材料科學(xué)基礎(chǔ)第2章晶體缺陷3ppt課件

1、 112.3.1 晶體表面晶體表面原子會(huì)偏離其正常平衡位置，造成表面層的晶格畸變晶體表面原子會(huì)偏離其正常平衡位置，造成表面層的晶格畸變，其能量升高，將單位面積上升高的能量稱為比表面能表面，其能量升高，將單位面積上升高的能量稱為比表面能表面能能(J/m2 )。表面能也可以用單位長(zhǎng)度上的表面張力。表面能也可以用單位長(zhǎng)度上的表面張力(N/m )表示。影響表面能的因素主要有：表示。影響表面能的因素主要有：外部介質(zhì)的分子或原子對(duì)晶體界面原子的作用力與晶體內(nèi)部原外部介質(zhì)的分子或原子對(duì)晶體界面原子的作用力與晶體內(nèi)部原于對(duì)界面原子的作用力相差越懸殊，則表面能越大。于對(duì)界面原子的作用力相差越懸殊，則表面能越大。

2、 當(dāng)裸露的表面是密排晶面時(shí)，則表面能最小，非密排晶面的表當(dāng)裸露的表面是密排晶面時(shí)，則表面能最小，非密排晶面的表面能則較大，因此，晶體易于使其密排晶面裸露在表面。面能則較大，因此，晶體易于使其密排晶面裸露在表面。表面的曲率越大，則表面能越大，即表面的曲率半徑越小，則表面的曲率越大，則表面能越大，即表面的曲率半徑越小，則表面能越高。表面能越高。晶體本身的結(jié)合能高，則表面能大。熔點(diǎn)高，則結(jié)合能大，因晶體本身的結(jié)合能高，則表面能大。熔點(diǎn)高，則結(jié)合能大，因而表面能也往往較高。而表面能也往往較高。Section 2.3 Surface Defects 面缺陷 222.3.1 晶體表面o 外表面是非常粗糙的

3、，比材料內(nèi)部活性更大。o 納米結(jié)構(gòu)材料超細(xì)粉體與納米材料、多孔材料和凝膠類似是表面能很高的一類材料。o 對(duì)于日常廣泛應(yīng)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(duì)晶體性能的影響不如晶界重要。但是對(duì)于多孔物質(zhì)或粉末材料，它們的比表面很大，此時(shí)表面能就成為不可忽略的重要因素，甚至是關(guān)鍵因素。o 粉末的表面能數(shù)值相當(dāng)可觀，成為不少過程的驅(qū)動(dòng)力，例如粉末在高溫下可燒結(jié)為整體，其驅(qū)動(dòng)力就來自于高的表面能。 332.3.2 晶界(Grain boundary)晶界就是空間取向晶界就是空間取向(或位向或位向)不同的相鄰晶粒之間的界面。晶粒不同的相鄰晶粒之間的界面。晶粒內(nèi)又可分為位向

4、差只有幾分到幾度的若干小晶塊、這些小晶塊內(nèi)又可分為位向差只有幾分到幾度的若干小晶塊、這些小晶塊可稱為亞晶粒，相鄰亞晶粒之間的界面稱為亞晶界?？煞Q為亞晶粒，相鄰亞晶粒之間的界面稱為亞晶界。1小角度晶界小角度晶界( 10) 多晶體各晶粒之間的晶界多晶體各晶粒之間的晶界對(duì)稱傾轉(zhuǎn)型對(duì)稱傾轉(zhuǎn)型 (title boundary)：它是由一列豎直排列的刃型：它是由一列豎直排列的刃型位錯(cuò)構(gòu)成，亦稱位錯(cuò)構(gòu)成，亦稱“位錯(cuò)墻位錯(cuò)墻”。扭轉(zhuǎn)型：它可以看成兩個(gè)簡(jiǎn)單立方晶粒之間的扭轉(zhuǎn)晶界。扭轉(zhuǎn)扭轉(zhuǎn)型：它可以看成兩個(gè)簡(jiǎn)單立方晶粒之間的扭轉(zhuǎn)晶界。扭轉(zhuǎn)型小角度晶界，是由相交的螺位錯(cuò)網(wǎng)絡(luò)所構(gòu)成。型小角度晶界，是由相交的螺位錯(cuò)網(wǎng)絡(luò)

