结构缺陷面缺陷.ppt

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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

2、，小角度晶界、大角度晶界；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θ小于10o~15o；大角度晶界：相邻两个晶粒取向角度θ大于10o~15o。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θ通常为1o~5o）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θ，确定需要两个变量，即两个方向余弦，和θ定了，两个晶粒相对取向就确定了

3、，两个方向余弦和θ为三个自由度；相对位向：晶界在两个晶粒之间的位置，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θ小于10~15o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（10

4、0）面（晶界平面）。投影面为（001）面。两侧晶粒的位向差为θ，相当于相邻晶粒绕[001]轴反向各自旋转θ/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θ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θ之间满足下列关系由上式知，当θ小时，位错间距较大，若b=0.25nm，θ

5、=1o，则D=14nm；若θ＞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[001]轴旋转角度φ的任意面，相邻两晶粒的取向差仍是很小的θ角，但界面两侧晶粒是不对称的。界面与左侧晶粒轴向夹角为φ-θ/2，与右侧晶粒的[100]成φ+θ/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φ、θ，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

6、，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θ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

7、错。二、扭转晶界[010][100]简单的扭转晶界只有一个自由度θ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θ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

8、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θ/2，，因