材料科學(xué)基礎(chǔ)第2章晶體缺陷3ppt課件

1、 112.3.1 晶體表面晶體表面原子會偏離其正常平衡位置，造成表面層的晶格畸變晶體表面原子會偏離其正常平衡位置，造成表面層的晶格畸變，其能量升高，將單位面積上升高的能量稱為比表面能表面，其能量升高，將單位面積上升高的能量稱為比表面能表面能能(J/m2 )。表面能也可以用單位長度上的表面張力。表面能也可以用單位長度上的表面張力(N/m )表示。影響表面能的因素主要有：表示。影響表面能的因素主要有：外部介質(zhì)的分子或原子對晶體界面原子的作用力與晶體內(nèi)部原外部介質(zhì)的分子或原子對晶體界面原子的作用力與晶體內(nèi)部原于對界面原子的作用力相差越懸殊，則表面能越大。于對界面原子的作用力相差越懸殊，則表面能越大。

2、 當(dāng)裸露的表面是密排晶面時，則表面能最小，非密排晶面的表當(dāng)裸露的表面是密排晶面時，則表面能最小，非密排晶面的表面能則較大，因此，晶體易于使其密排晶面裸露在表面。面能則較大，因此，晶體易于使其密排晶面裸露在表面。表面的曲率越大，則表面能越大，即表面的曲率半徑越小，則表面的曲率越大，則表面能越大，即表面的曲率半徑越小，則表面能越高。表面能越高。晶體本身的結(jié)合能高，則表面能大。熔點(diǎn)高，則結(jié)合能大，因晶體本身的結(jié)合能高，則表面能大。熔點(diǎn)高，則結(jié)合能大，因而表面能也往往較高。而表面能也往往較高。Section 2.3 Surface Defects 面缺陷 222.3.1 晶體表面o 外表面是非常粗糙的

3、，比材料內(nèi)部活性更大。o 納米結(jié)構(gòu)材料超細(xì)粉體與納米材料、多孔材料和凝膠類似是表面能很高的一類材料。o 對于日常廣泛應(yīng)用的大塊材料來說，它們的比表面(單位體積晶體的表面積)很小，因此表面對晶體性能的影響不如晶界重要。但是對于多孔物質(zhì)或粉末材料，它們的比表面很大，此時表面能就成為不可忽略的重要因素，甚至是關(guān)鍵因素。o 粉末的表面能數(shù)值相當(dāng)可觀，成為不少過程的驅(qū)動力，例如粉末在高溫下可燒結(jié)為整體，其驅(qū)動力就來自于高的表面能。 332.3.2 晶界(Grain boundary)晶界就是空間取向晶界就是空間取向(或位向或位向)不同的相鄰晶粒之間的界面。晶粒不同的相鄰晶粒之間的界面。晶粒內(nèi)又可分為位向

4、差只有幾分到幾度的若干小晶塊、這些小晶塊內(nèi)又可分為位向差只有幾分到幾度的若干小晶塊、這些小晶塊可稱為亞晶粒，相鄰亞晶粒之間的界面稱為亞晶界?？煞Q為亞晶粒，相鄰亞晶粒之間的界面稱為亞晶界。1小角度晶界小角度晶界( 10) 多晶體各晶粒之間的晶界多晶體各晶粒之間的晶界對稱傾轉(zhuǎn)型對稱傾轉(zhuǎn)型 (title boundary)：它是由一列豎直排列的刃型：它是由一列豎直排列的刃型位錯構(gòu)成，亦稱位錯構(gòu)成，亦稱“位錯墻位錯墻”。扭轉(zhuǎn)型：它可以看成兩個簡單立方晶粒之間的扭轉(zhuǎn)晶界。扭轉(zhuǎn)扭轉(zhuǎn)型：它可以看成兩個簡單立方晶粒之間的扭轉(zhuǎn)晶界。扭轉(zhuǎn)型小角度晶界，是由相交的螺位錯網(wǎng)絡(luò)所構(gòu)成。型小角度晶界，是由相交的螺位錯網(wǎng)絡(luò)

