材料科學(xué)基礎(chǔ)-第章-晶體缺陷

材料科學(xué)基礎(chǔ)--第章-晶體缺陷第一頁(yè)，共43頁(yè)。一、多晶體結(jié)構(gòu)第一節(jié)材料的實(shí)際晶體結(jié)構(gòu)多晶體:實(shí)際應(yīng)用的工程材料中，那怕是一塊尺寸很小材料，絕大多數(shù)包含著許許多多的小晶體，每個(gè)小晶體的內(nèi)部，晶格位向是均勻一致的，而各個(gè)小晶體之間，彼此的位向卻不相同。稱這種由多個(gè)小晶體組成的晶體結(jié)構(gòu)稱之為“多晶體”。第一頁(yè)第二頁(yè)，共43頁(yè)。一、多晶體結(jié)構(gòu)第一節(jié)材料的實(shí)際晶體結(jié)構(gòu)晶粒：多晶體材料中每個(gè)小晶體的外形多為不規(guī)則的顆粒狀，通常把它們叫做“晶?！?。

晶界：晶粒與晶粒之間的分界面叫“晶粒間界”，或簡(jiǎn)稱“晶界”。為了適應(yīng)兩晶粒間不同晶格位向的過(guò)渡，在晶界處的原子排列總是不規(guī)則的。第二頁(yè)第三頁(yè)，共43頁(yè)。二、多晶體的組織與性能：第一節(jié)材料的實(shí)際晶體結(jié)構(gòu)偽各向同性：多晶體材料中，盡管每個(gè)晶粒內(nèi)部象單晶體那樣呈現(xiàn)各向異性，每個(gè)晶粒在空間取向是隨機(jī)分布，大量晶粒的綜合作用，整個(gè)材料宏觀上不出現(xiàn)各向異性，這個(gè)現(xiàn)象稱為多晶體的偽各向同性。組織：性能：組織敏感的性能組織不敏感的性能第三頁(yè)第四頁(yè)，共43頁(yè)。三、晶體中的缺陷概論第一節(jié)材料的實(shí)際晶體結(jié)構(gòu)晶體缺陷：即使在每個(gè)晶粒的內(nèi)部，也并不完全象晶體學(xué)中論述的(理想晶體)那樣，原子完全呈現(xiàn)周期性的規(guī)則重復(fù)的排列。把實(shí)際晶體中原子排列與理想晶體的差別稱為晶體缺陷。晶體中的缺陷的數(shù)量相當(dāng)大，但因原子的數(shù)量很多，在晶體中占有的比例還是很少，材料總體具有晶體的相關(guān)性能特點(diǎn)，而缺陷的數(shù)量將給材料的性能帶來(lái)巨大的影響。第四頁(yè)第五頁(yè)，共43頁(yè)。三、晶體中的缺陷概論第一節(jié)材料的實(shí)際晶體結(jié)構(gòu)晶體缺陷按范圍分類：點(diǎn)缺陷

在三維空間各方向上尺寸都很小，在原子尺寸大小的晶體缺陷。

線缺陷

在三維空間的一個(gè)方向上的尺寸很大(晶粒數(shù)量級(jí))，另外兩個(gè)方向上的尺寸很小(原子尺寸大小)的晶體缺陷。其具體形式就是晶體中的位錯(cuò)Dislocation

面缺陷

在三維空間的兩個(gè)方向上的尺寸很大(晶粒數(shù)量級(jí))，另外一個(gè)方向上的尺寸很小(原子尺寸大小)的晶體缺陷。第五頁(yè)第六頁(yè)，共43頁(yè)。第二節(jié)點(diǎn)缺陷點(diǎn)缺陷：在三維空間各方向上尺寸都很小，在原子尺寸大小的晶體缺陷。

