材料科学基础B晶体缺陷之三A.ppt

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1、3.3晶体中的界面严格来说，界面包括外表面（自由表面）和内界面。表面是指固体材料与气体或液体的分界面，它与摩擦、磨损、氧化、腐蚀、偏析、催化、吸附现象，以及光学、微电子学等均密切相关；而内界面可分为晶粒边界和晶内的亚晶界、孪晶界、层错及相界面等。界面通常包含几个原子层厚的区域，该区域内的原子排列甚至化学成分往往不同于晶体内部，又因它系二维结构分布，故也称为晶体的面缺陷。界面的存在对晶体的力学、物理和化学等性能产生重要的影响。一．晶界的结构及晶界能多数晶体物质是由许多晶粒所组成，属于同一固相但位向不同的晶粒之间的界面称为晶界，它是一种内界面；而每个晶粒有

2、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称为亚晶界。晶粒的平均直径通常在0.015-0.25mm范围内，而亚晶粒的平均直径则通常为0.001mm数量级。二维平面中的晶界三维空间中的晶界根据相邻晶粒之间位向差的大小不同可将晶界分为两类：①小角度晶界-相邻晶粒的位向差小于10º晶界；亚晶界均属小角度晶界，一般小于2º；②大角度晶界一相邻晶粒的位向差大于10º晶界，多晶体中90％以上的晶界属于此类。1．小角度晶界的结构按照相邻亚晶粒之间位向差的不同，可将小角度晶界分为倾斜晶界、扭转晶界和重合晶界(大角度晶界)等。它们的结构可用相应的模型来描

3、述。a．对称倾斜晶界对称倾斜晶界可看作把晶界两侧晶体互相倾斜的结果。由于相邻两晶粒的位向差θ角很小，其晶界可看成是由一列平行的刃型位错所构成。b．不对称倾斜晶界如果倾斜晶界的界面绕x轴转了一角度，则此时两晶粒之间的位向差仍为θ角，但此时晶界的界面对于两个晶粒是不对称的，因此，称为不对称倾斜晶界。它有两个自由度θ和。该晶界结构可看成由两组柏氏矢量相互垂直的刃位错b┻b├交错排列而构成的。c．扭转晶界扭转晶界是小角度晶界的又一种类型。它可看成是两部分晶体绕某一轴在一个共同的晶面上相对扭转一个角所构成的，扭转轴垂直于这一共同的晶面。2．大角度晶界的结构

4、多晶体材料中各晶粒之间的晶界通常为大角度晶界。大角度晶界的结构较复杂，其中原子排列较不规则，不能用位错模型来描述。晶界可看成坏区与好区交替相间组合而成。随着位向差的增大，坏区的面积将相应增加。纯金属中大角度晶界的宽度不超过3个原子间距。3．晶界能晶界能定义为形成单位面积界面时，系统的自由能变化（dF/dA），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。小角度晶界的能量主要来自位错能量，而位错密度又决定于晶粒间的位向差，所以，小角度晶界能也和位向差有关：晶界能可以界面张力的形式来表现，且可以通过界面交角的测定求出它的相对值。当3个晶粒相遇时

5、，它们两两相交于一界面，3个界面相交于二个三叉界棱。在达到平衡状态时，O点处的界面张力必须达到力学平衡，即其矢量和为零，故或:因此，若取其中某一晶界能作为基准，则通过测量角即可求得其他晶界的相对能量。在平衡状态下，三叉晶界的各面角均趋向于最稳定的120度，此时，各晶粒之间的晶界能基本相等。二．外表面在晶体表面上，原子排列情况与晶内不同,表面原子会偏离其正常的平衡位置，并影响到邻近的几层原子，造成表层的点阵畸变，使它们的能量比内部原子高，这几层高能量的原子层称为表面。晶体表面单位面积自由能的增加称为表面能（J/m2）。表面能也可理解为产生单位面积新表面

6、所作的功：式中dW为产生dS表面所作的功。表面能也可以单位长度上的表面张力(N/m)表示。表面能与晶体表面原子排列致密程度有关，原子密排的表面具有最小的表面能。所以自由晶体暴露在外的表面通常是低表面能的原子密排晶面。三．晶界的特性1).晶界处点阵畸变大，存在着晶界能。因此，晶粒的长大和晶界的平直化都能减少晶界面积，从而降低晶界的总能量，这是一个自发过程。然而晶粒的长大和晶界的平直化均需通过原子的扩散来实现，因此，随着温度升高和保温时间的增长，均有利于这两过程的进行。2).晶界处原子排列不规则，因此在常温下晶界的存在会对位错的运动起阻碍作用，致使塑性变形

7、抗力提高，宏观表现为晶界较晶内具有较高的强度和硬度。晶粒愈细，材料的强度愈高，这就是细晶强化；而高温下则相反，因高温下晶界存在一定的粘滞性，易使相邻晶粒产生相对滑动。3).晶界处原子偏离平衡位置，具有较高的动能，并且晶界处存在较多的缺陷如空穴、杂质原子和位错等，故晶界处原子的扩散速度比在晶内快得多。4).在固态相变过程中，由于晶界能量较高且原子活动能力较大，所以新相易于在晶界处优先形核。显然，原始晶粒愈细，晶界愈多，则新相形核率也相应愈高。5).由于成分偏析和内吸附现象，特别是晶界富集杂质原子情况下，往往晶界熔点较低，故在加热过程中，因温度过高将引起晶

8、界熔化和氧化，导致"过热"现象产生。6).由于晶界能量较高、原子处于不稳定状态，以及晶界富集杂