第3章点缺陷、位错的基本类型和特征_材料科学基础

.,1,第3章晶体缺陷,3.1点缺陷3.2位错3.3表面及界面,.,2,缺陷的含义：通常把晶体点阵结构中周期性势场的畸变称为晶体的结构缺陷。理想晶体：质点严格按照空间点阵排列。实际晶体：存在着各种各样的结构的不完整性。,第三章晶体缺陷,.,3,按形成原因：热缺陷、杂质缺陷、非化学计量缺陷等按几何形态：点缺陷、线缺陷、面缺陷等,缺陷的分类方式：,第三章晶体缺陷,.,4,缺陷的形成原因,1.热缺陷定义：热缺陷亦称为本征缺陷，是指由热起伏的原因所产生的空位或间隙质点（原子或离子）。类型：弗仑克尔缺陷（Frenkeldefect）和肖特基缺陷（Schottkydefect）热缺陷浓度与温度的关系：温度升高时，热缺陷浓度增加,第三章晶体缺陷,.,5,缺陷的形成原因,2.杂质缺陷定义：亦称为组成缺陷，是由外加杂质的引入所产生的缺陷。特征：如果杂质的含量在固溶体的溶解度范围内，则杂质缺陷的浓度与温度无关。杂质缺陷对材料性能的影响,第三章晶体缺陷,.,6,缺陷的形成原因,3.非化学计量缺陷定义：组成上偏离化学中的定比定律所形成的缺陷，如Fe1xO、Zn1+xO等晶体中的缺陷。特点：其化学组成随周围气氛的性质及其分压大小而变化。是一种半导体材料。4.其它原因，如电荷缺陷，辐照缺陷等,第三章晶体缺陷,.,7,3.1点缺陷,基本概念：如果在任何方向上缺陷区的尺寸都远小于晶体或晶粒的线度，因而可以忽略不计，那么这种缺陷就叫做点缺陷。点缺陷是最简单的晶体缺陷，它是在结点上或邻近的微观区域内偏离晶体结构的正常排列的一种缺陷。,第三章晶体缺陷,.,8,3.1点缺陷,2.基本类型：空位（vacancy）：实际晶体中某些晶格结点的原子脱离原位，形成的空着的结点位置就叫做空位。间隙原子（interstitialparticle）：进入点阵间隙中的原子称为间隙原子。置换原子（foreignparticle）：那些占据原来基体原子平衡位置上的异类原子称为置换原子。,3.1点缺陷,.,9,(a)肖脱基空位离位原子进入其它空位或迁移至界面。(b)弗兰克尔空位离位原子进入晶体间隙。(c)间隙原子：位于晶体点阵间隙的原子。(d)(e)置换原子：位于晶体点阵位置的异类原子。(f)离子晶体：负离子不能到间隙;局部电中性要求。,3.1点缺陷,.,10,Frenkeldefect和Schottkydefect产生示意图,（a）弗仑克尔缺陷的形成（空位与间隙质点成对出现）,（b）单质中的肖特基缺陷的形成,3.1点缺陷,.,11,3.点缺陷的平衡浓度热力学分析表明，晶体最稳定的状态并不是完整晶体，而是含有一定浓度的点缺陷状态，即在该浓度情况下，自由能最低。这个浓度就称为该温度下晶体中点缺陷的平衡浓度。原因：空位的出现破坏了其周围的结合状态，因而造成局部能量的升高（由空位的出现而高于没有空位时的那一部分能量称为“空位形成能”）但同时空位的出现大大提高了体系的熵值,3.1点缺陷,.,12,点缺陷的平衡浓度的计算：假设温度T和压强P条件下，从N个原子组成的完整晶体中取走n个原子，即生成n个空位。并定义晶体中空位缺陷的平衡浓度为：x=n/N,3.1点缺陷,.,13,点缺陷的平衡浓度的计算,3.1点缺陷,.,14,由上式可得：1）晶体中空位在热力学上是稳定的，一定温度T对应一平衡浓度X；2）X与T呈指数关系，温度升高，空位浓度增大；3）空位形成能UV大，空位浓度小。例如：已知铜中UV=1.710-19J，A取为1，则,3.1点缺陷,.,15,4.