第1章金屬的晶體結(jié)構(gòu)

1、單晶體與多晶體點(diǎn)缺陷線缺陷面缺陷教學(xué)要求： 1、理解點(diǎn)缺陷的分類(lèi) 2、理解點(diǎn)缺陷濃度，了解其應(yīng)用 3、了解位錯(cuò)的類(lèi)型與特點(diǎn) 4、掌握柏氏矢量及表示方法 5、理解位錯(cuò)密度，了解實(shí)驗(yàn)觀察方法 6、掌握位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng) 7、了解面缺陷（晶界、相界、表面） 8、了解界面特性，理解界面對(duì)材料加工過(guò)程的影響。 教學(xué)的重點(diǎn)與難點(diǎn)： 重點(diǎn)：柏氏矢量及表示方法，位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng) 難點(diǎn)：柏氏矢量及表示方法點(diǎn)缺陷線缺陷 面缺陷：體缺陷：空位自間隙原子異類(lèi)原子晶面、堆積層錯(cuò)、晶粒和雙晶的界面、晶疇的界面晶體中出現(xiàn)空洞、氣泡、包裹物、沉積物晶體的缺陷的影響： 可使晶體的某些優(yōu)良性能降低； 但人為改變晶體缺陷的形式和數(shù)量，可獲得具有

2、許多重要性能的晶體。 還會(huì)影響與擴(kuò)散有關(guān)的相變、化學(xué)熱處理、高溫塑性變形、斷裂等。刃型位錯(cuò)螺旋位錯(cuò)混合位錯(cuò) 理想晶體中的每一個(gè)原子都按晶體結(jié)構(gòu)的要求占據(jù)它們應(yīng)有的位置，但實(shí)際晶體中的原子排列未必完全規(guī)則，在某些局部區(qū)域，原子排列甚至很不規(guī)則。這些原子排列的規(guī)律性受到嚴(yán)重偏離的區(qū)域，稱(chēng)之為晶體缺陷，按照缺陷的幾何特征，可分為： 空位：晶體內(nèi)部原子遷移到界面后，在體內(nèi)留下的原子空位：晶體內(nèi)部原子遷移到界面后，在體內(nèi)留下的原子尺度的空洞；尺度的空洞；一一. 點(diǎn)缺陷的種類(lèi)：點(diǎn)缺陷的種類(lèi)：Vacancydistortion of planesself-interstitialdistortion of

3、planes 自間隙原子：進(jìn)入自身晶格間隙位置的原子；自間隙原子：進(jìn)入自身晶格間隙位置的原子；Substitutional solid soln.(e.g., Cu in Ni)Interstitial solid soln.(e.g., C in Fe) 異類(lèi)原子：純金屬中存在的其它元素的原子異類(lèi)原子：純金屬中存在的其它元素的原子稱(chēng)異類(lèi)原子。（包括間隙原子和置換原子）稱(chēng)異類(lèi)原子。（包括間隙原子和置換原子） 晶體中的點(diǎn)缺陷 空位； 間隙原子； 置換原子肖脫基肖脫基缺陷缺陷弗倫克爾缺陷弗倫克爾缺陷弗倫克爾缺陷：原子在晶體內(nèi)移動(dòng)造成空位和自間隙原子。肖脫基缺陷：原子離開(kāi)平衡位置，遷移到界面上，造成

4、空位。點(diǎn)缺陷的運(yùn)動(dòng)點(diǎn)缺陷的運(yùn)動(dòng) 在一定溫度下，晶體中達(dá)到統(tǒng)計(jì)平衡的空位和間隙原子的在一定溫度下，晶體中達(dá)到統(tǒng)計(jì)平衡的空位和間隙原子的數(shù)目是一定的，而且晶體中的點(diǎn)缺陷并不是固定不動(dòng)的，而是數(shù)目是一定的，而且晶體中的點(diǎn)缺陷并不是固定不動(dòng)的，而是處于不斷的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中。在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，當(dāng)間隙原子與一個(gè)空處于不斷的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中。在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，當(dāng)間隙原子與一個(gè)空位相遇時(shí)，它將落人該空位，而使兩者都消失，這一過(guò)程稱(chēng)為位相遇時(shí)，它將落人該空位，而使兩者都消失，這一過(guò)程稱(chēng)為復(fù)合。復(fù)合。 晶體中的原子正是由于空位和間隙原子不斷地產(chǎn)生與復(fù)合晶體中的原子正是由于空位和間隙原子不斷地產(chǎn)生與復(fù)合才不停地由一處向另一處作無(wú)規(guī)則

