基礎(chǔ)科學(xué)lab1

1、實(shí)驗(yàn)一 位錯(cuò)蝕坑的觀察（Observation of Etchpits of Dislocation）實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)：2 實(shí)驗(yàn)類型：綜合前修課程名稱：材料科學(xué)導(dǎo)論適用專業(yè)：材料科學(xué)與工程 一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?通過使用金相顯微鏡觀察晶體中的位錯(cuò)蝕坑，觀看錄象“Living Metal”，進(jìn)一步加深對(duì)位錯(cuò)的了解。 學(xué)會(huì)計(jì)算位錯(cuò)密度的方法。 計(jì)算某一小角度晶界（亞晶界）的角度。二、概述目前已有多種實(shí)驗(yàn)技術(shù)用于觀察晶體中的位錯(cuò)，常用的有以下兩種：浸蝕技術(shù)、透射電鏡。位錯(cuò)蝕坑的浸蝕原理利用浸蝕技術(shù)顯示晶體表面的位錯(cuò)，其原理是：由于位錯(cuò)附近的點(diǎn)陣畸變，原子處于較高的能量狀態(tài)，再加上雜質(zhì)原子在位錯(cuò)處的聚集，這里的腐蝕速

2、率比基體更快一些，因此在適當(dāng)?shù)那治g條件下，會(huì)在位錯(cuò)的表面露頭處，產(chǎn)生較深的腐蝕坑，借助金相顯微鏡可以觀察晶體中位錯(cuò)的多少及其分布。位錯(cuò)的蝕坑與一般夾雜物的蝕坑或者由于試樣磨制不當(dāng)產(chǎn)生的麻點(diǎn)有不同的形態(tài)，夾雜物的蝕坑或麻點(diǎn)呈不規(guī)則形態(tài)，而位錯(cuò)的蝕坑具有規(guī)則的外形，如三角形、正方形等規(guī)則的幾何外形，且常呈有規(guī)律的分布，如很多位錯(cuò)在同一滑移面排列起來或者以其他形式分布；此外，在臺(tái)階、夾雜物等缺陷處形成的是平底蝕坑，也很容易地區(qū)別于位錯(cuò)露頭處的尖底蝕坑。為了證明蝕坑與位錯(cuò)的一致對(duì)應(yīng)關(guān)系，可將晶體制成薄片，若在兩個(gè)相對(duì)的表面上形成幾乎一致的蝕坑，便說明蝕坑即位錯(cuò)。位錯(cuò)蝕坑的形狀與晶體表面的晶面有關(guān)。譬如

3、，對(duì)于立方晶系的晶體，觀察面為111晶面時(shí)，位錯(cuò)蝕坑呈正三角形漏斗狀；在110晶面上的位錯(cuò)蝕坑呈矩形漏斗狀；在100晶面上的位錯(cuò)蝕坑則是正方形漏斗狀。因此，按位錯(cuò)蝕坑在晶面上的幾何形狀，可以反推出觀察面是何晶面，并且按蝕坑在晶體表面上的幾何形狀對(duì)稱程度，還可判斷位錯(cuò)線與觀察面（晶面）之間的夾角，通常是 1090°；自然，若位錯(cuò)線平行于觀察面便無位錯(cuò)蝕坑了。（1-1）PbMoO4（001）面位錯(cuò)蝕坑 （1-2）PbMoO4垂直于（001）面的位錯(cuò)蝕坑（1-3）單晶硅（111）晶面上的位錯(cuò)蝕坑 （1-4）ZnWO4晶體（010）晶面上的位錯(cuò)蝕坑位錯(cuò)蝕坑的側(cè)面形貌與位錯(cuò)類型有關(guān)。蝕坑側(cè)面光