点缺陷的产生平衡点缺陷：热振动中的能力起伏。过饱和点缺陷：外来作用，如高温淬火、辐照、冷加工等。,3.1点缺陷,.,16,5.点缺陷的运动：迁移、复合浓度降低；聚集浓度升高塌陷晶体中的原子正是由于空位和间隙原子不断地产生与复合才不停地由一处向另一处作无规则的布朗运动，这就是晶体中原子的自扩散。是固态相变、表面化学热处理、蠕变、烧结等物理化学过程的基础。,3.1点缺陷,.,17,5.点缺陷的运动：空位在晶体中的分布是一个动态平衡，其不断地与周围原子交换位置，使空位移动所必需的能量，叫空位移动能Em。自扩散激活能相当于空位形成能与移动能的总和。,3.1点缺陷,.,18,6.点缺陷与材料行为（1）结构变化：晶格畸变（如空位引起晶格收缩，间隙原子引起晶格膨胀，置换原子可引起收缩或膨胀。）；形成其他晶体缺陷（如过饱和的空位可集中形成内部的空洞，集中一片的塌陷形成位错。）（2）性能变化：物理性能：如电阻率增大，密度减小。力学性能：屈服强度提高（间隙原子和异类原子的存在会增加位错的运动阻力。）加快原子的扩散迁移,3.1点缺陷,.,19,3.2位错3.2.1位错的基本类型和特征位错的概念：位错是晶体的线性缺陷。晶体中某处一列或若干列原子有规律的错排。意义：对材料的力学行为如塑性变形、强度、断裂等起着决定性的作用，对材料的扩散、相变过程有较大影响。位错的提出：1926年，弗兰克尔发现理论晶体模型刚性切变强度与与实测临界切应力的巨大差异（24个数量级）。1934年，泰勒、波朗依、奥罗万几乎同时提出位错的概念。1939年，柏格斯提出用柏氏矢量表征位错。1947年，柯垂耳提出溶质原子与位错的交互作用。1950年，弗兰克和瑞德同时提出位错增殖机制。之后，用TEM直接观察到了晶体中的位错。,第三章晶体缺陷,.,20,3.2.1位错的基本类型和特征刃型位错：刃型位错的位错线垂直于滑移方向，模型如图所示，相当于在正常排列的晶体当中插入了半个原子面。拥有半原子面的晶体部分，原子间距减小，晶格受到压应力；在缺少半原子面的晶体部分，原子间距增大，晶体收到拉应力。,3.2位错,.,21,2.螺型位错:位错线垂直于滑移方向，模型如图3-7所示。晶体右上半部分在外力的作用下发生局部滑移，滑移面为ABCD，滑移方向如图所示。,3.2位错,.,22,混合位错：混合位错的位错线呈曲线状，与滑移方向既不垂直也不平行，而是呈任意角度。因此，混合位错可以看成是由刃型位错和螺型位错混合而成。,3.2位错,.,23,刃型位错的特点：刃型位错线可理解为晶体中已滑移区与未滑移区的边界线。它不一定是直线，也可以是折线或曲线，但它必与滑移方向相垂直，也垂直于滑移矢量。滑移面必定是同时包含有位错线和滑移矢量的平面，由于在刃型位错中，位错线与滑移矢量互相垂直，因此，由它们所构成的滑移面只有一个。晶体中存在刃型位错之后，位错周围的点阵发生弹性畸变，既有切应变，又有正应变。在位错线周围的过渡区（畸变区）每个原子具有较大的平均能量。但该区只有几个原子间距宽，畸变区是狭长的管道，所以刃型位错是线缺陷。,3.2位错,.,24,螺型位错的特点：螺型位错无额外半原子面，原子错排呈轴对称。螺型位错线与滑移矢量平行，因此一定是直线，而且位错线的移动方向与晶体滑移方向互相垂直。纯螺型位错的滑移面不是唯一的。凡是包含螺型位错线的平面都可以作为它的滑移面。但实际上，滑移通常是在那些原子密排面上进行。螺型位错线周围的点阵只有平行于位错线的切应变而无正应变，即不会引起体积膨胀和收缩，在垂直于位错线的方向看不出有缺陷。