材料物理基礎(chǔ)3.4面缺陷

1、3.4 面缺陷面缺陷 （surface defects） 面缺陷面缺陷是將材料分成若干區(qū)域的邊界，每個區(qū)域是將材料分成若干區(qū)域的邊界，每個區(qū)域內(nèi)具有相同的晶體結(jié)構(gòu)，區(qū)域之間有不同的取向，如內(nèi)具有相同的晶體結(jié)構(gòu)，區(qū)域之間有不同的取向，如表面、晶界、界面、層錯、孿晶面等。表面、晶界、界面、層錯、孿晶面等。 3.4.1、晶界（位錯界面）、晶界（位錯界面） 3.4.1.1小角度晶界（小角度晶界（small angle grainboundary） 3.4.1.2大角度晶界（大角度晶界（large angle grainboundary） 3.4.2、堆積層錯、堆積層錯 3.4.3、反映孿晶界面、反映孿

2、晶界面 3.4.1、晶界（位錯界面）、晶界（位錯界面）3.4.1.1小角度晶界（小角度晶界（small angle grain boundary） 晶界的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)與相鄰晶粒的取向差有關(guān)，當(dāng)晶界的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)與相鄰晶粒的取向差有關(guān)，當(dāng)取向差取向差小于小于1015o時，稱為小角度晶界。時，稱為小角度晶界。 根據(jù)形成晶界時的根據(jù)形成晶界時的操作操作不同，晶界分為傾斜晶界不同，晶界分為傾斜晶界（tilt boundary）和扭轉(zhuǎn)晶界（）和扭轉(zhuǎn)晶界（twist boundary），）， 如如圖圖2-18所示。所示。圖圖2-18 傾斜晶界與扭轉(zhuǎn)晶界示意圖傾斜晶界與扭轉(zhuǎn)晶界示意圖傾斜晶界又包括對稱傾斜晶界和

3、不對稱傾斜晶界傾斜晶界又包括對稱傾斜晶界和不對稱傾斜晶界下面先以簡單立方晶體為例下面先以簡單立方晶體為例討論討論簡單立方結(jié)構(gòu)晶體的簡單立方結(jié)構(gòu)晶體的對稱傾斜晶界對稱傾斜晶界傾斜晶界為（傾斜晶界為（100）面（晶界）。）面（晶界）。投影面為（投影面為（001）面。）面。兩側(cè)晶體的位向差為兩側(cè)晶體的位向差為，相當(dāng)于相鄰晶粒，相當(dāng)于相鄰晶粒繞繞001軸反向各自旋轉(zhuǎn)軸反向各自旋轉(zhuǎn)/2而成。轉(zhuǎn)軸是而成。轉(zhuǎn)軸是001幾何特征是相鄰兩晶粒相對于晶界作旋轉(zhuǎn)，幾何特征是相鄰兩晶粒相對于晶界作旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)軸在晶界內(nèi)并與位錯線平行。轉(zhuǎn)軸在晶界內(nèi)并與位錯線平行。為了填補(bǔ)相鄰兩個晶粒取向之間的偏差，為了填補(bǔ)相鄰兩個晶粒取向

4、之間的偏差，使原子的排列盡可能接近原來的完整晶格，使原子的排列盡可能接近原來的完整晶格，每隔幾行就插入一片原子。每隔幾行就插入一片原子。 圖圖2-19 簡單立方晶體中的簡單立方晶體中的對稱傾斜晶界對稱傾斜晶界 （1）小角度晶界的結(jié)構(gòu)）小角度晶界的結(jié)構(gòu) 傾斜境界的結(jié)構(gòu)傾斜境界的結(jié)構(gòu)（a）對稱傾斜晶界）對稱傾斜晶界對稱傾斜晶界對稱傾斜晶界是最簡單的小角度晶界是最簡單的小角度晶界（symmetrical tilt boundary），），這種晶界的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是由這種晶界的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是由一系列平行等距離排列的一系列平行等距離排列的同號刃位錯同號刃位錯所構(gòu)成。所構(gòu)成。位錯間距離位錯間距離D、伯氏矢量、伯氏矢

