僅限于單

15、一的滑移面上單一的滑移面上 滑移時(shí)，螺型位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)方向，垂直于位錯(cuò)線(xiàn)和滑移時(shí)，螺型位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)方向，垂直于位錯(cuò)線(xiàn)和 柏氏矢量柏氏矢量 板書(shū)：板書(shū)：P94 2021-7-18材料科學(xué)基礎(chǔ)CAI課件-李克23 螺型位錯(cuò)的交滑移：螺型位錯(cuò)的交滑移：當(dāng)某一螺型位錯(cuò)在原滑移面上運(yùn)動(dòng) 受阻時(shí)，從原滑移面轉(zhuǎn)移到與之相交的另一滑移面上去 繼續(xù)滑移的過(guò)程。是滑移的一種特殊方式。 滑移受阻后，滑移面的滑移受阻后，滑移面的 轉(zhuǎn)移。轉(zhuǎn)移。 涉及多個(gè)滑移面的滑移涉及多個(gè)滑移面的滑移 2021-7-18材料科學(xué)基礎(chǔ)CAI課件-李克24 2、刃型位錯(cuò)的攀、刃型位錯(cuò)的攀 移移 攀移：刃型位錯(cuò)滑移面 多余半原子面的擴(kuò)大或 縮小

16、原子或空位的擴(kuò)散 特點(diǎn)： (1)擴(kuò)散需要熱激活，比滑移需要更大的能量 (2) 純剪應(yīng)力不能引起體積變化，對(duì)攀移不起作用 (3) 高溫淬火等產(chǎn)生過(guò)飽和空位，有利于攀移進(jìn)行過(guò)飽和空位，有利于攀移進(jìn)行。 2021-7-18材料科學(xué)基礎(chǔ)CAI課件-李克25 3、運(yùn)動(dòng)位錯(cuò)的相互作用、運(yùn)動(dòng)位錯(cuò)的相互作用-交割（略）交割（略） 交割：位錯(cuò)與穿過(guò)其滑移面的位錯(cuò)彼此切割 意義：有利于晶體強(qiáng)化及空位和間隙原子的產(chǎn)生。 2021-7-18材料科學(xué)基礎(chǔ)CAI課件-李克26 割階與扭折 Jog and Kink 所有的割階都是刃位錯(cuò)；所有的割階都是刃位錯(cuò)；扭折可以是刃位錯(cuò)也可以是扭折可以是刃位錯(cuò)也可以是 螺位錯(cuò)螺位錯(cuò)

17、攀移會(huì)形成割階：已攀移段與未攀移段之間的臺(tái)階攀移會(huì)形成割階：已攀移段與未攀移段之間的臺(tái)階 割階與扭折的定義：割階與扭折的定義： 板書(shū)板書(shū) 圖圖3.17 2021-7-18材料科學(xué)基礎(chǔ)CAI課件-李克27 3.2.4 位錯(cuò)的彈性性質(zhì)（略） 2021-7-18材料科學(xué)基礎(chǔ)CAI課件-李克28 3.2.5 位錯(cuò)的生成和增殖 位錯(cuò)密度：?jiǎn)挝惑w積中的位錯(cuò)線(xiàn)的總長(zhǎng)度。 r = L/V （1/cm2）（1） r= nl/lA = n/A （2） （實(shí)際計(jì)算：面積A中所見(jiàn)的位錯(cuò)線(xiàn)數(shù)目） （2）（1） 金屬晶體中的位錯(cuò)密度： 超純金屬單晶體：成分不同=晶 塊點(diǎn)陣常數(shù)不同=位錯(cuò)過(guò)渡 2、溫度濃度梯度、振動(dòng)=生長(zhǎng)晶