螺型位错周围的点阵畸变随离位错线距离的增加而急剧减少，故它也是包含几个原子宽度的线缺陷。,3.2位错,.,25,3.2.2伯氏矢量Burgersvector伯氏矢量的确定：a.在位错周围(避开严重畸变区)沿着点阵结点形成封闭回路；b.在理想晶体中按同样顺序作同样大小的回路；c.在理想晶体中从终点到起点的矢量即为伯氏矢量。,3.2位错,.,26,3.2.2伯氏矢量2.基本类型位错的矢量图解,3.2位错,.,27,3.伯氏矢量的特性柏氏矢量是一个反映位错周围点阵畸变总累积的物理量。该矢量的方向表示位错的性质与位错的取向，即位错运动导致晶体滑移的方向；该矢量的模|b|表示了畸变的程度，即位错强度。柏氏矢量的守恒性：柏氏矢量与回路起点及其具体途径无关。一根不分岔的位错线，不论其形状如何变化（直线、曲折线或闭合的环状），也不管位错线上各处的位错类型是否相同，其各部位的柏氏矢量都相同；而且当位错在晶体中运动或者改变方向时，其柏氏矢量不变，即一根位错线具有唯一的柏氏矢量。一个柏氏矢量为b的位错分解为柏氏矢量分别为b1，b2.bn的n个位错，则分解后各位错柏氏矢量之和等于原位错的柏氏矢量，即b=b1b2b3+,3.2位错,.,28,4.位错的性质由于位错线是已滑移区与未滑移区的边界线，因此，位错具有一个重要的性质，即一根位错线不能终止于晶体内部，而只能露头于晶体表面（包括晶界）。若它终止于晶体内部，则必与其他位错线相连接，或在晶体内部形成封闭线。形成封闭线的位错称为位错环。位错反应：b=b1b2,3.2位错,.,29,伯氏矢量的表示方法：用点阵矢量来表示，也用与伯氏矢量同向的晶向指数来表示。表示:b=auvw/n（可以用矢量加法进行运算）。求模：/b/=au2+v2+w21/2/n。,3.2位错,.,30,3.2.3位错运动位错的易动性：原子的微小移动导致晶体产生一个原子间距的位移。多个位错的运动导致晶体的宏观变形。位错的运动方式有两种最基本形式，即滑移和攀移。,3.2位错,.,31,1.位错滑移位错的滑移是在外加切应力的作用下，通过位错中心附近的原子沿柏氏矢量方向在滑移面上不断地作少量的位移（小于一个原子间距）而逐步实现的。刃型位错滑移：运动方向始终与位错线垂直而与柏氏矢量平行。刃型位错的滑移面就是由位错线与柏氏矢量所构成的平面，因此刃型位错的滑移限于单一的滑移面上。螺型位错滑移：螺型位错的移动方向与位错线垂直，也与柏氏矢量垂直。,3.2位错,.,32,3.2位错,.,33,刃型位错与螺型位错滑移比较：不同点：螺型位错可以有多个滑移面，切应力方向与位错线平行；晶体滑移方向与位错运动方向垂直。共同点：晶体两部分的相对移动量决定于柏氏矢量的大小和方向，与位错线的移动方向无关。切应力方向与柏氏矢量一致；晶体滑移与柏氏矢量一致。,3.2位错,.,34,位错环的滑移：,3.2位错,.,35,位错环的滑移：在一个滑移面上存在一位错环，如图所示。前后为刃位错，在切应力的作用下，前后部为刃位错，后部的半原子面在上方向后移动，前部的半原子面在下方，向前运动。左右为螺位错，但螺旋方向相反，左边向左，右边向右运动；其他为混合位错，均向外运动。运动结果使上部晶体向后移动了一个原子间距。可见位错的运动都将使扫过的区间两边的原子层发生柏氏矢量大小的相对滑动。,3.2位错,.,36,位错攀移：刃型位错除了可以在滑移面上滑移外，还可以在垂直于滑移面的方向上通过原子扩散进行运动，即发生攀移。