结构缺陷面缺陷

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1、4 面缺陷的基本性质面缺陷是是将材料分成若干区域的边界。每个区域 内具有相同的晶体结构，区域之间有不同的取向。 由于晶界对材料的力学、腐蚀、冶金性能等有很大的影响，因此 人们对晶界的结构非常感兴趣，进行过许多理论和实验研究。 面缺陷是指两个方向尺寸较大，另一个方向尺寸较小的缺陷。通常是几个 原子层厚的区域，在这个区域内的结构和性能不同于晶体的内部。面缺陷 可以是平面，也可以是曲面。如表面、晶界、界面、层错、孪晶面等。晶界分类： 根据区域间取向的几何关系不同：位错界面、孪晶界面和平移界面；根 据界面上质点排列情况不同：共格、半共格和非共格界面； 根据相邻两个晶粒取向角度偏差大小，小角度晶界、大角

2、度晶界 ；晶界是不同取向的晶粒之间的界面，是很薄的过渡层。 小角度晶界：相邻两个晶粒取向角度小于10o15o； 大角度晶界：相邻两个晶粒取向角度大于10o15o。多晶材料中常存在大角度晶界，但晶粒内部的亚晶粒（单晶材料中取 向差很小的晶粒称为亚晶粒，亚晶粒之间的界面称为亚晶界，其通 常为1o5o）之间则是小角度晶界。 晶界的性质取决于结构，而晶界的结构在很大程度上取决于晶界的位置 。 确定晶界位置的5个自由度： 两个晶粒相对取向：一个晶粒相对于另一个晶粒绕某一轴 旋转一定角度，确定 需要两个变量，即两个方向余弦， 和定了，两个晶粒相对取向就确定了，两个方向余弦和为三个自由度；相对位向：晶界在两

3、个晶粒之间的位置，用晶界平面的法线方向 决定， 需要2个方向余弦确定，即2个自由度；4.1 小角度晶界4.2 大角度晶界4.3 其它晶界模型4.4 相界模型4.5 晶界能4.6 单相多晶体中的晶粒形状4.1 小角度晶界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，晶界分为倾斜晶界和扭转晶界。倾斜晶界包括： 对称倾斜晶界和不对称倾斜晶界一、倾斜晶界倾斜晶界特点：下面先以简单立方晶体为例讨论转轴在晶界平面内，有3个自由度简单立方晶体中的 对称倾斜晶界 倾斜晶界为（100）面（晶界平面）。投影面为（001）面。两侧晶粒的位向差为，相当于相

4、邻晶粒 绕001轴反向各自旋转/2而成。转轴是 001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。只有角度是可变的， 即只有1个自由度简单立方结构晶体的对称倾斜晶界对称倾斜晶界是最简单的小角度晶界这种晶界的结构特点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、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。 简单立方晶体中的不对称倾斜晶界形成：界面是绕绕

5、001轴轴旋转转角度的任意面，相邻邻两晶粒的取向差仍是很小的角，但界面两侧侧晶粒是不对对称的。界面与左侧晶粒 轴向夹角为-/2，与右侧晶粒的100成+/2 晶界平面是任意面（hkl）转轴是001结构特点是： 有两个自由度、，由两组相互垂直的刃位错所组成。设晶界AC的长度为1， 位错数目：相邻同组位错的距离 ：倾斜晶界的产生：在高温下生长或充分退火的晶体中常存在着倾斜晶界，倾斜晶界是位错滑移和攀移运动所形成的一种平衡组态。在其形成过程中，由于位错的长程应力场相互抵消，是一个能量降低过程，因此倾斜晶界形成后很难消除。由于倾斜晶界的界面能比一般的晶界低，因此，倾斜晶界即小角度晶界就不能有效地阻止位错

