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1、第三章第三章 晶体缺陷晶体缺陷 3.3 3.3 表面与界面表面与界面 蝗 脚 佯 葛 潞 雄 硒 仕 纵 济 搏 诽 楞 孜 脐 爸 汝 逃 罐 股 乎 炬 魏 湍 吕 我 和 前 跪 汁 毅 会 c h 3 3 晶 体 缺 陷 - - 面 缺 陷 表 面 与 界 面 0 7 级 c h 3 3 晶 体 缺 陷 - - 面 缺 陷 表 面 与 界 面 0 7 级 第三章第三章 晶体缺陷晶体缺陷 面缺陷类型： 表面表面(crystal surface)：固体材料与气体或液体的分界面 内界面内界面(interface)：晶界、亚晶界、孪晶界、相界、层错 晶界晶界(grain boundaries)
2、：位向不同的相邻晶粒之间的界面。 亚晶界亚晶界(sub-boundaries)：晶粒又可分为更小的亚晶粒。一般晶粒 尺寸为1525m。亚晶粒尺寸为1m。亚晶粒之间的界面称为亚晶 界。 孪晶界孪晶界(twin boundaries) ：相邻两晶粒的原子，相对一定晶面呈 镜面对称排列，这两晶粒间的界面叫孪晶界。 相界相界(phase boundaries) :合金的组织往往由多个相组成，不同的 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(stacking faults) : 揭 差 滁 愿 盏 疯 芍 帕 驯 晶 穴 母 使 匀 昆 兼 氰 度 刀 优 愿 迄 撅 驻 挫 靴 烙
3、 殴 绊 额 参 洋 c h 3 3 晶 体 缺 陷 - - 面 缺 陷 表 面 与 界 面 0 7 级 c h 3 3 晶 体 缺 陷 - - 面 缺 陷 表 面 与 界 面 0 7 级 第三章第三章 晶体缺陷晶体缺陷 3.3.1 3.3.1 外表面外表面 表面能表面能(）（Surface energy ）：晶体表面单位面积自 由能的增加 表示法表示法：= dw/ds = T/L = 被割断的结合键数/形成单位新表面能量/每个 键 影响影响的因素的因素： (1)与晶体表面原子排列的致密 程度有关。原子密排的表面具有最 小的表面能。 (2)还与晶体表面曲率有关。曲 率半径小,曲率大,愈大。 (
4、3)外部质的性质。介质不同,则 不同。 (4)还与晶体性质有关。晶体本身 结合能高，则大。 （离子晶体表面） 悍 包 腑 缚 卖 疮 褪 摊 众 倍 拔 辑 赣 宦 霜 圃 揉 醚 鸿 独 词 衬 救 漓 俄 陡 圣 赎 阵 吾 疡 闪 c h 3 3 晶 体 缺 陷 - - 面 缺 陷 表 面 与 界 面 0 7 级 c h 3 3 晶 体 缺 陷 - - 面 缺 陷 表 面 与 界 面 0 7 级 第三章第三章 晶体缺陷晶体缺陷 3.3.2 3.3.2 晶界和亚晶界晶界和亚晶界 晶界晶界(grain boundary)：属于同一固相但位向不同的晶粒 之间的界面。 亚晶界亚晶界(subgra
5、in boundary) ：每个晶粒有时又由若干个 位向稍有差异的亚晶粒所组成，相邻亚晶粒间的界面。 在晶粒内部还存在许多位向差极小（10，多晶体中90 以上的晶界属于此类。 颊 脓 殖 哟 裸 粗 厉 详 聪 夫 站 幼 扳 颇 资 墓 绣 察 勇 邀 扎 销 摘 竣 逮 抢 书 馈 他 补 梢 羹 c h 3 3 晶 体 缺 陷 - - 面 缺 陷 表 面 与 界 面 0 7 级 c h 3 3 晶 体 缺 陷 - - 面 缺 陷 表 面 与 界 面 0 7 级 第三章第三章 晶体缺陷晶体缺陷 1. 1. 小角度晶界小角度晶界 小角度晶界小角度晶界（low angle grain boun
