第一章第三節(jié)實(shí)際金屬的晶體結(jié)構(gòu)

第三節(jié)實(shí)際金屬的晶體結(jié)構(gòu)前面討論的晶體是所謂的理想晶體，即原子或分子在空間呈絕對(duì)規(guī)則的排列。但實(shí)際上晶體的某些區(qū)域總是存在原子或分子的不規(guī)則排列，這便是晶體結(jié)構(gòu)缺陷，以下簡(jiǎn)稱(chēng)晶體缺陷。晶體缺陷對(duì)晶體的性能和物理化學(xué)變化（如強(qiáng)度、塑性、擴(kuò)散、固態(tài)相變等）都有著重大的影響。多晶體結(jié)構(gòu)單晶體:一塊晶體材料，其內(nèi)部的晶體位向完全一致時(shí)，即整個(gè)材料是一個(gè)晶體，這塊晶體就稱(chēng)之為“單晶體”，實(shí)用材料中如半導(dǎo)體集成電路用的單晶硅、專(zhuān)門(mén)制造的晶須和其他一些供研究用的材料。

多晶體:

實(shí)際應(yīng)用的工程材料中，哪怕是一塊尺寸很小材料，絕大多數(shù)包含著許許多多的小晶體，每個(gè)小晶體的內(nèi)部，晶格位向是均勻一致的，而各個(gè)小晶體之間，彼此的位向卻不相同。稱(chēng)這種由多個(gè)小晶體組成的晶體結(jié)構(gòu)稱(chēng)之為“多晶體”。

晶粒：多晶體材料中每個(gè)小晶體的外形多為不規(guī)則的顆粒狀，通常把它們叫做“晶粒”。

晶界：晶粒與晶粒之間的分界面叫“晶粒間界”，或簡(jiǎn)稱(chēng)“晶界”。為了適應(yīng)兩晶粒間不同晶格位向的過(guò)渡，在晶界處的原子排列總是不規(guī)則的。

晶體結(jié)構(gòu)缺陷的類(lèi)型缺陷的類(lèi)型點(diǎn)缺陷線(xiàn)缺陷面缺陷其特點(diǎn)是在三維方向上的尺寸都很小，缺陷的尺寸處在一、兩個(gè)原子大小的級(jí)別，又稱(chēng)零維缺陷，例如空位，間隙原子和雜質(zhì)原子等。其特點(diǎn)是僅在一維方向上的尺寸較大，而另外二維方向上的尺寸都很小，故也稱(chēng)一維缺陷，通常是指位錯(cuò)。其特點(diǎn)是僅在二維方向上的尺寸較大，而另外一維方向上的尺寸很小，故也稱(chēng)二維缺陷，例如晶體表面、晶界和相界面等。

點(diǎn)缺陷

間隙原子、空位、置換原子面缺陷晶體表面、晶粒間界、相界面線(xiàn)缺陷

位錯(cuò)點(diǎn)缺陷1、空位形成原因：原子的熱運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致能量起伏使一些原子脫離原有位置遷移到別處在原位形成的空結(jié)點(diǎn)脫離平衡位置的原子去處：移至表面、間隙或其它空位弗蘭克爾空位：在晶格內(nèi)原子熱振動(dòng)時(shí)，一些能量足夠大的原子離開(kāi)平衡位置后，進(jìn)入晶格點(diǎn)的間隙位置，變成間隙原子，而在原來(lái)的位置上形成一個(gè)空位，這種缺陷稱(chēng)為弗蘭克爾空位，如圖(a)所示．肖脫基空位:如果正常格點(diǎn)上的原子，熱起伏過(guò)程中獲得能量離開(kāi)平衡位置，跳躍到晶體的表面，在原正常格點(diǎn)上留下空位，這種缺陷稱(chēng)為肖脫基空位，如圖(b)所示。弗蘭克爾缺陷肖脫基缺陷處于不斷的運(yùn)動(dòng)、消失和形成過(guò)程中可以遇到周?chē)瘴粨Q位遷移至晶體表面消失遇到間隙原子消失空位的移動(dòng)空位的濃度濃度隨溫度變化而改變溫度高濃度提高溫度低濃度下降平衡濃度很小2、間隙原子處于晶格間隙中的原子間隙原子可以為晶格中的原子也可能為異類(lèi)原子產(chǎn)生晶格畸變是一種熱平衡缺陷

