第一章金屬的實(shí)際結(jié)構(gòu)和晶體缺陷

一、多晶體結(jié)構(gòu)第二節(jié)金屬的實(shí)際結(jié)構(gòu)和晶體缺陷1實(shí)際晶體中由于晶體的生長(zhǎng)條件、晶體中原子的熱運(yùn)動(dòng)、材料加工過程中各種因素的影響，原子的排列不可能這樣規(guī)則和完整，而是或多或少地存在偏離理想結(jié)構(gòu)的區(qū)域。通常把這種偏離平衡位置而出現(xiàn)不完整性的區(qū)域稱為晶體缺陷。但必須指出，缺陷的存在只是晶體中局部的破壞，它只是一個(gè)很小的量，從整體上看晶體還是完整的。二、晶格缺陷2根據(jù)晶體缺陷的幾何特征，晶體缺陷可分為三類：

（1）點(diǎn)缺陷：

在三維空間各方向上尺寸都很小的缺陷，相當(dāng)于原子數(shù)量級(jí)。如：空位、間隙原子、置換原子等。（2）線缺陷：在兩個(gè)方向上尺寸很小，另外一個(gè)方向上的尺寸很大的缺陷，主要指位錯(cuò)。（3）面缺陷：在一個(gè)方向上的尺寸很小，另外兩個(gè)方向上的尺寸很大的缺陷。如：晶界、相界、表面等。

3（一）點(diǎn)缺陷點(diǎn)缺陷的類型（1）空位：肖脫基空位－離位原子進(jìn)入其它空位或遷移至晶界或表面。弗蘭克爾空位－離位原子進(jìn)入晶體間隙。（2）間隙原子：位于晶體點(diǎn)陣間隙的原子（自間隙原子、異類間隙原子）。（3）置換原子：位于晶體點(diǎn)陣位置的異類原子。4點(diǎn)缺陷的形成晶體中位于晶格結(jié)點(diǎn)上的原子并非靜止不動(dòng)的，而是以其平衡位置為中心作熱運(yùn)動(dòng)。晶體中存在能量起伏，使得某一瞬間，某個(gè)原子具有足夠大的能量，克服周圍原子對(duì)它的制約，跳出其所在的位置，使晶格中形成空結(jié)點(diǎn)，稱空位。ΔGmBA’A晶格中的勢(shì)能分布

空位是一種熱平衡缺陷。溫度越高，空位濃度越大。5點(diǎn)陣畸變：點(diǎn)缺陷的存在，使得周圍原子相互之間的作用力失去平衡，為了達(dá)到新的平衡，原子需要重新調(diào)整其平衡位置，從而使點(diǎn)陣產(chǎn)生彈性畸變，即點(diǎn)陣畸變，又稱晶格畸變。點(diǎn)缺陷周圍原子偏離了其平衡位置，形成彈性應(yīng)力場(chǎng)。形成點(diǎn)缺陷后，晶體的內(nèi)能升高，增加的能量稱為點(diǎn)缺陷形成能。6點(diǎn)缺陷的形成與運(yùn)動(dòng)（1）平衡點(diǎn)缺陷：熱振動(dòng)中的能力起伏。過飽和點(diǎn)缺陷：外來作用，如高溫淬火、輻照、冷加工等。（2）點(diǎn)缺陷的運(yùn)動(dòng)（遷移、復(fù)合－濃度降低；聚集－濃度升高－塌陷）7點(diǎn)缺陷對(duì)晶體性能的影響（1）結(jié)構(gòu)變化：晶格畸變（如空位引起晶格收縮，間隙原子引起晶格膨脹，置換原子可引起收縮或膨脹）。（2）性能變化：物理性能（如電阻率增大）。（3）力學(xué)性能（屈服強(qiáng)度提高）。（4）增大擴(kuò)散系數(shù)。8（二）線缺陷

晶體中的線缺陷指各種類型的位錯(cuò)，是晶體中某處一列和若干列原子發(fā)生了有規(guī)律的錯(cuò)排現(xiàn)象，錯(cuò)排區(qū)是細(xì)長(zhǎng)的管狀畸變區(qū)域，長(zhǎng)度可達(dá)幾百至幾萬個(gè)原子間距，寬度僅幾個(gè)原子間距。位錯(cuò)主要有兩種模型：一種為刃型位錯(cuò)，一種為螺型位錯(cuò)。位錯(cuò)對(duì)材料的塑性變形、強(qiáng)度、斷裂等力學(xué)性能起著決定性的作用。同時(shí)，位錯(cuò)對(duì)擴(kuò)散、相變等過程也有較大的影響。9（1）刃型位錯(cuò)模型：1）有一多余半原子面；