6、的滑移。因而对晶体的力学性质和光学性质有较大影响。要消除晶体中的小角度晶界，工艺上必须控制位错的形成。 简单立方晶体扭转晶界旋转角 晶面平面是（001）面，转轴是001 两者互相垂直结构特点： 晶界是由两组相互垂直的螺位错构成的网络 形成：扭转后，为了降低原子错排引起的 能量增加，晶面内的原子会适当位移以确 保尽可能多的原子恢复到平衡位置（此即 结构弛豫），不能回到平衡位置的，最后 形成两组相互垂直分布的螺位错。二、扭转晶界010100简单的扭转晶界只有一个自由度 推广：一般的小角度晶界，其旋转轴和界面可以有任意的取向关系，因 此结构特点是由刃位错、螺位错或混合位错组成的二维位错网所组成。此为

7、小角度晶界的位错模型 晶面位置、转轴和转角都是可变的，应是5个自由度。晶面平面是图中阴影面 转轴u一般与晶界呈任意角度旋转角度是结构特点： 晶界即包含倾斜成份，又包含扭转成份 1950年，Frank根据5个自由度，提出了一个简单的方法来确定适 当的位错结构，即所谓的Frank公式。三、一般小角度晶界晶面平面上有一组平行位错线 O点是晶界平面和转轴的交点晶面平面内的任意向量假定形成晶界时，晶界平面两边的晶粒分 别绕u轴反向旋转了/2，因而r分别转到了r（OA）、r(OA)的位置，让r、r分别位于两个晶粒内。走回路，因包含位错，回路不封闭，不封闭段d(AA)应等于回路中所包含的所有位错的伯氏适量的

8、和，或等于r所切割的所有晶界位错的伯氏适量的之和。（1）（2）都是Frank公式，根据此式，只要知道了晶界位错的伯氏矢量，就可确定晶界的性质和位错分布。Ni是所切割的伯氏矢量bi的位错数同时，d相当于界面上和OA相交的各位错伯氏矢量之和举例：假如晶界只包含伯氏矢量b的位错根据Frank公式即没有位错线与r相交，说明位错线平行于转轴。只有对称倾斜晶界的上的刃位错满足。对称倾斜晶界的上的刃位错满足与对称倾斜晶界对比位错均平行于001位错间距为b/对Frank公式的讨论Frank公式仅适用于平面的晶界；对给定的n或u，由于Frank公式可能得到多个晶界位错 模型，最可能的模型应该是能量最低的。必须是

9、小角度晶界，因而位错密度正比于。不管伯氏矢量如何，每组位错线必须是等间距的平行直线 。4.2 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点阵理论，DSC点阵模型等。

10、一、大角度晶界的重合位置点阵模型CSL假设两个点阵1和2，作相对平移或旋转，当达到某一特定位置时，其中有些阵点 相互重合。这些重合位置的阵点所构成的 超点阵，称为重合位置点阵。转轴一般是低指数的晶轴简单立方点阵 相对于001轴旋转=28.1度 的（001）面原子的排列图 定义CSL的特征用重合位置点阵密度来描述1/5的重合位置两体心立方晶粒相对110轴旋转50.5 度后，出现1/11的重合位置为了说明两个晶粒中外延点阵中阵点的重合情 况，引入倒易密度的概念重合位置点阵密度的计算两个立方晶体，围绕uvw轴相对旋转角后，有点阵重 合，任意重合点的坐标为（x.y）,x.y为整数重合位置点阵的晶界必然

11、要出现台阶，但 这些台阶不能过多过大，否则晶界的能量 将比原于任意排列的平直晶界还要高。因 此在重合位置点阵模型的晶界上有许多周 期性的结构单元。左图表示具有结构单元 的37.8度对称倾斜晶界。结构单元由7个 原子组成：6个阴影和1个红色。阴影的是过渡原子，红色是重合位置。红色是重合位置原子附近有许多小的坎用重合位置点阵模型描述大角度晶界：大角度晶界总是处于重合位置点阵的密排面上，如果有一小角度差时，在晶界上会产生台阶或坎，以使两者有最大的重合面积。图中ABC可看成是坎。4.3 其它晶界模型只有当两晶粒绕uvw轴旋转特定角后，重合位置点阵才会出现。但是当晶体对称性下降时，重合位置点阵出现会很少