4、滑平整時(shí)是刃型位錯(cuò)，；蝕坑側(cè)面出現(xiàn)螺旋線時(shí)，是螺型位錯(cuò)（參看1-5、1-6）。（1-5）PbMoO4晶體中的螺位錯(cuò) （1-6）PbMoO4晶體中的刃位錯(cuò)若位錯(cuò)從蝕坑處移開后再次顯露，則由于位錯(cuò)是蝕坑的胚胎，原蝕坑將擴(kuò)大，但深度不再增加，變成平底的；同時(shí)，在位錯(cuò)新位置上將出現(xiàn)新的尖底蝕坑。由此可研究位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)（參看1-6）。利用蝕坑觀察位錯(cuò)有一定的局限性，它只能觀察在表面露頭的位錯(cuò)，而晶體內(nèi)部位錯(cuò)卻無法顯示；此外浸蝕法只適合于位錯(cuò)密度很低的晶體，如果位錯(cuò)密度較高，蝕坑互相重迭，就難以把它們彼此分開，所以此法一般只用于高純度金屬或者化合物晶體的位錯(cuò)觀察。不同種類的晶體要用不同的浸蝕劑；為了獲得清晰

5、的蝕坑圖，還要嚴(yán)格控制浸蝕劑的濃度、溫度、浸蝕時(shí)間等。表1為部分晶體的位錯(cuò)浸蝕條件。表1 晶體位錯(cuò)浸蝕條件晶體晶面浸蝕法溫度時(shí)間PbMoO40013gNaOH+50ml蒸餾水4010secPb2MoO52019gNaOH+100ml蒸餾水4515secBaF21112%硝酸ZnWO4010飽和NaOH沸騰10minGe111HNO3：HF= 1：1，F(xiàn)e(OH)31003min透射電鏡技術(shù)目前更廣泛應(yīng)用透射電子顯微鏡技術(shù)直接觀察晶體中的位錯(cuò)。首先要將被觀察的試樣制成金屬薄膜，其厚度約為100500nm，使高速電子束可以直接穿透試樣，或者說試樣必須薄到對(duì)于電子束是透明的。電子顯微鏡觀察組織的原理

6、主要是利用晶體中原子對(duì)電子束的衍射效應(yīng)。當(dāng)電子束垂直穿過晶體試樣時(shí)，一部分電子束仍沿著入射束方向直接透過試樣，另一部分則被原子衍射成為衍射束，它與入射束方向偏離成一定的角度，透射束和衍射束的強(qiáng)度之和基本與入射束相當(dāng)，觀察時(shí)可利用光闌將衍射束擋住，使它不能參與成像，所以像的亮度主要取決于透射束的強(qiáng)度。當(dāng)晶體中有位錯(cuò)等缺陷存在時(shí)，電子束通過位錯(cuò)畸變區(qū)可產(chǎn)生較大的衍射，使這部分透射束的強(qiáng)度弱于基體區(qū)域的透射束，這樣位錯(cuò)線成像時(shí)表現(xiàn)為黑色的線條。用透射電子顯微鏡觀察位錯(cuò)的優(yōu)點(diǎn)是可以直接看到晶體內(nèi)部的位鍺線，比蝕坑法直觀，即使在位錯(cuò)密度較高時(shí)，仍能清晰看到位錯(cuò)的分布特征；若在電子顯微鏡下直接施加應(yīng)力，還

7、可看到位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)及交互作用。 位錯(cuò)密度位錯(cuò)是晶體中的線缺陷。單位體積晶體中所含位錯(cuò)線的總長(zhǎng)度稱位錯(cuò)密度。若將位借線視為彼此平行的直線，它們從晶體的一面均延至另一面，則位錯(cuò)密度便等于穿過單位截面積的位錯(cuò)線頭數(shù)。即：式中，為位錯(cuò)密度（位錯(cuò)線頭數(shù)/cm2），A為晶體的截面積（cm2）；n為A面積內(nèi)位錯(cuò)線頭數(shù)（參看1-4）。小角度晶界 實(shí)際晶體材料都是多晶體，由許多晶粒組成，晶界就是空間取向（或位向）不同的相鄰晶粒之間的界面。根據(jù)晶界兩側(cè)晶粒位向差（角）的不同，可以把晶界分為小角度晶界（10°）和大角度晶界（10°）。一般多晶體各晶粒之間的晶界屬于大角度晶界。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：在每一個(gè)晶粒