18、體偏轉(zhuǎn)、彎曲= 位相差=位錯(cuò)過(guò)渡 3、相鄰晶粒碰撞、體積變化、熱應(yīng)力=臺(tái)階或變 形=產(chǎn)生位錯(cuò) 快速凝固快速凝固=過(guò)飽和空位過(guò)飽和空位=聚集聚集=位錯(cuò)位錯(cuò) 熱應(yīng)力和組織應(yīng)力熱應(yīng)力和組織應(yīng)力=界面和微裂紋處應(yīng)力集界面和微裂紋處應(yīng)力集 中中=局部滑移局部滑移=位錯(cuò)位錯(cuò) 2021-7-18材料科學(xué)基礎(chǔ)CAI課件-李克30 3、位錯(cuò)的增殖 事實(shí)上：密度增加，可達(dá)4-5 個(gè)數(shù)量級(jí)-位錯(cuò) 因此，必有增殖！ 位錯(cuò)滑移到表面=宏觀(guān)變形 （減少？） 2021-7-18材料科學(xué)基礎(chǔ)CAI課件-李克31 F-R源動(dòng)作過(guò)程源動(dòng)作過(guò)程 刃位錯(cuò)刃位錯(cuò)AB的兩端的兩端A和和B被位錯(cuò)用結(jié)點(diǎn)釘扎住被位錯(cuò)用結(jié)點(diǎn)釘扎住 m,n兩處同

19、屬純螺型位錯(cuò)，但位錯(cuò)性質(zhì)恰好相兩處同屬純螺型位錯(cuò)，但位錯(cuò)性質(zhì)恰好相 反，兩者相遇時(shí)，彼此便會(huì)抵消，這使原來(lái)反，兩者相遇時(shí)，彼此便會(huì)抵消，這使原來(lái) 整根位錯(cuò)線(xiàn)斷開(kāi)成兩部分，外面為封閉的位整根位錯(cuò)線(xiàn)斷開(kāi)成兩部分，外面為封閉的位 錯(cuò)環(huán)，里面為一段連接錯(cuò)環(huán)，里面為一段連接A和和B的位錯(cuò)線(xiàn)，在線(xiàn)的位錯(cuò)線(xiàn)，在線(xiàn) 張力作用下變直恢復(fù)到原始狀態(tài)。張力作用下變直恢復(fù)到原始狀態(tài)。 在外力的繼續(xù)作用下，它將重復(fù)上述過(guò)程，每在外力的繼續(xù)作用下，它將重復(fù)上述過(guò)程，每 重復(fù)一次就產(chǎn)生一個(gè)位錯(cuò)環(huán)，從而造成位錯(cuò)的重復(fù)一次就產(chǎn)生一個(gè)位錯(cuò)環(huán)，從而造成位錯(cuò)的 增殖，并使晶體產(chǎn)生可觀(guān)的滑移量。增殖，并使晶體產(chǎn)生可觀(guān)的滑移量。 FR位

20、錯(cuò)增殖機(jī)制已為實(shí)驗(yàn)所證實(shí)位錯(cuò)增殖機(jī)制已為實(shí)驗(yàn)所證實(shí)： Si，Al-Cu晶體中觀(guān)察到晶體中觀(guān)察到 主要增殖機(jī)制：主要增殖機(jī)制：Frank-Read Frank-Read 位錯(cuò)源位錯(cuò)源 其它增殖機(jī)制： 1、雙交滑移增殖；2、攀移增殖 2021-7-18材料科學(xué)基礎(chǔ)CAI課件-李克32 3.2.6 實(shí)際晶體結(jié)構(gòu)中的位錯(cuò)（略） 簡(jiǎn)單立方晶體：柏氏矢量 = 點(diǎn)陣矢量 實(shí)際晶體：柏氏矢量 = ，, 點(diǎn)陣矢量 全位錯(cuò)（perfect dislocation：柏氏矢量 = n*點(diǎn)陣矢量 n=1時(shí): 單位位錯(cuò) 不全位錯(cuò)（imperfect dislocation): 柏氏矢量 != n* 點(diǎn)陣矢量 n1時(shí): 部