5、所構(gòu)成。由于小角度晶界的界面能低于規(guī)則晶粒的晶界能，所以小角度由于小角度晶界的界面能低于規(guī)則晶粒的晶界能，所以小角度晶界對(duì)滑移幾乎沒有什么阻礙作用。晶界對(duì)滑移幾乎沒有什么阻礙作用。2. 大角度晶界大角度晶界(10) 亞晶界亞晶界相當(dāng)于兩晶粒之間的過渡層，是僅有相當(dāng)于兩晶粒之間的過渡層，是僅有2-3個(gè)原子厚度的薄層，個(gè)原子厚度的薄層，總體來說，原子排列相對(duì)無序，也比較稀疏些?？傮w來說，原子排列相對(duì)無序，也比較稀疏些。 44Figure (a) The atoms near the boundaries of the three grains do not have an equilibrium

6、spacing or arrangement. (b) Grains and grain boundaries in a stainless steel sample. 55Figure 2.22 The small angle grain boundary is produced by an array of dislocations, causing an angular mismatch between lattices on either side of the boundary.圖圖2-22 對(duì)稱傾轉(zhuǎn)型小角度晶界對(duì)稱傾轉(zhuǎn)型小角度晶界 6圖2-23 扭轉(zhuǎn)型小角度晶界圖2-24 大角度晶

7、界結(jié)構(gòu)的示意圖 772.3.3 晶界特性o 晶粒長(zhǎng)大和晶界的平直化都可減少晶界的總面積，從而降低晶界的總能量。大角度晶界的界面能遠(yuǎn)高于小角度晶界的界面能。所以，大角度晶界的遷移速率較小角度晶界大。o 由于界面能的存在，當(dāng)金屬中存在能降低界面能的異類原子時(shí)，這些原子就將向晶界偏聚，這種現(xiàn)象稱為內(nèi)吸附。凡是提高界面能的原子，將會(huì)在晶粒內(nèi)部偏聚，這種現(xiàn)象叫做反內(nèi)吸附。o 晶粒越細(xì)，金屬材料的強(qiáng)度和硬度越高。o 由于界面能的存在，使晶界的熔點(diǎn)低于晶粒內(nèi)，且易于腐蝕和氧化。o 晶界上的空位、位錯(cuò)等缺陷較多，因此，原子的擴(kuò)散速度較快，在發(fā)生相變時(shí)，新相晶核往往首先在晶界形成。 88Figure The e

8、ffect of grain size on the yield strength of steel at room temperature. 992.3.4 晶界的觀察o 光學(xué)顯微鏡分析是一種可以觀察2000倍以下的顯微組織包括晶界的技術(shù)。金相學(xué)(Metallography)就是金屬樣品的制備和顯微組織的觀察分析的過程。o 金相樣品的制備包括使用砂紙進(jìn)行粗磨和細(xì)磨，拋光成鏡面。樣品表面用化學(xué)浸蝕劑浸蝕，晶界比晶內(nèi)更易于腐蝕。根據(jù)樣品表面腐蝕的程度，反射或散射來自光學(xué)顯微鏡的光線。晶界處腐蝕得很深，光線大部分被散射，因此晶界看上去為黑色的線。o 在陶瓷材料樣品中，可以采用熱腐蝕或熱刻蝕ther

9、mal grooving的技術(shù)來觀察晶界。這個(gè)過程主要包括拋光和低于燒結(jié)溫度的短時(shí)加熱過程。o 圖像分析程序不僅可以確定晶粒度，還可以得到平均晶粒尺寸、晶粒分布，孔隙率和第二相等定量數(shù)據(jù)。光學(xué)顯微鏡和掃描電鏡都可以配備圖像分析系統(tǒng)。 1010Figure Microstructure of palladium (x 100). 11112.3.5 堆垛層錯(cuò)Stacking Faults）o 堆垛層錯(cuò)層錯(cuò)），就是晶體中的原子按正常堆垛次序堆垛層錯(cuò)層錯(cuò)），就是晶體中的原子按正常堆垛次序發(fā)生了差錯(cuò)而出現(xiàn)的面缺陷。發(fā)生了差錯(cuò)而出現(xiàn)的面缺陷。o 堆垛層錯(cuò)破壞了晶體的正常周期，從而增加了晶體的能堆垛層錯(cuò)破