12、；在有，不同的晶体点阵之间，不会出现重合位置点阵。为了描述上述情况下的晶界结构，人们提出了其它的晶界模型。 O点阵理论，DSC点阵模型等。 一、 O点阵理论O点阵的结点是这样的点：在点上看各自晶格的近邻关系是 相同的，只差一个转角。简单立方点阵（001）面 相对于001轴旋转=28.1度，=17Bollmann研究晶界两边晶粒点阵之间的匹配后提出的，用几何学方法来描述相互穿插点阵中的最近邻关系。O点阵中的点是什么样的点？O点阵中的结点是匹配最好的点O点阵概念与CSL概念的比较CSL 着眼于两点阵复合贯穿后在哪些阵点上相重合； O点阵着眼于两点阵上相同的原子配位环境。O点阵的优越性：两晶粒相对旋

13、转时， O点的集合作连续的运动，而 CSL 是突然出现与消失，甚至当CSL 不存在时， O点阵仍然存在。二、 旋错（DSC点阵模型）为什么提出旋错的概念：1930年Volterra提出，在20世纪70年之后获得人们重视。一个原因是晶界的结构是不均匀的，应力场的分布也是不均匀的，但位 错是平移矢量，描述起来不能充分反映晶界结构；另一个原因是晶界是旋转缺陷；与位错相对应，旋错分为楔型旋错和扭型旋错。和位错对比进行分析：楔型旋错：旋转轴平行于旋错线。楔型旋错 表示旋错的强度刃位错 b表示强度扭型旋错：旋转轴垂直于旋错线。楔型旋错形成的对成倾斜晶界旋错模型的优点：没有伯氏矢量的概念，旋错的旋转轴是两晶

14、粒共有的方向，晶界能较低。4.4 相界模型 不同相之间的界面称为相界。 主要影响材料的脆性。存在的问题：理论上相界应有较高的能量，但实际上相 界能总是小于任一相的晶界能，没法解释。按原子在界面上排列的不同，相界分为共格相界、半共格相界、非共格相界。一、相界 含义：以界面为边界的两个相的原子排列完全一一对应。特点：相界面上的原子为两相共有，两相的晶面在相界面上是连续的。共格相界形成：两相的点阵参数几乎相同，若不相同但畸变后相同。半共格相界 含义：两相晶体结构相同，但点阵参数有小于10%的误差，或夹角有少量差异。特点：引入一系列位错来周期性补偿两点阵参数差异。是由共格相界和位错组成的。非共格相界含

15、义：两相晶体结构错配较大，两相原子排列完全不对应特点：类似大角度晶界。相界能含义：包含弹性能、化学相互作用。若只考虑弹性能：适用于位错线密度不太大情形。二、反相畴界 形成有两种方式：上图表示的有序化形成；另一种是位错运动形成的。4.5 晶界能 晶界上原子排列畸变产生的能量为晶界能。小角度晶界具有位错模型，只有应变能低的位错组态，才是稳定的晶界位错模型。一、小角度晶界的能量倾斜小角度晶界由位错列构成：对晶界能的分析：各位错核心能对总能量的贡献。与位错个数成正 比。即角大，位错数多，晶界能高。各位错交互弹性能。即角大，位错数多，引起的畸变区域变窄，交互弹性能降低，界面能下降。表明，晶界能与位相差角

16、有关。 曲线穿过原点较小时，第一项的贡献大若在大，位错密度增加，位错相互重叠等，上是式不适用。当较大时，位错密度增加后，弹性应力场高次项的影响、位错中心区的影响以及 晶界两边晶内形变的影响等都逐渐变得不能忽略不计。Fe-Si合金倾斜晶界 界面能与的关系 图中小圆圈为实测值。由图可见实验值与理论计 算值的变化趋势一致，并为0时，E为0。任意大角度晶界二、大角度晶界的能量任意大角度晶界包含了大面积的原子匹配很差的区域，具有比较松散的结构，原子间的键被割断或者被严重地歪扭了，因而与小角度晶界相比，具有较高的能量。 热蚀热蚀 法测测定特殊大角度晶界大多数大角度晶界能是相同的 晶体共格孪孪 晶界非共格 孪孪晶界一般大角 度晶界特殊大角度晶界 （5或7）Cu21