一、點(diǎn)缺陷的類型：空位

在晶格結(jié)點(diǎn)位置應(yīng)有原子的地方空缺，這種缺陷稱為“空位”。

間隙原子

在晶格非結(jié)點(diǎn)位置，往往是晶格的間隙，出現(xiàn)了多余的原子。它們可能是同類原子，也可能是異類原子。

異類原子

在一種類型的原子組成的晶格中，不同種類的原子替換原有的原子占有其應(yīng)有的位置。

第六頁(yè)第七頁(yè)，共43頁(yè)。二、點(diǎn)缺陷對(duì)材料性能的影響第二節(jié)點(diǎn)缺陷原因：無(wú)論那種點(diǎn)缺陷的存在，都會(huì)使其附近的原子稍微偏離原結(jié)點(diǎn)位置才能平衡，即造成小區(qū)域的晶格畸變。

效果提高材料的電阻定向流動(dòng)的電子在點(diǎn)缺陷處受到非平衡力(陷阱)，增加了阻力，加速運(yùn)動(dòng)提高局部溫度(發(fā)熱)。加快原子的擴(kuò)散遷移空位可作為原子運(yùn)動(dòng)的周轉(zhuǎn)站。形成其他晶體缺陷過(guò)飽和的空位可集中形成內(nèi)部的空洞，集中一片的塌陷形成位錯(cuò)。改變材料的力學(xué)性能空位移動(dòng)到位錯(cuò)處可造成刃位錯(cuò)的攀移，間隙原子和異類原子的存在會(huì)增加位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)阻力。會(huì)使強(qiáng)度提高，塑性下降、第七頁(yè)第八頁(yè)，共43頁(yè)。三、空位的平衡濃度第二節(jié)點(diǎn)缺陷空位形成能

空位的出現(xiàn)破壞了其周圍的結(jié)合狀態(tài)，因而造成局部能量的升高，由空位的出現(xiàn)而高于沒(méi)有空位時(shí)的那一部分能量稱為“空位形成能”。

空位的出現(xiàn)提高了體系的熵值

在一摩爾的晶體中如存在n個(gè)空位，晶體中有N=6.023X1023個(gè)晶格位置，這是空位的濃度為x=n/N，系統(tǒng)熵值為：

第八頁(yè)第九頁(yè)，共43頁(yè)。三、空位的平衡濃度第二節(jié)點(diǎn)缺陷平衡空位濃度體系的自由能最低時(shí)，晶體處于平衡穩(wěn)定狀態(tài)，晶體中存在的空位濃度。設(shè)每個(gè)空位的形成能為u，空位濃度為x時(shí)自由能的變化為：第九頁(yè)第十頁(yè)，共43頁(yè)。三、空位的平衡濃度第二節(jié)點(diǎn)缺陷例如：Cu晶體得空位形成能為0.9ev/atom=1.44X10-19J/atom，在500℃時(shí)計(jì)算可得出平衡空位的濃度為1.4X10-6(很低)，而在每立方米的銅晶體存在1.2X1023個(gè)空位(數(shù)量很多)。

過(guò)飽和空位晶體中含點(diǎn)缺陷的數(shù)目明顯超過(guò)平衡值。如高溫下停留平衡時(shí)晶體中存在一平衡空位，快速冷卻到一較低的溫度，晶體中的空位來(lái)不及移出晶體，就會(huì)造成晶體中的空位濃度超過(guò)這時(shí)的平衡值。過(guò)飽和空位的存在是一非平衡狀態(tài)，有恢復(fù)到平衡態(tài)的熱力學(xué)趨勢(shì)，在動(dòng)力學(xué)上要到達(dá)平衡態(tài)還要一時(shí)間過(guò)程。第十頁(yè)第十一頁(yè)，共43頁(yè)。第三節(jié)位錯(cuò)的基本概念線缺陷：在三維空間的一個(gè)方向上的尺寸很大(晶粒數(shù)量級(jí))，另外兩個(gè)方向上的尺寸很小(原子尺寸大小)的晶體缺陷。其具體形式就是晶體中的位錯(cuò)Dislocation

一、位錯(cuò)的原子模型

將晶體的上半部分向左移動(dòng)一個(gè)原子間距，再按原子的結(jié)合方式連接起來(lái)(b)。除分界線附近的一管形區(qū)域例外，其他部分基本都是完好的晶體。在分界線的上方將多出半個(gè)原子面，這就是刃型位錯(cuò)。

