晶體的理想形狀和缺陷.ppt

1、第六章 晶體的理想形狀和缺陷,6.1單形,一、單形的概念 單形:晶體中由對(duì)稱(chēng)要素聯(lián)系起來(lái)的一組晶面的組合 （即借助晶體中全部對(duì)稱(chēng)要素的作用相互重復(fù)的一組晶面,結(jié)論： （1）單形中所有晶面性質(zhì)相同（物理性質(zhì)、晶面花紋、晶面大小等）(見(jiàn)圖A,2）晶體中，相互間不能對(duì)稱(chēng)重復(fù)的晶面屬于不同單形(見(jiàn)圖B,4) 在同一對(duì)稱(chēng)型中，由于晶面與對(duì)稱(chēng)要素之 間的位置不同可以導(dǎo)出不同的單形,3) 以單形中任意一個(gè)晶面作為原始晶面，通過(guò)對(duì)稱(chēng)型中全部對(duì)稱(chēng)要素的作用，一定會(huì)導(dǎo)出該單形的全部晶面,a)立方體 (b)八面體 (c)菱形十二面體 (d)四角三八面體,二、單形符號(hào),八面體的所有晶面的晶面符號(hào) (111)(111)

2、 (111)(111) (111)(111) (111)(111,用簡(jiǎn)單數(shù)字符號(hào)形式表征單形中所有組成晶面及其在晶體上取向的一種結(jié)晶學(xué)符號(hào),單形符號(hào)的表示 按一定原則選擇一代表性晶面，將該晶面的晶面指數(shù)順序連寫(xiě)于大括號(hào)hkl中，表示單形符號(hào)，簡(jiǎn)稱(chēng)形號(hào),晶面選擇原則 選擇單形中正指數(shù)為最多的晶面，至少l 為正，在此前提下，要盡可能靠近前面，其次靠近右邊，再次靠近上邊，即hkl,具體原則： 中、低級(jí)：“先上、次前、后右” 高級(jí)：“先前、次右、后上,A,菱方雙錐單形,舉例1：正交晶系mmm對(duì)稱(chēng)型,舉例2：六八面體單形符號(hào),Z,A單面,B四方柱,C四方錐,舉例1： L4對(duì)稱(chēng)型的單形推導(dǎo),三、單形的推導(dǎo)

3、,L22P 的空間分布,舉例2： L22P(mm2)對(duì)稱(chēng)型的單形推導(dǎo),A,B/C,D/E,F,G,四、結(jié)晶單形與幾何單形,結(jié)晶單形:32種對(duì)稱(chēng)型逐一推導(dǎo)，如果不僅考慮形態(tài)，同時(shí)考慮它的對(duì)稱(chēng)性，則單形共有146種，稱(chēng)為結(jié)晶單形,幾何單形：32種對(duì)稱(chēng)型逐一推導(dǎo)，只考慮幾何形態(tài)，共有47種，稱(chēng)為幾何單形,下圖為同為立方體幾何單形的5種不同對(duì)稱(chēng)型,6.2 47種幾何單形,一般說(shuō)來(lái)，對(duì)于一個(gè)單形的描述，要注意晶面的數(shù)目、形狀、相互關(guān)系、晶面與對(duì)稱(chēng)要素的相對(duì)位置及單形的橫切面等,1）整個(gè)單形的形狀：如柱、錐、立方體等,單形命名的依據(jù),2）橫切面的形狀：如四方柱、八面體等,3）晶面的數(shù)目：如單面、八面體,4

4、）晶面的形狀：如菱面體、五角十二面體,1低級(jí)晶族：共有七種。A、單面：晶面為一個(gè)平面。B、平行雙面：晶面為一對(duì)相互平行的平面。C、雙面：又分反映雙面及軸雙面，為一對(duì)相交平面。D、斜方柱：由四個(gè)兩兩平行的晶面組成，晶棱平行，橫切面為菱形。E、斜方單錐：四個(gè)全等不等邊三角形組成，晶面相交于一點(diǎn)，底面為菱形，錐頂為L(zhǎng)2出露點(diǎn)。F、斜方四面體：由四個(gè)全等不等邊三角形組成，晶面互不平行，每棱的中點(diǎn)為L(zhǎng)2出露點(diǎn)，通過(guò)晶棱中點(diǎn)的橫切面為菱形。G、斜方雙錐：由兩個(gè)相同的斜方單錐底面對(duì)接而成,2中級(jí)晶族：有一個(gè)高次軸的單形。晶面垂直高次軸可出現(xiàn)單面和平行雙面。此外還有25種。A、柱類(lèi)由若干晶面圍成柱體，它們的棱

