ch晶體缺陷面缺陷表面與界面級課件

面缺陷類型：

表面(crystalsurface)：固體材料與氣體或液體的分界面

內(nèi)界面(interface)：晶界、亞晶界、孿晶界、相界、層錯

晶界(grainboundaries)：位向不同的相鄰晶粒之間的界面。

亞晶界(sub-boundaries)：晶粒又可分為更小的亞晶粒。一般晶粒尺寸為15~25μm。亞晶粒尺寸為1μm。亞晶粒之間的界面稱為亞晶界。

孿晶界(twinboundaries)：相鄰兩晶粒的原子，相對一定晶面呈鏡面對稱排列，這兩晶粒間的界面叫孿晶界。

相界(phaseboundaries)

:合金的組織往往由多個相組成，不同的相具有不同的晶體結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分，兩個相之間的界面。

層錯(stackingfaults)

:面缺陷類型：13.3.1外表面

表面能(γ）（Surfaceenergy）：晶體表面單位面積自由能的增加

表示法：γ=dw/dsγ=T/Lγ=[被割斷的結(jié)合鍵數(shù)/形成單位新表面]×[能量/每個鍵]

影響γ的因素：(1)γ與晶體表面原子排列的致密程度有關(guān)。原子密排的表面具有最小的表面能。(2)γ還與晶體表面曲率有關(guān)。曲率半徑小,曲率大,γ愈大。(3)外部質(zhì)的性質(zhì)。介質(zhì)不同,則γ不同。(4)還與晶體性質(zhì)有關(guān)。晶體本身結(jié)合能高，則γ大。（離子晶體表面）3.3.1外表面表面能(γ）（Surfaceen23.3.2晶界和亞晶界

晶界(grainboundary)：屬于同一固相但位向不同的晶粒之間的界面。亞晶界(subgrainboundary)：每個晶粒有時又由若干個位向稍有差異的亞晶粒所組成，相鄰亞晶粒間的界面。在晶粒內(nèi)部還存在許多位向差極?。?lt;1o）的亞結(jié)構(gòu)，稱為亞晶粒

確定晶界位置：(1)兩晶粒的位向差θ;(2)晶界相對于一個點(diǎn)陣某一平面的夾角φ。按θ的大小分類：小角度晶界θ<10o，亞晶界均屬小角度晶界，一般小于2°;大角度晶界θ>10o，多晶體中90％以上的晶界屬于此類。3.3.2晶界和亞晶界晶界(grainboundary31.小角度晶界

小角度晶界（lowanglegrainboundaries）：由一系列相隔一定距離的刃型位錯所組成。分類：(1)對稱傾斜界面（tiltboundary）：是把晶界兩側(cè)晶體互相傾斜的結(jié)果。晶界平面為兩個相鄰晶粒的對稱面。是由一列平行的刃型位錯所組成。相鄰位錯距離D與b、θ之間關(guān)系：D=b/[2sin(θ/2)]

(2)不對稱傾斜界面：兩晶粒不以二者晶界為對稱的晶界看成兩組互相垂直的刃型位錯排列而成的。兩位錯各自的間距為D⊥和D├，則有3.40式。

(3)扭轉(zhuǎn)晶界（twistboundary）：將一塊晶體沿橫斷面切開,并使上下部分晶體繞軸轉(zhuǎn)動θ角,再與下部分晶體粘在一起形成?？煽闯墒怯苫ハ嘟徊娴穆菸诲e所組成。

1.小角度晶界小角度晶界（lowangl42.大角度晶界

大角度晶界（highanglegrainboundaries）為原子呈不規(guī)則排列的一過渡層。大多數(shù)晶粒之間的晶界都屬于大角度晶界。重合位置點(diǎn)陣（coincidencesitelattice）模型：圖3.65，該模型說明，在大角度晶界結(jié)構(gòu)中將存在一定數(shù)量重合點(diǎn)陣原子。2.大角度晶界大角度晶界（highanglegrain53.晶界能

晶界能：形成單位面時，系統(tǒng)的自由能變化。它等于界面區(qū)單位面積的能量減去無界面時該區(qū)單位面積的能量。J/㎡。小角度晶界的能量：主要來自位錯能量(形成位錯的能量和將位錯排成有關(guān)組態(tài)所作的功)，而位密度又決定于晶粒間的位向差，所以晶界能量與θ有關(guān)：γ=γ0θ(A－lnθ)

