晶体缺陷面缺陷表面与界面级课件.pptx

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1、第三章第三章第三章第三章 晶体缺陷晶体缺陷晶体缺陷晶体缺陷 面缺陷类型：面缺陷类型：表面表面表面表面(crystal surface)crystal surface)：固体材料与气体或液体的分界面：固体材料与气体或液体的分界面 内界面内界面内界面内界面(interface)interface)：晶界、亚晶界、孪晶界、相界、层错晶界、亚晶界、孪晶界、相界、层错 晶界晶界晶界晶界(grain boundaries)(grain boundaries)：位向不同的相邻晶粒之间的界面。：位向不同的相邻晶粒之间的界面。亚亚亚亚晶晶晶晶界界界界(sub-boundaries)(sub-boundaries

2、)：晶晶粒粒又又可可分分为为更更小小的的亚亚晶晶粒粒。一一般般晶晶粒粒尺尺寸寸为为1525m1525m。亚亚晶晶粒粒尺尺寸寸为为1m1m。亚亚晶晶粒粒之之间间的的界界面面称称为为亚亚晶晶界。界。孪孪孪孪晶晶晶晶界界界界(twin(twin boundaries)boundaries)：相相邻邻两两晶晶粒粒的的原原子子，相相对对一一定定晶晶面面呈呈镜面对称排列，这两晶粒间的界面叫孪晶界。镜面对称排列，这两晶粒间的界面叫孪晶界。相相相相界界界界(phase(phase boundaries)boundaries):合合金金的的组组织织往往往往由由多多个个相相组组成成，不不同同的的相具有不同的晶体结

3、构和化学成分，两个相之间的界面。相具有不同的晶体结构和化学成分，两个相之间的界面。层错层错层错层错(stacking faults)(stacking faults):第三章第三章第三章第三章 晶体缺陷晶体缺陷晶体缺陷晶体缺陷3.3.1 3.3.1 外表面外表面 表表表表面面面面能能能能(）（Surface Surface energy energy）：晶晶体体表表面面单单位位面面积积自自由由能的增加能的增加 表示法表示法表示法表示法：=dw/ds =T/L=dw/ds =T/L =被割断的结合键数被割断的结合键数/形成单位新表面形成单位新表面能量能量/每个键每个键 影响影响影响影响的因素的因

4、素的因素的因素：(1)(1)与与晶晶体体表表面面原原子子排排列列的的致致密密程程度度有有关关。原原子子密密排排的的表表面面具具有有最最小小的表面能。的表面能。(2)(2)还还与与晶晶体体表表面面曲曲率率有有关关。曲曲率半径小率半径小,曲率大曲率大,愈大。愈大。(3)(3)外外部部质质的的性性质质。介介质质不不同同,则则不同。不同。(4)(4)还还与与晶晶体体性性质质有有关关。晶晶体体本本身身结合能高，则结合能高，则大。大。（离子晶体表面离子晶体表面）第三章第三章第三章第三章 晶体缺陷晶体缺陷晶体缺陷晶体缺陷3.3.2 3.3.2 3.3.2 3.3.2 晶界和亚晶界晶界和亚晶界晶界和亚晶界晶界

5、和亚晶界 晶晶晶晶界界界界(grain grain boundary)boundary)：属属于于同同一一固固相相但但位位向向不不同同的的晶晶粒粒之之间的界面。间的界面。亚亚亚亚晶晶晶晶界界界界(subgrain subgrain boundary)boundary)：每每个个晶晶粒粒有有时时又又由由若若干干个个位位向稍有差异的亚晶粒所组成向稍有差异的亚晶粒所组成，相邻亚晶粒间的界面。相邻亚晶粒间的界面。在在晶晶粒粒内内部部还还存存在在许许多多位位向向差差极极小小（11o o）的的亚亚结结构构，称称为为亚亚亚亚晶粒晶粒晶粒晶粒 确确确确定定定定晶晶晶晶界界界界位位位位置置置置：(1)(1)两两

6、晶晶粒粒的的位位向向差差;(2)(2)晶晶界界相相对对于于一一个个点阵某一平面的夹角点阵某一平面的夹角。按按按按的大小分类的大小分类的大小分类的大小分类：小小角角度度晶晶界界101010，多多晶晶体体中中9090以上的晶界属于此类。以上的晶界属于此类。第三章第三章第三章第三章 晶体缺陷晶体缺陷晶体缺陷晶体缺陷1.1.1.1.小角度晶界小角度晶界小角度晶界小角度晶界 小小小小 角角角角 度度度度 晶晶晶晶 界界界界（low low angle angle grain grain boundariesboundaries ）：由由一一系系列列相相隔隔一一定定距距离离的的刃型位错所组成。刃型位错所组