6、daries ）：由一系列相隔一定距离 的刃型位错所组成。分类： (1)(1)对称倾斜界面对称倾斜界面（tilt boundary）：是 把晶界两侧晶体互相倾斜的结果。晶界 平面为两个相邻晶粒的对称面。是由一 列平行的刃型位错所组成。相邻位错距 离D与 b、之间关系：D = b / 2sin(/2) (2)(2)不对称倾斜界面不对称倾斜界面：两晶粒不以二者晶 界为对称的晶界看成两组互相垂直的刃 型位错排列而成的。两位错各自的间距 为D和D，则有3.40式。 (3)(3)扭转晶界扭转晶界（twist boundary） ：将一 块晶体沿横断面切开,并使上下部分晶体 绕轴转动角,再与下部分晶体粘在
7、一起 形成。可看成是由互相交叉的螺位错所 组成。 格 梧 尹 予 史 铸 镍 肾 颊 湖 影 扦 激 带 蛔 脚 挽 艇 解 惮 愁 巳 猩 苗 籍 炸 憾 触 轰 撅 饮 篓 c h 3 3 晶 体 缺 陷 - - 面 缺 陷 表 面 与 界 面 0 7 级 c h 3 3 晶 体 缺 陷 - - 面 缺 陷 表 面 与 界 面 0 7 级 第三章第三章 晶体缺陷晶体缺陷 2.2.大角度晶界大角度晶界 大角度晶界大角度晶界（high angle grain boundaries ）为原子呈 不规则排列的一过渡层。大多数晶粒之间的晶界都属于大 角度晶界。 重合位置点阵重合位置点阵（coinci
8、dence site lattice）模型：图 3.65， 该模型说明，在大角度晶界结构中将存在一定数量 重合点阵原子。 哉 恒 分 欺 喇 应 帽 阁 拍 券 晒 迪 蒜 雄 浇 涵 举 母 蛾 奇 瓶 诗 渐 譬 梦 煌 浇 凛 凌 拔 晰 华 c h 3 3 晶 体 缺 陷 - - 面 缺 陷 表 面 与 界 面 0 7 级 c h 3 3 晶 体 缺 陷 - - 面 缺 陷 表 面 与 界 面 0 7 级 第三章第三章 晶体缺陷晶体缺陷 3. 3. 晶界能晶界能 晶界能晶界能：形成单位面时，系统的自由能变化。它等于界面 区单位面积的能量减去无界面时该区单位面积的能量。J/。 小角度晶界
9、的能量小角度晶界的能量：主要来自位错能量(形成位错的能量和 将位错排成有关组态所作的功)，而位密度又决定于晶粒间的 位向差，所以晶界能量与有关： = 0(Aln) 式中0 = Gb/4(1) 为常数，A为积分常数，取决于位 错中心的原子错排能。 小角度晶界的晶界能是随位向差增加而增大，但该公式只 适用于小角度晶界，而对大角度晶界不适用。 大角度晶界能量：大角度晶界能量：与无关，基本上为一恒定值,0.25 1.0J/ 在平衡状态时，三叉晶界三叉晶界的各面角的各面角均趋与稳定状态，此时 1 = 2 = 3 = 120。 诣 梭 庶 惕 畜 墙 牵 遁 典 叼 半 夕 扼 讶 惜 棕 闭 怪 踞 烈
10、 嫌 释 铜 逼 敲 兢 咽 厂 踪 涕 导 足 c h 3 3 晶 体 缺 陷 - - 面 缺 陷 表 面 与 界 面 0 7 级 c h 3 3 晶 体 缺 陷 - - 面 缺 陷 表 面 与 界 面 0 7 级 第三章第三章 晶体缺陷晶体缺陷 4. 4. 晶界特征晶界特征 （1）晶界处点畸变大，存在晶界能。 （2）晶界处原子排列不规则，常温下晶界的存在会对位错的运 动起阻碍运动，使塑型变形抗力提高，使晶体（材料）的硬 度和强度提高。产生细晶强化。细晶强化。 （3）晶界处原子具有较高的动能，且晶界处存在大量缺陷。原 子在晶界处扩散比晶内快得多。 （4）固态相变时易在晶界处形成新核。 （5）
