结晶与缺陷全解

1、晶体缺陷和结晶,实际晶体中原子（原子、分子、离子或原子团）的不规则性、不完整性统称为结构缺陷或晶体缺陷。 原子、分子热振动，能量涨落等作用，原子、分子离开原来的平衡位置 1. 点缺陷 特征：三个方向上的尺寸都很小，不越过几个原子间距。 溶质原子 空位 引起周围点阵畸变和张、压应力 间隙原子 2. 线缺陷 特征：二个方向上的尺寸很小，第三个方向上的尺寸却很大。 螺 型位错 刃 型位错 混合型位错,第四节 晶体缺陷,围绕晶体中的一条长线，在一定范围内原子都发生了有规律的错动。,一、 缺陷类型,3. 面缺陷 特征：一个方向上尺寸很小，其余两个方向上的尺寸则很大。 晶体的外表面,各种内界面晶界、孪晶界

2、、亚晶界、相界、层错等。 晶界处的原子需要同时适应相邻两个晶粒的位向，就必须从一种晶粒位向逐步过渡到另一种晶粒位向，成为不同晶粒之间的过渡层，因而晶界上的原子多处于无规则状态或两种晶粒位向的折衷位置上。 4. 体缺陷 特征：三个方向上的尺寸都较大。 固溶体内的偏聚区，分布弥散的第二相超显微颗粒 超显微空洞 金属晶体的规则性决定了晶体有别于非晶体的一些通性，也决定了各种材料各自所具有的基本性能，特别是非结构敏感的性能（如各向异性)。但对结构敏感的性能（如强度）来说，不规则性却可以扮演重要角色，变成决定材料实际性能的主要因素。,二、 线结构缺陷,位错晶体中某处有一列或若干列原子发生了有规律的错排现

3、象，使长度达几百至几万个原子间距、宽约几个原子间距范围内的原子离开其平衡位置，发生了有规律的错动。,刃型位错模型 晶体中的某一原子面在晶体内部中断，这个原子面中断处的边缘就形成一个刃型位错，犹如用一把锋利的钢刀将晶体部分切开，沿切口硬插入一额外半原子面一样。刃口处的原子列称之为刃型位错线。,正刃型位错的两种描述： 只将晶体的上半部分用刀劈开， 插入半个晶面，再粘合。 给晶体上下两部分施加切应力，使其上半部硬挤入半个晶面。,原子位置错动，上半部受挤压，下半部受拉伸。 刃端部位原子错动最大，距中心愈远，错动愈小。 正刃型位错 在上半部插入半个晶面 负刃型位错 在下半部插入半个晶面,螺型位错模型 只

4、将晶体的前半部分用刀劈开， 沿劈开面以刃端为界使劈开部分的左右两半沿上下方向发生一个原子间距的相对切变。刃端部位出现约几个原子宽的已切变和未切变之间的过渡区。,右螺型位错和左螺型位错： 以大姆指表示位错线， 以四指表示沿原子运动方向 右手 右螺旋 螺旋前进方向 = 大姆指指向 左手 左螺旋,氯化钾中的位错 氯化钾晶体是透明的，用杂质衬托位错。位错形成位错网,实际晶体中的位错,氟化锂表面的位错露头,钼中的位错网,三、 面结构缺陷,1. 同种晶粒之间的界面晶界 （1）倾转晶界和扭转晶界,倾转晶界 扭转晶界,（2）小角度晶界取向差小于15的晶界，由位错组成。,（3）大角度晶界取向差大于15失去实际意

5、义，有诸多模型,3. 异种晶粒之间的界面相界面 相界成分和结构不同的、或成分或结构都不同的晶粒之间的接触界面。,共格界面： 界面上原子所占据的位置相当于两个晶粒点阵的共有阵点。,半共格界面： 每隔一定距离有位错出现，以此来调节或维持共格关系。,非共格界面：随着界面两边原子间距差异的增大，共格界面产生的弹性应变能也增大，当大到一定程度后，共格界面被破坏，而变为非共格界面。,4. 其它界面（晶粒内的界面） 孪晶及孪晶界：两晶粒同成分、同结构、界面完全共格，两晶粒内部的原子都以界面为对称面呈镜面对称。该对称面称为孪晶面。 亚晶及亚晶界：晶粒内部一些取向略有差异的小块，其结构相当于小角度晶界，但主体为

6、一个晶粒，局部有差异。也称嵌镶块。,孪晶及孪晶界,亚晶及亚晶界,第五节 纯金属的结晶,实验观察表明，结晶过程是一个 从无到有、从小到大 ，即形核和长大的过程。 形核和长大过程在整个系统内是重叠交错的。,1结晶与凝固的区别 凝固：LS S可以是非晶态或晶态 结晶：一种原子排列状态（晶态或晶态）过渡为另一种原子规则排列状态（晶态）的转变过程 一次结晶：LS晶态 二次结晶：SS晶态 2结晶驱动力 F0，而不是过冷度T 结晶会出现所谓的再辉现象，再辉的强弱与环境对系统的热提取 率有关，热提取率越大，再辉越不明显。 3结晶必要条件 固态自由能低于液态，有过冷度。,过冷度理论结晶温度和实际结晶温度不一样，

7、实际结晶温度低一些，这种现象叫过冷，温度差叫过冷度 金属结晶过程的基本规律是：晶核不断的形成和长大。 结晶过程示意图 *自发晶核形成晶粒 原子自发地聚集在一起形成自发晶核，金属的冷却速度越快，自发的晶核越多 外来晶核形成晶粒 金属液中高熔点的杂质起晶核的作用 *晶轴晶核形成后会长大，但各方向速度不一样，会形成晶轴，晶轴有一次晶轴，两次晶轴等，呈树枝状长大。,一、结晶过程,返回,纯金属结晶过程示意,晶界晶粒之间的接触面，晶粒的外形是不规则的，晶粒的内部原子排列的位向也各不相同。 金属晶粒的粗细对金属力学性能影响很大，一般说，同一成分的金属晶粒越细，其强度越高，硬度也越高，塑性韧性也越好。晶核越多

8、，晶粒越细。 细化铸态金属晶粒的主要途径： 1.加快冷却速度，以增加晶核； 2.变质处理，以增加外来晶核 另外，还可用热处理，或压力加工的方法细化固态金属的晶粒。,多晶体晶粒的形貌,二、树枝晶及偏析,界面能各向异性，则晶体倾向于以低界面能的晶面露在外面，使晶体成为 一个多面体。由于多面体棱角的长大速度比较高，多面体便逐渐 成长为星形，进而生长出分枝成为自由树枝晶。,Cu-Co 合金扫描电镜照片150,宏观偏析指和工件尺寸相当的尺度范围内的成分不均匀性。 显微偏析指在二次枝晶轴间距尺度范围内的成分不均匀性。有枝晶偏析和晶界偏析等。,晶界偏析示意,Al-Cu 合金铸件中的枝晶偏析,三、铸锭的凝固,外层是随机取向的等轴细晶区，又称激细晶区；平行于热流方向排列的柱状晶向排列的柱状晶晶区；在铸锭中心的较粗大的随机取向等轴晶区。这3个晶区的相相对厚度（或有无）取决于铸锭的成分及凝固条件。,需要掌握的内容,有关晶体结构的基本概念：金属键