8、內(nèi)原子排列的取向也不是完全一致的，晶粒內(nèi)又可分為位向差只有幾分到幾度的若干小晶塊，這些小晶塊可稱為亞晶粒，相鄰亞晶粒之間的界面稱為亞晶界，亞晶界屬于小角度晶界。根據(jù)位錯(cuò)蝕坑的分布特征，能夠識(shí)別晶體中存在的小角度晶界和位錯(cuò)塞積群。當(dāng)晶體中存在小角度晶界時(shí)，蝕坑將垂直于滑移方向排列成行；而當(dāng)出現(xiàn)位錯(cuò)塞積群時(shí)，蝕坑便沿滑移方向排列成列，并且它們?cè)诨品较蛏系木嚯x逐漸增大。亞晶界中最簡(jiǎn)單的情況是對(duì)稱傾斜晶界，即晶界兩側(cè)的晶粒相對(duì)于晶界對(duì)稱地傾斜了一個(gè)小的角度。它是由一系列柏氏矢量相同的相互平行的刃位錯(cuò)排列而成。晶界中的位錯(cuò)排列越密，則傾斜角度，即位向差越大。當(dāng)傾斜角度很小時(shí)，對(duì)稱傾斜晶界中的位錯(cuò)間距與

9、位向差之間有以下簡(jiǎn)單的關(guān)系：式中，是傾斜角度，以弧度表示；b是刃位錯(cuò)的柏氏矢量；D是位錯(cuò)間距。（1-7）PbMoO4晶體中的小角度晶界 （1-8）標(biāo)尺放大圖象（與1-8圖相同倍數(shù)）Al合金中的位錯(cuò)蝕坑Al-Cu合金我們以前一直是應(yīng)用于材料工程實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，一般是通過熔煉獲得一定成分（23%Cu）的Al-Cu合金，隨后再進(jìn)行澆鑄、固溶處理、軋制、軋制時(shí)效等材料加工過程。對(duì)于鑄態(tài)、固溶處理、軋制及軋制時(shí)效等過程的樣品都要要進(jìn)行金相檢驗(yàn)，以便配合后續(xù)分析性能測(cè)試結(jié)果的需要。在進(jìn)行各種狀態(tài)樣品的金相檢驗(yàn)過程中，在鑄態(tài)、固溶處理后的樣品的金相組織中發(fā)現(xiàn)了一些實(shí)用的顯微組織現(xiàn)象，使我們?cè)诓牧峡茖W(xué)基礎(chǔ)理論教

10、學(xué)及實(shí)驗(yàn)中對(duì)Al-Cu合金的應(yīng)用有了進(jìn)一步的拓展、延伸。對(duì)晶體中位錯(cuò)的觀察是從五十年代才開始發(fā)展起來的，浸蝕法是一種簡(jiǎn)單而在早期常用的方法。但常見的位錯(cuò)蝕坑樣品多數(shù)是半導(dǎo)體材料或化合物晶體的單晶，少見多晶體金屬材料的位錯(cuò)蝕坑樣品圖片、樣品，更多的是停留于文字說明。這其中的原因很多，常見金屬材料是多晶體且晶粒細(xì)小是一個(gè)原因，必須選擇適合的腐蝕劑是另一個(gè)原因。同時(shí)，晶粒中位錯(cuò)密度要小于106/cm2（在充分退火的金屬晶體內(nèi)，位錯(cuò)密度一般為105108/cm2）。這樣，一般很難在多晶體金屬的晶粒中發(fā)現(xiàn)位錯(cuò)形成的蝕坑。我們現(xiàn)在獲得的Al-Cu合金固溶處理的樣品，其晶粒直徑的大小在12mm，10倍目鏡配