通常把多余半原子面向上运动称为正攀移，向下运动称为负攀移。,3.2位错,.,37,割阶与扭折：一个运动的位错线，如果其中一部分曲折线段就在位错的滑移面上时，称为扭折；若该曲折线段垂直于位错的滑移面时，称为割阶。运动位错交割后，每根位错线上都可能产生一扭折或割阶。刃型位错的割阶部分仍为刃型位错，而扭折部分则为螺型位错；螺型位错中的扭折和割阶线段，由于均与柏氏矢量相垂直，属于刃型位错。所有的割阶都是刃型位错，而扭折可以是刃型也可是螺型的。扭折与原位错线在同一滑移面上，可随主位错线一道运动，几乎不产生阻力。割阶则与原位错线不在同一滑移面上，因此不能跟随主位错线一道滑移，成为位错运动的障碍，称为割阶硬化。,3.2位错,.,38,3.2.4位错的弹性性质1位错的应力场位错线周围的原子偏离了平衡位置，处于较高的能量状态，高出的能量称为位错的应变能（位错能）。位错应变能主要是弹性应变能。在位错线的周围存在内应力，例如刃型位错，在多余半原子面区域为压应力，而缺少半原子面的区域存在着拉应力；在螺位错周围存在的是切应力。所以位错周围存在弹性应变能。可见由于位错的存在，在其周围存在一应力场。,3.2位错,.,39,1位错的应力场螺型位错的应力场：只有切应力分量，正应力分量全为零。螺型位错所产生的切应力分量只与r有关（成反比），而与，z无关。只要r一定，z就为常数。因此，螺型位错的应力场是轴对称的，即与位错等距离的各处，其切应力值相等，并随着与位错距离的增大，应力值减小。,3.2位错,.,40,螺型位错的应力场,3.2位错,.,41,1.位错的应力场刃型位错的应力场同时存在正应力分量与切应力分量；各应力分量都是x，y的函数，而与z无关。,3.2位错,.,42,1.位错的应力场由上面所得结论可以看出：x与y的符号相反。在滑移面上方，y0，x为负（压应力）；在滑移面下方，y0，x为正（拉应力）。在y0处所以，无论是螺位错还是刃位错，作用在滑移面上的沿滑移方向的剪应力都可以写成是：,3.2位错,.,43,2.位错的应变能：应用虚功原理计算刃型位错的弹性能。如图所示。,3.2位错,.,44,位错的线张力：由位错的弹性能公式可以看出，位错的弹性能正比于它的长度，说明晶体中的位错都表现出缩短其长度的趋势。由此引入线张力的概念，即增加单位长度的位错所引起的位错弹性能的变化。,3.2位错,.,45,作用在位错的力：由于位错的运动和晶体的变形有确定的对应关系，因此我们令晶体发生塑性变形时其宏观功等于微观功，可得单位长度位错所受的力：滑移：f=b垂直于位错线，指向位错运动方向（未滑移区）攀移：f=b,3.2位错,.,46,位错间的交互作用力（两平行螺位错）：对于两个平行螺位错1和2（设柏氏矢量分别为b1和b2），我们选取如图所示的坐标系。则位错1在位错2处产生的应力为，因此位错1对位错2的作用力应该为：,3.2位错,.,47,位错间的交互作用力（两平行刃位错）：对于两个位于相距为d的平行滑移面上的同号位错1和2，设其柏氏矢量分别为b1和b2。为求位错1对位错2的作用力f12，选择如图示坐标系。,3.2位错,.,48,两平行刃位错间的交互作用力的特点（图3.14）：当|x|y|时，若x0，则fx0；若x0，则fx0，这说明当位错e2位于（a）中的，区间时，两位错相互排斥。当|x|y|时，若x0，则fx0；若x0，则fx0，这说明当位错e2位于图3.14（a）中的，区间时，两位错相互吸引。