21、分位錯(cuò)(partial dislocation) 1、實(shí)際晶體中位錯(cuò)的柏氏矢量 2021-7-18材料科學(xué)基礎(chǔ)CAI課件-李克33 3.3 表面及界面（面缺陷） 界面包括：外表面（自由表面）和內(nèi)界面界面包括：外表面（自由表面）和內(nèi)界面 表面：固體與氣體或液體的分界面。表面：固體與氣體或液體的分界面。對(duì)于低維材料很重要對(duì)于低維材料很重要 內(nèi)界面：晶粒邊界、晶粒內(nèi)的亞晶界、孿晶界、層錯(cuò)、相內(nèi)界面：晶粒邊界、晶粒內(nèi)的亞晶界、孿晶界、層錯(cuò)、相 界面（不同結(jié)構(gòu)，如固溶體與中間相的界面）界面（不同結(jié)構(gòu)，如固溶體與中間相的界面） 界面厚度為幾個(gè)原子層厚，原子排列于成分不同于內(nèi)部界面厚度為幾個(gè)原子層厚，原子排

22、列于成分不同于內(nèi)部 二維面缺陷二維面缺陷 2021-7-18材料科學(xué)基礎(chǔ)CAI課件-李克34 3.3.1 外表面 表面特征：表面特征： * * *晶體中的表面張力是各向異性的晶體中的表面張力是各向異性的 * * *表面能與晶體表面原子排列致密度有關(guān)，一表面能與晶體表面原子排列致密度有關(guān)，一 般為原子密度最大的面般為原子密度最大的面 密排面密排面 * * *表面能還與曲率有關(guān)：曲率越大，表面能越表面能還與曲率有關(guān)：曲率越大，表面能越 大大（比如納米粉體）（比如納米粉體） 2021-7-18材料科學(xué)基礎(chǔ)CAI課件-李克35 3.3.2 晶界和亞晶界 晶界定義：組成晶體的多晶界定義：組成晶體的多 個(gè)

23、晶粒中，屬于同一固相個(gè)晶粒中，屬于同一固相 （具有相同結(jié)構(gòu)）、但位（具有相同結(jié)構(gòu)）、但位 向不同的晶粒之間的界面。向不同的晶粒之間的界面。 大角度晶界和小角度晶界 的區(qū)別。10o為界 2021-7-18材料科學(xué)基礎(chǔ)CAI課件-李克36 亞晶界定義：亞晶界定義：每個(gè)晶粒有時(shí)由位向稍有差異的亞每個(gè)晶粒有時(shí)由位向稍有差異的亞 晶粒組成，相鄰亞晶粒間的界面。晶粒組成，相鄰亞晶粒間的界面。 事實(shí)上，每個(gè)晶粒中還可分成若干個(gè)更為細(xì)小的事實(shí)上，每個(gè)晶粒中還可分成若干個(gè)更為細(xì)小的 亞晶粒亞晶粒（0.001mm0.001mm），亞晶粒之間存在著），亞晶粒之間存在著小的位小的位 相差相差，相鄰亞晶粒之間的界面成為

24、，相鄰亞晶粒之間的界面成為亞晶界亞晶界。亞晶。亞晶 粒粒更接近于理想更接近于理想的單晶體。的單晶體。 位相差一般小于位相差一般小于2 2o o，屬于小角度晶界，具有晶界，屬于小角度晶界，具有晶界 的一般特征。的一般特征。 2021-7-18材料科學(xué)基礎(chǔ)CAI課件-李克37 1、小角度晶界的結(jié)構(gòu) 2021-7-18材料科學(xué)基礎(chǔ)CAI課件-李克38 A、對(duì)稱(chēng)傾斜晶界 2021-7-18材料科學(xué)基礎(chǔ)CAI課件-李克39 B、不對(duì)稱(chēng)傾斜晶界 兩 個(gè) 自 由 度 2021-7-18材料科學(xué)基礎(chǔ)CAI課件-李克40 C、扭轉(zhuǎn)晶界 * * * * 一般小角度晶界都可看成兩部分晶體繞某一軸旋轉(zhuǎn)一角一般小角度晶