11、合40或50倍物鏡觀察條件下，視場(chǎng)中經(jīng)常只有二、三個(gè)不完整的部分晶粒，在1520cm左右的整個(gè)觀察視場(chǎng)中可以只觀察到一個(gè)晶粒的內(nèi)部情況，晶?？梢哉f相當(dāng)大；同時(shí)，由于長(zhǎng)時(shí)間固溶處理，對(duì)位錯(cuò)密度的降低非常有利。固溶處理的Al-Cu合金樣品，采用HF（1.0%）、HCl（1.5%）、HNO3（2.5%）、水（95%）組成的混合試劑進(jìn)行浸蝕，深蝕后可以觀察到清晰的位錯(cuò)蝕坑。樣品在進(jìn)行浸蝕的過程中必須采用累計(jì)計(jì)時(shí)的方式控制浸蝕時(shí)間，隨時(shí)觀察浸蝕效果，避免過蝕。首先低倍觀察，會(huì)見到晶粒內(nèi)部存在許多的細(xì)小的黑點(diǎn)，同時(shí)，許多地方的晶粒內(nèi)部似乎“很臟”。很容易誤以為是一般蝕坑及腐蝕規(guī)范不佳造成的。在高倍觀察下，

12、看到晶粒內(nèi)部規(guī)則的蝕坑形貌時(shí)就可以確定為是位錯(cuò)蝕坑。蝕坑的形貌有多種，比如，三角形、四邊形的蝕坑，如圖1-9、1-10所示。在同一個(gè)晶粒中，蝕坑的形貌基本相同，但不同的晶粒內(nèi)部暴露的蝕坑形貌會(huì)出現(xiàn)明顯差異。如圖1-13，左上側(cè)是菱形蝕坑，右下側(cè)是三角形蝕坑。低倍觀察條件下在許多晶粒內(nèi)部比較“臟”的位置，換成高倍觀察時(shí)，可以看到由位錯(cuò)蝕坑組成的等距排列的形貌，可以判定是小角度晶界造成的。其空間位置，是一個(gè)晶粒內(nèi)部枝晶間相互最終碰到的位置，即，成分偏析出現(xiàn)的空間位置。如圖1-11、1-12。這說明同一個(gè)晶粒內(nèi)部的枝晶偏析消除后，原位置兩側(cè)的晶粒內(nèi)部的晶體位向存在微小的差別，可以認(rèn)為是不同的亞晶粒。

13、1-9 1-101-11 1-121-13由此，我們?cè)谠蟹墙饘賳尉诲e(cuò)蝕坑樣品的基礎(chǔ)上，可以更多地加入常見金屬材料的位錯(cuò)蝕坑樣品，使得理論教學(xué)中在講解位錯(cuò)及晶界部分內(nèi)容時(shí)有了更加豐富的實(shí)際素材和選擇余地。三、實(shí)驗(yàn)材料及設(shè)備硅單晶、鉬酸鉛單晶體、鎢酸鋅單晶體，Al-Cu合金；“Living Metal”錄像帶，高級(jí)顯微鏡，演示系統(tǒng)，浸蝕劑，普通電爐，測(cè)微目鏡，測(cè)微尺。四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟 首先觀看錄像（時(shí)間約20min）。通過演示系統(tǒng)觀察不同晶體、不同晶面上的位錯(cuò)蝕坑。測(cè)量位錯(cuò)密度。具體方法可以是：選擇好試樣，確定晶面，在垂直于位錯(cuò)線的觀察面上，用目鏡測(cè)微尺量出某面積，并數(shù)出在該面積內(nèi)的位錯(cuò)蝕坑個(gè)數(shù)，代入公式，計(jì)算出值。當(dāng)然，若位錯(cuò)密度較大，蝕坑彼此重疊便難于區(qū)分了。確定小角度晶界的夾角。觀察鉬酸鉛單晶體C面的小角度晶界，根據(jù)前面所述的公式計(jì)算。其中，D可以先選擇較長(zhǎng)的一段小角度晶界，量出總長(zhǎng)度，數(shù)出總的位錯(cuò)數(shù)目，再求出平均的位錯(cuò)間距。對(duì)于鉬酸鉛單晶體，根據(jù)晶體結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)，其C面的小角度晶界中的刃位錯(cuò)的柏氏矢量可以用5A°代入（1A°=10-10m）。同學(xué)自己動(dòng)手操作，制作鎢酸鋅單晶體的位錯(cuò)蝕坑試樣，觀察制作效果；確定位錯(cuò)密度；判斷亞晶界。制作方法如下： 配置浸蝕劑，取6g NaOH溶于50ml的蒸餾水。 取光滑解理的一片ZnWO4單晶，放于沸騰的NaOH溶液中