5、的布朗運(yùn)動(dòng)，這就是晶體中才不停地由一處向另一處作無(wú)規(guī)則的布朗運(yùn)動(dòng)，這就是晶體中原子的自擴(kuò)散，是固態(tài)相變、表面化學(xué)熱處理、蠕變、燒結(jié)等原子的自擴(kuò)散，是固態(tài)相變、表面化學(xué)熱處理、蠕變、燒結(jié)等物理化學(xué)過(guò)程的基礎(chǔ)。物理化學(xué)過(guò)程的基礎(chǔ)。（一）平衡點(diǎn)缺陷（一）平衡點(diǎn)缺陷)/exp(KTEANncv 由熱力學(xué)分析可以證明，在一定溫度下，晶體中存在一定平衡數(shù)量的點(diǎn)缺陷，我們將此時(shí)點(diǎn)缺陷的濃度稱(chēng)為該溫度下的缺陷的平衡濃度。空位的平衡濃度c為：式中：式中：n平衡空位數(shù)，平衡空位數(shù)，N結(jié)點(diǎn)總數(shù)結(jié)點(diǎn)總數(shù) 每增加一個(gè)空位的能量變化值，每增加一個(gè)空位的能量變化值， K波爾茲曼常數(shù)，（波爾茲曼常數(shù)，（1.3810-23J/

6、K ） A與振動(dòng)有關(guān)的常數(shù)（與振動(dòng)有關(guān)的常數(shù)（110之間）之間）vE由上式可得：由上式可得： 1 1）晶體中空位在熱力學(xué)上是穩(wěn)定的，一定溫度）晶體中空位在熱力學(xué)上是穩(wěn)定的，一定溫度T T對(duì)應(yīng)一平衡濃對(duì)應(yīng)一平衡濃度度C C；2 2）C C與與T T呈指數(shù)關(guān)系，溫度升高，空位濃度大大增大；呈指數(shù)關(guān)系，溫度升高，空位濃度大大增大； 3 3）空位形成能）空位形成能E EV V大，空位濃度小大，空位濃度小)/exp(KTEANncv 例如：已知銅中例如：已知銅中EV=1.710-19J，A取為取為1，則，則 T100K300K500K700K900K 1000K n/N 10-57 10-19 10-1

7、1 10-8.1 10-6.3 10-5.7 給定溫度下，晶體中存在一平衡的空位濃度，但在某些特給定溫度下，晶體中存在一平衡的空位濃度，但在某些特殊情況下晶體也可以具有超過(guò)平衡濃度的點(diǎn)缺陷，成為過(guò)飽殊情況下晶體也可以具有超過(guò)平衡濃度的點(diǎn)缺陷，成為過(guò)飽和點(diǎn)缺陷。下述幾種條件下，產(chǎn)生過(guò)飽和空位：和點(diǎn)缺陷。下述幾種條件下，產(chǎn)生過(guò)飽和空位：1 1）淬火法：高溫時(shí)缺陷多，將晶體加熱到高溫迅速冷卻）淬火法：高溫時(shí)缺陷多，將晶體加熱到高溫迅速冷卻到低溫，使空位來(lái)不及消失，把空位保留到室溫，形成到低溫，使空位來(lái)不及消失，把空位保留到室溫，形成過(guò)飽和空位。過(guò)飽和空位。2 2）輻照法：高能粒子輻照晶體能同時(shí)產(chǎn)生數(shù)