当|x|y|时，fx0，位错e2处于介稳定平衡位置，一旦偏离此位置就会受到位错e1的吸引或排斥，使它偏离得更远。当x0时，即位错e2处于y轴上时，fx0，位错e2处于稳定平衡位置，一旦偏离此位置，就会受到位错e1的吸引而退回原处，使位错垂直地排列起来。通常把这种呈垂直排列的位错组态称为位错墙，它可构成小角度晶界。,3.2位错,.,49,两平行刃位错间的交互作用力的特点（图3.14）：当y0时，若x0，则fx0；若x0，则fx0。此时fx的绝对值和x成反比，即处于同一滑移面上的同号刃型位错总是相互排斥的，位错间距离越小，排斥力越大。至于攀移力fy，由于它与y同号，当位错e2在位错e1的滑移面上边时，受到的攀移力fy是正值，即指向上；当e2在e1滑移面下边时，fy为负值，即指向下。因此，两位错沿y轴方向是互相排斥的。对于两个异号的刃型位错，它们之间的交互作用力fx，fy的方向与上述同号位错时相反，而且位错e2的稳定位置和介稳定平衡位置正好互相对换，|x|y|时，e2处于稳定平衡位置。,3.2位错,.,50,5.位错间的交互作用力（两平行螺位错）：两平行螺型位错间的作用力，其大小与两位错强度的乘积成正比，而与两位错间距成反比，其方向则沿径向r垂直于所作用的位错线，当bl与b2同向时，fr0，即两同号平行螺型位错相互排斥；而当bl与b2反向时，fr0，即两异号平行螺型位错相互吸引。,3.2位错,.,51,3.2.5位错的生成和增殖位错密度：在通常的晶体中都存在大量的位错。晶体中位错的量常用位错密度表示。为了简便起见，常把位错密度视为穿过单位面积的位错线数目。n/A,3.2位错,.,52,位错的生成晶体生长过程中产生位错：由于温度梯度、浓度梯度、机械振动等的影响，致使生长着的晶体偏转或弯曲引起相邻晶块之间有位相差，它们之间就会形成位错；由于自高温较快凝固及冷却时晶体内存在大量过饱和空位，空位的聚集能形成位错。晶体内部的某些界面（如第二相质点、孪晶、晶界等）和微裂纹的附近，由于热应力和组织应力的作用，往往出现应力集中现象，当应力高至足以使该局部区域发生滑移时，就在该区域产生位错。,3.2位错,.,53,位错的增殖：经剧烈塑性变形后的金属晶体，其位错密度可增加45个数量级。说明晶体在变形过程中位错在不断地增殖。位错的增殖机制可有多种，其中一种主要方式是弗兰克-瑞德位错源，如图所示。,3.2位错,.,54,弗兰克-瑞德位错源的实际观察,3.2位错,.,55,3.2.6实际晶体结构中的位错实际晶体结构中位错的伯氏矢量位错一般要满足以下两个条件：结构条件：柏氏矢量连接两个原子平衡位置。能量条件：体系能量越低，位错越稳定。（1）全位错：通常把柏氏矢量等于点阵矢量的位错称为全位错或单位位错。（2）不全位错：柏氏矢量小于点阵矢量的位错。（3）肖克莱不全位错：原子运动导致局部错排，错排区与完整晶格区的边界线。（4）弗兰克不全位错：在完整晶体中局部抽出或插入一层原子所形成。（只能攀移，不能滑移）,3.2位错,.,56,堆垛层错：实际晶体结构中，密排面的正常堆垛顺序有可能遭到破坏和错排，称为堆垛层错，简称层错.形成层错时几乎不产生点阵畸变，但它破坏了晶体的完整性和正常的周期性，使电子发生反常的衍射效应，故使晶体的能量有所增加，这部分增加的能量称“堆垛层错能（J/m2）”。从能量的观点来看，晶体中出现层错的几率与层错能有关，层错能越高则几率越小。如在层错能很低的奥氏体不锈钢中，常可看到大量的层错，而在层错能高的铝中，就看不到层错。,3.2位错,.,57,3.