晶体的理想形状和缺陷.ppt

第六章 晶体的理想形状和缺陷,6.1单形,一、单形的概念 单形:晶体中由对称要素联系起来的一组晶面的组合 （即借助晶体中全部对称要素的作用相互重复的一组晶面）,结论： （1）单形中所有晶面性质相同（物理性质、晶面花纹、晶面大小等）(见图A),（2）晶体中，相互间不能对称重复的晶面属于不同单形(见图B）,(4) 在同一对称型中，由于晶面与对称要素之 间的位置不同可以导出不同的单形,(3) 以单形中任意一个晶面作为原始晶面，通过对称型中全部对称要素的作用，一定会导出该单形的全部晶面。,(a)立方体 (b)八面体 (c)菱形十二面体 (d)四角三八面体,二、单形符号,八面体的所有晶面的晶面符号 (111)(111) (111)(111) (111)(111) (111)(111),用简单数字符号形式表征单形中所有组成晶面及其在晶体上取向的一种结晶学符号。,单形符号的表示 按一定原则选择一代表性晶面，将该晶面的晶面指数顺序连写于大括号hkl中，表示单形符号，简称形号。,晶面选择原则 选择单形中正指数为最多的晶面，至少l 为正，在此前提下，要尽可能靠近前面，其次靠近右边，再次靠近上边，即hkl,具体原则： 中、低级：“先上、次前、后右” 高级：“先前、次右、后上”,A,菱方双锥单形,举例1：正交晶系mmm对称型,举例2：六八面体单形符号,Z,A单面,B四方柱,C四方锥,举例1： L4对称型的单形推导,三、单形的推导,L22P 的空间分布,举例2： L22P(mm2)对称型的单形推导,A,B/C,D/E,F,G,四、结晶单形与几何单形,结晶单形:32种对称型逐一推导，如果不仅考虑形态，同时考虑它的对称性，则单形共有146种，称为结晶单形。,几何单形：32种对称型逐一推导，只考虑几何形态，共有47种，称为几何单形。,下图为同为立方体几何单形的5种不同对称型。,6.2 47种几何单形,一般说来，对于一个单形的描述，要注意晶面的数目、形状、相互关系、晶面与对称要素的相对位置及单形的横切面等。,（1）整个单形的形状：如柱、锥、立方体等,单形命名的依据：,（2）横切面的形状：如四方柱、八面体等,（3）晶面的数目：如单面、八面体,（4）晶面的形状：如菱面体、五角十二面体,1低级晶族：共有七种。 A、单面：晶面为一个平面。 B、平行双面：晶面为一对相互平行的平面。 C、双面：又分反映双面及轴双面，为一对相交平面。 D、斜方柱：由四个两两平行的晶面组成，晶棱平行，横切面为菱形。 E、斜方单锥：四个全等不等边三角形组成，晶面相交于一点，底面为菱形，锥顶为L2出露点。 F、斜方四面体：由四个全等不等边三角形组成，晶面互不平行，每棱的中点为L2出露点，通过晶棱中点的横切面为菱形。 G、斜方双锥：由两个相同的斜方单锥底面对接而成。,2中级晶族：有一个高次轴的单形。晶面垂直高次轴可出现单面和平行双面。此外还有25种。 A、柱类由若干晶面围成柱体，它们的棱相互平行，且平行于高次轴，按切面形状分为6种：三方柱、复三方柱，四方柱、复四方柱，六方柱、复六方柱。（复方柱之横切面两相邻内角不等，两相间内角相等）。,B、单锥类:若干等腰三角形晶面相交高次轴于一点，底面垂直高次轴，形状与柱同，有6种单形：三方单锥、复三方锥，四方单锥、复四方单锥，六方单锥复六方单锥。,C、双锥类:两相同的单锥底面对接而成。有六种单形。三方双锥、复三方双锥，四方双锥、复四方双锥，六方双锥、复六方双锥。,D、四面体类 四方四面体由四个互不平行的等腰三角形组成，相间二晶面的底相交，棱的中点为L2或Li4的出露点，通过腰中点的横切面为正方形。 复四方偏三角面体将四面体的晶面平分为两个不等边三角形，过中心的横切面为复四边形。,E、菱面体类 菱面体，由六个两两平行的菱形晶面组成，上下错开。 复三方偏三角面体，将菱面体晶面沿高次轴方向平分成两个三角形。,F、偏方面体：晶面为偏四方形，与双锥类似，上下与高次轴各交于上一点，但错开一定角度，此类有：三方偏方面体，四方偏方面体，六方偏方面体。且分左右形。,A、四面体组：晶面为四个等边三角形或将等边三角形分割成三个或六个三角形、四边形、五边形.有四面体，三角三四面体，四角三四面体，五角三四面体，六四面体。,3.高级晶族单形，共有15个。,B、八面体组 由八个等边三角形组成，晶面分割方式与四面体组完全相同。有八面体、三角三八面体、四角三八面体、五角三八面体、六八面体。,C、立方体组 由六个正方形晶面组成，晶棱以直角相交。 