8、量相等的空）輻照法：高能粒子輻照晶體能同時(shí)產(chǎn)生數(shù)量相等的空位和間隙原子。（原子反應(yīng)堆）位和間隙原子。（原子反應(yīng)堆）3 3）塑性變形：使金屬產(chǎn)生塑性變形，通過(guò)位錯(cuò)的相互作）塑性變形：使金屬產(chǎn)生塑性變形，通過(guò)位錯(cuò)的相互作 用產(chǎn)生過(guò)飽和點(diǎn)缺陷。用產(chǎn)生過(guò)飽和點(diǎn)缺陷。過(guò)飽和點(diǎn)缺陷特點(diǎn)過(guò)飽和點(diǎn)缺陷特點(diǎn)：非平衡，不穩(wěn)定，加熱會(huì)消失趨于：非平衡，不穩(wěn)定，加熱會(huì)消失趨于 平衡濃度。平衡濃度。（一）點(diǎn)缺陷對(duì)金屬物理性能和力學(xué)性能的影響（一）點(diǎn)缺陷對(duì)金屬物理性能和力學(xué)性能的影響1. 1. 比體積：比體積： 缺陷增多引起體積增大；（為了在晶體內(nèi)部產(chǎn)生一缺陷增多引起體積增大；（為了在晶體內(nèi)部產(chǎn)生一 個(gè)個(gè) 空位，該處原子

9、遷移到晶體表面）空位，該處原子遷移到晶體表面）2. 2. 比熱容：比熱容： 缺陷增多使熱容增大；（需要向晶體提供附加能量）缺陷增多使熱容增大；（需要向晶體提供附加能量）3. 3. 電阻率：電阻率： 缺陷增多使電阻率增大。（缺陷晶體中缺陷點(diǎn)陣的缺陷增多使電阻率增大。（缺陷晶體中缺陷點(diǎn)陣的周期性被破壞，電場(chǎng)急劇變化，對(duì)電子產(chǎn)生劇烈散射，導(dǎo)致周期性被破壞，電場(chǎng)急劇變化，對(duì)電子產(chǎn)生劇烈散射，導(dǎo)致電阻率增大）電阻率增大）4. 4. 力學(xué)性能：點(diǎn)缺陷通過(guò)與位錯(cuò)的交互作用，阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)使晶力學(xué)性能：點(diǎn)缺陷通過(guò)與位錯(cuò)的交互作用，阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)使晶體強(qiáng)化體強(qiáng)化（二）點(diǎn)缺陷在實(shí)踐中的應(yīng)用（二）點(diǎn)缺陷在實(shí)踐中的應(yīng)用1

10、.1.能加速燒結(jié)和固相反應(yīng)；能加速燒結(jié)和固相反應(yīng)；2.2.對(duì)半導(dǎo)體電學(xué)性能產(chǎn)生影響；對(duì)半導(dǎo)體電學(xué)性能產(chǎn)生影響；3.3.使晶體強(qiáng)度增加；使晶體強(qiáng)度增加；4.4.使金屬腐蝕加速或減緩。使金屬腐蝕加速或減緩。位錯(cuò)分為刃型位錯(cuò)、螺型位錯(cuò)和混合位錯(cuò)三種類(lèi)型。位錯(cuò)分為刃型位錯(cuò)、螺型位錯(cuò)和混合位錯(cuò)三種類(lèi)型。刃型位錯(cuò)有一個(gè)額外的半原子面。一般把多出的半原子面在滑刃型位錯(cuò)有一個(gè)額外的半原子面。一般把多出的半原子面在滑移面上邊的稱(chēng)為正刃型位錯(cuò)，記為移面上邊的稱(chēng)為正刃型位錯(cuò)，記為“”；而把多出的半原子；而把多出的半原子面在下邊的稱(chēng)為負(fù)刃型位錯(cuò)，記為面在下邊的稱(chēng)為負(fù)刃型位錯(cuò)，記為“”。其實(shí)這種正、負(fù)之。其實(shí)這種正、負(fù)

