第一章第三節(jié)實際金屬的晶體結(jié)構(gòu)

1、 前面討論的晶體是所謂的理想晶體，即原子或分子在空間呈絕對規(guī)則的排列。但實際上晶體的某些區(qū)域總是存在原子或分子的不規(guī)則排列，這便是晶體結(jié)構(gòu)缺陷，以下簡稱晶體缺陷。 晶體缺陷對晶體的性能和物理化學(xué)變化（如強(qiáng)度、塑性、擴(kuò)散、固態(tài)相變等）都有著重大的影響。多晶體結(jié)構(gòu)多晶體結(jié)構(gòu)單晶體單晶體: : 一塊晶體材料，其內(nèi)部一塊晶體材料，其內(nèi)部的晶體位向完全一致時，即的晶體位向完全一致時，即整個材料是一個晶體，這塊整個材料是一個晶體，這塊晶體就稱之為晶體就稱之為“單晶體單晶體”，實用材料中如半導(dǎo)體集成電實用材料中如半導(dǎo)體集成電路用的單晶硅、專門制造的路用的單晶硅、專門制造的晶須和其他一些供研究用的晶須和其他一

2、些供研究用的材料。材料。 多晶體多晶體: : 實際應(yīng)用的工程材料實際應(yīng)用的工程材料中，哪怕是一塊尺寸很小中，哪怕是一塊尺寸很小材料，絕大多數(shù)包含著許材料，絕大多數(shù)包含著許許多多的小晶體，每個小許多多的小晶體，每個小晶體的內(nèi)部，晶格位向是晶體的內(nèi)部，晶格位向是均勻一致的，而各個小晶均勻一致的，而各個小晶體之間，彼此的位向卻不體之間，彼此的位向卻不相同。稱這種由多個小晶相同。稱這種由多個小晶體組成的晶體結(jié)構(gòu)稱之為體組成的晶體結(jié)構(gòu)稱之為“多晶體多晶體”。 晶粒：晶粒：多晶體材料中每個多晶體材料中每個小晶體的外形多為不規(guī)則小晶體的外形多為不規(guī)則的顆粒狀，通常把它們叫的顆粒狀，通常把它們叫做做“晶粒晶粒

3、”。 晶界：晶界：晶粒與晶粒之間的晶粒與晶粒之間的分界面叫分界面叫“晶粒間界晶粒間界”，或簡稱或簡稱“晶界晶界”。為了適。為了適應(yīng)兩晶粒間不同晶格位向應(yīng)兩晶粒間不同晶格位向的過渡，在晶界處的原子的過渡，在晶界處的原子排列總是不規(guī)則的。排列總是不規(guī)則的。 晶體結(jié)構(gòu)缺陷的類型晶體結(jié)構(gòu)缺陷的類型缺陷的缺陷的類型類型點缺陷點缺陷線缺陷線缺陷面缺陷面缺陷其特點是在三維方向上的尺寸都很小，缺陷的尺寸處在一、兩個原子大小的級別，又稱零維缺陷，例如空位，間隙原子和雜質(zhì)原子等。其特點是僅在一維方向上的尺寸較大，而另外二維方向上的尺寸都很小，故也稱一維缺陷，通常是指位錯。其特點是僅在二維方向上的尺寸較大，而另外一

4、維方向上的尺寸很小，故也稱二維缺陷，例如晶體表面、晶界和相界面等。 點缺陷點缺陷 間隙原子、空位、置換原子面缺陷面缺陷 晶體表面、晶粒間界、相界面線缺陷線缺陷 位錯1、空位、空位形成原因：形成原因：原子的熱運(yùn)動 導(dǎo)致能量起伏 使一些原子脫離原有位置 遷移到別處 在原位形成的空結(jié)點脫離平衡位置的原子去處脫離平衡位置的原子去處：移至表面 、間隙 或其它空位弗蘭克爾空位：弗蘭克爾空位：在晶格內(nèi)原子熱振動時，一些能量足夠大的原子離開平衡位置后，進(jìn)入晶格點的間隙位置，變成間隙原子，而在原來的位置上形成一個空位，這種缺陷稱為弗蘭克爾空位，如圖(a)所示肖脫基空位肖脫基空位: :如果正常格點上的原子，熱起伏