---平衡濃度為固溶度或溶解度3、置換原子占據(jù)原來(lái)基本原子平衡位置的異類(lèi)原子產(chǎn)生晶格畸變是一種熱平衡缺陷

---平衡濃度為固溶度或溶解度線(xiàn)缺陷線(xiàn)缺陷就是各種類(lèi)型的位錯(cuò)。它是指晶體中的原子發(fā)生了有規(guī)律的錯(cuò)排現(xiàn)象。其特點(diǎn)是原子發(fā)生錯(cuò)排的范圍只在一維方向上很大，是一個(gè)直徑為3～5個(gè)原子間距，長(zhǎng)數(shù)百個(gè)原子間距以上的管狀原子畸變區(qū)。1、刃型位錯(cuò)圖1-33刃型位錯(cuò)示意圖

形成及定義（圖1-33）：晶體在大于屈服值的切應(yīng)力作用下，以ABCD面為滑移面發(fā)生滑移。EF是晶體已滑移部分和未滑移部分的交線(xiàn)，猶如砍入晶體的一把刀的刀刃，即刃位錯(cuò)（或棱位錯(cuò)）。幾何特征：位錯(cuò)線(xiàn)與原子滑移方向相垂直；滑移面上部位錯(cuò)線(xiàn)周?chē)邮軌簯?yīng)力作用，原子間距小于正常晶格間距；滑移面下部位錯(cuò)線(xiàn)周?chē)邮軓垜?yīng)力作用，原子間距大于正常晶格間距。分類(lèi)：正刃位錯(cuò)，“”；負(fù)刃位錯(cuò)，“T”。符號(hào)中水平線(xiàn)代表滑移面，垂直線(xiàn)代表半個(gè)原子面。線(xiàn)缺陷刃型位錯(cuò)的重要特征：①刃型位錯(cuò)有一額外半原子面②位錯(cuò)線(xiàn)是一個(gè)具有一定寬度的細(xì)長(zhǎng)晶格畸變管道，其中有正應(yīng)力也有切應(yīng)變，對(duì)于正刃型位錯(cuò)，滑移面之上晶格受到壓應(yīng)力，滑移面上受到拉應(yīng)力，負(fù)刃型位錯(cuò)正好相反③位錯(cuò)線(xiàn)與晶體的滑移方向相垂直。位錯(cuò)線(xiàn)運(yùn)動(dòng)的方向垂直于位錯(cuò)線(xiàn)。形成及定義（圖1-35）：晶體在外加切應(yīng)力作用下，沿ABCD面滑移，圖中EF線(xiàn)為已滑移區(qū)與未滑移區(qū)的分界處。由于位錯(cuò)線(xiàn)周?chē)囊唤M原子面形成了一個(gè)連續(xù)的螺旋形坡面，故稱(chēng)為螺型位錯(cuò)。2、螺型位錯(cuò)幾何特征：位錯(cuò)線(xiàn)與原子滑移方向相平行；位錯(cuò)線(xiàn)周?chē)拥呐渲檬锹菪隣畹?。分?lèi)：有左、右旋之分，根據(jù)螺旋面旋轉(zhuǎn)方向，符合右手法則（即以右手拇指代表螺旋面前進(jìn)方向，其他四指代表螺旋面的旋轉(zhuǎn)方向）的稱(chēng)右旋螺型位錯(cuò)。螺型位錯(cuò)的重要特征：①螺型位錯(cuò)沒(méi)有額外半原子面②位錯(cuò)線(xiàn)是一個(gè)具有一定寬度的細(xì)長(zhǎng)晶格畸變管道，其中只有切應(yīng)變，沒(méi)有正應(yīng)力③位錯(cuò)線(xiàn)與晶體的滑移方向相平行。位錯(cuò)線(xiàn)運(yùn)動(dòng)的方向垂直于位錯(cuò)線(xiàn)。