7、成。分类：分类：(1)(1)(1)(1)对对对对称称称称倾倾倾倾斜斜斜斜界界界界面面面面（tilt tilt boundaryboundary）：是是把把晶晶界界两两侧侧晶晶体体互互相相倾倾斜斜的的结结果果。晶晶界界平平面面为为两两个个相相邻邻晶晶粒粒的的对对称称面面。是是由由一一列列平平行行的的刃刃型型位位错错所所组组成成。相相邻邻位位错错距距离离D D与与 b b、之之间关系：间关系：D=b/2sin(/2)(2)(2)(2)(2)不不不不对对对对称称称称倾倾倾倾斜斜斜斜界界界界面面面面：两两晶晶粒粒不不以以二二者者晶晶界界为为对对称称的的晶晶界界看看成成两两组组互互相相垂垂直直的的刃刃型

8、型位位错错排排列列而而成成的的。两两位位错错各各自自的的间间距距为为DD和和DD，则有则有3.403.40式。式。(3)(3)(3)(3)扭扭扭扭转转转转晶晶晶晶界界界界（twist twist boundaryboundary）：将将一一块块晶晶体体沿沿横横断断面面切切开开,并并使使上上下下部部分分晶晶体体绕绕轴轴转转动动角角,再再与与下下部部分分晶晶体体粘粘在在一一起起形形成成。可看成是由互相交叉的螺位错所组成。可看成是由互相交叉的螺位错所组成。第三章第三章第三章第三章 晶体缺陷晶体缺陷晶体缺陷晶体缺陷2.2.2.2.大角度晶界大角度晶界大角度晶界大角度晶界 大大大大角角角角度度度度晶晶晶

9、晶界界界界（high high angle angle grain grain boundaries boundaries）为为原原子子呈呈不不规规则则排排列列的的一一过过渡渡层层。大大多多数数晶晶粒粒之之间间的的晶晶界界都都属属于于大大角角度度晶界。晶界。重重重重合合合合位位位位置置置置点点点点阵阵阵阵（coincidence coincidence site site latticelattice）模模型型：图图3.653.65，该该模模型型说说明明，在在大大角角度度晶晶界界结结构构中中将将存存在在一一定定数数量量重重合合点点阵原子。阵原子。第三章第三章第三章第三章 晶体缺陷晶体缺陷晶体缺

10、陷晶体缺陷3.3.晶界能晶界能 晶晶晶晶界界界界能能能能：形形成成单单位位面面时时，系系统统的的自自由由能能变变化化。它它等等于于界界面面区单位面积的能量减去无界面时该区单位面积的能量。区单位面积的能量减去无界面时该区单位面积的能量。J/J/。小小小小角角角角度度度度晶晶晶晶界界界界的的的的能能能能量量量量：主主要要来来自自位位错错能能量量(形形成成位位错错的的能能量量和和将将位位错错排排成成有有关关组组态态所所作作的的功功)，而而位位密密度度又又决决定定于于晶晶粒粒间间的的位向差，所以晶界能量与位向差，所以晶界能量与有关：有关：=0 0(A(Aln)ln)式式中中0 0=Gb/4(1Gb/4

11、(1)为为常常数数，A A为为积积分分常常数数，取取决决于于位位错中心的原子错排能。错中心的原子错排能。小小角角度度晶晶界界的的晶晶界界能能是是随随位位向向差差增增加加而而增增大大，但但该该公公式式只只适用于小角度晶界，而对大角度晶界不适用。适用于小角度晶界，而对大角度晶界不适用。大大大大角角角角度度度度晶晶晶晶界界界界能能能能量量量量：与与无无关关，基基本本上上为为一一恒恒定定值值,0.25,0.251.01.0J/J/在在平平衡衡状状态态时时，三三三三叉叉叉叉晶晶晶晶界界界界的的的的各各各各面面面面角角角角均均趋趋与与稳稳定定状状态态，此此时时1=2=3=1201=2=3=120。第三章第