11、之分只具相對(duì)意義而無(wú)本質(zhì)的區(qū)別。分只具相對(duì)意義而無(wú)本質(zhì)的區(qū)別。一一. 位錯(cuò)的類(lèi)型位錯(cuò)的類(lèi)型Dislocations are visible in electron micrographs晶體中一部分原子相對(duì)于另一部分原子發(fā)生錯(cuò)動(dòng)，具有螺旋晶體中一部分原子相對(duì)于另一部分原子發(fā)生錯(cuò)動(dòng)，具有螺旋型特征，稱(chēng)螺型位錯(cuò)。型特征，稱(chēng)螺型位錯(cuò)。Screw DislocationBurgers vector bDislocationlineb(a)(b)螺型位錯(cuò)示意圖方向：大拇指代表螺旋面前進(jìn)的方向，四指代表螺方向：大拇指代表螺旋面前進(jìn)的方向，四指代表螺旋面的旋轉(zhuǎn)方向，符合右手法則的稱(chēng)為右螺旋位旋面的旋轉(zhuǎn)方向，

12、符合右手法則的稱(chēng)為右螺旋位錯(cuò)，符合左手法則的稱(chēng)為左螺旋位錯(cuò)。錯(cuò)，符合左手法則的稱(chēng)為左螺旋位錯(cuò)。Adapted from Fig. 4.5, Callister 7e.EdgeScrewMixed 柏氏矢量是描述位錯(cuò)性質(zhì)的一個(gè)重要物理量，柏氏矢量是描述位錯(cuò)性質(zhì)的一個(gè)重要物理量，19391939年年BurgersBurgers提出，故稱(chēng)該矢量為提出，故稱(chēng)該矢量為“柏格斯矢量柏格斯矢量”或或“柏氏矢量柏氏矢量”，用，用b b 表示，表示，柏氏矢量由柏氏回路確定柏氏矢量由柏氏回路確定1 1柏氏矢量的確定（方法與步驟）柏氏矢量的確定（方法與步驟） 1 1）人為假定位錯(cuò)線方向，一般是從紙背向紙面或由上向下

13、為）人為假定位錯(cuò)線方向，一般是從紙背向紙面或由上向下為位錯(cuò)線正向位錯(cuò)線正向 2 2）用右手螺旋法則來(lái)確定柏格斯回路的旋轉(zhuǎn)方向，使位錯(cuò)線）用右手螺旋法則來(lái)確定柏格斯回路的旋轉(zhuǎn)方向，使位錯(cuò)線的正向與右螺旋的正向一致的正向與右螺旋的正向一致 3 3）將含有位錯(cuò)的實(shí)際晶體和理想的完整晶體相比較）將含有位錯(cuò)的實(shí)際晶體和理想的完整晶體相比較 在實(shí)際晶體中作一柏氏回路，在完整晶體中按其相同的路線和在實(shí)際晶體中作一柏氏回路，在完整晶體中按其相同的路線和步伐作回路，自路線終點(diǎn)向起點(diǎn)的矢量，即步伐作回路，自路線終點(diǎn)向起點(diǎn)的矢量，即“柏氏矢量柏氏矢量”。如下圖為刃型位錯(cuò)的柏氏回路與柏氏矢量如下圖為刃型位錯(cuò)的柏氏回路