在外力作用下，兩部分之間發(fā)生相對(duì)滑移，在晶體內(nèi)部已滑移和未滑移部分的交線(xiàn)既不垂直也不平行滑移方向（伯氏矢量b），這樣的位錯(cuò)稱(chēng)為混合位錯(cuò)。如圖1-38所示。位錯(cuò)線(xiàn)上任意一點(diǎn)，經(jīng)矢量分解后，可分解為刃位錯(cuò)和螺位錯(cuò)分量。晶體中位錯(cuò)線(xiàn)的形狀可以是任意的，但位錯(cuò)線(xiàn)上各點(diǎn)的伯氏矢量相同，只是各點(diǎn)的刃型、螺型分量不同而已。3、混合位錯(cuò)圖1-38（a）混合位錯(cuò)的形成（b）混合位錯(cuò)分解為刃位錯(cuò)和螺位錯(cuò)示意圖（c）混合位錯(cuò)線(xiàn)附近原子滑移透視圖A純螺型位錯(cuò)B純?nèi)行臀诲e(cuò)4、柏氏矢量柏氏矢量的確定方法刃型位錯(cuò)的柏氏矢量與其位錯(cuò)線(xiàn)相垂直—刃位錯(cuò)的特征螺型位錯(cuò)的柏氏矢量與其位錯(cuò)線(xiàn)相平行—螺位錯(cuò)的特征4、柏氏矢量柏氏矢量的特征用柏氏矢量可以判斷位錯(cuò)類(lèi)型用柏氏矢量可以表示位錯(cuò)區(qū)域晶格畸變總量的大小用柏氏矢量可以表示晶體滑移的方向和大小一條位錯(cuò)線(xiàn)的柏氏矢量是恒定不變的對(duì)于一個(gè)位錯(cuò)來(lái)說(shuō)，同時(shí)包含位錯(cuò)線(xiàn)和柏氏矢量的晶面是潛在的滑移面。4、柏氏矢量1）位錯(cuò)線(xiàn)的連續(xù)性位錯(cuò)線(xiàn)不可能中斷于晶體內(nèi)部。在晶體內(nèi)部，位錯(cuò)線(xiàn)要么自成環(huán)狀回路，要么與其它位錯(cuò)相交于節(jié)點(diǎn)，要么穿過(guò)晶體終止于晶界或晶體表面5、位錯(cuò)密度2）位錯(cuò)密度：?jiǎn)挝惑w積內(nèi)位錯(cuò)線(xiàn)的總長(zhǎng)度

ρ=L/V

式中L為晶體長(zhǎng)度，n為位錯(cuò)線(xiàn)數(shù)目，S晶體截面積。

一般退火金屬晶體中為106~108cm-2數(shù)量級(jí)，經(jīng)劇烈冷加工的金屬晶體中，為1010~1012cm-25、位錯(cuò)密度面缺陷1、晶體表面影響表面能的因素有：（1）外部介質(zhì)的性質(zhì)（2）裸露晶面的原子密度（3）晶體表面的曲率面缺陷2、晶界（1）小角度晶界晶界的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)與相鄰晶粒的取向差有關(guān)，當(dāng)取向差θ小于10o時(shí)，稱(chēng)為小角度晶界。根據(jù)形成晶界時(shí)的操作不同，晶界分為傾斜晶界和扭轉(zhuǎn)晶界。（2）大角度晶界

─相鄰晶粒的位向差大于10°的晶界。大約2~3個(gè)原子厚的薄層，原子排列較混亂，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜：由原子排列紊亂區(qū)域與原子排列較整齊區(qū)域交替相間而成。

2、晶界晶粒內(nèi)部位向差小于1°的亞結(jié)構(gòu)，也稱(chēng)亞晶粒，亞晶之間的界面，稱(chēng)為亞晶界。通常由位錯(cuò)構(gòu)成。3、亞晶界金屬中的亞晶組織亞晶界通常由位錯(cuò)構(gòu)成。亞晶界模型

晶體結(jié)構(gòu)可以看成由許多密排晶面按一定順序堆垛而成晶面堆垛順序發(fā)生局部差錯(cuò)而產(chǎn)生的一種晶體缺陷稱(chēng)為堆垛層錯(cuò)4、堆垛層錯(cuò)相界晶界5、相界不同結(jié)構(gòu)的晶粒之間的界面

★界面結(jié)構(gòu)類(lèi)型:共格界面,半共格,非共格共格界面:界面上的原子同時(shí)位于兩相晶格的結(jié)點(diǎn)上，為兩種晶格所共有。具有完整共格關(guān)系的相界具有彈性畸變的共格相界半共格相界非共格相界能量最低能量最高

(1)晶界有界面能，晶粒越細(xì)晶界越多，能量越高，越不穩(wěn)定。為降低能量、減少晶界長(zhǎng)度，晶粒有長(zhǎng)大的趨勢(shì)。(在一定的溫度下)(2)相變時(shí)新相晶核往往優(yōu)先在界面上形成。αγ6

晶界特性(3)晶界內(nèi)吸附現(xiàn)象即雜質(zhì)原子向晶界的偏聚。(4)晶界對(duì)材料的塑性變形起阻礙作用，晶粒越細(xì)，界面積越大，材料的強(qiáng)度越高。

——晶界強(qiáng)化或細(xì)晶強(qiáng)化(5)晶界由于有界面能，且低熔點(diǎn)雜質(zhì)含量較高，故熔點(diǎn)低于晶內(nèi)；(6)表面容易被腐蝕和氧化。6

晶界特性小結(jié)晶體學(xué)缺陷的分類(lèi)空位：分類(lèi)位錯(cuò)：刃型位錯(cuò)螺型位錯(cuò)