5、過程中獲得能量離開平衡位置，跳躍到晶體的表面，在原正常格點上留下空位，這種缺陷稱為肖脫基空位，如圖(b)所示。 弗蘭克爾缺陷弗蘭克爾缺陷肖脫基缺陷肖脫基缺陷處于不斷的運(yùn)動、消失和形成過程中 可以 遇到周圍空位 換位 遷移至晶體表面 消失 遇到間隙原子 消失空位的移動空位的移動空位的濃度空位的濃度濃度隨溫度變化而改變濃度隨溫度變化而改變 溫度高 濃度提高 溫度低 濃度下降平衡濃度很小平衡濃度很小2、間隙原子、間隙原子處于晶格間隙中的原子間隙原子可以為晶格中的原子 也可能為異類原子產(chǎn)生晶格畸變是一種熱平衡缺陷 -平衡濃度為固溶度或溶解度3、置換原子、置換原子占據(jù)原來基本原子平衡位置的異類原子產(chǎn)生晶

6、格畸變是一種熱平衡缺陷 -平衡濃度為固溶度或溶解度 線缺陷就是各種類型的位錯。它是指晶體中的原子發(fā)生了有規(guī)律的錯排現(xiàn)象。其特點是原子發(fā)生錯排的范圍只在一維方向上很大，是一個直徑為35個原子間距，長數(shù)百個原子間距以上的管狀原子畸變區(qū)。1 1、刃型位錯、刃型位錯形成及定義形成及定義（圖1-33） ： 晶體在大于屈服值的切應(yīng)力作用下，以ABCD面為滑移面發(fā)生滑移。EF是晶體已滑移部分和未滑移部分的交線，猶如砍入晶體的一把刀的刀刃，即刃位錯（或棱位錯）。幾何特征：幾何特征： 位錯線與原子滑移方向相垂直；位錯線與原子滑移方向相垂直；滑移面上部位錯線周圍原子受壓滑移面上部位錯線周圍原子受壓應(yīng)力作用，原子間

7、距小于正常晶應(yīng)力作用，原子間距小于正常晶格間距；滑移面下部位錯線周圍格間距；滑移面下部位錯線周圍原子受張應(yīng)力作用，原子間距大原子受張應(yīng)力作用，原子間距大于正常晶格間距。于正常晶格間距。分類：分類：正刃位錯，正刃位錯， “ ” ；負(fù)刃位錯，負(fù)刃位錯， “T” 。符號中水平線代表滑移面，垂直符號中水平線代表滑移面，垂直線代表半個原子面。線代表半個原子面。刃型位錯的重要特征：刃型位錯有一額外半原子面位錯線是一個具有一定寬度的細(xì)長晶格畸變管道，其中有正應(yīng)力也有切應(yīng)變，對于正刃型位錯，滑移面之上晶格受到壓應(yīng)力，滑移面上受到拉應(yīng)力，負(fù)刃型位錯正好相反位錯線與晶體的滑移方向相垂直。位錯線運(yùn)動的方向垂直于位錯

8、線。形成及定義形成及定義（圖（圖1-35） ： 晶體在外加切應(yīng)力晶體在外加切應(yīng)力 作作用下，沿用下，沿ABCD面滑移，面滑移，圖中圖中EF線為已滑移區(qū)與未線為已滑移區(qū)與未滑移區(qū)的分界處。由于位滑移區(qū)的分界處。由于位錯線周圍的一組原子面形錯線周圍的一組原子面形成了一個連續(xù)的螺旋形坡成了一個連續(xù)的螺旋形坡面，故稱為螺型位錯。面，故稱為螺型位錯。2 2、螺型位錯螺型位錯幾何特征：幾何特征：位錯線與原子滑移方向相平行；位錯線周圍原子的位錯線與原子滑移方向相平行；位錯線周圍原子的配置是螺旋狀的。配置是螺旋狀的。分類：分類：有左、右旋之分，根據(jù)螺旋面旋轉(zhuǎn)方向，符合右手法則有左、右旋之分，根據(jù)螺旋面旋轉(zhuǎn)方向