5、相互平行，且平行于高次軸，按切面形狀分為6種：三方柱、復(fù)三方柱，四方柱、復(fù)四方柱，六方柱、復(fù)六方柱。（復(fù)方柱之橫切面兩相鄰內(nèi)角不等，兩相間內(nèi)角相等,B、單錐類(lèi):若干等腰三角形晶面相交高次軸于一點(diǎn)，底面垂直高次軸，形狀與柱同，有6種單形：三方單錐、復(fù)三方錐，四方單錐、復(fù)四方單錐，六方單錐復(fù)六方單錐,C、雙錐類(lèi):兩相同的單錐底面對(duì)接而成。有六種單形。三方雙錐、復(fù)三方雙錐，四方雙錐、復(fù)四方雙錐，六方雙錐、復(fù)六方雙錐,D、四面體類(lèi) 四方四面體由四個(gè)互不平行的等腰三角形組成，相間二晶面的底相交，棱的中點(diǎn)為L(zhǎng)2或Li4的出露點(diǎn)，通過(guò)腰中點(diǎn)的橫切面為正方形。復(fù)四方偏三角面體將四面體的晶面平分為兩個(gè)不等邊三角

6、形，過(guò)中心的橫切面為復(fù)四邊形,E、菱面體類(lèi) 菱面體，由六個(gè)兩兩平行的菱形晶面組成，上下錯(cuò)開(kāi)。 復(fù)三方偏三角面體，將菱面體晶面沿高次軸方向平分成兩個(gè)三角形,F、偏方面體：晶面為偏四方形，與雙錐類(lèi)似，上下與高次軸各交于上一點(diǎn)，但錯(cuò)開(kāi)一定角度，此類(lèi)有：三方偏方面體，四方偏方面體，六方偏方面體。且分左右形,A、四面體組：晶面為四個(gè)等邊三角形或?qū)⒌冗吶切畏指畛扇齻€(gè)或六個(gè)三角形、四邊形、五邊形.有四面體，三角三四面體，四角三四面體，五角三四面體，六四面體,3.高級(jí)晶族單形，共有15個(gè),B、八面體組 由八個(gè)等邊三角形組成，晶面分割方式與四面體組完全相同。有八面體、三角三八面體、四角三八面體、五角三八面體、

7、六八面體,C、立方體組 由六個(gè)正方形晶面組成，晶棱以直角相交。 有立方體及四六面體兩種,D、十二面體組五角十二面體12個(gè)五邊形組成，五邊形有四邊長(zhǎng)相等，另一邊長(zhǎng)不等。偏方復(fù)十二面體垂直平分五角十二面體的不等長(zhǎng)邊所形成的二十四面體。 菱形十二面體，由12個(gè)菱形晶面組成，兩平行，相鄰晶面成120度或90度相交,1、一般形與特殊形 凡晶面垂直或平行對(duì)稱(chēng)要素或與相同的對(duì)稱(chēng)要素等角相交，則為特殊形。反之為一般形。 一個(gè)對(duì)稱(chēng)型中只有一個(gè)一般形，這個(gè)對(duì)稱(chēng)型的晶類(lèi)名稱(chēng)即以這個(gè)一般形來(lái)命名,6.3 單形的分類(lèi),2、左形與右形 形態(tài)完全類(lèi)同，在空間的取向上正好彼此相反的兩個(gè)形體，它們互為鏡像，但不能借助于旋轉(zhuǎn)或反