式中γ0=Gb/4п(1－ν)為常數(shù)，A為積分常數(shù)，取決于位錯中心的原子錯排能。小角度晶界的晶界能是隨位向差增加而增大，但該公式只適用于小角度晶界，而對大角度晶界不適用。大角度晶界能量：與θ無關(guān)，基本上為一恒定值,0.25—1.0J/㎡在平衡狀態(tài)時，三叉晶界的各面角均趨與穩(wěn)定狀態(tài)，此時φ1=φ2=φ3=120o。3.晶界能晶界能：形成單位面時，系統(tǒng)的自由能變64.晶界特征

（1）晶界處點(diǎn)畸變大，存在晶界能。（2）晶界處原子排列不規(guī)則，常溫下晶界的存在會對位錯的運(yùn)動起阻礙運(yùn)動，使塑型變形抗力提高，使晶體（材料）的硬度和強(qiáng)度提高。產(chǎn)生細(xì)晶強(qiáng)化。

（3）晶界處原子具有較高的動能，且晶界處存在大量缺陷。原子在晶界處擴(kuò)散比晶內(nèi)快得多。（4）固態(tài)相變時易在晶界處形成新核。（5）晶界上富集雜質(zhì)原子多，熔點(diǎn)低，加熱時容易過熱和過燒。（6）晶界腐蝕速度比晶內(nèi)快。（7）晶界具有不同與晶內(nèi)的物理性質(zhì)。亞晶界屬與小角度晶界，為各種亞結(jié)構(gòu)的交界，大小和尺寸與熱加工條件有關(guān)。4.晶界特征（1）晶界處點(diǎn)畸變大，存在晶界能。73.3.3孿晶界

孿晶(twin)：兩個晶體(或一個晶體的兩部分)沿一個公共晶面構(gòu)成鏡面對稱的位向關(guān)系，這兩個晶體就稱為“孿晶”

孿晶分類：

①共格孿晶面（coherenttwinboundary）：在孿晶面上的原子同時位于兩個晶體點(diǎn)陣的結(jié)點(diǎn)上，為兩個晶體所共有，屬于自然地完全匹配。

②非共格孿晶面(non-coherenttwinboundary）：孿晶界上只有部分原子為兩部分晶體所共有孿晶的形成常常與晶體中的堆垛層錯有密切關(guān)系，γ高不易形成孿晶。

fcc結(jié)構(gòu)：孿晶面為{111}bcc結(jié)構(gòu)：孿晶面為{112}。

依照形成原因不同分為：變形孿晶、生長孿晶、退火孿晶3.3.3孿晶界孿晶(twin)：兩個晶體(或一83.3.4相界

相界（phaseboundary)：具有不同結(jié)構(gòu)的兩相之間的分界面。

按相界面上原子間匹配程度分為：共格界面、半共格界面、非共格界面3.3.4相界相界（phaseboundary)：具9

1.共格界面（coherentphaseboundary）：界面上的原子同時位于兩相晶格的結(jié)點(diǎn)上，即兩相的晶格是彼此銜接的,界面上的原子為兩者共有。

特征：界面兩側(cè)的保持一定的位向關(guān)系，沿界面兩相具有相同或近似的原子排列，兩相在界面上原子匹配得好，界面能很低。理想的完全共格界面只有在孿晶面（界）。右圖分別為具有完善和彈性畸變的共格關(guān)系的界面1.共格界面（coherentphaseboun10

特征：沿相界面每隔一定距離產(chǎn)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。所以半共格界面是由共格區(qū)和非共格區(qū)相間組成。半共格界面上的位錯間距取決于相界處兩相匹配晶面的錯配度(δ):δ＝(αα－αβ)/αα