第十一頁(yè)第十二頁(yè)，共43頁(yè)。一、位錯(cuò)的原子模型第三節(jié)位錯(cuò)的基本概念若將上半部分向上移動(dòng)一個(gè)原子間距，之間插入半個(gè)原子面，再按原子的結(jié)合方式連接起來(lái)，得到和(b)類似排列方式(轉(zhuǎn)90度)，這也是刃型位錯(cuò)。第十二頁(yè)第十三頁(yè)，共43頁(yè)。一、位錯(cuò)的原子模型第三節(jié)位錯(cuò)的基本概念若將晶體的上半部分向后移動(dòng)一個(gè)原子間距，再按原子的結(jié)合方式連接起來(lái)(c)，同樣除分界線附近的一管形區(qū)域例外，其他部分基本也都是完好的晶體。而在分界線的區(qū)域形成一螺旋面，這就是螺型位錯(cuò)。第十三頁(yè)第十四頁(yè)，共43頁(yè)。一、位錯(cuò)的原子模型第三節(jié)位錯(cuò)的基本概念位錯(cuò)的形式：若將上半部分向上移動(dòng)一個(gè)原子間距，之間插入半個(gè)原子面，再按原子的結(jié)合方式連接起來(lái)，得到和(b)類似排列方式(轉(zhuǎn)90度)，這也是刃型位錯(cuò)。第十四頁(yè)第十五頁(yè)，共43頁(yè)。二、柏氏矢量

第三節(jié)位錯(cuò)的基本概念確定方法：首先在原子排列基本正常區(qū)域作一個(gè)包含位錯(cuò)的回路，也稱為柏氏回路，這個(gè)回路包含了位錯(cuò)發(fā)生的畸變。然后將同樣大小的回路置于理想晶體中，回路當(dāng)然不可能封閉，需要一個(gè)額外的矢量連接才能封閉，這個(gè)矢量就稱為該位錯(cuò)的柏氏(Burgers)矢量。

說(shuō)明：這是一個(gè)并不十分準(zhǔn)確的定義方法。柏氏矢量的方向與位錯(cuò)線方向的定義有關(guān)，應(yīng)該首先定義位錯(cuò)線的方向，再依據(jù)位錯(cuò)線的方向來(lái)定柏氏回路的方向，再確定柏氏矢量的方向。在專門的位錯(cuò)理論中還會(huì)糾正。

第十五頁(yè)第十六頁(yè)，共43頁(yè)。二、柏氏矢量

第三節(jié)位錯(cuò)的基本概念柏氏矢量與位錯(cuò)類型的關(guān)系：

刃型位錯(cuò)柏氏矢量與位錯(cuò)線相互垂直。(依方向關(guān)系可分正刃和負(fù)刃型位錯(cuò))

螺型位錯(cuò)柏氏矢量與位錯(cuò)線相互平行。(依方向關(guān)系可分左螺和右螺型位錯(cuò))

混合位錯(cuò)柏氏矢量與位錯(cuò)線的夾角非0或90度。

柏氏矢量守恒：

①同一位錯(cuò)的柏氏矢量與柏氏回路的大小和走向無(wú)關(guān)。②位錯(cuò)不可能終止于晶體的內(nèi)部，只能到表面、晶界和其他位錯(cuò)，在位錯(cuò)網(wǎng)的交匯點(diǎn)，必然第十六頁(yè)第十七頁(yè)，共43頁(yè)。三、位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)

第三節(jié)位錯(cuò)的基本概念滑移面：過(guò)位錯(cuò)線并和柏氏矢量平行的平面(晶面)是該位錯(cuò)的滑移面。位錯(cuò)的滑移運(yùn)動(dòng)：位錯(cuò)在滑移面上的運(yùn)動(dòng)。

第十七頁(yè)第十八頁(yè)，共43頁(yè)。三、位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)

