材料科學基礎第2章晶體缺陷課件

12.3.1晶體表面晶體表面原子會偏離其正常平衡位置，造成表面層的晶格畸變，其能量升高，將單位面積上升高的能量稱為比表面能（表面能(J/m2)。表面能也可以用單位長度上的表面張力(N/m)表示。影響表面能的因素主要有：外部介質(zhì)的分子或原子對晶體界面原子的作用力與晶體內(nèi)部原于對界面原子的作用力相差越懸殊，則表面能越大。

當裸露的表面是密排晶面時，則表面能最小，非密排晶面的表面能則較大，因此，晶體易于使其密排晶面裸露在表面。表面的曲率越大，則表面能越大，即表面的曲率半徑越小，則表面能越高。晶體本身的結合能高，則表面能大。熔點高，則結合能大，因而表面能也往往較高。Section2.3SurfaceDefects面缺陷12.3.1晶體表面晶體表面原子會偏離其正常平衡位置，造成22.3.1晶體表面外表面是非常粗糙的，比材料內(nèi)部活性更大。納米結構材料（超細粉體與納米材料、多孔材料和凝膠類似）是表面能很高的一類材料。對于日常廣泛應用的大塊材料來說，它們的比表面(單位體積晶體的表面積)很小，因此表面對晶體性能的影響不如晶界重要。但是對于多孔物質(zhì)或粉末材料，它們的比表面很大，此時表面能就成為不可忽略的重要因素，甚至是關鍵因素。粉末的表面能數(shù)值相當可觀，成為不少過程的驅動力，例如粉末在高溫下可燒結為整體，其驅動力就來自于高的表面能。22.3.1晶體表面外表面是非常粗糙的，比材料內(nèi)部活性更大32.3.2晶界(Grainboundary)晶界就是空間取向(或位向)不同的相鄰晶粒之間的界面。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。1．小角度晶界(θ＜10°)多晶體各晶粒之間的晶界對稱傾轉型

(titleboundary)：它是由一列豎直排列的刃型位錯構成，亦稱“位錯墻”。扭轉型：它可以看成兩個簡單立方晶粒之間的扭轉晶界。扭轉型小角度晶界，是由相交的螺位錯網(wǎng)絡所構成。由于小角度晶界的界面能低于規(guī)則晶粒的晶界能，所以小角度晶界對滑移幾乎沒有什么阻礙作用。2.大角度晶界(θ＞10°)亞晶界相當于兩晶粒之間的過渡層，是僅有2-3個原子厚度的薄層，總體來說，原子排列相對無序，也比較稀疏些。32.3.2晶界(Grainboundary)晶界就是4Figure(a)Theatomsneartheboundariesofthethreegrainsdonothaveanequilibriumspacingorarrangement.(b)Grainsandgrainboundariesinastainlesssteelsample.4Figure(a)Theatomsnearth5Figure2.22Thesmallanglegrainboundaryisproducedbyanarrayofdislocations,causinganangularmismatchθbetweenlatticesoneithersideoftheboundary.圖2-22對稱傾轉型小角度晶界5Figure2.22Thesmallangle圖2-23扭轉型小角度晶界圖2-24大角度晶界結構的示意圖圖2-23扭轉型小角度晶界圖2-24大角度晶界結構的示72.3.3晶界特性晶粒長大和晶界的平直化都可減少晶界的總面積，從而降低晶界的總能量。大角度晶界的界面能遠高于小角度晶界的界面能。所以，大角度晶界的遷移速率較小角度晶界大。由于界面能的存在，當金屬中存在能降低界面能的異類原子時，這些原子就將向晶界偏聚，這種現(xiàn)象稱為內(nèi)吸附。凡是提高界面能的原子，將會在晶粒內(nèi)部偏聚，這種現(xiàn)象叫做反內(nèi)吸附。晶粒越細，金屬材料的強度和硬度越高。由于界面能的存在，使晶界的熔點低于晶粒內(nèi)，且易于腐蝕和氧化。晶界上的空位、位錯等缺陷較多，因此，原子的擴散速度較快，在發(fā)生相變時，新相晶核往往首先在晶界形成。