Transcript 第四章晶体缺陷
第三章 晶体缺陷 引 言 第一节 第二节 第三节 晶体缺陷概述及类型 点缺陷 位错-线缺陷 表面及界面 第三节 表面及界面 一、晶界 二、相界 三、表面 面缺陷的定义与类型 面缺陷的定义 面缺陷：在两个方向上尺寸很大，在一 个方向上尺寸很小的缺陷。 面缺陷的类型 通常把晶体的界面分为： 晶界、相界、表面。 一、晶界 1、晶界的概念与分类 属于同一固相但位向不同的晶粒之间的界面称为晶界； 大角度晶界：位相差θ大于10o； 小角度晶界：位相差θ小于10o。 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 亚晶粒间的界面称为亚晶界。（属于小角度晶界，﹤2o） 图 晶界与亚晶界示意图 2、小角度晶界 相邻晶粒的位向差小于10° 的晶界称为小角度晶界。 最简单的小角度晶界是对称 倾斜晶界，其晶界可看成是由一 列平行的刃型位错所构成。 位错 间距 D b 2 sin b 2 不对称倾斜晶界可以看成是由两组柏氏 矢量相互垂直的刃型位错交错排列而成。 扭转晶界是小角度 晶界的一种类型，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θ角所 构成的，扭转轴垂直于 这一共同的晶面。 图 扭转晶界的形成 扭转晶界的结构可看成是由互相交叉的螺型位错所组成。 3、大角度晶界 相邻晶粒的位向差大于10°的晶界称为大角度晶界。 大角度晶界的结构较复杂，原子排列很不规则，由不规则 的台阶组成。晶界可看成坏区与好区交替相间组合而成。 图 大角度晶界模型 在二维正方点阵中，当两个相邻晶粒的位向差为37°时， 设想两晶粒的点阵彼此通过晶界向对方延伸，其中一些原子将 出现有规律的相互重合，由这些原子重合位置所组成比原来晶 体点阵大的新点阵，通常称为重合位置点阵。 图 重合位置点阵模型 4、晶界能 不论是小角度晶界或大角度晶界，这里的原子或多或少的 偏离了平衡位置，所以相对于晶体内部，晶界处于较高的能量 状态，高出的那部分能量称为晶界能，或称晶界自由能。 小角度晶界是由位错组成的，因此晶界能来自于位错的能 量，它应该等于单位长度位错应变能乘以位错线的总长度。 小角度晶界的晶界能随位相差的增大而提高。 对于大角度晶界，由于其结构是一个相对无序的薄区， 它们的界面不随位向差改变而发生明显变化，可以把它近似 看成为材料常数。 5、晶界特性 1.晶界处点阵畸变大，存在晶界能。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。 2.晶界处原子排列不规则，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。晶粒越细，材料的 强度越高，这就是细晶强化。 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。原始晶粒越细, 晶界越多，则新相形核率也相应越高。 5.由于成分偏析和内吸附现象，特别是晶界富集杂质 原子的情况下，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 界富集杂质原子的缘故，与晶内相比晶界的腐蚀速度一般较 快。这就是用腐蚀剂显示金相样品组织的依据，也是某些金 属材料在使用中发生晶间腐蚀破坏的原因。 6、孪晶界 一个晶体的两部分或两个晶体，沿一个公共晶面构成 镜面对称关系。共格孪晶界与非共格孪晶界。 二、相界 具有不同结构的两相之间的分界面称为“相界”。 按结构特点，相界面可分为共格、半共格和非共格相界 三种类型。 图 具有完善共格关系的相界 图 具有弹性畸变的共格相界 图 半共格界面 图 非共格界面 半共格相界上位错间距取决于相界处两相匹配晶面的错配度。 错配度:δ = (aα- aβ)/aα 三、表面 1、表面特征 从原子结合的角度看，表面原子的结合键数也减少，因 此表面原子有强烈的倾向与环境中的原子或分子相互作用。 晶体表层原子在不均匀力场作用下会偏离其平衡位置而 移向晶体内部，但是正、负离子(或正、负电荷)偏离的程度 不同，结果在晶体表面产生了双电层。 图 离子晶体表面的双电层 2、表面能 表面能可以理解为产生单位面积新表面所作的 功。 γ= dW/dS 表面能的数值要明显高于晶界能，根据实验， 测定其数值大约为晶界能的三倍。 表面能的本质是表面原子的不饱和键。 表面能与晶体表面原子的排列致密程度有关， 原子密排的表面具有最小的表面能。 3、表面能的举例与应用 （1）纳米粉体的活性； （2）木炭除臭、吸收甲醛；介孔材料用于污水处理； （3）镜面除雾； （4）晶体的定向生长 （密排面作为表面） 本节重点与难点 1、界面的分类与各自特点 2、晶界、相界、表面 3、小角度晶界中位错间距的计算 4、表面及表面能的应用