5、量b與取向差與取向差之間滿足下列關(guān)系之間滿足下列關(guān)系 bbDDb2sin2 ;22sin由上式知，當(dāng)由上式知，當(dāng)小時，位錯間距較大，若小時，位錯間距較大，若b=0.25nm，=1o，則，則D=14nm；若；若10o，則位錯間距太近，位錯模型不再適應(yīng)。，則位錯間距太近，位錯模型不再適應(yīng)。 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是：由兩組相互垂直的刃位錯所組成。由兩組相互垂直的刃位錯所組成。形成：形成：界面是繞界面是繞001軸旋轉(zhuǎn)角度軸旋轉(zhuǎn)角度的任意面，的任意面，相鄰兩晶粒的取向差仍是很小的相鄰兩晶粒的取向差仍是很小的角，角，但界面兩側(cè)晶粒是不對稱的。但界面兩側(cè)晶粒是不對稱的。界面與左側(cè)晶粒界面與左側(cè)晶粒 軸向夾角

6、為軸向夾角為-/2，與右側(cè)晶粒的與右側(cè)晶粒的100成成+/2 001晶界平面是任意面晶界平面是任意面轉(zhuǎn)軸是轉(zhuǎn)軸是001(b) 簡單立方晶體中的不對稱傾斜晶界簡單立方晶體中的不對稱傾斜晶界沿界面AC單位距離中兩種位錯的數(shù)目分別為：式中 分別別代表垂直級水平方向的位錯的數(shù)目。兩種位錯各自的間距為：sinsin2sin2)cos()cos(1bbbACbABECcoscos2sin2)sin()sin(1hhhhhbbbACbAECBh和cos1sin1hhhbDbD簡單立方晶體扭轉(zhuǎn)晶界簡單立方晶體扭轉(zhuǎn)晶界旋轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)角角 晶面平面是（晶面平面是（001）面，轉(zhuǎn)軸是）面，轉(zhuǎn)軸是001 兩者互相垂直兩者互

7、相垂直結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：晶界是由兩組相互垂直的螺位錯構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)晶界是由兩組相互垂直的螺位錯構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò) 形成：扭轉(zhuǎn)后，為了降低原子錯排引起的形成：扭轉(zhuǎn)后，為了降低原子錯排引起的能量增加，晶面內(nèi)的原子會適當(dāng)位移以確能量增加，晶面內(nèi)的原子會適當(dāng)位移以確保盡可能多的原子恢復(fù)到平衡位置（此即保盡可能多的原子恢復(fù)到平衡位置（此即結(jié)構(gòu)弛豫），不能回到平衡位置的，最后結(jié)構(gòu)弛豫），不能回到平衡位置的，最后形成兩組相互垂直分布的螺位錯。形成兩組相互垂直分布的螺位錯。推廣：一般的小角度晶界，其旋轉(zhuǎn)軸和界面可以有任意的取向關(guān)系，因推廣：一般的小角度晶界，其旋轉(zhuǎn)軸和界面可以有任意的取向關(guān)系，因此結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是由刃位錯、螺

8、位錯或混合位錯組成的二維位錯網(wǎng)所組成。此結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是由刃位錯、螺位錯或混合位錯組成的二維位錯網(wǎng)所組成。 此為小角度晶界的位錯模型此為小角度晶界的位錯模型 bD 網(wǎng)絡(luò)間距也滿足：網(wǎng)絡(luò)間距也滿足：(2)對稱傾斜小角度晶界的應(yīng)變能對稱傾斜小角度晶界的應(yīng)變能傾斜晶界的界面能基本上由位錯的應(yīng)變能構(gòu)成。單位長度刃型位錯的能量為：單位面積對稱傾斜晶界的界面能為：cErrGb02ln)1 (4200)1 (4)1 (4)ln(1ln)1 (4GbEAGbEAEEbGbEcc，式中：0ln10EEAddEEmmm，極大值得：處有一極大值，此時曲線計(jì)算得，在由)ln1 (mmmEE3.4.1.2大角度晶界大角度晶界

9、（large angle grainboundary） 實(shí)驗(yàn)研究（如場離子顯微鏡觀察）表明，大角度晶界兩實(shí)驗(yàn)研究（如場離子顯微鏡觀察）表明，大角度晶界兩側(cè)晶粒的取向差較大，但其過渡區(qū)卻很窄（僅有幾個埃），側(cè)晶粒的取向差較大，但其過渡區(qū)卻很窄（僅有幾個埃），其中原子排列在多數(shù)情況下很不規(guī)則，少數(shù)情況下有一定的其中原子排列在多數(shù)情況下很不規(guī)則，少數(shù)情況下有一定的規(guī)律性，因此規(guī)律性，因此很難用位錯模型很難用位錯模型來描述。一般大角度晶界的界來描述。一般大角度晶界的界面能大致在面能大致在0.50.6J/m2左右，與相鄰晶粒的取向差無關(guān)。左右，與相鄰晶粒的取向差無關(guān)。但也有些但也有些特殊取向的大角度晶界