72.3.3晶界特性晶粒長大和晶界的平直化都可減少晶界的總8FigureTheeffectofgrainsizeontheyieldstrengthofsteelatroomtemperature.8FigureTheeffectofgrains92.3.4晶界的觀察光學顯微鏡分析是一種可以觀察2000倍以下的顯微組織（包括晶界）的技術。金相學(Metallography)就是金屬樣品的制備和顯微組織的觀察分析的過程。金相樣品的制備包括使用砂紙進行粗磨和細磨，拋光成鏡面。樣品表面用化學浸蝕劑浸蝕，晶界比晶內(nèi)更易于腐蝕。根據(jù)樣品表面腐蝕的程度，反射或散射來自光學顯微鏡的光線。晶界處腐蝕得很深，光線大部分被散射，因此晶界看上去為黑色的線。在陶瓷材料樣品中，可以采用熱腐蝕或熱刻蝕（thermalgrooving）的技術來觀察晶界。這個過程主要包括拋光和低于燒結溫度的短時加熱過程。圖像分析程序不僅可以確定晶粒度，還可以得到平均晶粒尺寸、晶粒分布，孔隙率和第二相等定量數(shù)據(jù)。光學顯微鏡和掃描電鏡都可以配備圖像分析系統(tǒng)。92.3.4晶界的觀察光學顯微鏡分析是一種可以觀察200010FigureMicrostructureofpalladium(x100).10FigureMicrostructureofpa112.3.5堆垛層錯（StackingFaults）堆垛層錯（層錯），就是晶體中的原子按正常堆垛次序發(fā)生了差錯而出現(xiàn)的面缺陷。堆垛層錯破壞了晶體的正常周期，從而增加了晶體的能量。通常把產(chǎn)生單位面積層錯所需的能量稱為層錯能。它主要是在電子學方面的影響，晶體中并不產(chǎn)生點陣畸變，畸變能可以不計。因此，層錯能的能量比晶界能量要低得多。堆垛層錯對滑移有阻礙作用。金屬的層錯能越小，則層錯出現(xiàn)的幾率越大，如在奧氏體不銹鋼中，可以看到大量的層鍺，而在鋁中則根本看不到層錯。金屬AgAuCuAlNi不銹鋼層錯能20457520024013表2-4部分面心立方金屬的層錯能（10－7J/cm2）112.3.5堆垛層錯（StackingFaults）堆122.3.6孿晶界（TwinBoundaries）晶面原子完全是共格的，而且兩側的晶體以界面為對稱面成鏡面對稱，這樣一對晶體稱為孿晶（或把兩個對稱面之間的與母體成鏡面對稱的一部分晶體稱為孿晶）。這種對稱界面就是孿晶面，也是孿晶界。孿晶界對滑移有阻礙作用，增加了金屬的強度。孿晶界的運動也會導致金屬的變形。和堆垛層錯和孿晶界相比，界面能高的晶界阻礙滑移的能力最強。界面能(10－7)AlCuPtFe堆垛層錯2007595-孿晶界12045195190晶界6256451000780表2-5金屬中面缺陷的界面能122.3.6孿晶界（TwinBoundaries）晶面13Figure2-25Applicationofastresstotheperfectcrystal(a)maycauseadisplacementoftheatoms,(b)causingtheformationofatwin.Notethatthecrystalhasdeformedasaresultoftwinning.圖2-25對一個完整晶體施加應力（a）引起原子移動（b）產(chǎn)生孿晶，注意由此，晶體而產(chǎn)生相應的變形（c）黃銅內(nèi)部的孿晶的顯微形貌(×250)13Figure2-25Applicationofa14Figure2-25(c)Amicrographoftwinswithinagrainofbrass(x250).圖2-25對一個完整晶體施加應力（a）引起原子移動（b）產(chǎn)生孿晶，注意由此，晶體而產(chǎn)生相應的變形（c）黃銅內(nèi)部的孿晶的顯微形貌(×250)14Figure2-25(c)Amicrogra具有不同晶體結構的兩相之間的分界面稱為相界。共格界面是指界面上的原子同時位于兩相晶格的結點上，為兩種晶格所共有。界面上原子的排列規(guī)律既符合這個相晶粒內(nèi)原于排列的規(guī)律，又符合另一個相晶粒內(nèi)原子排列的規(guī)律。