第二章晶体结构缺陷(四)

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1、2.4 面缺陷 面缺陷（surface defects）是将材料分成 若干区域的边界，如表面、晶界、界面、层错、 孪晶面等。一、晶界（位错界面） （一）、小角度晶界（small angle grain boundary） （二）、大角度晶界 二、堆积层错 三、反映孪晶界面6.3 界面结构晶界结构理论的概述一、晶界（位错界面）（一）、小角度晶界（small angle grain boundary）晶界的结构和性质与相邻晶粒的取向差有 关，当取向差小于1015o时，称为小角度晶 界。根据形成晶界时的操作不同，晶界分为倾 斜晶界（tilt boundary）和扭转晶界（twist boundary

2、）， 如图2-18所示。图2-18 倾斜晶界与扭转晶界示意图 图2-19是简单立方结构晶体中 界面为（100）面的倾斜晶界在 （001）面上的投影，其两侧晶 体的位向差为，相当于相邻晶 粒绕001轴反向各自旋转/2而成。几何特征是相邻两晶粒相对 于晶界作旋转，转轴在晶界内并 与位错线平行。为了填补相邻两 个晶粒取向之间的偏差，使原子 的排列尽可能接近原来的完整晶 格，每隔几行就插入一片原子。 图2-19 简单立方晶体中的 对称倾斜晶界 最简单的小角度晶界是对称倾斜晶界（symmetrical tilt boundary），这种晶界的结构是由一系列平行等距离排列的同号刃位错所构成。位错间距离D、

3、伯氏矢量b与取向差之间满足下列关系由上式知，当小时，位错间距较大，若b=0.25nm，=1o，则D=14nm；若10o，则位错间距太近，位错模型不再适应。 扭转晶界:假设一块晶体，中间沿某一晶面切开，分成两块晶体，然后绕垂直 晶面的一中心轴旋转一个角度，此时两块晶体之间形成的界面称为扭转晶界。这种晶界的自由度为1，即位向差。扭转晶界是由两组正交螺位错所组成的网络构成的。它和倾侧晶界的区别在于转轴不同，倾侧晶界形成时，转轴在晶界内，而扭转晶界的转轴垂直于晶界。（二）、大角度晶界实验研究（如场离子显微镜观察）表明，大角度晶界两侧晶粒的取向差较大，但其过渡区却很窄（仅有几个埃），其中原子排列在多数情

4、况下很不规则，少数情况下有一定的规律性，因此很难用位错模型来描述。一般大角度晶界的界面能大致在0.50.6J/m2左右，与相邻晶粒的取向差无关。但也有些特殊取向的大角度晶界的界面能比其它任意取向的大角度晶界的界面能低，为了解释这些特殊晶界的性质，提出了大角度晶界的重合位置点阵（coincidence site lattice 即CSL）模型，O点阵模型，DSC点阵模型等。 大角晶界分为任意大角晶界和特殊大角晶界。大角晶界的晶界能，一般实测值大约为表面能的1/3。早期的晶界模型： 皂泡模型：晶界由约3-4个原子间距厚的区域组成，层内原子排列较差，具有较松散的结构，原子间的键被打断或被严重扭曲，具

5、有较高的界面能。 过冷液体模型：晶界层中的原子排列接近于过冷液体或非晶态，在应力的作用下可粘性流动，晶界层2-3个原子厚度。 小岛模型：晶界存在原子排列匹配良好的岛屿，散布在排列匹配不好的区域中，岛屿的直径约数个原子间距。两个晶粒有 1/5 的原子是在另一晶粒点阵的 延伸位置；重合位置构成重合位置点阵 晶界与重合位置点阵的密排面重合或以台阶 方式与重合位置点阵的几个密排面重合时， 晶界上的重合位置多，晶界的畸变下降，晶 界能降低 黑圈表示重合原子位置。每 11个阵点位 置上就有一个重合位置。不重合部分出 现台阶（图中BC部分）。它们之间交角 越大台阶就越密。 特殊大角晶界 特殊大角晶界的能量比