9、，符合右手法則（即以右手拇指代表螺旋面前進(jìn)方向，其他四指代表螺旋面的（即以右手拇指代表螺旋面前進(jìn)方向，其他四指代表螺旋面的旋轉(zhuǎn)方向）的稱右旋螺型位錯。旋轉(zhuǎn)方向）的稱右旋螺型位錯。螺型位錯的重要特征：螺型位錯沒有額外半原子面位錯線是一個具有一定寬度的細(xì)長晶格畸變管道，其中只有切應(yīng)變，沒有正應(yīng)力位錯線與晶體的滑移方向相平行。位錯線運(yùn)動的方向垂直于位錯線。 在外力在外力 作用下，兩部分之間發(fā)生相對滑移，在晶作用下，兩部分之間發(fā)生相對滑移，在晶體內(nèi)部已滑移和未滑移部分的交線既不垂直也不平體內(nèi)部已滑移和未滑移部分的交線既不垂直也不平行滑移方向（伯氏矢量行滑移方向（伯氏矢量b），這樣的位錯稱為混合位），這

10、樣的位錯稱為混合位錯。如錯。如圖圖1-38所示。所示。 位錯線上任意一點，經(jīng)矢量分解后，可分解為刃位錯線上任意一點，經(jīng)矢量分解后，可分解為刃位錯和螺位錯分量。晶體中位錯線的形狀可以是任位錯和螺位錯分量。晶體中位錯線的形狀可以是任意的，但位錯線上各點的伯氏矢量相同，只是各點意的，但位錯線上各點的伯氏矢量相同，只是各點的刃型、螺型分量不同而已。的刃型、螺型分量不同而已。 3 3、混合位錯混合位錯（a）混合位錯的）混合位錯的形成形成（b）混合位錯分解為刃位錯）混合位錯分解為刃位錯和螺位錯示意圖和螺位錯示意圖（c）混合位錯線附近原）混合位錯線附近原子滑移透視圖子滑移透視圖A 純螺型位錯純螺型位錯B 純

11、刃型位錯純?nèi)行臀诲e4、柏氏矢量柏氏矢量的確定方法刃型位錯的柏氏矢量與其位錯線相垂直刃位錯的特征螺型位錯的柏氏矢量與其位錯線相平行螺位錯的特征4、柏氏矢量柏氏矢量的特征用柏氏矢量可以判斷位錯類型用柏氏矢量可以表示位錯區(qū)域晶格畸變總量的大小用柏氏矢量可以表示晶體滑移的方向和大小一條位錯線的柏氏矢量是恒定不變的對于一個位錯來說，同時包含位錯線和柏氏矢量的晶面是潛在的滑移面。4、柏氏矢量1 1）位錯線的連續(xù)性）位錯線的連續(xù)性 位錯線不可能中斷于晶體內(nèi)部。在晶體內(nèi)部，位錯線不可能中斷于晶體內(nèi)部。在晶體內(nèi)部，位錯線要么自成環(huán)狀回路，要么與其它位錯相交位錯線要么自成環(huán)狀回路，要么與其它位錯相交于節(jié)點，要么穿

12、過晶體終止于晶界或晶體表面于節(jié)點，要么穿過晶體終止于晶界或晶體表面5、位錯密度2 2）位錯密度：單位體積內(nèi)位錯線的總長度）位錯密度：單位體積內(nèi)位錯線的總長度 =L/V =L/V 式中式中 L L為晶體長度，為晶體長度，n n為位錯線數(shù)目，為位錯線數(shù)目，S S晶體截面積。晶體截面積。 一般退火金屬晶體中一般退火金屬晶體中 為為10 106 610108 8cmcm-2-2數(shù)量級，經(jīng)劇烈冷加工數(shù)量級，經(jīng)劇烈冷加工的金屬晶體中，的金屬晶體中， 為為10 1010 10101012 12cmcm-2-2SnlSln5、位錯密度1、晶體表面影響表面能的因素有：（1）外部介質(zhì)的性質(zhì)（2）裸露晶面的原子密度