10、特殊取向的大角度晶界的界面能比其它任意取向的的界面能比其它任意取向的大角度晶界的界面能低，為了解釋這些特殊晶界的性質(zhì)，提大角度晶界的界面能低，為了解釋這些特殊晶界的性質(zhì)，提出了出了大角度晶界的重合位置點(diǎn)陣（大角度晶界的重合位置點(diǎn)陣（coincidence site lattice 即即CSL）模型，）模型，O點(diǎn)陣模型，點(diǎn)陣模型，DSC點(diǎn)陣模型點(diǎn)陣模型等。等。 （1）大角度晶界的重合位置點(diǎn)陣模型）大角度晶界的重合位置點(diǎn)陣模型定義：定義：假設(shè)兩個點(diǎn)陣假設(shè)兩個點(diǎn)陣1和和2，作相對平，作相對平移或旋轉(zhuǎn)，當(dāng)達(dá)到某一特定位置時，移或旋轉(zhuǎn)，當(dāng)達(dá)到某一特定位置時，其中有些陣點(diǎn)相互重合。這些重合位其中有些陣點(diǎn)相

11、互重合。這些重合位置的陣點(diǎn)所構(gòu)成的超點(diǎn)陣，稱為重合置的陣點(diǎn)所構(gòu)成的超點(diǎn)陣，稱為重合位置點(diǎn)陣。位置點(diǎn)陣。 簡單立方點(diǎn)陣簡單立方點(diǎn)陣相對于相對于001軸旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)=28.1度的（度的（001）面原子的排列）面原子的排列圖圖 重合位置點(diǎn)陣與大角度境界關(guān)系：重合位置點(diǎn)陣與大角度境界關(guān)系：用重合位置點(diǎn)陣模型描述大角度晶用重合位置點(diǎn)陣模型描述大角度晶界：大角度晶界總是處于重合位置界：大角度晶界總是處于重合位置點(diǎn)陣的密排面上，如果有一小角度點(diǎn)陣的密排面上，如果有一小角度差時，在晶界上會產(chǎn)生臺階或坎，差時，在晶界上會產(chǎn)生臺階或坎，以使兩者有最大的重合面積。以使兩者有最大的重合面積。重合位置密度：重合位置密度：

12、1baQP*重合位置密度的計(jì)算重合位置密度的計(jì)算（2）多晶材料的晶界強(qiáng)化機(jī)制）多晶材料的晶界強(qiáng)化機(jī)制 多晶的強(qiáng)化與結(jié)構(gòu)因素多晶的強(qiáng)化與結(jié)構(gòu)因素問題的提出：實(shí)際使用的金屬材料絕大多數(shù)是多晶材料問題的提出：實(shí)際使用的金屬材料絕大多數(shù)是多晶材料因?yàn)椋憾嗑w的屈服強(qiáng)度明顯地高于同樣組成的單晶體，因?yàn)椋憾嗑w的屈服強(qiáng)度明顯地高于同樣組成的單晶體，同一種多晶體材料中，晶粒越細(xì)，屈服強(qiáng)度越高。同一種多晶體材料中，晶粒越細(xì)，屈服強(qiáng)度越高。 原因解釋：屈服強(qiáng)度高，說明晶體中位錯滑移的啟動較困難。原因解釋：屈服強(qiáng)度高，說明晶體中位錯滑移的啟動較困難。位錯運(yùn)動的阻力增加來自兩個方面：位錯運(yùn)動的阻力增加來自兩個方面：

