材料科学基础第2章晶体缺陷

1、1,2.3.1 晶体表面,晶体表面原子会偏离其正常平衡位置，造成表面层的晶格畸变，其能量升高，将单位面积上升高的能量称为比表面能（表面能(J/m2 )。表面能也可以用单位长度上的表面张力(N/m )表示。影响表面能的因素主要有： 外部介质的分子或原子对晶体界面原子的作用力与晶体内部原于对界面原子的作用力相差越悬殊，则表面能越大。 当裸露的表面是密排晶面时，则表面能最小，非密排晶面的表面能则较大，因此，晶体易于使其密排晶面裸露在表面。 表面的曲率越大，则表面能越大，即表面的曲率半径越小，则表面能越高。 晶体本身的结合能高，则表面能大。熔点高，则结合能大，因而表面能也往往较高。,Section 2

2、.3 Surface Defects 面缺陷,2,2.3.1 晶体表面,外表面是非常粗糙的，比材料内部活性更大。 纳米结构材料（超细粉体与纳米材料、多孔材料和凝胶类似）是表面能很高的一类材料。 对于日常广泛应用的大块材料来说，它们的比表面(单位体积晶体的表面积)很小，因此表面对晶体性能的影响不如晶界重要。但是对于多孔物质或粉末材料，它们的比表面很大，此时表面能就成为不可忽略的重要因素，甚至是关键因素。 粉末的表面能数值相当可观，成为不少过程的驱动力，例如粉末在高温下可烧结为整体，其驱动力就来自于高的表面能。,3,2.3.2 晶界(Grain boundary),晶界就是空间取向(或位向)不同的

3、相邻晶粒之间的界面。晶粒内又可分为位向差只有几分到几度的若干小晶块、这些小晶块可称为亚晶粒，相邻亚晶粒之间的界面称为亚晶界。 1小角度晶界( 10) 多晶体各晶粒之间的晶界 对称倾转型 (title boundary)：它是由一列竖直排列的刃型位错构成，亦称“位错墙”。 扭转型：它可以看成两个简单立方晶粒之间的扭转晶界。扭转型小角度晶界，是由相交的螺位错网络所构成。 由于小角度晶界的界面能低于规则晶粒的晶界能，所以小角度晶界对滑移几乎没有什么阻碍作用。 2. 大角度晶界(10) 亚晶界 相当于两晶粒之间的过渡层，是仅有2-3个原子厚度的薄层，总体来说，原子排列相对无序，也比较稀疏些。,4,Fi

4、gure (a) The atoms near the boundaries of the three grains do not have an equilibrium spacing or arrangement. (b) Grains and grain boundaries in a stainless steel sample.,5,Figure 2.22 The small angle grain boundary is produced by an array of dislocations, causing an angular mismatch between lattice

5、s on either side of the boundary.,图2-22 对称倾转型小角度晶界,图2-23 扭转型小角度晶界,图2-24 大角度晶界结构的示意图,7,2.3.3 晶界特性,晶粒长大和晶界的平直化都可减少晶界的总面积，从而降低晶界的总能量。大角度晶界的界面能远高于小角度晶界的界面能。所以，大角度晶界的迁移速率较小角度晶界大。 由于界面能的存在，当金属中存在能降低界面能的异类原子时，这些原子就将向晶界偏聚，这种现象称为内吸附。凡是提高界面能的原子，将会在晶粒内部偏聚，这种现象叫做反内吸附。 晶粒越细，金属材料的强度和硬度越高。 由于界面能的存在，使晶界的熔点低于晶粒内，且易于

6、腐蚀和氧化。 晶界上的空位、位错等缺陷较多，因此，原子的扩散速度较快，在发生相变时，新相晶核往往首先在晶界形成。,8,Figure The effect of grain size on the yield strength of steel at room temperature.,9,2.3.4 晶界的观察,光学显微镜分析是一种可以观察2000倍以下的显微组织（包括晶界）的技术。金相学(Metallography)就是金属样品的制备和显微组织的观察分析的过程。 金相样品的制备包括使用砂纸进行粗磨和细磨，抛光成镜面。样品表面用化学浸蚀剂浸蚀，晶界比晶内更易于腐蚀。根据样品表面腐蚀的程度，反射

7、或散射来自光学显微镜的光线。晶界处腐蚀得很深，光线大部分被散射，因此晶界看上去为黑色的线。 在陶瓷材料样品中，可以采用热腐蚀或热刻蚀（thermal grooving）的技术来观察晶界。这个过程主要包括抛光和低于烧结温度的短时加热过程。 图像分析程序不仅可以确定晶粒度，还可以得到平均晶粒尺寸、晶粒分布，孔隙率和第二相等定量数据。光学显微镜和扫描电镜都可以配备图像分析系统。,10,Figure Microstructure of palladium (x 100).,11,2.3.5 堆垛层错（Stacking Faults）,堆垛层错（层错），就是晶体中的原子按正常堆垛次序发生了差错而出现的面

8、缺陷。 堆垛层错破坏了晶体的正常周期，从而增加了晶体的能量。通常把产生单位面积层错所需的能量称为层错能。它主要是在电子学方面的影响，晶体中并不产生点阵畸变，畸变能可以不计。因此，层错能的能量比晶界能量要低得多。堆垛层错对滑移有阻碍作用。 金属的层错能越小，则层错出现的几率越大，如在奥氏体不锈钢中，可以看到大量的层锗，而在铝中则根本看不到层错。,表2-4部分面心立方金属的层错能（107J/cm2）,12,2.3.6 孪晶界（Twin Boundaries）,晶面原子完全是共格的，而且两侧的晶体以界面为对称面成镜面对称，这样一对晶体称为孪晶（或把两个对称面之间的与母体成镜面对称的一部分晶体称为孪晶

9、）。这种对称界面就是孪晶面，也是孪晶界。孪晶界对滑移有阻碍作用，增加了金属的强度。孪晶界的运动也会导致金属的变形。 和堆垛层错和孪晶界相比，界面能高的晶界阻碍滑移的能力最强。,表2-5 金属中面缺陷的界面能,13,Figure 2-25 Application of a stress to the perfect crystal (a) may cause a displacement of the atoms, (b) causing the formation of a twin. Note that the crystal has deformed as a result of twin

10、ning.,图2-25 对一个完整晶体施加应力（a）引起原子移动（b）产生孪晶，注意由此，晶体而产生相应的变形（c）黄铜内部的孪晶的显微形貌(250),14,Figure 2-25 (c) A micrograph of twins within a grain of brass (x250).,图2-25 对一个完整晶体施加应力（a）引起原子移动（b）产生孪晶，注意由此，晶体而产生相应的变形（c）黄铜内部的孪晶的显微形貌(250),具有不同晶体结构的两相之间的分界面称为相界。 共格界面是指界面上的原子同时位于两相晶格的结点上，为两种晶格所共有。界面上原子的排列规律既符合这个相晶粒内原于排列的规律，又符合另一个相晶粒内原子排列的规律。 完善共格关系的相界上，两相原子匹配得很好，几乎没有畸变，这种相界的能量最低，但这种相界很少。 一般两相的晶体结构或多或少地会有所差异，因此，在共格界面上，两相的原子间距存在着差异，从而必然导致弹性畸变，即相界某一侧的晶体(原子间距大的)受到压应力，而另一侧(原子间距小的)受到拉应力。界面两边原子排列相差越大，则弹性畸变越大，从而使相界的能