2.半共格界面（semi-coherentphaseboundary)：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(yīng)，于是在界面上將產(chǎn)生一些位錯，以降低界面的彈性應(yīng)變能，這類界面為半共格界面。特征：沿相界面每隔一定距離產(chǎn)生一個刃型位錯，除113.非共格界面（noncoherentphaseboundary）：特征：原子不規(guī)則排列的薄層為兩相的過渡層。相界能包括兩部分：彈性畸變能和化學(xué)交互作用能。彈性畸變能大小取決于錯配度δ（misfitmatch）的大小；化學(xué)交互作用能取決于界面上原子與周圍原子的化學(xué)鍵結(jié)合狀況。相界面結(jié)構(gòu)不同，這兩部分能量所占的比例不同。對共格相界，界面能以應(yīng)變能為主；對于非共格相界，界面能以化學(xué)能為主且總的界面能較高。從相界能的角度來看，從共格至半共格到非共格依次遞增。3.非共格界面（noncoherentphase121、各類缺陷的定義和特征2、點(diǎn)缺陷的類型和平衡濃度公式3、線缺陷的類型（刃型、螺型、混合型位錯），刃位錯、螺位錯和混合位錯的判斷及其特征。4、柏氏矢量的特征，柏氏矢量與位錯的關(guān)系5、位錯運(yùn)動及特性、滑移、(雙)交滑移、多滑移、攀移、交割、割價、扭折、塞積6、位錯的應(yīng)力場、應(yīng)變能、線張力、作用在位錯上的力7、位錯密度、位錯源、位錯生成、位錯的增殖(F-R源、雙交滑移機(jī)制等)、位錯分解與合成、位錯反應(yīng)8、全位錯、不全位錯、堆垛層錯9、面缺陷、表面、表面(能)、界面(能)、晶界及類型、相界(能)及類型、孿晶界10、晶界的特性(大、小角度晶界)本章小結(jié)1、各類缺陷的定義和特征本章小結(jié)13物質(zhì)的結(jié)構(gòu)小結(jié)物質(zhì)的結(jié)構(gòu)小結(jié)14面缺陷類型：

表面(crystalsurface)：固體材料與氣體或液體的分界面

內(nèi)界面(interface)：晶界、亞晶界、孿晶界、相界、層錯

晶界(grainboundaries)：位向不同的相鄰晶粒之間的界面。

亞晶界(sub-boundaries)：晶粒又可分為更小的亞晶粒。一般晶粒尺寸為15~25μm。亞晶粒尺寸為1μm。亞晶粒之間的界面稱為亞晶界。

孿晶界(twinboundaries)：相鄰兩晶粒的原子，相對一定晶面呈鏡面對稱排列，這兩晶粒間的界面叫孿晶界。

相界(phaseboundaries)

:合金的組織往往由多個相組成，不同的相具有不同的晶體結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分，兩個相之間的界面。

層錯(stackingfaults)

:面缺陷類型：153.3.1外表面

表面能(γ）（Surfaceenergy）：晶體表面單位面積自由能的增加

表示法：γ=dw/dsγ=T/Lγ=[被割斷的結(jié)合鍵數(shù)/形成單位新表面]×[能量/每個鍵]

影響γ的因素：(1)γ與晶體表面原子排列的致密程度有關(guān)。原子密排的表面具有最小的表面能。(2)γ還與晶體表面曲率有關(guān)。曲率半徑小,曲率大,γ愈大。(3)外部質(zhì)的性質(zhì)。介質(zhì)不同,則γ不同。(4)還與晶體性質(zhì)有關(guān)。晶體本身結(jié)合能高，則γ大。（離子晶體表面）3.3.1外表面表面能(γ）（Surfaceen163.3.2晶界和亞晶界

晶界(grainboundary)：屬于同一固相但位向不同的晶粒之間的界面。亞晶界(subgrainboundary)：每個晶粒有時又由若干個位向稍有差異的亞晶粒所組成，相鄰亞晶粒間的界面。在晶粒內(nèi)部還存在許多位向差極小（<1o）的亞結(jié)構(gòu)，稱為亞晶粒

確定晶界位置：(1)兩晶粒的位向差θ;(2)晶界相對于一個點(diǎn)陣某一平面的夾角φ。按θ的大小分類：小角度晶界θ<10o，亞晶界均屬小角度晶界，一般小于2°;大角度晶界θ>10o，多晶體中90％以上的晶界屬于此類。3.3.2晶界和亞晶界晶界(grainboundary171.小角度晶界

小角度晶界（lowanglegrainboundaries）：由一系列相隔一定距離的刃型位錯所組成。分類：(1)對稱傾斜界面（tiltboundary）：是把晶界兩側(cè)晶體互相傾斜的結(jié)果。晶界平面為兩個相鄰晶粒的對稱面。是由一列平行的刃型位錯所組成。相鄰位錯距離D與b、θ之間關(guān)系：D=b/[2sin(θ/2)]

(2)不對稱傾斜界面：兩晶粒不以二者晶界為對稱的晶界看成兩組互相垂直的刃型位錯排列而成的。兩位錯各自的間距為D⊥和D├，則有3.40式。

(3)扭轉(zhuǎn)晶界（twistboundary）：將一塊晶體沿橫斷面切開,并使上下部分晶體繞軸轉(zhuǎn)動θ角,再與下部分晶體粘在一起形成。可看成是由互相交叉的螺位錯所組成。