8、伸操作使之重合，此二同形反向體構(gòu)成了左右對(duì)映形其中一個(gè)為左形，另一個(gè)為右形,3、正形和負(fù)形 取向不同的兩個(gè)相同單形，如果相互之間能夠借助于旋轉(zhuǎn)操作彼此重合，則兩者互為正、負(fù)形(positive、negative form,四面體,4、開(kāi)形與閉形 依單形晶面是否可以自行閉合而劃分。 凡單形晶面不能自形閉合者為開(kāi)形，如面、柱單錐 能自行閉合者為閉形,5、定形和變形 一種單形其晶面間的角度為恒定者，稱(chēng)定形（constant form）；反之，稱(chēng)變形（various form,定形與變形也可根據(jù)單形符號(hào)區(qū)別：定形的單形符號(hào)中都為數(shù)字，如111、100、110等，變形的單形符號(hào)中由字母組成，如hkl、h

9、k0等,屬于定形的單形有單面、平行雙面、三方柱、四方柱、六方柱、四面體、八面體、菱形十二面體和立方體九種；其余單形皆為變形,6.4聚形,一、概念兩個(gè)或兩個(gè)以上的單形聚合在一起形成的封閉空間外形稱(chēng)為聚形(combination form,這里的單形是指結(jié)晶單形，因?yàn)榫坌蔚膶?duì)稱(chēng)型是已知的，已賦予一定的對(duì)稱(chēng)性，組成聚形的所有單形的對(duì)稱(chēng)型，都應(yīng)該是該聚形所具有的對(duì)稱(chēng)型,單形的相聚不是任意的，必須是具有相同對(duì)稱(chēng)性的單形才能相聚在一起；換句話(huà)說(shuō)，聚形的必要條件是組成聚形的各個(gè)單形都必須屬于同一對(duì)稱(chēng)型,二、聚形分析聚形分析步驟是：A、找出全部對(duì)稱(chēng)要素，確定對(duì)稱(chēng)型。每一對(duì)稱(chēng)型可能出現(xiàn)的單形的有限的（最多七種）

10、。B、觀察聚形上有幾種同形等大的晶面，從而確定聚形是由幾個(gè)單形組成的。C、數(shù)一下每種同形等大的晶面的數(shù)目，確定每單形由幾個(gè)晶面構(gòu)成。D、根據(jù)對(duì)稱(chēng)型及每一單形的晶面數(shù)目、晶面與對(duì)稱(chēng)要素的相對(duì)位置確定每一單形的名稱(chēng)（或查表,6.5 缺陷,分類(lèi)方式： 幾何形態(tài)：點(diǎn)缺陷、線(xiàn)缺陷、面缺陷等 形成原因：熱缺陷、雜質(zhì)缺陷、非化學(xué)計(jì)量缺陷等,一、按缺陷的幾何形態(tài)分類(lèi),1. 點(diǎn)缺陷 2. 線(xiàn)缺陷 3. 面缺陷 4. 體缺陷,1.點(diǎn)缺陷（零維缺陷） 缺陷尺寸處于原子大小的數(shù)量級(jí)上，即三維方向上缺陷的尺寸都很小。 包括：空位（vacancy）、間隙質(zhì)點(diǎn)（interstitial particle）、雜質(zhì)質(zhì)點(diǎn)（for

11、eign particle）。 點(diǎn)缺陷與材料的電學(xué)性質(zhì)、光學(xué)性質(zhì)、材料的高溫動(dòng)力學(xué)過(guò)程等有關(guān),晶體中的點(diǎn)缺陷,a)空位,b)雜質(zhì)質(zhì)點(diǎn),c)間隙質(zhì)點(diǎn),2.線(xiàn)缺陷（一維缺陷,指在一維方向上偏離理想晶體中的周期性、規(guī)則性排列所產(chǎn)生的缺陷，即缺陷尺寸在一維方向較長(zhǎng)，另外二維方向上很短。如各種位錯(cuò)（dislocation）。 線(xiàn)缺陷的產(chǎn)生及運(yùn)動(dòng)與材料的韌性、脆性密切相關(guān),圖3-2 (a) 刃位錯(cuò)(b)螺位錯(cuò),a,b,刃型位錯(cuò),1）刃型位錯(cuò)（edge dislocation）的產(chǎn)生 完整晶體滑移的理論剪切強(qiáng)度要遠(yuǎn)高于實(shí)際晶體滑移的對(duì)應(yīng)強(qiáng)度，從而促進(jìn)了位錯(cuò)理論的產(chǎn)生和發(fā)展。 （2） 刃型位錯(cuò)圖示： 刃型位錯(cuò)