14、與柏氏矢量 右旋螺型位錯(cuò)左旋螺型位錯(cuò)正刃型位錯(cuò)負(fù)刃型位錯(cuò) 柏氏矢量：b= b= （可以用矢量加法進(jìn)行運(yùn)算）。（可以用矢量加法進(jìn)行運(yùn)算）。位錯(cuò)強(qiáng)度：柏氏矢量的物理意義與應(yīng)用 代表位錯(cuò)，并表示其特征（強(qiáng)度、畸變量）。圍繞一根位錯(cuò)線的柏氏回路任意擴(kuò)大或移動(dòng)，回路中包含的點(diǎn)陣畸變量的總累和不變，因而由這種畸變總量所確定的柏氏矢量也不改變， b 越大，畸變?cè)絿?yán)重。 判斷位錯(cuò)的類(lèi)型, 確定滑移面。 正刃型位錯(cuò) 負(fù)刃型位錯(cuò) 右螺型位錯(cuò) 左螺型位錯(cuò) 根據(jù)b與位錯(cuò)線的取向關(guān)系可確定位錯(cuò)線性質(zhì)： 刃型位錯(cuò)的柏氏矢量垂直于位錯(cuò)線，螺型位錯(cuò)的柏氏矢量平行于位錯(cuò)線， 刃型位錯(cuò)線可為任意曲線，螺型位錯(cuò)線只能為直線。uvw

15、na222wvunab（3）柏氏矢量具有守恒性1）一條位錯(cuò)線只有唯一的柏氏矢量，柏氏矢量與回路起點(diǎn)選擇無(wú)關(guān)，也與柏氏回路的具體路徑，大小無(wú)關(guān)2）幾根位錯(cuò)相遇于一點(diǎn)，其方向朝著節(jié)點(diǎn)的各位錯(cuò)線的柏氏矢量b之和等于離開(kāi)節(jié)點(diǎn)之和。如有幾根位錯(cuò)線的方向均指向或離開(kāi)節(jié)點(diǎn)，則這些位錯(cuò)線的柏氏矢量之和值為零 （1 1）位錯(cuò)反應(yīng)：位錯(cuò)的分解與合并。）位錯(cuò)反應(yīng)：位錯(cuò)的分解與合并。（2 2）反應(yīng)條件）反應(yīng)條件 幾何條件：幾何條件：b前前=b后后；反應(yīng)前后位錯(cuò)的柏氏矢量之和相等。；反應(yīng)前后位錯(cuò)的柏氏矢量之和相等。 能量條件：能量條件：b2前前b2后后; ; 反應(yīng)后位錯(cuò)的總能量小于反應(yīng)前位錯(cuò)的總反應(yīng)后位錯(cuò)的總能量小于反

16、應(yīng)前位錯(cuò)的總 能量。能量。 位錯(cuò)密度可用單位體積中位錯(cuò)線總長(zhǎng)度來(lái)表示，即位錯(cuò)密度可用單位體積中位錯(cuò)線總長(zhǎng)度來(lái)表示，即式中，式中，為位錯(cuò)密度（為位錯(cuò)密度（m m-2-2）；）；S S為位錯(cuò)線的總長(zhǎng)度（為位錯(cuò)線的總長(zhǎng)度（m m）；）；V V為體積（為體積（m m3 3）。也可以用單位面積的位錯(cuò)線數(shù)目來(lái)表示。）。也可以用單位面積的位錯(cuò)線數(shù)目來(lái)表示。位錯(cuò)的存在極大地影響金屬的力學(xué)性能，如圖所示。位錯(cuò)的存在極大地影響金屬的力學(xué)性能，如圖所示。 VSn/A浸蝕法浸蝕法位錯(cuò)周?chē)悬c(diǎn)陣畸變，能量高，在相應(yīng)化學(xué)浸蝕時(shí)出現(xiàn)浸蝕坑在立方晶系中，111面上蝕坑呈三角形100面上呈四方形。電鏡法電鏡法(c) 2003

17、Brooks/Cole Publishing / Thomson Learning(c) 2003 Brooks/Cole Publishing / Thomson LearningSmith W F. Foundations of Materials Science and Engineering. McGRAW.HILL.3/E位錯(cuò)的最重要性質(zhì)之一是它可以在晶體中運(yùn)動(dòng)，而晶體宏觀的塑性變形是通過(guò)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。晶體的力學(xué)性能如強(qiáng)度、塑性和斷裂等均與位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)有關(guān)。因此，了解位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)的有關(guān)規(guī)律，對(duì)于改善和控制晶體力學(xué)性能是有益的。 位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)方式有兩種最基本形式，即滑移和攀移。 滑移：位