2）位錯(cuò)線┻晶體滑移方向。位錯(cuò)類型10（1）刃型位錯(cuò)11（1）刃型位錯(cuò)12在位錯(cuò)線周圍一個(gè)有限區(qū)域內(nèi)，原子離開了其平衡位置，即產(chǎn)生了點(diǎn)陣畸變。點(diǎn)陣畸變區(qū)出現(xiàn)彈性應(yīng)力場(chǎng)。（1）點(diǎn)陣畸變?cè)诙嘤喟朐用鎯蓚?cè)左右對(duì)稱。（2）在含有半原子面部分，晶體受壓應(yīng)力；在不含半原子面部分，晶體受拉應(yīng)力。通常把點(diǎn)陣畸變程度大于正常原子間距1/4的區(qū)域稱為位錯(cuò)寬度，約3～5個(gè)原子間距。因此，位錯(cuò)線并不是一條幾何上的線，而是以位錯(cuò)線為中心包含幾個(gè)原子間距的一個(gè)狹長(zhǎng)管道。（1）刃型位錯(cuò)13分類：正刃型位錯(cuò)（┻）：多余半原子面在上；負(fù)刃型位錯(cuò)（┳）：多余半原子面在下。刃型位錯(cuò)的正負(fù)之分并無本質(zhì)區(qū)別，只是為了表示兩者的相對(duì)位置，便于以后討論。（1）刃型位錯(cuò)14（2）螺型位錯(cuò)screwdislocation模型：1）無多余半原子面；

2）位錯(cuò)線//晶體滑移方向。分類：左螺型位錯(cuò)；右螺型位錯(cuò)。15（2）螺型位錯(cuò)screwdislocation16（2）螺型位錯(cuò)screwdislocation(c)2003Brooks/ColePublishing/ThomsonLearning17（3）混合型位錯(cuò)模型：位錯(cuò)線既不垂直于滑移方向，也不平行于滑移方向?；旌闲臀诲e(cuò)可以分解為刃型位錯(cuò)和螺型位錯(cuò)。18位錯(cuò)的性質(zhì)：1）是已滑移區(qū)和未滑移區(qū)的邊界。2）位錯(cuò)線不能在晶體內(nèi)部中斷。在晶體內(nèi)，位借可以自成閉合的位錯(cuò)環(huán)，或者和其他位錯(cuò)相連接，或者穿過晶體終止在晶界或晶體表面。193位錯(cuò)密度（1）表示方法：ρ＝L/Vρ＝n/A式中

L――位錯(cuò)線的總長(zhǎng)度；

V――晶體體積。

A――晶體的截面面積；

n――過A面積的位錯(cuò)線數(shù)目。

位錯(cuò)密度的單位為1/m2。一般經(jīng)過充分退火的金屬中位錯(cuò)密度為1010～1012m-2；而經(jīng)劇烈冷變形的金屬中位錯(cuò)密度高達(dá)1015～1016m-2以上。203位錯(cuò)密度（2）晶體強(qiáng)度與位錯(cuò)密度的關(guān)系

（τ-ρ圖）c兩種提高工程材料強(qiáng)度的途徑：（1）盡量減小位錯(cuò)密度，制造幾乎不含位錯(cuò)的結(jié)構(gòu)完整的小晶體，比如晶須（絲狀單晶體）。例如直徑為1.6μm的鐵晶須，其抗拉強(qiáng)度高達(dá)13400MN/mm2，而工業(yè)純鐵的抗拉強(qiáng)度僅有300MN/mm2；（2）盡量增大位錯(cuò)密度，比如制造非晶態(tài)材料。