有立方体及四六面体两种。,D、十二面体组 五角十二面体12个五边形组成，五边形有四边长相等，另一边长不等。 偏方复十二面体垂直平分五角十二面体的不等长边所形成的二十四面体。 菱形十二面体，由12个菱形晶面组成，两平行，相邻晶面成120度或90度相交。,1、一般形与特殊形 凡晶面垂直或平行对称要素或与相同的对称要素等角相交，则为特殊形。反之为一般形。 一个对称型中只有一个一般形，这个对称型的晶类名称即以这个一般形来命名。,6.3 单形的分类,2、左形与右形 形态完全类同，在空间的取向上正好彼此相反的两个形体，它们互为镜像，但不能借助于旋转或反伸操作使之重合，此二同形反向体构成了左右对映形其中一个为左形，另一个为右形。,3、正形和负形 取向不同的两个相同单形，如果相互之间能够借助于旋转操作彼此重合，则两者互为正、负形(positive、negative form)。,四面体,4、开形与闭形 依单形晶面是否可以自行闭合而划分。 凡单形晶面不能自形闭合者为开形，如面、柱单锥 能自行闭合者为闭形。,5、定形和变形 一种单形其晶面间的角度为恒定者，称定形（constant form）；反之，称变形（various form）。,定形与变形也可根据单形符号区别：定形的单形符号中都为数字，如111、100、110等，变形的单形符号中由字母组成，如hkl、hk0等。,属于定形的单形有单面、平行双面、三方柱、四方柱、六方柱、四面体、八面体、菱形十二面体和立方体九种；其余单形皆为变形。,6.4聚形,一、概念 两个或两个以上的单形聚合在一起形成的封闭空间外形称为聚形(combination form)。,这里的单形是指结晶单形，因为聚形的对称型是已知的，已赋予一定的对称性，组成聚形的所有单形的对称型，都应该是该聚形所具有的对称型。,单形的相聚不是任意的，必须是具有相同对称性的单形才能相聚在一起；换句话说，聚形的必要条件是组成聚形的各个单形都必须属于同一对称型。,二、聚形分析 聚形分析步骤是： A、找出全部对称要素，确定对称型。每一对称型可能出现的单形的有限的（最多七种）。 B、观察聚形上有几种同形等大的晶面，从而确定聚形是由几个单形组成的。 C、数一下每种同形等大的晶面的数目，确定每单形由几个晶面构成。 D、根据对称型及每一单形的晶面数目、晶面与对称要素的相对位置确定每一单形的名称（或查表）。,6.5 缺陷,分类方式： 几何形态：点缺陷、线缺陷、面缺陷等 形成原因：热缺陷、杂质缺陷、非化学计量缺陷等,一、按缺陷的几何形态分类,1. 点缺陷 2. 线缺陷 3. 面缺陷 4. 体缺陷,1.点缺陷（零维缺陷） 缺陷尺寸处于原子大小的数量级上，即三维方向上缺陷的尺寸都很小。 包括：空位（vacancy）、间隙质点（interstitial particle）、杂质质点（foreign particle）。 点缺陷与材料的电学性质、光学性质、材料的高温动力学过程等有关。,晶体中的点缺陷,(a)空位,(b)杂质质点,(c)间隙质点,2.线缺陷（一维缺陷）,指在一维方向上偏离理想晶体中的周期性、规则性排列所产生的缺陷，即缺陷尺寸在一维方向较长，另外二维方向上很短。如各种位错（dislocation）。 线缺陷的产生及运动与材料的韧性、脆性密切相关。,图3-2 (a) 刃位错 (b)螺位错,(a),(b),刃型位错,（1）刃型位错（edge dislocation）的产生 完整晶体滑移的理论剪切强度要远高于实际晶体滑移的对应强度，从而促进了位错理论的产生和发展。 （2） 刃型位错图示： 刃型位错线：多余半原子面与滑移面的交线。 （3）刃型位错特征： 刃型位错有一个额外的（多余）半原子面。正刃型位错用“”表示，负刃型位错用“”表示；其正负只是相对而言。判断用右手定则：食指指向位错线方向，中指指向柏氏矢量方向，拇指指向多余半原子面方向。 刃型位错是直线、折线或曲线。它与滑移方向、柏氏矢量垂直。,刃型位错立体示意图,刃型位错的分类 动画, 滑移面必须是同时包含有位错线和滑移矢量的平面。位错线与滑移矢量互相垂直,它们构成平面只有一个。 晶体中存在刃位错后,位错周围的点阵发生弹性畸变,既有正应变,也有负应变。点阵畸变相对于多余半原子面是左右对称的，其程度随距位错线距离增大而减小。就正刃型位错而言,上方受压,下方受拉。 在位错线周围的畸变区每个原子具有较大的平均能量。畸变区是一个狭长的管道。,晶体局部滑移造成的刃型位错,螺型位错,(1)螺型位错（screw dislocation）的图示,螺型位错示意图,晶体局部滑移造成的螺型位错,3.