18、錯(cuò)沿滑移面的滑動(dòng)（切應(yīng)力作用下）；滑移：位錯(cuò)沿滑移面的滑動(dòng)（切應(yīng)力作用下）；刃型位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)示意位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)示意 滑移只能在切應(yīng)力的作用下發(fā)生滑移只能在切應(yīng)力的作用下發(fā)生; ; 滑移是晶體內(nèi)部滑移是晶體內(nèi)部位錯(cuò)位錯(cuò)在切應(yīng)力下作用的結(jié)果在切應(yīng)力下作用的結(jié)果; ; 滑移方向沿柏氏矢量方向，刃型位錯(cuò)滑移方向與位錯(cuò)線運(yùn)滑移方向沿柏氏矢量方向，刃型位錯(cuò)滑移方向與位錯(cuò)線運(yùn)動(dòng)方向一致動(dòng)方向一致; ;螺型位錯(cuò)滑移方向與位錯(cuò)線運(yùn)動(dòng)方向垂直螺型位錯(cuò)滑移方向與位錯(cuò)線運(yùn)動(dòng)方向垂直; ; 滑移時(shí)晶體的一部分相對(duì)于另一部分沿滑移方向位移的距滑移時(shí)晶體的一部分相對(duì)于另一部分沿滑移方向位移的距離為原子間距的整數(shù)倍離為原子間

19、距的整數(shù)倍, ,滑移結(jié)果在晶體的表面上造成臺(tái)階。滑移結(jié)果在晶體的表面上造成臺(tái)階。 攀移：位錯(cuò)垂直滑移面的滑動(dòng)（攀移：位錯(cuò)垂直滑移面的滑動(dòng)（攀移伴隨空位擴(kuò)散，需要攀移伴隨空位擴(kuò)散，需要熱激活以產(chǎn)生大量空位，因此攀移往往在高溫下進(jìn)行熱激活以產(chǎn)生大量空位，因此攀移往往在高溫下進(jìn)行）。）。 半原子面向上運(yùn)動(dòng)，發(fā)生正攀移；半原子面向上運(yùn)動(dòng)，發(fā)生正攀移； 半原子面向下運(yùn)動(dòng)，發(fā)生負(fù)攀移；半原子面向下運(yùn)動(dòng)，發(fā)生負(fù)攀移；影響攀移因素：影響攀移因素： 溫度：位錯(cuò)攀移需要熱激活以產(chǎn)生大量空位，因此，攀移過(guò)程往往在高溫下才能進(jìn)行 正應(yīng)力：施加正應(yīng)力也有助于刃型位錯(cuò)攀移，切應(yīng)力對(duì)刃型位錯(cuò)的攀移不起作用應(yīng)用：生產(chǎn)單晶時(shí)可

20、以利用位錯(cuò)的攀移來(lái)消除位錯(cuò)，使位錯(cuò)吸附擴(kuò)散來(lái)的空位或者間隙原子，逐步交換位置而移到表面，直至消失。螺旋位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)混合位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)螺旋位錯(cuò)應(yīng)變能刃型位錯(cuò)應(yīng)變能單位長(zhǎng)度位錯(cuò)的應(yīng)變能02ln4rRGbWS02ln)1 (4rRvGbWe2GbLW =0.51.0 螺旋位錯(cuò)取下限，刃位錯(cuò)取上限。 b小,應(yīng)變能小，易形成位錯(cuò)。位錯(cuò)的能量是以單位長(zhǎng)度的能量來(lái)定義的，故位錯(cuò)的能量還與位錯(cuò)線的形狀有關(guān)。由于兩點(diǎn)間以直線為最短，所以直線位錯(cuò)的應(yīng)變能小于彎曲位錯(cuò)的，即更穩(wěn)定，因此，位錯(cuò)線有盡量變直和縮短其長(zhǎng)度的趨勢(shì)。 .位錯(cuò)的存在均會(huì)使體系的內(nèi)能升高，雖然位錯(cuò)的存在也會(huì)引起晶體中熵值的增加，但相對(duì)來(lái)說(shuō)，熵值增加有限