11、晶界上富集杂质原子多，熔点低，加热时容易过热和过烧 。 （6）晶界腐蚀速度比晶内快。 （7）晶界具有不同与晶内的物理性质。 亚晶界属与小角度晶界，为各种亚结构的交界，大小和尺寸 与热加工条件有关。 愈 氦 县 凰 毁 参 稻 饯 焉 星 贴 县 卤 卿 诌 课 器 崎 尧 伞 蝉 味 口 者 监 珍 轮 胞 多 瀑 自 蜜 c h 3 3 晶 体 缺 陷 - - 面 缺 陷 表 面 与 界 面 0 7 级 c h 3 3 晶 体 缺 陷 - - 面 缺 陷 表 面 与 界 面 0 7 级 第三章第三章 晶体缺陷晶体缺陷 3.3.3 3.3.3 孪晶界孪晶界 孪晶孪晶(twin)：两个晶体(或一
12、个晶体的两部分)沿一个公共晶面构成镜面 对称的位向关系，这两个晶体就称为“孪晶孪晶” 孪晶分类孪晶分类： 共格孪晶面共格孪晶面（coherent twin boundary）：在孪晶面上的原子同时位 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。 非共格孪晶面非共格孪晶面(non-coherent twin boundary）：孪晶界上只有部分 原子为两部分晶体所共有 孪晶的形成常常与晶体中的堆垛层错 有密切关系，高不易形成孪晶。 fcc结构：孪晶面为111 bcc结构：孪晶面为112。 依照形成原因不同分为：依照形成原因不同分为：变形孪晶变形孪晶、 生长孪晶、退火孪晶 缸 盏
13、 驼 额 蓄 筋 分 蛤 锅 澜 踢 褒 于 炔 立 跋 拉 办 虽 枣 默 暂 赋 巫 裸 晶 侗 釉 迄 江 正 筷 c h 3 3 晶 体 缺 陷 - - 面 缺 陷 表 面 与 界 面 0 7 级 c h 3 3 晶 体 缺 陷 - - 面 缺 陷 表 面 与 界 面 0 7 级 第三章第三章 晶体缺陷晶体缺陷 3.3.4 3.3.4 相界相界 相界相界（phase boundary)：具有不同结构的两相之间的分界面。 按相界面上原子间匹配程度分为按相界面上原子间匹配程度分为：共格界面、半共格界面、非共 格界面 旭 骏 魄 芬 班 腺 文 吴 绚 替 戍 礁 固 哄 侩 醒 铜 衙 绣
14、 唉 酿 参 考 媳 奋 祸 狠 刁 寞 歇 端 档 c h 3 3 晶 体 缺 陷 - - 面 缺 陷 表 面 与 界 面 0 7 级 c h 3 3 晶 体 缺 陷 - - 面 缺 陷 表 面 与 界 面 0 7 级 第三章第三章 晶体缺陷晶体缺陷 1.1.共格界面（共格界面（coherent coherent phase phase boundary boundary ）：）：界面上 的原子同时位于两相晶格的结 点上，即两相的晶格是彼此衔 接的,界面上的原子为两者共 有。 特征特征：界面两侧的保持一定 的位向关系，沿界面两相具有 相同或近似的原子排列，两相 在界面上原子匹配得好，界面 能
15、很低。 理想的完全共格界面只有在 孪晶面（界）。右图分别为具 有完善和弹性畸变的共格关系 的界面 难 嫉 衅 隆 勿 鸵 浮 帚 输 融 丽 若 恩 皇 表 严 按 署 寸 培 蜜 牵 开 听 械 整 缚 柏 由 蝉 储 柞 c h 3 3 晶 体 缺 陷 - - 面 缺 陷 表 面 与 界 面 0 7 级 c h 3 3 晶 体 缺 陷 - - 面 缺 陷 表 面 与 界 面 0 7 级 第三章第三章 晶体缺陷晶体缺陷 特征特征：沿相界面每隔一定 距离产生一个刃型位错，除刃型 位错线上的原子外，其余原子都 是共格的。所以半共格界面是由 共格区和非共格区相间组成。 半共格界面上的位错间距 取决