完善共格關系的相界上，兩相原子匹配得很好，幾乎沒有畸變，這種相界的能量最低，但這種相界很少。一般兩相的晶體結構或多或少地會有所差異，因此，在共格界面上，兩相的原子間距存在著差異，從而必然導致彈性畸變，即相界某一側的晶體(原子間距大的)受到壓應力，而另一側(原子間距小的)受到拉應力。界面兩邊原子排列相差越大，則彈性畸變越大，從而使相界的能量提高。2.3.7相界具有不同晶體結構的兩相之間的分界面稱為相界。2.3.7相界當相界的應變能高至不能維持共格關系時，則共格關系破壞，變成非共格相界。介于共格與非共格之間的是半共格相界，界面上的兩相原子部分地保持著對應關系，其特征是在相界面上每隔一定距離就存在一個刃型位錯。非共格界面的界面能最高，半共格的次之，共格界面的界面能最低。2.3.7相界當相界的應變能高至不能維持共格關系時，則共格關系破壞，變成非圖2-26相界面結構示意圖圖2-26相界面結構示意圖182.3.1晶體表面晶體表面原子會偏離其正常平衡位置，造成表面層的晶格畸變，其能量升高，將單位面積上升高的能量稱為比表面能（表面能(J/m2)。表面能也可以用單位長度上的表面張力(N/m)表示。影響表面能的因素主要有：外部介質(zhì)的分子或原子對晶體界面原子的作用力與晶體內(nèi)部原于對界面原子的作用力相差越懸殊，則表面能越大。

當裸露的表面是密排晶面時，則表面能最小，非密排晶面的表面能則較大，因此，晶體易于使其密排晶面裸露在表面。表面的曲率越大，則表面能越大，即表面的曲率半徑越小，則表面能越高。晶體本身的結合能高，則表面能大。熔點高，則結合能大，因而表面能也往往較高。Section2.3SurfaceDefects面缺陷12.3.1晶體表面晶體表面原子會偏離其正常平衡位置，造成192.3.1晶體表面外表面是非常粗糙的，比材料內(nèi)部活性更大。納米結構材料（超細粉體與納米材料、多孔材料和凝膠類似）是表面能很高的一類材料。對于日常廣泛應用的大塊材料來說，它們的比表面(單位體積晶體的表面積)很小，因此表面對晶體性能的影響不如晶界重要。但是對于多孔物質(zhì)或粉末材料，它們的比表面很大，此時表面能就成為不可忽略的重要因素，甚至是關鍵因素。粉末的表面能數(shù)值相當可觀，成為不少過程的驅動力，例如粉末在高溫下可燒結為整體，其驅動力就來自于高的表面能。22.3.1晶體表面外表面是非常粗糙的，比材料內(nèi)部活性更大202.3.2晶界(Grainboundary)晶界就是空間取向(或位向)不同的相鄰晶粒之間的界面。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。1．小角度晶界(θ＜10°)多晶體各晶粒之間的晶界對稱傾轉型

(titleboundary)：它是由一列豎直排列的刃型位錯構成，亦稱“位錯墻”。扭轉型：它可以看成兩個簡單立方晶粒之間的扭轉晶界。扭轉型小角度晶界，是由相交的螺位錯網(wǎng)絡所構成。由于小角度晶界的界面能低于規(guī)則晶粒的晶界能，所以小角度晶界對滑移幾乎沒有什么阻礙作用。2.大角度晶界(θ＞10°)亞晶界相當于兩晶粒之間的過渡層，是僅有2-3個原子厚度的薄層，總體來說，原子排列相對無序，也比較稀疏些。32.3.2晶界(Grainboundary)晶界就是21Figure(a)Theatomsneartheboundariesofthethreegrainsdonothaveanequilibriumspacingorarrangement.(b)Grainsandgrainboundariesinastainlesssteelsample.4Figure(a)Theatomsnearth22Figure2.22Thesmallanglegrainboundaryisproducedbyanarrayofdislocations,causinganangularmismatchθbetweenlatticesoneithersideoftheboundary.