1.小角度晶界小角度晶界（lowangl182.大角度晶界

大角度晶界（highanglegrainboundaries）為原子呈不規(guī)則排列的一過渡層。大多數(shù)晶粒之間的晶界都屬于大角度晶界。重合位置點(diǎn)陣（coincidencesitelattice）模型：圖3.65，該模型說明，在大角度晶界結(jié)構(gòu)中將存在一定數(shù)量重合點(diǎn)陣原子。2.大角度晶界大角度晶界（highanglegrain193.晶界能

晶界能：形成單位面時，系統(tǒng)的自由能變化。它等于界面區(qū)單位面積的能量減去無界面時該區(qū)單位面積的能量。J/㎡。小角度晶界的能量：主要來自位錯能量(形成位錯的能量和將位錯排成有關(guān)組態(tài)所作的功)，而位密度又決定于晶粒間的位向差，所以晶界能量與θ有關(guān)：γ=γ0θ(A－lnθ)

式中γ0=Gb/4п(1－ν)為常數(shù)，A為積分常數(shù)，取決于位錯中心的原子錯排能。小角度晶界的晶界能是隨位向差增加而增大，但該公式只適用于小角度晶界，而對大角度晶界不適用。大角度晶界能量：與θ無關(guān)，基本上為一恒定值,0.25—1.0J/㎡在平衡狀態(tài)時，三叉晶界的各面角均趨與穩(wěn)定狀態(tài)，此時φ1=φ2=φ3=120o。3.晶界能晶界能：形成單位面時，系統(tǒng)的自由能變204.晶界特征

（1）晶界處點(diǎn)畸變大，存在晶界能。（2）晶界處原子排列不規(guī)則，常溫下晶界的存在會對位錯的運(yùn)動起阻礙運(yùn)動，使塑型變形抗力提高，使晶體（材料）的硬度和強(qiáng)度提高。產(chǎn)生細(xì)晶強(qiáng)化。

（3）晶界處原子具有較高的動能，且晶界處存在大量缺陷。原子在晶界處擴(kuò)散比晶內(nèi)快得多。（4）固態(tài)相變時易在晶界處形成新核。（5）晶界上富集雜質(zhì)原子多，熔點(diǎn)低，加熱時容易過熱和過燒。（6）晶界腐蝕速度比晶內(nèi)快。（7）晶界具有不同與晶內(nèi)的物理性質(zhì)。亞晶界屬與小角度晶界，為各種亞結(jié)構(gòu)的交界，大小和尺寸與熱加工條件有關(guān)。4.晶界特征（1）晶界處點(diǎn)畸變大，存在晶界能。213.3.3孿晶界

孿晶(twin)：兩個晶體(或一個晶體的兩部分)沿一個公共晶面構(gòu)成鏡面對稱的位向關(guān)系，這兩個晶體就稱為“孿晶”

孿晶分類：

①共格孿晶面（coherenttwinboundary）：在孿晶面上的原子同時位于兩個晶體點(diǎn)陣的結(jié)點(diǎn)上，為兩個晶體所共有，屬于自然地完全匹配。

②非共格孿晶面(non-coherenttwinboundary）：孿晶界上只有部分原子為兩部分晶體所共有孿晶的形成常常與晶體中的堆垛層錯有密切關(guān)系，γ高不易形成孿晶。

fcc結(jié)構(gòu)：孿晶面為{111}bcc結(jié)構(gòu)：孿晶面為{112}。

依照形成原因不同分為：變形孿晶、生長孿晶、退火孿晶3.3.3孿晶界孿晶(twin)：兩個晶體(或一223.3.4相界

相界（phaseboundary)：具有不同結(jié)構(gòu)的兩相之間的分界面。

按相界面上原子間匹配程度分為：共格界面、半共格界面、非共格界面3.3.4相界相界（phaseboundary)：具23

1.共格界面（coherentphaseboundary）：界面上的原子同時位于兩相晶格的結(jié)點(diǎn)上，即兩相的晶格是彼此銜接的,界面上的原子為兩者共有。

特征：界面兩側(cè)的保持一定的位向關(guān)系，沿界面兩相具有相同或近似的原子排列，兩相在界面上原子匹配得好，界面能很低。理想的完全共格界面只有在孿晶面（界）。右圖分別為具有完善和彈性畸變的共格關(guān)系的界面1.共格界面（coherentphaseboun24

特征：沿相界面每隔一定距離產(chǎn)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。所以半共格界面是由共格區(qū)和非共格區(qū)相間組成。半共格界面上的位錯間距取決于相界處兩相匹配晶面的錯配度(δ):δ＝(αα－αβ)/αα

2.半共格界