10、壞了晶體的正常周期，從而增加了晶體的能量。通常把產(chǎn)生單位面積層錯(cuò)所需的能量稱為層錯(cuò)能。量。通常把產(chǎn)生單位面積層錯(cuò)所需的能量稱為層錯(cuò)能。它主要是在電子學(xué)方面的影響，晶體中并不產(chǎn)生點(diǎn)陣畸它主要是在電子學(xué)方面的影響，晶體中并不產(chǎn)生點(diǎn)陣畸變，畸變能可以不計(jì)。因此，層錯(cuò)能的能量比晶界能量變，畸變能可以不計(jì)。因此，層錯(cuò)能的能量比晶界能量要低得多。堆垛層錯(cuò)對(duì)滑移有阻礙作用。要低得多。堆垛層錯(cuò)對(duì)滑移有阻礙作用。o 金屬的層錯(cuò)能越小，則層錯(cuò)出現(xiàn)的幾率越大，如在奧氏金屬的層錯(cuò)能越小，則層錯(cuò)出現(xiàn)的幾率越大，如在奧氏體不銹鋼中，可以看到大量的層鍺，而在鋁中則根本看體不銹鋼中，可以看到大量的層鍺，而在鋁中則根本看不到層

11、錯(cuò)。不到層錯(cuò)。金屬金屬AgAgAuAuCuCuAlAlNiNi不銹鋼不銹鋼層錯(cuò)能層錯(cuò)能2020454575752002002402401313表表2-42-4部分面心立方金屬的層錯(cuò)能部分面心立方金屬的層錯(cuò)能10107J/cm27J/cm2） 12122.3.6 孿晶界Twin Boundaries）o 晶面原子完全是共格的，而且兩側(cè)的晶體以界面為對(duì)稱面成鏡面對(duì)稱，這樣一對(duì)晶體稱為孿晶或把兩個(gè)對(duì)稱面之間的與母體成鏡面對(duì)稱的一部分晶體稱為孿晶）。這種對(duì)稱界面就是孿晶面，也是孿晶界。孿晶界對(duì)滑移有阻礙作用，增加了金屬的強(qiáng)度。孿晶界的運(yùn)動(dòng)也會(huì)導(dǎo)致金屬的變形。o 和堆垛層錯(cuò)和孿晶界相比，界面能高的晶界阻

12、礙滑移的能力最強(qiáng)。 界面能界面能(10(107 7 ) )AlAlCuCuPtPtFeFe堆垛層錯(cuò)堆垛層錯(cuò)20020075759595- -孿晶界孿晶界1201204545195195190190晶界晶界62562564564510001000780780表表2-5 2-5 金屬中面缺陷的界面能金屬中面缺陷的界面能 1313Figure 2-25 Application of a stress to the perfect crystal (a) may cause a displacement of the atoms, (b) causing the formation of a twin

13、. Note that the crystal has deformed as a result of twinning.圖圖2-25 2-25 對(duì)一個(gè)完整晶體施加應(yīng)力對(duì)一個(gè)完整晶體施加應(yīng)力a a引起原子移動(dòng)引起原子移動(dòng)b b產(chǎn)生孿晶，注產(chǎn)生孿晶，注意由此，晶體而產(chǎn)生相應(yīng)的變形意由此，晶體而產(chǎn)生相應(yīng)的變形c c黃銅內(nèi)部的孿晶的顯微形貌黃銅內(nèi)部的孿晶的顯微形貌( (250)250) 1414Figure 2-25 (c) A micrograph of twins within a grain of brass (x250).圖圖2-25 對(duì)一個(gè)完整晶體施加應(yīng)力對(duì)一個(gè)完整晶體施加應(yīng)力a引起原子移

14、動(dòng)引起原子移動(dòng)b產(chǎn)生孿晶，注意由產(chǎn)生孿晶，注意由此，晶體而產(chǎn)生相應(yīng)的變形此，晶體而產(chǎn)生相應(yīng)的變形c黃銅內(nèi)部的孿晶的顯微形貌黃銅內(nèi)部的孿晶的顯微形貌(250) 15o 具有不同晶體結(jié)構(gòu)的兩相之間的分界面稱為相界。o 共格界面是指界面上的原子同時(shí)位于兩相晶格的結(jié)點(diǎn)上，為兩種晶格所共有。界面上原子的排列規(guī)律既符合這個(gè)相晶粒內(nèi)原于排列的規(guī)律，又符合另一個(gè)相晶粒內(nèi)原子排列的規(guī)律。o 完善共格關(guān)系的相界上，兩相原子匹配得很好，幾乎沒有畸變，這種相界的能量最低，但這種相界很少。o 一般兩相的晶體結(jié)構(gòu)或多或少地會(huì)有所差異，因此，在共格界面上，兩相的原子間距存在著差異，從而必然導(dǎo)致彈性畸變，即相界某一側(cè)的晶體(原子間距大的)受到壓應(yīng)