13、其一，晶粒位向不一致造成的阻力；其一，晶粒位向不一致造成的阻力；其二，晶界本身的阻力。與晶粒內(nèi)部相比，晶界上原子排列紊亂、其二，晶界本身的阻力。與晶粒內(nèi)部相比，晶界上原子排列紊亂、不規(guī)則，伯氏矢量大，使滑移的臨界分切應(yīng)力增加；同時雜質(zhì)原子不規(guī)則，伯氏矢量大，使滑移的臨界分切應(yīng)力增加；同時雜質(zhì)原子在晶界的偏聚或形成第二相顆粒沉積在晶界上，都會阻礙位錯運(yùn)動。在晶界的偏聚或形成第二相顆粒沉積在晶界上，都會阻礙位錯運(yùn)動。晶界強(qiáng)化（細(xì)晶強(qiáng)化）機(jī)制晶界強(qiáng)化（細(xì)晶強(qiáng)化）機(jī)制位錯塞積解釋細(xì)晶強(qiáng)化位錯塞積解釋細(xì)晶強(qiáng)化問題的提出：同一種多晶體材料中，晶粒越細(xì)，屈服強(qiáng)度越高。問題的提出：同一種多晶體材料中，晶粒越細(xì)

14、，屈服強(qiáng)度越高。 解釋：晶體強(qiáng)化機(jī)制的實(shí)質(zhì)就是阻止晶體中位錯的運(yùn)動。解釋：晶體強(qiáng)化機(jī)制的實(shí)質(zhì)就是阻止晶體中位錯的運(yùn)動。 位錯塞積位錯塞積 ： 晶粒越小，塞積的位錯越多。晶粒越小，塞積的位錯越多。Hall-petch方程：方程：在沒有擇優(yōu)取向時，開動滑移系結(jié)構(gòu)中，晶粒間的位相差在沒有擇優(yōu)取向時，開動滑移系結(jié)構(gòu)中，晶粒間的位相差可以看做可以看做定值，于是上式可簡化為：定值，于是上式可簡化為：21 dKc210 dKy210 Ky單晶：單晶：2121)(sec dK根據(jù)等功原理：根據(jù)等功原理：3.4.2、堆積層錯、堆積層錯 堆垛層錯堆垛層錯(以下簡稱層錯以下簡稱層錯),就是指正常堆垛順序中引就是指正

15、常堆垛順序中引入不正常順序堆垛的原子面而產(chǎn)生的一類面缺陷。入不正常順序堆垛的原子面而產(chǎn)生的一類面缺陷。 以面心立方結(jié)構(gòu)為例以面心立方結(jié)構(gòu)為例,當(dāng)正常層序中抽走一原子層當(dāng)正常層序中抽走一原子層, 相應(yīng)位置出現(xiàn)一個逆順序堆層相應(yīng)位置出現(xiàn)一個逆順序堆層ABCACABC稱稱抽出型抽出型(或內(nèi)稟或內(nèi)稟)層錯；如果正常層序中插入一原子層，層錯；如果正常層序中插入一原子層，如如圖圖2-20(b)所示，相應(yīng)位置出現(xiàn)兩個逆順序堆所示，相應(yīng)位置出現(xiàn)兩個逆順序堆層層ABCACBCAB稱插入型稱插入型(或外稟或外稟)層錯。層錯。圖圖2-20 面心立方晶體中的抽出型層錯面心立方晶體中的抽出型層錯(a) 和插入型層錯和插

16、入型層錯(b) 這種結(jié)構(gòu)變化，并不改變層錯處原子最近鄰的關(guān)系這種結(jié)構(gòu)變化，并不改變層錯處原子最近鄰的關(guān)系(包括配位數(shù)、包括配位數(shù)、鍵長、鍵角鍵長、鍵角)，只改變次鄰近關(guān)系，幾乎不產(chǎn)生畸變，所引起的畸變，只改變次鄰近關(guān)系，幾乎不產(chǎn)生畸變，所引起的畸變能很小。因而，層錯是一種低能量的界面。能很小。因而，層錯是一種低能量的界面。3.4.3、反映孿晶界面、反映孿晶界面 面心立方結(jié)構(gòu)的晶體中的正常堆垛方式是六方密面心立方結(jié)構(gòu)的晶體中的正常堆垛方式是六方密排面作排面作的完全順順序堆的完全順順序堆垛（或與此等價(jià)，作垛（或與此等價(jià)，作完全逆順完全逆順序堆垛）。如果從某一層起全部變?yōu)槟鏁r針堆垛，序堆垛）。如果從某一層起全部變?yōu)槟鏁r針堆垛，例如例如，則這一原子面成，則這一原子面成為一個反映面，兩側(cè)晶體以此面成鏡面對稱（見為一個反映面，兩側(cè)晶體以此面成鏡面對稱（見圖圖2-21）。這兩部分晶體成孿晶關(guān)系，由于兩者具有）