25、界都可看成兩部分晶體繞某一軸旋轉(zhuǎn)一角 度而形成，不過(guò)該轉(zhuǎn)軸即不平行也不垂直晶界，故可看成度而形成，不過(guò)該轉(zhuǎn)軸即不平行也不垂直晶界，故可看成 一系列刃位錯(cuò)，螺位錯(cuò)或混合位錯(cuò)的網(wǎng)絡(luò)組成。一系列刃位錯(cuò)，螺位錯(cuò)或混合位錯(cuò)的網(wǎng)絡(luò)組成。 b D 2021-7-18材料科學(xué)基礎(chǔ)CAI課件-李克41 2、大角度晶界的結(jié)構(gòu) 臺(tái)階模型（左圖） *相鄰晶粒在交界處的形狀不是光滑的曲 面，而是由不規(guī)則臺(tái)階組成的，A,B,C,D 特征區(qū)域 重合位置點(diǎn)陣模型（右圖） *晶界能較低 *特殊位向 *晶界可看成是好 區(qū)與壞區(qū)交替相間 組合而成的。 *一般大角度晶界 的寬度一般不超過(guò) 三個(gè)原子間距。 2021-7-18材料科學(xué)基

26、礎(chǔ)CAI課件-李克42 3、晶界能 晶界能：晶界能：等于接口區(qū)單位面積的能量減去無(wú)界面等于接口區(qū)單位面積的能量減去無(wú)界面 時(shí)該區(qū)單位面積的能量。也可看成由于晶界上點(diǎn)時(shí)該區(qū)單位面積的能量。也可看成由于晶界上點(diǎn) 陣畸變?cè)黾拥哪遣糠诸~外自由能。陣畸變?cè)黾拥哪遣糠诸~外自由能。 dAdFr i i i dA dn udAdFr 在純金屬中 在合金中 晶介面積A改變而 引起的晶粒內(nèi)i組元 原子數(shù)的改變 2021-7-18材料科學(xué)基礎(chǔ)CAI課件-李克43 小角度晶界的界面能：小角度晶界的界面能：P127 單位長(zhǎng)度刃型位錯(cuò)的能量：?jiǎn)挝婚L(zhǎng)度刃型位錯(cuò)的能量： c E r R v Gb E 0 ln )1 (4 刃

27、 b D D E 1D 1E 而 c 0 E b ln )1 (4 r R v Gb br0DR )(lnA 0 令 則 ， 2 c Gb v-14E A ）（ 刃 2 Gb v-14）（ 0 故小角度晶界能故小角度晶界能 是相鄰兩晶粒之間位相差是相鄰兩晶粒之間位相差 的函數(shù)，的函數(shù)， 隨位向差增加而增大。隨位向差增加而增大。 （3.42） 2021-7-18材料科學(xué)基礎(chǔ)CAI課件-李克44 大角度晶界的界面能大角度晶界的界面能 31 31 23 23 12 12 sinsinsin 大角度晶界能與晶粒間的位向差無(wú)關(guān)，以界面張力形式 表現(xiàn)?？赏ㄟ^(guò)測(cè)定界面交角求出其相對(duì)值： 如圖3.69，三個(gè)晶