5、所構(gòu)成。由于小角度晶界的界面能低于規(guī)則晶粒的晶界能，所以小角度由于小角度晶界的界面能低于規(guī)則晶粒的晶界能，所以小角度晶界對滑移幾乎沒有什么阻礙作用。晶界對滑移幾乎沒有什么阻礙作用。2. 大角度晶界大角度晶界(10) 亞晶界亞晶界相當(dāng)于兩晶粒之間的過渡層，是僅有相當(dāng)于兩晶粒之間的過渡層，是僅有2-3個原子厚度的薄層，個原子厚度的薄層，總體來說，原子排列相對無序，也比較稀疏些。總體來說，原子排列相對無序，也比較稀疏些。 44Figure (a) The atoms near the boundaries of the three grains do not have an equilibrium

6、spacing or arrangement. (b) Grains and grain boundaries in a stainless steel sample. 55Figure 2.22 The small angle grain boundary is produced by an array of dislocations, causing an angular mismatch between lattices on either side of the boundary.圖圖2-22 對稱傾轉(zhuǎn)型小角度晶界對稱傾轉(zhuǎn)型小角度晶界 6圖2-23 扭轉(zhuǎn)型小角度晶界圖2-24 大角度晶

7、界結(jié)構(gòu)的示意圖 772.3.3 晶界特性o 晶粒長大和晶界的平直化都可減少晶界的總面積，從而降低晶界的總能量。大角度晶界的界面能遠(yuǎn)高于小角度晶界的界面能。所以，大角度晶界的遷移速率較小角度晶界大。o 由于界面能的存在，當(dāng)金屬中存在能降低界面能的異類原子時，這些原子就將向晶界偏聚，這種現(xiàn)象稱為內(nèi)吸附。凡是提高界面能的原子，將會在晶粒內(nèi)部偏聚，這種現(xiàn)象叫做反內(nèi)吸附。o 晶粒越細(xì)，金屬材料的強(qiáng)度和硬度越高。o 由于界面能的存在，使晶界的熔點(diǎn)低于晶粒內(nèi)，且易于腐蝕和氧化。o 晶界上的空位、位錯等缺陷較多，因此，原子的擴(kuò)散速度較快，在發(fā)生相變時，新相晶核往往首先在晶界形成。 88Figure The e

8、ffect of grain size on the yield strength of steel at room temperature. 992.3.4 晶界的觀察o 光學(xué)顯微鏡分析是一種可以觀察2000倍以下的顯微組織包括晶界的技術(shù)。金相學(xué)(Metallography)就是金屬樣品的制備和顯微組織的觀察分析的過程。o 金相樣品的制備包括使用砂紙進(jìn)行粗磨和細(xì)磨，拋光成鏡面。樣品表面用化學(xué)浸蝕劑浸蝕，晶界比晶內(nèi)更易于腐蝕。根據(jù)樣品表面腐蝕的程度，反射或散射來自光學(xué)顯微鏡的光線。晶界處腐蝕得很深，光線大部分被散射，因此晶界看上去為黑色的線。o 在陶瓷材料樣品中，可以采用熱腐蝕或熱刻蝕ther

9、mal grooving的技術(shù)來觀察晶界。這個過程主要包括拋光和低于燒結(jié)溫度的短時加熱過程。o 圖像分析程序不僅可以確定晶粒度，還可以得到平均晶粒尺寸、晶粒分布，孔隙率和第二相等定量數(shù)據(jù)。光學(xué)顯微鏡和掃描電鏡都可以配備圖像分析系統(tǒng)。 1010Figure Microstructure of palladium (x 100). 11112.3.5 堆垛層錯Stacking Faults）o 堆垛層錯層錯），就是晶體中的原子按正常堆垛次序堆垛層錯層錯），就是晶體中的原子按正常堆垛次序發(fā)生了差錯而出現(xiàn)的面缺陷。發(fā)生了差錯而出現(xiàn)的面缺陷。o 堆垛層錯破壞了晶體的正常周期，從而增加了晶體的能堆垛層錯破