不全位错肖克莱不全位错图中右边晶体按ABCABC正常顺序堆垛，而左边晶体是按ABCBCAB顺序堆垛，即有层错存在，层错与完整晶体的边界就是肖克莱位错，系刃型不全位错。,3.2位错,.,58,3.不全位错肖克莱不全位错Shockley分位错有以下一些特点：是有层错区和无层错区的边界。可以是螺型、刃型或是混合型位错。肖克莱不全位错可以在其所在的111面上滑移，滑移的结果使层错扩大或缩小。即使是刃型Shockley分位错也不能攀移；即使是螺型Shockley分位错也不能交滑移。只能通过局部滑移形成。,3.2位错,.,59,不全位错弗兰克不全位错：插入或抽走部分111面也能形成局部层错，由此种方式形成的层错区和无层错区的边界就是Frank不全位错。Frank分位错有以下特点：位于111面上，可以是任何形状（直线、曲线和封闭环），但无论什么形状，它总是刃型的。Frank分位错不能滑移，只能攀移。,3.2位错,.,60,位错反应：几个位错合成为一个新位错或由一个位错分解为几个新位错的过程称为位错反应。几何条件：能量条件：,3.2位错,.,61,5.面心立方晶体中的位错汤普森（ThompsonN.）四面体：在FCC晶体中，这个四面体的四个顶点分别位于晶体中的四面体中对着顶点A，B，C和D的四个外表面的中心，这8个点中的每2个点连成的向量就表示了FCC晶体中所有重要位错的柏氏矢量。,3.2位错,.,62,FCC晶体中的位错,3.2位错,.,63,5.面心立方晶体中的位错扩展层错：通常把一个全位错分解为两个不全位错，中间夹着一个堆垛层错的整个位错组态称为扩展位错。,3.2位错,.,64,6.其它晶体中的位错体心立方晶体中的位错BCC晶体中全位错的柏氏矢量为，其滑移面有110，112和123三类。而3个110，3个112和6个123面交于同一个方向。Shockley分位错和扩展位错：在（112）面上的柏氏矢量为的全位错可能分解为柏氏矢量为和的两个Shockley分位错，中间夹着一条内禀层错带，形成扩展位错。,3.2位错,.,65,6.其它晶体中的位错密排六方晶体中的位错：HCP晶体中全位错的柏氏矢量一般是其滑移面多为（0001）（基面）Shockley不全位错和扩展位错：全位错往往分解为两个柏氏矢量为的Shockley分位错，中间夹着一条扩展位错。Frank不全位错：和FCC晶体相似，在HCP晶体中过饱和空位或间隙原子的择优聚集和塌陷也会形成Frank位错环，但情况要比FCC更复杂。,3.2位错,.,66,6.其它晶体中的位错离子晶体中的位错：滑移面未必是最密排面，但柏氏矢量仍为最短的点阵矢量。刃型位错的附加半原子面实际上是包括两个互补的附加半原子面。在位错露头处具有有效电荷。刃型位错在滑移面上滑移时沿着位错线，没有离子和电荷的移动，因而位错露头出的有效电荷不改变符号，且弯折处没有有效电荷。但割阶处是正离子空位，故具有负的有效电荷。,3.2位错,.,67,6.其它晶体中的位错金刚石晶体中的位错共价键因为其方向性和局域性而使得晶体的微观对称性下降，这对于位错的特性有较大的影响。易滑的位错称为滑动型位错，不易滑的位错称为拖动型位错。高分子晶体中的位错聚合物晶体结构的特点是，在分子链轴方向具有很强的共价键，而在横向则是很弱的范德瓦尔斯力，因此重要的位错都沿链轴方向。,3.2位错,.,68,3.3表面及界面,界面通常包含几个原子层厚的区域，该区域内的原子排列甚至化学成分往往不同于晶体内部，又因它是二维结构分布，故也称为晶体的面缺陷。