16、于相界处两相匹配晶面的错 配度():()/ 2.2.半共格界面（半共格界面（semi-semi-coherent coherent phase phase boundary boundary ) )：若两 相邻晶体在相界面处的晶面间距相差较大，则在相界面上不 可能做到完全的一一对应，于是在界面上将产生一些位错， 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。 一 役 排 荧 斑 胳 玉 寅 狮 喷 悯 邯 苞 肄 增 鸳 甜 泉 帘 呻 筒 淤 量 总 火 璃 阅 厅 扮 蓉 欧 藩 c h 3 3 晶 体 缺 陷 - - 面 缺 陷 表 面 与 界 面 0 7 级 c h 3 3
17、 晶 体 缺 陷 - - 面 缺 陷 表 面 与 界 面 0 7 级 第三章第三章 晶体缺陷晶体缺陷 3.3.非共格界面（非共格界面（ noncoherent noncoherent phase phase boundaryboundary ）：）： 特征：原子不规则排列 的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 畸变能大小取决于错配度（misfit match）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 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 且总的界面能较高
18、。从相界能的角度来看，从共格至半共格到 非共格依次递增。 苦 点 颇 眯 琐 格 楚 谬 修 吾 甄 参 启 朵 涌 漆 瞎 友 痴 陀 牟 聪 盏 昌 绢 孟 对 擒 绒 掂 搁 嚷 c h 3 3 晶 体 缺 陷 - - 面 缺 陷 表 面 与 界 面 0 7 级 c h 3 3 晶 体 缺 陷 - - 面 缺 陷 表 面 与 界 面 0 7 级 第三章第三章 晶体缺陷晶体缺陷 1、各类缺陷的定义和特征 2、点缺陷的类型和平衡浓度公式 3、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。 4、柏氏矢量的特征，柏氏矢量与位错的关系 5、位错运动及特性、滑移、
19、(双)交滑移、多滑移、攀移、交割 、割价、扭折、塞积 6、位错的应力场、应变能、线张力、作用在位错上的力 7、位错密度、位错源、位错生成、位错的增殖(F-R源、双交滑 移机制等)、位错分解与合成、位错反应 8、全位错、不全位错、堆垛层错 9、面缺陷、表面、表面(能)、界面(能)、晶界及类型、相界( 能)及类型、孪晶界 10、晶界的特性(大、小角度晶界) 本本 章章 小小 结结 萎 搐 硅 南 凌 敖 稗 肃 植 晶 蔑 犊 窜 翅 皮 合 祖 鸦 跟 酪 靳 券 厩 置 铲 闪 耀 慎 祖 再 孙 涨 c h 3 3 晶 体 缺 陷 - - 面 缺 陷 表 面 与 界 面 0 7 级 c h 3 3 晶 体 缺 陷 - - 面 缺 陷 表 面 与 界 面 0 7 级 第三章第三章 晶体缺陷晶体缺陷 物物 质质 的的 结结 构构 小小 结结 案 拧 惊 洒 儿 店 截 摩 附 阮 域 亨 甫 粥 塑 铺 邵 碍 柒 蠕 龋 匣 返 航 浴 遂 刊 箔 逐 薪 调 褂 c h 3 3 晶 体 缺 陷 - - 面 缺 陷 表 面 与 界 面 0 7 级 c h 3 3 晶 体 缺 陷 - - 面 缺 陷 表 面 与 界 面 0 7 级