第三節(jié)位錯(cuò)的基本概念刃型位錯(cuò)的滑移運(yùn)動(dòng)：在圖示的晶體上施加一切應(yīng)力，當(dāng)應(yīng)力足夠大時(shí)，有使晶體上部向有發(fā)生移動(dòng)的趨勢(shì)。假如晶體中有一刃型位錯(cuò)，顯然位錯(cuò)在晶體中發(fā)生移動(dòng)比整個(gè)晶體移動(dòng)要容易。因此，①位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)在外加切應(yīng)力的作用下發(fā)生；②位錯(cuò)移動(dòng)的方向和位錯(cuò)線垂直；③運(yùn)動(dòng)位錯(cuò)掃過(guò)的區(qū)域晶體的兩部分發(fā)生了柏氏矢量大小的相對(duì)運(yùn)動(dòng)(滑移)；④位錯(cuò)移出晶體表面將在晶體的表面上產(chǎn)生柏氏矢量大小的臺(tái)階。

第十八頁(yè)第十九頁(yè)，共43頁(yè)。三、位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)

第三節(jié)位錯(cuò)的基本概念螺型位錯(cuò)的滑移：在圖示的晶體上施加一切應(yīng)力，當(dāng)應(yīng)力足夠大時(shí)，有使晶體的左右部分發(fā)生上下移動(dòng)的趨勢(shì)。假如晶體中有一螺型位錯(cuò)，顯然位錯(cuò)在晶體中向后發(fā)生移動(dòng)，移動(dòng)過(guò)的區(qū)間右邊晶體向下移動(dòng)一柏氏矢量。因此，①螺位錯(cuò)也是在外加切應(yīng)力的作用下發(fā)生運(yùn)動(dòng)；②位錯(cuò)移動(dòng)的方向總是和位錯(cuò)線垂直；③運(yùn)動(dòng)位錯(cuò)掃過(guò)的區(qū)域晶體的兩部分發(fā)生了柏氏矢量大小的相對(duì)運(yùn)動(dòng)(滑移)；④位錯(cuò)移過(guò)部分在表面留下部分臺(tái)階，全部移出晶體的表面上產(chǎn)生柏氏矢量大小的完整臺(tái)階。這四點(diǎn)同刃型位錯(cuò)。

第十九頁(yè)第二十頁(yè)，共43頁(yè)。三、位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)

第三節(jié)位錯(cuò)的基本概念刃、螺型位錯(cuò)滑移的比較：①因?yàn)槲诲e(cuò)線和柏氏矢量平行，所以螺型位錯(cuò)可以有多個(gè)滑移面，螺型位錯(cuò)無(wú)論在那個(gè)方向移動(dòng)都是滑移。②晶體兩部分的相對(duì)移動(dòng)量決定于柏氏矢量的大小和方向，與位錯(cuò)線的移動(dòng)方向無(wú)關(guān)。第二十頁(yè)第二十一頁(yè)，共43頁(yè)。三、位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)

第三節(jié)位錯(cuò)的基本概念分析一位錯(cuò)環(huán)的運(yùn)動(dòng)第二十一頁(yè)第二十二頁(yè)，共43頁(yè)。三、位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)

第三節(jié)位錯(cuò)的基本概念綜合位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)：以位錯(cuò)環(huán)為例來(lái)說(shuō)明。在一個(gè)滑移面上存在一位錯(cuò)環(huán)，如圖所示，簡(jiǎn)化為一多邊型。前后為刃位錯(cuò)，在切應(yīng)力τ的作用下，后部的半原子面在上方向后移動(dòng)；前部的半原子面在下方，向前運(yùn)動(dòng)。左右為螺位錯(cuò)，但螺旋方向相反，左邊向左，右邊向右運(yùn)動(dòng)；其他為混合位錯(cuò)，均向外運(yùn)動(dòng)。所有運(yùn)動(dòng)都使上部晶體向后移動(dòng)了一個(gè)原子間距。所有位錯(cuò)移出晶體，整個(gè)晶體上部移動(dòng)了一個(gè)原子間距?？梢?jiàn)無(wú)論那種位錯(cuò)，最后達(dá)到的效果是一樣的。如果外加切應(yīng)力相反，位錯(cuò)環(huán)將縮小，最后消失。位錯(cuò)環(huán)存在時(shí)，環(huán)所在區(qū)間原子已經(jīng)偏后一原子間距，環(huán)縮小到消失，表明這個(gè)偏移的消失，而環(huán)擴(kuò)大表明其他區(qū)間向后移動(dòng)。可見(jiàn)位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)都將使掃過(guò)的區(qū)間兩邊的原子層發(fā)生柏氏矢量大小的相對(duì)滑動(dòng)。