12、三章第三章第三章 晶体缺陷晶体缺陷晶体缺陷晶体缺陷4.4.晶界特征晶界特征（1 1）晶界处点畸变大，存在晶界能。）晶界处点畸变大，存在晶界能。（2 2）晶晶界界处处原原子子排排列列不不规规则则，常常温温下下晶晶界界的的存存在在会会对对位位错错的的运运动动起起阻阻碍碍运运动动，使使塑塑型型变变形形抗抗力力提提高高，使使晶晶体体（材材料料）的的硬硬度和强度提高。产生度和强度提高。产生细晶强化。细晶强化。细晶强化。细晶强化。（3 3）晶晶界界处处原原子子具具有有较较高高的的动动能能，且且晶晶界界处处存存在在大大量量缺缺陷陷。原原子在晶界处扩散比晶内快得多。子在晶界处扩散比晶内快得多。（4 4）固态相

13、变时易在晶界处形成新核。）固态相变时易在晶界处形成新核。（5 5）晶界上富集杂质原子多，熔点低，加热时容易过热和过烧。）晶界上富集杂质原子多，熔点低，加热时容易过热和过烧。（6 6）晶界腐蚀速度比晶内快。）晶界腐蚀速度比晶内快。（7 7）晶界具有不同与晶内的物理性质。）晶界具有不同与晶内的物理性质。亚亚晶晶界界属属与与小小角角度度晶晶界界，为为各各种种亚亚结结构构的的交交界界，大大小小和和尺尺寸寸与热加工条件有关。与热加工条件有关。第三章第三章第三章第三章 晶体缺陷晶体缺陷晶体缺陷晶体缺陷3.3.3 3.3.3 3.3.3 3.3.3 孪晶界孪晶界孪晶界孪晶界 孪孪孪孪晶晶晶晶(twin)(t

14、win)：两两个个晶晶体体(或或一一个个晶晶体体的的两两部部分分)沿沿一一个个公公共共晶晶面面构构成成镜镜面面对对称的位向关系，这两个晶体就称为称的位向关系，这两个晶体就称为“孪晶孪晶孪晶孪晶”孪晶分类孪晶分类孪晶分类孪晶分类：共共共共格格格格孪孪孪孪晶晶晶晶面面面面（coherent coherent twin twin boundaryboundary）：在在孪孪晶晶面面上上的的原原子子同同时时位位于于两个晶体点阵的结点上，为两个晶体所共有，属于自然地完全匹配。两个晶体点阵的结点上，为两个晶体所共有，属于自然地完全匹配。非非非非共共共共格格格格孪孪孪孪晶晶晶晶面面面面(non-cohere

15、nt non-coherent twin twin boundaryboundary）：孪孪晶晶界界上上只只有有部部分分原原子为两部分晶体所共有子为两部分晶体所共有 孪孪晶晶的的形形成成常常常常与与晶晶体体中中的的堆堆垛垛层层错错有密切关系，有密切关系，高不易形成孪晶。高不易形成孪晶。fccfcc结构：孪晶面为结构：孪晶面为111 111 bcc bcc结构：孪晶面为结构：孪晶面为112112。依依依依照照照照形形形形成成成成原原原原因因因因不不不不同同同同分分分分为为为为：变变变变形形形形孪孪孪孪晶晶晶晶、生长孪晶、退火孪晶生长孪晶、退火孪晶第三章第三章第三章第三章 晶体缺陷晶体缺陷晶体缺陷

16、晶体缺陷3.3.4 3.3.4 相界相界 相界相界相界相界（phase boundaryphase boundary)：具有不同结构的两相之间的分界面。：具有不同结构的两相之间的分界面。按按按按相相相相界界界界面面面面上上上上原原原原子子子子间间间间匹匹匹匹配配配配程程程程度度度度分分分分为为为为：共共格格界界面面、半半共共格格界界面面、非非共共格格界面界面第三章第三章第三章第三章 晶体缺陷晶体缺陷晶体缺陷晶体缺陷 1.1.1.1.共共共共格格格格界界界界面面面面（coherent coherent coherent coherent phase phase phase phase bound

17、ary boundary boundary boundary）：界界面面上上的的原原子子同同时时位位于于两两相相晶晶格格的的结结点点上上，即即两两相相的的晶晶格格是是彼彼此此衔衔接接的的,界界面面上上的原子为两者共有。的原子为两者共有。特特特特征征征征：界界面面两两侧侧的的保保持持一一定定的的位位向向关关系系，沿沿界界面面两两相相具具有有相相同同或或近近似似的的原原子子排排列列，两两相相在在界界面面上原子匹配得好，界面能很低。上原子匹配得好，界面能很低。理理想想的的完完全全共共格格界界面面只只有有在在孪孪晶晶面面（界界）。右右图图分分别别为为具具有有完完善和弹性畸变的共格关系的界面善和弹性畸变