12、線(xiàn)：多余半原子面與滑移面的交線(xiàn)。 （3）刃型位錯(cuò)特征： 刃型位錯(cuò)有一個(gè)額外的（多余）半原子面。正刃型位錯(cuò)用“”表示，負(fù)刃型位錯(cuò)用“”表示；其正負(fù)只是相對(duì)而言。判斷用右手定則：食指指向位錯(cuò)線(xiàn)方向，中指指向柏氏矢量方向，拇指指向多余半原子面方向。 刃型位錯(cuò)是直線(xiàn)、折線(xiàn)或曲線(xiàn)。它與滑移方向、柏氏矢量垂直,刃型位錯(cuò)立體示意圖,刃型位錯(cuò)的分類(lèi) 動(dòng)畫(huà),滑移面必須是同時(shí)包含有位錯(cuò)線(xiàn)和滑移矢量的平面。位錯(cuò)線(xiàn)與滑移矢量互相垂直,它們構(gòu)成平面只有一個(gè)。 晶體中存在刃位錯(cuò)后,位錯(cuò)周?chē)狞c(diǎn)陣發(fā)生彈性畸變,既有正應(yīng)變,也有負(fù)應(yīng)變。點(diǎn)陣畸變相對(duì)于多余半原子面是左右對(duì)稱(chēng)的，其程度隨距位錯(cuò)線(xiàn)距離增大而減小。就正刃型位錯(cuò)而言,

13、上方受壓,下方受拉。 在位錯(cuò)線(xiàn)周?chē)幕儏^(qū)每個(gè)原子具有較大的平均能量?；儏^(qū)是一個(gè)狹長(zhǎng)的管道,晶體局部滑移造成的刃型位錯(cuò),螺型位錯(cuò),1)螺型位錯(cuò)（screw dislocation）的圖示,螺型位錯(cuò)示意圖,晶體局部滑移造成的螺型位錯(cuò),3.面缺陷,面缺陷又稱(chēng)為二維缺陷，是指在二維方向上偏離理想晶體中的周期性、規(guī)則性排列而產(chǎn)生的缺陷，即缺陷尺寸在二維方向上延伸，在第三維方向上很小。如晶界、表面、堆積層錯(cuò)、鑲嵌結(jié)構(gòu)等。 面缺陷的取向及分布與材料的斷裂韌性有關(guān),面缺陷晶界,面缺陷堆積層錯(cuò)面心立方晶體中的抽出型層錯(cuò)(a)和插入型層錯(cuò)(b,圖3面缺陷共格晶面面心立方晶體中111面反映孿晶,外 表 面,表面

14、(crystal surface) 表面能(）：晶體表面單位面積自由能的增加，定義為形成單位面積的新表面所需做的功。 表示法：= dw/ds = T/L = 被割斷的結(jié)合鍵數(shù)/形成單位新表面能量/每個(gè)鍵 影響的因素： (1)與晶體表面原子排列的致密程度有關(guān)。原子密排的表面具有最小的表面能。 (2)還與晶體表面曲率有關(guān)。曲率半徑小,曲率大,愈大。 (3)外部質(zhì)的性質(zhì)。介質(zhì)不同,則不同。 (4)還與晶體性質(zhì)有關(guān)。晶體本身結(jié)合能高，則大,晶界和亞晶界,晶界(grain boundary)：兩個(gè)空間位向不同的相鄰晶粒之間的界面,確定晶界位置用： (1)兩晶粒的位向差 (2)晶界相對(duì)于一個(gè)點(diǎn)陣某一平面的