10、壞了晶體的正常周期，從而增加了晶體的能量。通常把產(chǎn)生單位面積層錯所需的能量稱為層錯能。量。通常把產(chǎn)生單位面積層錯所需的能量稱為層錯能。它主要是在電子學(xué)方面的影響，晶體中并不產(chǎn)生點(diǎn)陣畸它主要是在電子學(xué)方面的影響，晶體中并不產(chǎn)生點(diǎn)陣畸變，畸變能可以不計。因此，層錯能的能量比晶界能量變，畸變能可以不計。因此，層錯能的能量比晶界能量要低得多。堆垛層錯對滑移有阻礙作用。要低得多。堆垛層錯對滑移有阻礙作用。o 金屬的層錯能越小，則層錯出現(xiàn)的幾率越大，如在奧氏金屬的層錯能越小，則層錯出現(xiàn)的幾率越大，如在奧氏體不銹鋼中，可以看到大量的層鍺，而在鋁中則根本看體不銹鋼中，可以看到大量的層鍺，而在鋁中則根本看不到層

11、錯。不到層錯。金屬金屬AgAgAuAuCuCuAlAlNiNi不銹鋼不銹鋼層錯能層錯能2020454575752002002402401313表表2-42-4部分面心立方金屬的層錯能部分面心立方金屬的層錯能10107J/cm27J/cm2） 12122.3.6 孿晶界Twin Boundaries）o 晶面原子完全是共格的，而且兩側(cè)的晶體以界面為對稱面成鏡面對稱，這樣一對晶體稱為孿晶或把兩個對稱面之間的與母體成鏡面對稱的一部分晶體稱為孿晶）。這種對稱界面就是孿晶面，也是孿晶界。孿晶界對滑移有阻礙作用，增加了金屬的強(qiáng)度。孿晶界的運(yùn)動也會導(dǎo)致金屬的變形。o 和堆垛層錯和孿晶界相比，界面能高的晶界阻

12、礙滑移的能力最強(qiáng)。 界面能界面能(10(107 7 ) )AlAlCuCuPtPtFeFe堆垛層錯堆垛層錯20020075759595- -孿晶界孿晶界1201204545195195190190晶界晶界62562564564510001000780780表表2-5 2-5 金屬中面缺陷的界面能金屬中面缺陷的界面能 1313Figure 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

13、. Note that the crystal has deformed as a result of twinning.圖圖2-25 2-25 對一個完整晶體施加應(yīng)力對一個完整晶體施加應(yīng)力a a引起原子移動引起原子移動b b產(chǎn)生孿晶，注產(chǎn)生孿晶，注意由此，晶體而產(chǎn)生相應(yīng)的變形意由此，晶體而產(chǎn)生相應(yīng)的變形c c黃銅內(nèi)部的孿晶的顯微形貌黃銅內(nèi)部的孿晶的顯微形貌( (250)250) 1414Figure 2-25 (c) A micrograph of twins within a grain of brass (x250).圖圖2-25 對一個完整晶體施加應(yīng)力對一個完整晶體施加應(yīng)力a引起原子移

14、動引起原子移動b產(chǎn)生孿晶，注意由產(chǎn)生孿晶，注意由此，晶體而產(chǎn)生相應(yīng)的變形此，晶體而產(chǎn)生相應(yīng)的變形c黃銅內(nèi)部的孿晶的顯微形貌黃銅內(nèi)部的孿晶的顯微形貌(250) 15o 具有不同晶體結(jié)構(gòu)的兩相之間的分界面稱為相界。o 共格界面是指界面上的原子同時位于兩相晶格的結(jié)點(diǎn)上，為兩種晶格所共有。界面上原子的排列規(guī)律既符合這個相晶粒內(nèi)原于排列的規(guī)律，又符合另一個相晶粒內(nèi)原子排列的規(guī)律。o 完善共格關(guān)系的相界上，兩相原子匹配得很好，幾乎沒有畸變，這種相界的能量最低，但這種相界很少。o 一般兩相的晶體結(jié)構(gòu)或多或少地會有所差異，因此，在共格界面上，兩相的原子間距存在著差異，從而必然導(dǎo)致彈性畸變，即相界某一側(cè)的晶體(原子間距大的)受到壓應(yīng)