圖2-22對稱傾轉型小角度晶界5Figure2.22Thesmallangle圖2-23扭轉型小角度晶界圖2-24大角度晶界結構的示意圖圖2-23扭轉型小角度晶界圖2-24大角度晶界結構的示242.3.3晶界特性晶粒長大和晶界的平直化都可減少晶界的總面積，從而降低晶界的總能量。大角度晶界的界面能遠高于小角度晶界的界面能。所以，大角度晶界的遷移速率較小角度晶界大。由于界面能的存在，當金屬中存在能降低界面能的異類原子時，這些原子就將向晶界偏聚，這種現(xiàn)象稱為內(nèi)吸附。凡是提高界面能的原子，將會在晶粒內(nèi)部偏聚，這種現(xiàn)象叫做反內(nèi)吸附。晶粒越細，金屬材料的強度和硬度越高。由于界面能的存在，使晶界的熔點低于晶粒內(nèi)，且易于腐蝕和氧化。晶界上的空位、位錯等缺陷較多，因此，原子的擴散速度較快，在發(fā)生相變時，新相晶核往往首先在晶界形成。72.3.3晶界特性晶粒長大和晶界的平直化都可減少晶界的總25FigureTheeffectofgrainsizeontheyieldstrengthofsteelatroomtemperature.8FigureTheeffectofgrains262.3.4晶界的觀察光學顯微鏡分析是一種可以觀察2000倍以下的顯微組織（包括晶界）的技術。金相學(Metallography)就是金屬樣品的制備和顯微組織的觀察分析的過程。金相樣品的制備包括使用砂紙進行粗磨和細磨，拋光成鏡面。樣品表面用化學浸蝕劑浸蝕，晶界比晶內(nèi)更易于腐蝕。根據(jù)樣品表面腐蝕的程度，反射或散射來自光學顯微鏡的光線。晶界處腐蝕得很深，光線大部分被散射，因此晶界看上去為黑色的線。在陶瓷材料樣品中，可以采用熱腐蝕或熱刻蝕（thermalgrooving）的技術來觀察晶界。這個過程主要包括拋光和低于燒結溫度的短時加熱過程。圖像分析程序不僅可以確定晶粒度，還可以得到平均晶粒尺寸、晶粒分布，孔隙率和第二相等定量數(shù)據(jù)。光學顯微鏡和掃描電鏡都可以配備圖像分析系統(tǒng)。92.3.4晶界的觀察光學顯微鏡分析是一種可以觀察200027FigureMicrostructureofpalladium(x100).10FigureMicrostructureofpa282.3.5堆垛層錯（StackingFaults）堆垛層錯（層錯），就是晶體中的原子按正常堆垛次序發(fā)生了差錯而出現(xiàn)的面缺陷。堆垛層錯破壞了晶體的正常周期，從而增加了晶體的能量。通常把產(chǎn)生單位面積層錯所需的能量稱為層錯能。它主要是在電子學方面的影響，晶體中并不產(chǎn)生點陣畸變，畸變能可以不計。因此，層錯能的能量比晶界能量要低得多。堆垛層錯對滑移有阻礙作用。金屬的層錯能越小，則層錯出現(xiàn)的幾率越大，如在奧氏體不銹鋼中，可以看到大量的層鍺，而在鋁中則根本看不到層錯。金屬AgAuCuAlNi不銹鋼層錯能20457520024013表2-4部分面心立方金屬的層錯能（10－7J/cm2）112.3.5堆垛層錯（StackingFaults）堆292.3.6孿晶界（TwinBoundaries）晶面原子完全是共格的，而且兩側的晶體以界面為對稱面成鏡面對稱，這樣一對晶體稱為孿晶（或把兩個對稱面之間的與母體成鏡面對稱的一部分晶體稱為孿晶）。這種對稱界面就是孿晶面，也是孿晶界。孿晶界對滑移有阻礙作用，增加了金屬的強度。孿晶界的運動也會導致金屬的變形。和堆垛層錯和孿晶界相比，界面能高的晶界阻礙滑移的能力最強。界面能(10－7)AlCuPtFe堆垛層錯2007595-孿晶界12045195190晶界6256451000780表2-5金屬中面缺陷的界面能122.3.6孿晶界（TwinBoundaries）晶面30Figure2-25Applicationofastresstotheperfectcrystal(a)maycauseadisplacementoftheatoms,(b)causingtheformationofatwin.Notethatthecrystalhasdeformedasaresultoftwinning