第二十二頁(yè)第二十三頁(yè)，共43頁(yè)。三、位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)

第三節(jié)位錯(cuò)的基本概念刃位錯(cuò)的攀移運(yùn)動(dòng)：刃型位錯(cuò)在垂直于滑移面方向上的運(yùn)動(dòng)。刃位錯(cuò)發(fā)生攀移運(yùn)動(dòng)時(shí)相當(dāng)于半原子面的伸長(zhǎng)或縮短，通常把半原子面縮短稱為正攀移，反之為負(fù)攀移。

滑移時(shí)不涉及單個(gè)原子遷移，即擴(kuò)散。刃型位錯(cuò)發(fā)生正攀移將有原子多余，大部分是由于晶體中空位運(yùn)動(dòng)到位錯(cuò)線上的結(jié)果，從而會(huì)造成空位的消失；而負(fù)攀移則需要外來(lái)原子，無(wú)外來(lái)原子將在晶體中產(chǎn)生新的空位。空位的遷移速度隨溫度的升高而加快，因此刃型位錯(cuò)的攀移一般發(fā)生在溫度較高時(shí)；另外，溫度的變化將引起晶體的平衡空位濃度的變化，這種空位的變化往往和刃位錯(cuò)的攀移相關(guān)。切應(yīng)力對(duì)刃位錯(cuò)的攀移是無(wú)效的，正應(yīng)力的存在有助于攀移(壓應(yīng)力有助正攀移，拉應(yīng)力有助負(fù)攀移)，但對(duì)攀移的總體作用甚小。第二十三頁(yè)第二十四頁(yè)，共43頁(yè)。四、位錯(cuò)的觀察

第三節(jié)位錯(cuò)的基本概念位錯(cuò)在晶體表面的露頭

拋光后的試樣在侵蝕時(shí)，由于易侵蝕而出現(xiàn)侵蝕坑，其特點(diǎn)是坑為規(guī)則的多邊型且排列有一定規(guī)律。只能在晶粒較大，位錯(cuò)較少時(shí)才有明顯效果。

薄膜透射電鏡觀察將試樣減薄到幾十到數(shù)百個(gè)原子層(500nm以下)，利用透射電鏡進(jìn)行觀察，可見(jiàn)到位錯(cuò)線。第二十四頁(yè)第二十五頁(yè)，共43頁(yè)。四、位錯(cuò)的觀察第三節(jié)位錯(cuò)的基本概念表示晶體中含有位錯(cuò)數(shù)量的參數(shù)。位錯(cuò)密度ρ用單位體積位錯(cuò)線的總長(zhǎng)度表示。在金屬材料中，退火狀態(tài)下，接近平衡狀態(tài)所得到的材料，這時(shí)位錯(cuò)的密度較低，約在106的數(shù)量級(jí)；經(jīng)過(guò)較大的冷塑性變形，位錯(cuò)的密度可達(dá)1010--12的數(shù)量級(jí)。詳細(xì)內(nèi)容到塑性變形一章再論述。位錯(cuò)密度第二十五頁(yè)第二十六頁(yè)，共43頁(yè)。第四節(jié)位錯(cuò)的彈性特征一、位錯(cuò)的應(yīng)變能