6、任意大角晶界低，即在某些特殊取向角下，晶界上相邻的点阵匹配的较好，表现出较低的能态。 最简单的特殊大角晶界是共格晶界。界面的原子恰位于两晶体的晶格结点上，形成共格晶界。 当两晶粒取向互为对称时，形成共格孪晶界。对孪晶界，界面上的原子不能和邻接两晶粒很好地匹配，此界面称为非共格孪晶界。 共格孪晶界与非共格孪晶界堆积层错 堆垛层错(以下简称层错),就是指正常堆垛顺序中引入不正常顺序堆垛的原子面而产生的一类面缺陷。以面心立方结构为例,当正常层序中抽走一原子层, 相应位置出现一个逆顺序堆层ABCACABC称抽出型(或内禀)层错；如果正常层序中插入一原子层，如图2-20(b)所示，相应位置出现两个逆顺序

7、堆层ABCACBCAB称插入型(或外禀)层错。图2-20 面心立方晶体中的抽出型层错(a) 和插入型层错(b) 这种结构变化，并不改变层错处原子最近邻的关系(包括配 位数、键长、键角)，只改变次邻近关系，几乎不产生畸变，所 引起的畸变能很小。因而，层错是一种低能量的界面。反映孪晶界面 面心立方结构的晶体中的正常堆垛方式是六 方密排面作的完全顺 顺序堆垛（或与此等价，作完全逆顺序堆垛）。如果从某一层起全部变为逆 时针堆垛，例如，则这一原子面成为一个反映面，两侧晶体以此面成 镜面对称（见图2-21）。这两部分晶体成孪晶关系，由于两者具有反映关系，称反映孪晶，该晶 面称孪晶界面。 图2-21 面心立

8、方晶体中111面反映孪晶的110投影图 沿着孪晶界面，孪晶的两部分完全密合，最近邻关系不发生任何改变，只有次近邻关系才有变化，引入的原子错排很小，称共格孪晶界面。孪晶界面的能量约为层错能之半。 铜合金中的孪晶界面能：晶界面上的原子相对正常晶体内部的原子而 言，均处于较高的能量状态，因此，晶界也存在界面 能。 四、相界 1 、相界：相邻两个相之间的界面。分类：共格、半共格和非共格相界。相界面的主要特性：相界面的结构和晶界有一定的共性，也有 一些明显的差别。非共格界面类似大角度晶界，而完全的共格 是困难的，共格面两边微少的差别可以用晶格的畸变来调整， 界面两边差别不十分大时，将可以补充一定的位错来

9、协调，组 成半共格界面。无论那种情况，界面都存在自己的界面能，都 将对材料的结构形貌(组织)带来明显的影响。 2、 表面（1）表面吸附：外来原子或气体分子在表面上富集的现象。（2）分类物理吸附：由分子键力引起，无选择性，吸附热小，结合力小。化学吸附：由化学键力引起，有选择性，吸附热大，结合力大。（3）表面能与晶体形状：在晶体形成的过程中，一方面尽量让最小的晶 面为表面，当然也可能是表面能略高但能明显减小表面积的晶面为表面。例 如fcc结构的晶体自由生长就为14面体。 （4）粗糙表面与平滑表面：表面原子的缺陷，局部表面原子的缺少或部分表面有多余原子，以表面存 在的阵点数与实有原子数的比x来表示，

10、缺陷的存在可提高表面熵，必然存在。x=0.5的表面稳定的称为粗糙表面，大多数的金属材 料是属于粗糙表面；x值仅在0或1附近稳定的称为平 滑表面，大多是非金属材料。 3、 界面特性 （1）界面能会引起界面吸附。 （2）界面上原子扩散速度较快。 （3）对位错运动有阻碍作用。 （4）易被氧化和腐蚀。 （5）原子的混乱排列利于固态相变的形核。位错的塞积 位错运动时，在其前 沿如果有障碍(如晶界、 不可变形的硬质点) ，就停留不能前进，若同 一位错源不断产生一系列 位错源源而来，在此将产 生塞积。位错错的塞积积在该处产该处产 生大的应应力，可能带带来的 后果有：螺位错错可改变变滑移面而发发生交滑移； 晶