15、夾角。 按的大小分類(lèi)： 小角度晶界10：晶粒位向差大于10度的晶界。其結(jié)構(gòu)為幾個(gè)原子范圍內(nèi)的原子的混亂排列，可視為一個(gè)過(guò)渡區(qū),小角度晶界,小角度晶界（low angle grain boundaries ）：由一系列相隔一定距離的刃型位錯(cuò)所組成。 分類(lèi)： (1)對(duì)稱(chēng)傾斜界面（tilt boundary）：晶界平面為兩個(gè)相鄰晶粒的對(duì)稱(chēng)面。是由一列平行的刃型位錯(cuò)所組成。 (2)不對(duì)稱(chēng)傾斜界面：兩晶粒不以二者晶界為對(duì)稱(chēng)的晶界看成兩組 互相垂直的刃型位錯(cuò)排列而成的。 (3)扭轉(zhuǎn)晶界（twist boundary） ：將一塊晶體沿橫斷面切開(kāi),并使上下部分晶體繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)角,再與下部分驚天動(dòng)晶體粘在一起形成。

16、可看成是由互相交叉的螺位錯(cuò)所組成,對(duì)稱(chēng)傾側(cè)晶界,2. 大角度晶界,大角度晶界（high angle grain boundaries ）為原子呈不規(guī)則排列的一過(guò)渡層。大多數(shù)晶粒之間的晶界都屬于大角度晶界,大角度晶界,亞晶界：位向差小于1度的亞晶粒之間的邊界,3. 晶界能,晶界能：形成單位面時(shí)，系統(tǒng)的自由能變化。J/。 晶界能量與 有關(guān)：= 0(Aln) ，式中0 = Gb/4(1) 大角度晶界能量與無(wú)關(guān)，基本上為一恒定值,0.251.0J/ 在平衡狀態(tài)時(shí)，三叉晶界的各面角均趨與穩(wěn)定狀態(tài)，此時(shí)1 = 2 = 3 = 120,4. 晶界特征,1）晶界處點(diǎn)畸變大，存在晶界能。 （2）常溫下晶界的存在

17、會(huì)對(duì)位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)起阻礙運(yùn)動(dòng)，使塑型變形抗力提高，使晶體（材料）的硬度和強(qiáng)度提高。 （3）晶界處原子具有較高的動(dòng)能，且晶界處存在大量缺陷。原子在晶界處擴(kuò)散比晶內(nèi)快得多。 （4）固態(tài)相變時(shí)易在晶界處形成新核。 （5）晶界上富集雜質(zhì)原子多，熔點(diǎn)低，加熱時(shí)容易過(guò)燒。 （6）晶界腐蝕速度比晶內(nèi)快。 （7）晶界具有不同與晶內(nèi)的物理性質(zhì)。 亞晶界屬與小角度晶界，為各種亞結(jié)構(gòu)的交界，大小和尺寸與熱加工條件有關(guān),孿晶界,孿晶（ twin ）的定義：指兩個(gè)晶體（或一個(gè)晶體的兩部分）沿一個(gè)公共晶面構(gòu)成對(duì)稱(chēng)的位相關(guān)系，這兩個(gè)晶體就稱(chēng)為孿晶，這個(gè)公共的晶面即成為孿晶面 孿晶分類(lèi)： 共格孿晶面（coherent twin

18、boundary）：即孿晶面，其上的原子同時(shí)位于兩側(cè)晶體點(diǎn)陣的節(jié)點(diǎn)上，為兩者共有。無(wú)畸變的完全共格界面，界面能（約為普通晶界能1/10）很低很穩(wěn)定 非共格孿晶面(non-coherent twin boundary）：孿晶界相對(duì)于孿晶面旋轉(zhuǎn)一角度，其上的原子只有部分為兩者共有，原子錯(cuò)排校嚴(yán)重，孿晶能量相對(duì)較高，約為普通晶界的1/2 依照形成原因不同分為：變形孿晶、生長(zhǎng)孿晶、退火孿晶,相界,相界（phase boundary)：具有不同結(jié)構(gòu)的兩相之間的分界面稱(chēng)為相界 。 按相界面上原子間匹配程度分為： 共格界面、半共格界面、非共格界面 1.共格界面（coherent phase boundary ）： 特征：界面兩側(cè)的保持一定的位向關(guān)系， 沿界面兩相具有相同或近似的原子排列， 兩相在界面上原子匹配得好，界面上能量高。 理想的完全共格界面只有在孿晶面（界,2. 半共格界面（semi-coherent phase boundary ) 特征：沿相界面每隔一定距離產(chǎn)生一個(gè)刃型位錯(cuò)，除刃型位錯(cuò)線(xiàn)上的原子