21、?？梢院雎圆挥?jì)。因此，位錯(cuò)的存在使晶體處于高能的不穩(wěn)定狀態(tài)，可見(jiàn)位錯(cuò)是熱力學(xué)上不穩(wěn)定的晶體缺陷。位錯(cuò)的應(yīng)變能位錯(cuò)的應(yīng)變能 位錯(cuò)周?chē)c(diǎn)陣畸變引起彈性應(yīng)力場(chǎng)導(dǎo)致晶體能量增加，這部位錯(cuò)周?chē)c(diǎn)陣畸變引起彈性應(yīng)力場(chǎng)導(dǎo)致晶體能量增加，這部分能量稱(chēng)為位錯(cuò)的應(yīng)變能，或稱(chēng)為位錯(cuò)的能量。分能量稱(chēng)為位錯(cuò)的應(yīng)變能，或稱(chēng)為位錯(cuò)的能量。位錯(cuò)線張力位錯(cuò)線張力T 位錯(cuò)有縮短的趨勢(shì)以減小應(yīng)變能。位錯(cuò)有縮短的趨勢(shì)以減小應(yīng)變能。2GbT 直線位錯(cuò)直線位錯(cuò) = 1.0= 1.0 彎曲位錯(cuò)彎曲位錯(cuò) = 0.5= 0.5 位錯(cuò)張力線作用方向沿位錯(cuò)線方向，使位錯(cuò)線盡可能縮短。位錯(cuò)張力線作用方向沿位錯(cuò)線方向，使位錯(cuò)線盡可能縮短。 位錯(cuò)與溶質(zhì)

22、原子的相互作用 間隙原子聚集于位錯(cuò)中心，使體系處于低能態(tài)。 柯氏氣團(tuán)：溶質(zhì)原子在位錯(cuò)線附近偏聚的現(xiàn)象。固溶強(qiáng)化 位錯(cuò)與空位的交互作用 導(dǎo)致位錯(cuò)攀移。 界面是晶體中的二維缺陷（面缺陷） ，固體材料的界面分為三種：1. 晶界：晶界是兩相鄰晶粒間的過(guò)渡界面。是取向不同，但晶體結(jié)構(gòu)相同的區(qū)域間的界面；2. 相界：固體中不同相之間的界面；3. 表面：固體與氣體（或液體）的界面。晶界具有較高的能量，使其具有一系列不同于晶粒內(nèi)部的特征。例如，晶界比晶粒容易被腐蝕，熔點(diǎn)較低；原子沿晶界擴(kuò)散速度快； 在常溫下晶界對(duì)金屬的塑性變形起阻礙作用。因此， 金屬材料晶粒愈細(xì)小，則晶粒愈多，其室溫強(qiáng)度愈高。實(shí)驗(yàn)表明，在實(shí)際

23、金屬的一個(gè)晶粒內(nèi)部晶格位向也并非一致，而是存在一些位向略有差異的小晶塊（位向差一般不超過(guò)2），如圖所示。這些小晶塊稱(chēng)為亞結(jié)構(gòu)。亞結(jié)構(gòu)之間的界面稱(chēng)為亞晶界。亞晶界實(shí)際上是由一系列的位錯(cuò)所組成。亞晶界上原子排列也不規(guī)則，具有較高的能量，與晶界類(lèi)似的特征，故細(xì)化亞結(jié)構(gòu)，可顯著提高金屬的強(qiáng)度。 晶界示意圖 亞晶界示意圖大角度晶界(10)小角度晶界(10)對(duì)稱(chēng)傾側(cè)晶界扭轉(zhuǎn)晶界根據(jù)晶粒間位相差的大小 晶界上非正常結(jié)點(diǎn)位置原子引發(fā)晶格畸變，使能量升高，這種額外的自由能就稱(chēng)為晶界能，一般以單位面積的能量表示。設(shè)晶粒設(shè)晶粒1，晶粒，晶粒2，晶粒，晶粒3共同相遇于共同相遇于O點(diǎn)，晶界能分別為點(diǎn)，晶界能分別為 1-