18、的共格关系的界面第三章第三章第三章第三章 晶体缺陷晶体缺陷晶体缺陷晶体缺陷 特特特特征征征征：沿沿相相界界面面每每隔隔一一定定距距离离产产生生一一个个刃刃型型位位错错，除除刃刃型型位位错错线线上上的的原原子子外外，其其余余原原子子都都是是共共格格的的。所所以以半半共共格格界界面面是是由由共共格区和非共格区相间组成。格区和非共格区相间组成。半半共共格格界界面面上上的的位位错错间间距距取取决决于于相相界界处处两两相相匹匹配配晶晶面面的的错错配配度度():():()/)/2.2.2.2.半半半半共共共共格格格格界界界界面面面面（semi-semi-semi-semi-coherent coheren

19、t coherent coherent phase phase phase phase boundary boundary boundary boundary)：若若两两相相邻邻晶晶体体在在相相界界面面处处的的晶晶面面间间距距相相差差较较大大，则则在在相相界界面面上上不不可可能能做做到到完完全全的的一一一一对对应应，于于是是在在界界面面上上将将产产生生一一些些位位错错，以降低界面的弹性应变能，这类界面为以降低界面的弹性应变能，这类界面为半共格界面。半共格界面。半共格界面。半共格界面。第三章第三章第三章第三章 晶体缺陷晶体缺陷晶体缺陷晶体缺陷 3.3.3.3.非非非非共共共共格格格格界界界界面面

20、面面（noncoherent noncoherent noncoherent noncoherent phase boundaryphase boundaryphase boundaryphase boundary）：特特征征：原原子子不不规规则则排排列列的的薄层为两相的过渡层。薄层为两相的过渡层。相界能包括两部分：弹性畸变能和化学交互作用能。弹性相界能包括两部分：弹性畸变能和化学交互作用能。弹性畸变能大小取决于错配度畸变能大小取决于错配度（misfit matchmisfit match）的大小；化学交）的大小；化学交互作用能取决于界面上原子与周围原子的化学键结合状况。相互作用能取决于界面上

21、原子与周围原子的化学键结合状况。相界面结构不同，这两部分能量所占的比例不同。对共格相界，界面结构不同，这两部分能量所占的比例不同。对共格相界，界面能以应变能为主；对于非共格相界，界面能以化学能为主界面能以应变能为主；对于非共格相界，界面能以化学能为主且总的界面能较高。从相界能的角度来看，从共格至半共格到且总的界面能较高。从相界能的角度来看，从共格至半共格到非共格依次递增。非共格依次递增。第三章第三章第三章第三章 晶体缺陷晶体缺陷晶体缺陷晶体缺陷1 1、各类缺陷的定义和特征、各类缺陷的定义和特征2 2、点缺陷的类型和平衡浓度公式、点缺陷的类型和平衡浓度公式3 3、线缺陷的类型（刃型、螺型、混合型

22、位错），刃位错、螺位、线缺陷的类型（刃型、螺型、混合型位错），刃位错、螺位错和混合位错的判断及其特征。错和混合位错的判断及其特征。4 4、柏氏矢量的特征，柏氏矢量与位错的关系、柏氏矢量的特征，柏氏矢量与位错的关系5 5、位错运动及特性、滑移、位错运动及特性、滑移、(双双)交滑移、多滑移、攀移、交割、交滑移、多滑移、攀移、交割、割价、扭折、塞积割价、扭折、塞积6 6、位错的应力场、应变能、线张力、作用在位错上的力、位错的应力场、应变能、线张力、作用在位错上的力7 7、位错密度、位错源、位错生成、位错的增殖、位错密度、位错源、位错生成、位错的增殖(F-R(F-R源、双交滑源、双交滑移机制等移机制等)、位错分解与合成、位错反应、位错分解与合成、位错反应8 8、全位错、不全位错、堆垛层错、全位错、不全位错、堆垛层错9 9、面缺陷、表面、表面、面缺陷、表面、表面(能能)、界面、界面(能能)、晶界及类型、相界、晶界及类型、相界(能能)及类型、孪晶界及类型、孪晶界1010、晶界的特性、晶界的特性(大、小角度晶界大、小角度晶界)本本 章章 小小 结结第三章第三章第三章第三章 晶体缺陷晶体缺陷晶体缺陷晶体缺陷物物 质质 的的 结结 构构 小小 结结