界面的存在对晶体的力学、物理和化学等性能产生重要的影响。,第三章晶体缺陷,.,69,3.3.1外表面在晶体表面上，原子配位数与晶内不同，表面原子会偏离其正常的平衡位置，并影响到邻近的几层原子，造成表层的点阵畸变，使它们的能量比内部原子高，这几层高能量的原子层称为表面。晶体表面单位面积自由能的增加称为表面能（J/m2）。表面能也可理解为产生单位面积新表面所作的功。表面能与晶体表面原子排列致密程度有关，原子密排的表面具有最小的表面能。所以自由晶体暴露在外的表面通常是低表面能的原子密排晶面。,3.3表面及界面,.,70,3.3.2晶界和亚晶界晶界和亚晶界：属于同一固相但位向不同的晶粒之间的界面称为晶界，它是一种内界面；而每个晶粒有时又由若干个位向稍有差异的亚晶粒所组成，相邻亚晶粒间的界面称为亚晶界。晶粒的平均直径通常在0.015-0.25mm范围内，而亚晶粒的平均直径则通常为0.001mm数量级。,3.3表面及界面,.,71,3.3.2晶界和亚晶界晶界分类：根据相邻晶粒之间位向差的大小不同可将晶界分为两类：小角度晶界：相邻晶粒的位向差小于10晶界；亚晶界均属小角度晶界，一般小于2；大角度晶界：相邻晶粒的位向差大于10晶界，多晶体中90以上的晶界属于此类。小角度晶界的结构：小角度晶界可分为倾斜晶界、扭转晶界和重合晶界等。它们的结构可用相应的模型来描述。,3.3表面及界面,.,72,对称倾斜晶界：晶界的界面对于两个晶粒成对称关系。其晶界可看成是由一列平行的刃型位错所构成。不对称倾斜晶界：倾斜晶界的界面绕x轴转了一角度，此时晶界的界面对于两个晶粒是不对称的，它有两个自由度和。该晶界可看成由两组柏氏矢量相互垂直的刃位错交错排列而构成。,3.3表面及界面,.,73,扭转晶界：可看成是两部分晶体绕某一轴在一个共同的晶面上相对扭转一个q角所构成的，扭转轴垂直于这一共同的晶面。,3.3表面及界面,.,74,大角度晶界的结构：多晶体材料中各晶粒之间的晶界通常为大角度晶界。大角度晶界的结构复杂，不能用位错模型来描述。晶界可看成坏区与好区交替相间组合而成。随着位向差的增大，坏区的面积将相应增加。纯金属中大角度晶界的宽度一般不超过3个原子间距。,3.3表面及界面,.,75,晶界能：晶界能定义为形成单位面积界面时，系统的自由能变化（dF/dA。小角度晶界的能量主要来自位错能量，而位错密度又决定于晶粒间的位向差，所以，小角度晶界能也和位向差有关：晶界能可以通过界面交角的测定求出它的相对值。图3.67所示为当3个晶粒相遇时，它们两两相交于一界面，在达到平衡状态时，O点处的界面张力必须达到力学平衡，即其矢量和为零，故,3.3表面及界面,.,76,晶界的特性通过原子的扩散，晶粒的长大和晶界的平直化都能减少晶界面积，从而降低晶界的总能量，是自发过程。随温度升高和保温时间增长，均有利于这两过程进行。常温下晶界的存在会对位错的运动起阻碍作用，致使塑性变形抗力提高，宏观表现为晶界较晶内具有较高的强度和硬度。晶粒愈细，材料的强度愈高，这就是细晶强化；而高温下则相反，因高温下晶界存在一定的粘滞性，易使相邻晶粒产生相对滑动。晶界处原子具有较高的动能，且晶界处存在较多的缺陷如空穴、杂质原子和位错等，故晶界处原子的扩散速度比在晶内快得多。,3.3表面及界面,.,77,晶界的特性固态相变过程中，新相易于在晶界处优先形核。母相原始晶粒愈细，晶界愈多，则新相形核率也相应愈高。由于成分偏析和内吸附现象，晶界熔点较低，在加热过程中，因温度过高将引起晶界熔化和氧化，导致“过热