面缺陷,面缺陷又称为二维缺陷，是指在二维方向上偏离理想晶体中的周期性、规则性排列而产生的缺陷，即缺陷尺寸在二维方向上延伸，在第三维方向上很小。如晶界、表面、堆积层错、镶嵌结构等。 面缺陷的取向及分布与材料的断裂韧性有关。,面缺陷晶界,面缺陷堆积层错 面心立方晶体中的抽出型层错(a)和插入型层错(b),图3 面缺陷共格晶面 面心立方晶体中111面反映孪晶,外 表 面,表面(crystal surface) 表面能(）：晶体表面单位面积自由能的增加，定义为形成单位面积的新表面所需做的功。 表示法：= dw/ds = T/L = 被割断的结合键数/形成单位新表面能量/每个键 影响的因素： (1)与晶体表面原子排列的致密程度有关。原子密排的表面具有最小的表面能。 (2)还与晶体表面曲率有关。曲率半径小,曲率大,愈大。 (3)外部质的性质。介质不同,则不同。 (4)还与晶体性质有关。晶体本身结合能高，则大。,晶界和亚晶界,晶界(grain boundary)：两个空间位向不同的相邻晶粒之间的界面。,确定晶界位置用： (1)两晶粒的位向差 (2)晶界相对于一个点阵某一平面的夹角。 按的大小分类： 小角度晶界10：晶粒位向差大于10度的晶界。其结构为几个原子范围内的原子的混乱排列，可视为一个过渡区。,小角度晶界,小角度晶界（low angle grain boundaries ）：由一系列相隔一定距离的刃型位错所组成。 分类： (1)对称倾斜界面（tilt boundary）：晶界平面为两个相邻晶粒的对称面。是由一列平行的刃型位错所组成。 (2)不对称倾斜界面：两晶粒不以二者晶界为对称的晶界看成两组 互相垂直的刃型位错排列而成的。 (3)扭转晶界（twist boundary） ：将一块晶体沿横断面切开,并使上下部分晶体绕轴转动角,再与下部分惊天动晶体粘在一起形成。可看成是由互相交叉的螺位错所组成。,对称倾侧晶界,2. 大角度晶界,大角度晶界（high angle grain boundaries ）为原子呈不规则排列的一过渡层。大多数晶粒之间的晶界都属于大角度晶界。,大角度晶界,亚晶界：位向差小于1度的亚晶粒之间的边界。,3. 晶界能,晶界能：形成单位面时，系统的自由能变化。J/。 晶界能量与 有关：= 0(Aln) ，式中0 = Gb/4(1) 大角度晶界能量与无关，基本上为一恒定值,0.251.0J/ 在平衡状态时，三叉晶界的各面角均趋与稳定状态，此时1 = 2 = 3 = 120。,4. 晶界特征,（1）晶界处点畸变大，存在晶界能。 （2）常温下晶界的存在会对位错的运动起阻碍运动，使塑型变形抗力提高，使晶体（材料）的硬度和强度提高。 （3）晶界处原子具有较高的动能，且晶界处存在大量缺陷。原子在晶界处扩散比晶内快得多。 （4）固态相变时易在晶界处形成新核。 （5）晶界上富集杂质原子多，熔点低，加热时容易过烧。 （6）晶界腐蚀速度比晶内快。 （7）晶界具有不同与晶内的物理性质。 亚晶界属与小角度晶界，为各种亚结构的交界，大小和尺寸与热加工条件有关。,孪晶界,孪晶（ twin ）的定义：指两个晶体（或一个晶体的两部分）沿一个公共晶面构成对称的位相关系，这两个晶体就称为孪晶，这个公共的晶面即成为孪晶面 孪晶分类： 共格孪晶面（coherent twin boundary）：即孪晶面，其上的原子同时位于两侧晶体点阵的节点上，为两者共有。无畸变的完全共格界面，界面能（约为普通晶界能1/10）很低很稳定 非共格孪晶面(non-coherent twin boundary）：孪晶界相对于孪晶面旋转一角度，其上的原子只有部分为两者共有，原子错排校严重，孪晶能量相对较高，约为普通晶界的1/2 依照形成原因不同分为：变形孪晶、生长孪晶、退火孪晶,相界,相界（phase boundary)：具有不同结构的两相之间的分界面称为相界 。 按相界面上原子间匹配程度分为： 共格界面、半共格界面、非共格界面 1.共格界面（coherent phase boundary ）： 特征：界面两侧的保持一定的位向关系， 沿界面两相具有相同或近似的原子排列， 两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孪晶面（界）。,2. 半共格界面（semi-coherent phase boundary ) 特征：沿相界面每隔一定距离产生一个刃型位错，除刃型位错线