13、（3）晶體表面的曲率2、晶 界（1 1）小角度晶界）小角度晶界 晶界的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)與相鄰晶晶界的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)與相鄰晶粒的取向差有關(guān)，當(dāng)取向差粒的取向差有關(guān)，當(dāng)取向差小小于于10 10o o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，不同，晶界分為傾斜晶界和扭轉(zhuǎn)晶界。晶界分為傾斜晶界和扭轉(zhuǎn)晶界。（2 2）大角度晶界）大角度晶界 相鄰晶粒的位向差大于相鄰晶粒的位向差大于10 10的晶界。的晶界。大約大約2323個原子厚的薄層，原子排列較個原子厚的薄層，原子排列較混亂，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜：由原子排列紊亂區(qū)混亂，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜：由原子排列紊亂區(qū)域與原子排列較整齊區(qū)域交替相間

14、而成。域與原子排列較整齊區(qū)域交替相間而成。2、晶 界 晶粒內(nèi)部位向差小于晶粒內(nèi)部位向差小于 1 1 的亞結(jié)構(gòu)，也稱亞晶粒，的亞結(jié)構(gòu)，也稱亞晶粒，亞晶之間的界面，稱為亞晶界。亞晶之間的界面，稱為亞晶界。通常由位錯構(gòu)成。通常由位錯構(gòu)成。3、亞晶界金屬中的亞晶組織金屬中的亞晶組織亞晶界通常由位錯構(gòu)成。亞晶界通常由位錯構(gòu)成。亞晶界模型亞晶界模型 晶體結(jié)構(gòu)可以看成由許多密排晶面按一定順序堆垛而成 晶面堆垛順序發(fā)生局部差錯而產(chǎn)生的一種晶體缺陷稱為堆垛層錯4、堆垛層錯相界相界晶界晶界5、相 界不同結(jié)構(gòu)的晶粒之間的界面 界面結(jié)構(gòu)類型界面結(jié)構(gòu)類型: 共格共格界面界面, 半共格半共格, 非共格非共格 共格共格界面

15、界面: 界面上的原子同時位于兩相晶界面上的原子同時位于兩相晶格的結(jié)點上，為兩種晶格所共有。格的結(jié)點上，為兩種晶格所共有。具有完整共格關(guān)系的相界具有完整共格關(guān)系的相界具有彈性畸變的共格相界具有彈性畸變的共格相界半共格相界半共格相界非共格相界非共格相界能量能量最低最低能量能量最高最高 (1) (1) 晶界有界面能，晶粒越細(xì)晶界越多，能量越高，晶界有界面能，晶粒越細(xì)晶界越多，能量越高，越不穩(wěn)定。為降低能量、減少晶界長度，晶粒有長越不穩(wěn)定。為降低能量、減少晶界長度，晶粒有長大的趨勢。大的趨勢。( (在一定的溫度下在一定的溫度下) )(2) (2) 相變時新相晶核往往優(yōu)先在界面上形成。相變時新相晶核往往優(yōu)先在界面上形成。6 晶界特性(3) (3) 晶界內(nèi)吸附現(xiàn)象晶界內(nèi)吸附現(xiàn)象 即雜質(zhì)原子向晶界的偏聚。即雜質(zhì)原子向晶界的偏聚。(4) (4) 晶界對材料的塑性變形起阻礙作用，晶粒越細(xì)，晶界對材料的塑性變形起阻礙作用，晶粒越細(xì)，界面積越大，材料的強(qiáng)度越高。界面積越大，材料的強(qiáng)度越高。 晶界強(qiáng)化或細(xì)晶強(qiáng)化晶界強(qiáng)化或細(xì)晶強(qiáng)化(5)(5)晶界由于有界面能，且低熔點雜質(zhì)含量較高，故晶界由