21位錯(cuò)觀察：浸蝕后電鏡下觀察(c)2003Brooks/ColePublishing/ThomsonLearning22位錯(cuò)觀察：浸蝕后電鏡下觀察23SmithWF.FoundationsofMaterialsScienceandEngineering.McGRAW.HILL.3/E位錯(cuò)觀察：浸蝕后電鏡下觀察24位錯(cuò)組態(tài)位錯(cuò)在晶體中的分布形式很多。位錯(cuò)在經(jīng)充分退火的金屬中，相互連接成網(wǎng)絡(luò)，稱之為位錯(cuò)網(wǎng)；也可以垂直排列成小角度晶界；經(jīng)塑性變形的金屬中，位錯(cuò)可以在滑移面上形成塞積群；也可能在夾雜物或沉淀物周圍形成位錯(cuò)環(huán)；也可能形成更復(fù)雜的位錯(cuò)纏結(jié)等．25

（三）面缺陷晶體的面缺陷包括晶體的外表面和晶體的內(nèi)界面（包括晶界、亞晶界、孿晶界、相界、堆垛層錯(cuò)等）。面缺陷對(duì)金屬的物理性能、化學(xué)性能和力學(xué)性能都有著重要影響。26

1晶界晶界：兩個(gè)空間位向不同的相鄰晶粒之間的界面。27

1晶界根據(jù)相鄰晶粒位向差的大小，可把晶界分為小角晶界和大角晶界兩種類型：（1）小角度晶界：晶粒位向差小于10°的晶界。其結(jié)構(gòu)為位錯(cuò)列，又分為對(duì)稱傾側(cè)晶界和扭轉(zhuǎn)晶界。（2）大角度晶界：當(dāng)兩個(gè)相鄰晶粒之間的位向差大于10°的晶界。28

（1）小角度晶界對(duì)稱傾側(cè)晶界：晶界結(jié)構(gòu)由一系列間距一定的刃型位錯(cuò)組成。轉(zhuǎn)軸平行于晶界。29（1）小角度晶界對(duì)稱傾側(cè)晶界對(duì)稱傾側(cè)晶界：晶界結(jié)構(gòu)由一系列間距一定的刃型位錯(cuò)組成。30

（1）小角度晶界扭轉(zhuǎn)晶界扭轉(zhuǎn)晶界：晶界結(jié)構(gòu)由互相交叉的螺型位錯(cuò)組成，轉(zhuǎn)軸垂直于晶界。31（1）小角度晶界對(duì)稱傾側(cè)晶界和扭轉(zhuǎn)晶界是小角度晶界的兩種簡(jiǎn)單形式。一般情況下，小角度晶界都可看成是兩部分晶體繞某一軸旋轉(zhuǎn)一角度而形成的，只不過其轉(zhuǎn)軸既不平行于晶界也不垂直于晶界。對(duì)于這樣的小角度晶界，可看作是由一系列刃位錯(cuò)、螺位錯(cuò)或混合位錯(cuò)的網(wǎng)絡(luò)所構(gòu)成。

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（2）大角度晶界其結(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)過渡區(qū)。33

（2）大角度晶界界面不是光滑的曲面，而是由不規(guī)則的臺(tái)階組成的。分界面上既包含有同時(shí)局于兩晶粒的原于D，也包含有不屬于任一晶粒的原子A；既包含有壓縮區(qū)B，也包含有擴(kuò)張區(qū)C。34

晶界是原子或離子擴(kuò)散的快速通道，也是空位消除的地方，這種特殊作用對(duì)固相反應(yīng)、燒結(jié)起重要作用，對(duì)陶瓷、耐火材料等多晶材料性能如蠕變、強(qiáng)度等力學(xué)性能影響較大。35

（3）界面能小角度晶界界面能：大角度晶界界面能基本為一恒定值。36

2亞晶界亞晶界：位向差小于1度的亞晶粒之間的邊界。為刃型位錯(cuò)結(jié)構(gòu)。37

3孿晶界孿晶：孿晶是指相鄰兩個(gè)晶?；蛞粋€(gè)晶粒內(nèi)部的相鄰兩部分的原子相對(duì)于一個(gè)公共晶面呈鏡面對(duì)稱排列，此公共晶面稱為孿晶面。孿晶界可分為兩類：共格孿晶界和非共格孿晶界。孿晶界與孿晶面一致的界面稱為共格孿晶界。孿晶界與孿晶面不一致的界面稱為非共格孿晶界。在形變過程中和退火過程中容易形成孿晶。38

4相界（1）相界：相鄰兩個(gè)相之間的界面。分類：共格、半共格和非共格相界。39

5界面特性（1）界面能會(huì)引起界面吸附。（2）界面上原子擴(kuò)散速度較快。