28、粒相遇，在達(dá)到平衡時(shí)，在o點(diǎn)處接口 張力必須達(dá)到力學(xué)平衡 故測(cè)得 在平衡狀態(tài)下，三叉晶界的各面在平衡狀態(tài)下，三叉晶界的各面 角均趨于最穩(wěn)定的角均趨于最穩(wěn)定的120120。 圖3.69 2021-7-18材料科學(xué)基礎(chǔ)CAI課件-李克45 4、晶界的特性（Important） 1 1）晶界處點(diǎn)陣畸變變大，存在晶界能，故晶粒長(zhǎng)）晶界處點(diǎn)陣畸變變大，存在晶界能，故晶粒長(zhǎng) 大和晶界平直化是一個(gè)大和晶界平直化是一個(gè)自發(fā)自發(fā)過(guò)程過(guò)程 2 2）晶界處原子排列不規(guī)則）晶界處原子排列不規(guī)則阻礙塑性變形阻礙塑性變形HHb b， s sb b（細(xì)晶（細(xì)晶強(qiáng)化強(qiáng)化） 3 3）晶界處存在較多缺陷（位錯(cuò)、空位等）晶界處存在

29、較多缺陷（位錯(cuò)、空位等）有利有利 原子原子擴(kuò)散擴(kuò)散 4 4）晶界能量高）晶界能量高固態(tài)固態(tài)相變相變先發(fā)生，先發(fā)生，dd形核率形核率 5 5）成分偏析和內(nèi)吸附，又富集雜質(zhì)原子）成分偏析和內(nèi)吸附，又富集雜質(zhì)原子晶界熔晶界熔 點(diǎn)低點(diǎn)低“過(guò)燒過(guò)燒”現(xiàn)象現(xiàn)象 6 6）晶界能高）晶界能高晶界晶界腐蝕腐蝕速度速度 2021-7-18材料科學(xué)基礎(chǔ)CAI課件-李克46 3.3.3 孿晶界 Twin boundary 孿晶孿晶指兩個(gè)晶體（或一個(gè)晶體的兩部分）沿一個(gè)公指兩個(gè)晶體（或一個(gè)晶體的兩部分）沿一個(gè)公 共晶面構(gòu)成對(duì)稱(chēng)的位相關(guān)系，這兩個(gè)晶體就稱(chēng)為孿晶，這共晶面構(gòu)成對(duì)稱(chēng)的位相關(guān)系，這兩個(gè)晶體就稱(chēng)為孿晶，這 個(gè)公共

30、的晶面即成為孿晶面?zhèn)€公共的晶面即成為孿晶面 共格孿晶界：共格孿晶界：即孿晶面，其上的原子即孿晶面，其上的原子同時(shí)位于同時(shí)位于兩側(cè)晶兩側(cè)晶 體點(diǎn)陣的節(jié)點(diǎn)上，體點(diǎn)陣的節(jié)點(diǎn)上，為兩者共有為兩者共有。無(wú)畸變的完全共格界。無(wú)畸變的完全共格界 面，面，界面能界面能（約為普通晶界能（約為普通晶界能1/101/10）很低很穩(wěn)定很低很穩(wěn)定 非共格孿晶界：非共格孿晶界：孿晶界相對(duì)于孿晶面旋轉(zhuǎn)一角度，孿晶界相對(duì)于孿晶面旋轉(zhuǎn)一角度， 其上的原子只有部分為兩者共有，其上的原子只有部分為兩者共有，原子錯(cuò)排較嚴(yán)原子錯(cuò)排較嚴(yán) 重重，孿晶能量相對(duì)較高孿晶能量相對(duì)較高，約為普通晶界的，約為普通晶界的1/21/2 孿孿 晶晶 界界 圖見(jiàn)講義圖見(jiàn)講義 2021-7-18材料科學(xué)基礎(chǔ)CAI課件-李克47 孿晶的形成 孿晶的形成與堆垛層錯(cuò)堆垛層錯(cuò)密度相關(guān)，如fcc的111面發(fā)生堆 垛層錯(cuò)時(shí)為ABCACBACBA CAC處為堆垛層錯(cuò) 孿晶與層錯(cuò)密切相關(guān)孿晶與層錯(cuò)密切相關(guān)一般層錯(cuò)能高的晶體不易產(chǎn)生孿晶 生長(zhǎng)孿晶生長(zhǎng)孿晶 退火孿晶退火孿晶 孿孿 晶晶 的的 形形 成成