24、2，2-3 ，3-1，O點(diǎn)處的界面張應(yīng)力平衡，晶界能與晶界點(diǎn)處的界面張應(yīng)力平衡，晶界能與晶界夾角的關(guān)系為：夾角的關(guān)系為：213132321sinsinsin 213132321sinsinsin 因此若取某一晶界的能量做基準(zhǔn)，可以通過(guò)上式因此若取某一晶界的能量做基準(zhǔn)，可以通過(guò)上式計(jì)算出其他晶界的相對(duì)能量。計(jì)算出其他晶界的相對(duì)能量。三個(gè)晶粒間的晶界能通常是相三個(gè)晶粒間的晶界能通常是相等的，等的，故三個(gè)晶粒交界時(shí)，界面趨向故三個(gè)晶粒交界時(shí)，界面趨向于最穩(wěn)定的于最穩(wěn)定的120度。度。0321120 退火狀態(tài)下的三叉晶往往呈退火狀態(tài)下的三叉晶往往呈120120度。度。晶界處能量高，有自發(fā)向低能量轉(zhuǎn)化的

25、趨勢(shì)，因此晶粒趨于長(zhǎng)大，晶界趨于平直化均能使能量降低；n晶界處原子排列不規(guī)則，對(duì)塑性變形起阻礙作用，因此晶界處原子排列不規(guī)則，對(duì)塑性變形起阻礙作用，因此晶粒越細(xì)、晶界越多，抵抗塑性變形的抗力就越大，常晶粒越細(xì)、晶界越多，抵抗塑性變形的抗力就越大，常溫下強(qiáng)度、硬度越高（細(xì)晶強(qiáng)化）；溫下強(qiáng)度、硬度越高（細(xì)晶強(qiáng)化）；n晶界處原子偏離平衡位置具有較高的動(dòng)能，且晶界是雜晶界處原子偏離平衡位置具有較高的動(dòng)能，且晶界是雜質(zhì)原子、空位、位錯(cuò)等缺陷集中的地方，原子擴(kuò)散速度質(zhì)原子、空位、位錯(cuò)等缺陷集中的地方，原子擴(kuò)散速度比晶粒內(nèi)部快，晶界熔點(diǎn)低，因此熔化先從晶界開(kāi)始；比晶粒內(nèi)部快，晶界熔點(diǎn)低，因此熔化先從晶界開(kāi)始

26、；n晶界易受腐蝕晶界易受腐蝕 ，金相分析中晶界先被腐蝕呈深色；，金相分析中晶界先被腐蝕呈深色；相界：合金的組織由多個(gè)相組成，這種不同晶體結(jié)相界：合金的組織由多個(gè)相組成，這種不同晶體結(jié)構(gòu)的兩相之間的分界面叫相界或相界面。（鋼構(gòu)的兩相之間的分界面叫相界或相界面。（鋼中鐵素體和滲碳體的界面）中鐵素體和滲碳體的界面） 根據(jù)相界面上原子與兩相點(diǎn)陣匹配情況，根據(jù)相界面上原子與兩相點(diǎn)陣匹配情況，共格相界： 0.05 相界能：20200mJ/m2半共格相界：0.25 相界能：500600mJ/m2失配度：HRTEMaaa 兩相界面上原子完全匹配，具有特定位相關(guān)系。由于兩相晶體結(jié)構(gòu)或原子間距總有差別，實(shí)際的共格相界均會(huì)產(chǎn)生一定的畸變。1. 共格相界共格相界 兩相晶體結(jié)構(gòu)或或