11、界处处的应应力可能迫使相邻邻晶粒中的位错错运动动来松 弛应应力；无发发松弛就有可能在此处处造成裂纹纹。 晶粒的位向的影响作用分批滑移：多晶体材料在外力作用下，当首批处于软 位向的晶粒发生滑移时，由于晶界的影响及其周围处 于硬位向的晶粒尚不能发生滑移而只能以弹性变形相 适应，便会在首批晶粒的晶界附近造成位错堆积，随 着外力增大至应力集中达到一定程度，形变才会越过 晶界，传递到另一批晶粒中。晶粒的转动：随着滑移的发生，伴随晶粒的转动会使 其位向同时也在变化，有的位向在硬化，有的位向在 软化，软位向的晶粒开始滑移变形。所以，多晶体的 塑性变形是一批批晶粒逐步地发生，从少量晶粒开始 逐步扩大到大量的晶

12、粒，从不均匀变形逐步发展到比 较均匀的变形，变形过程要比单晶体中复杂得多。 晶粒大小对材料强度的影响材料的塑性变形抗力，不仅与其原子间的结合力 有关，而且还与材料的晶粒度有关，即材料的晶粒愈 细，材料的强度愈高。因为材料晶粒愈细，晶界总面 积愈大，晶界对变形的阻碍作用愈明显，对塑性变形 的抗力也便愈大。 对纯金属、单相合金或低碳钢都发现室温屈服强 度和晶粒大小有以下关系： 式中的d为晶粒的平均直径，k为比例常数。这是个经 验公式，但又表达了一个普遍规律。该公式常称为霍 尔-佩奇(Hall-Petch)关系。 晶粒大小对材料塑性的影响 效果：塑性材料的晶粒愈细，不仅强度愈高，而且塑 性与韧性也较

13、高。原因：因为晶粒愈细，单位体积中晶粒数量便愈多， 变形时同样的形变量便可分散在更多的晶粒中发生， 晶粒转动的阻力小，晶粒间易于协调，产生较均匀的 变形，不致造成局部的应力集中，而引起裂纹的过早 产生和发展。因而断裂前便可发生较大的塑性形变量 ，具有较高的冲击载荷抗力。意义：所以在工业上通过各种方法(凝固、压力加工 、热处理)使材料获得细而均匀的晶粒，使目前提高 材料力学性能的有效途径之一。 补充：晶界的平衡形貌 平衡形貌：以二维空间为例，可以理解三维的状态。 作用原理：系统以减小界面的总能量来减小体系的自由能。 1.为维持界面能的平衡，三晶粒交会点应满足图中公式的关系 。均为大角晶界时应互为

14、120度角，注意，在显微镜下截面不 一定垂直三晶交线而有一定的差别。 晶界的平衡形貌 2.第二相处于晶界时，一方面界 面能不相等，另一方面为减小总 界面能，形成图示的透镜状，其 中二切线的夹角，且调整到满 足3.第二相处于三晶粒交会处时，依接触角不同其形状也不同。 夹角则称为接触角(也称润湿角)。晶界的平衡形貌 3.多晶体材料的晶界均属于大 角晶界，界面能大致相等，尽 管在交汇处应互成120o，但晶 粒大小不同，邻近晶粒数也不 等，晶界不成直线，而形成不 同方向的曲线(曲面)。 4.晶粒内部的第二相，为了 减少界面能，将尽量成球状( 点状)；在有条件时，这些质 点可能聚集长大粗化。 1 已知位错环ABCD的柏氏矢量为b,外应力为和，求：（1）位错环的各边分别是什么位错？（2）设想在晶体中怎样才能得到这个位错？（3）在足够大的切应力作用下，位错环将如何运动？（4）在足够大的拉应力作用下，位错环将如何运动？(2)在晶体中怎样才能得到这个位错设想在完整晶体中有一个贯穿晶体的上、下表面的正四棱柱，它和滑移面交与ABCDA，让 ABCDA上部柱体相对于下部柱体滑移b，柱体外各部分不滑移。这样在已滑移区与未滑移区间形成柏矢为b的的位错环ABCDA 2 如图所示，若在切压力的作用下，位错环发生收缩。要使该位错环在 晶体中稳定不动，其最小半径应该是多大？