來(lái)源：位錯(cuò)應(yīng)變能主要是彈性應(yīng)變能。彈簧或其他彈性體的彈性位能0.5kx2。同樣在單位體積內(nèi)彈性位能，正應(yīng)力引起的為0.5σε，而切應(yīng)力引起的為0.5τγ。在位錯(cuò)線的周圍存在內(nèi)應(yīng)力，例如刃型位錯(cuò)，在多余半原子面區(qū)域?yàn)閴簯?yīng)力，而缺少半原子面的區(qū)域存在著拉應(yīng)力；在螺位錯(cuò)周圍存在的是切應(yīng)力。所以位錯(cuò)周圍存在彈性應(yīng)變能。可見(jiàn)由于位錯(cuò)的存在，在其周圍存在一應(yīng)力場(chǎng)，應(yīng)力場(chǎng)的分布有機(jī)會(huì)進(jìn)一步學(xué)習(xí)時(shí)再分析。

位錯(cuò)線周圍的原子偏離了平衡位置，處于較高的能量狀態(tài)，高出的能量稱為位錯(cuò)的應(yīng)變能，或簡(jiǎn)稱位錯(cuò)能。

第二十六頁(yè)第二十七頁(yè)，共43頁(yè)。一、位錯(cuò)的應(yīng)變能第三節(jié)位錯(cuò)的彈性特征

位錯(cuò)應(yīng)變能的大小，以單位長(zhǎng)度位錯(cuò)線上的應(yīng)變能來(lái)表示，單位為J?M-1。在數(shù)值上U=αGb2，其中b為柏氏矢量的大小，G為材料的剪切變模量。α為常數(shù)，螺位錯(cuò)為0.55—0.73，常用0.5來(lái)簡(jiǎn)算；刃型位錯(cuò)為0.81—1.09，常用1.0來(lái)簡(jiǎn)算。

由于位錯(cuò)存在應(yīng)變能，為減小這能量，位錯(cuò)線的分布一方面在可能的情況下盡量減小單位長(zhǎng)度上的能量，由位錯(cuò)結(jié)果決定的，只要晶體結(jié)構(gòu)條件容許，柏氏矢量盡量小。另一方面就是減小位錯(cuò)線的長(zhǎng)度，兩點(diǎn)之間只要結(jié)構(gòu)容許，以直線分布。好像沿位錯(cuò)線兩端作用了一個(gè)線張力。線張力和位錯(cuò)的能量在數(shù)量上是等價(jià)的。

第二十七頁(yè)第二十八頁(yè)，共43頁(yè)。二、位錯(cuò)與點(diǎn)缺陷的交互作用第三節(jié)位錯(cuò)的彈性特征

晶體內(nèi)同時(shí)含由位錯(cuò)和點(diǎn)缺陷時(shí)(特別時(shí)溶入的異類原子)，它們會(huì)發(fā)生交互作用。異類原子在刃位錯(cuò)處會(huì)聚集，如小原子到多出半原子面處，大原子到少半原子面處，而異類原子則溶在位錯(cuò)的間隙處?？瘴粫?huì)使刃位錯(cuò)發(fā)生攀移運(yùn)動(dòng)。第二十八頁(yè)第二十九頁(yè)，共43頁(yè)。三、位錯(cuò)間的交互作用第三節(jié)位錯(cuò)的彈性特征

每條位錯(cuò)線周圍存在應(yīng)力場(chǎng)，對(duì)附近的其他位錯(cuò)有力的作用和影響，這個(gè)影響較復(fù)雜，下面僅對(duì)簡(jiǎn)單情況加以說(shuō)明。

一對(duì)在同一滑移面上平行刃位錯(cuò)，當(dāng)其方向相同時(shí)，表現(xiàn)為互相排斥，有條件時(shí)相互移動(dòng)來(lái)增加其距離。當(dāng)其方向相反時(shí)，表現(xiàn)為互相吸引，有條件時(shí)相互靠近，最后可能互相中和而消失。第二十九頁(yè)第三十頁(yè)，共43頁(yè)。三、位錯(cuò)間的交互作用第三節(jié)位錯(cuò)的彈性特征

一對(duì)平行的螺位錯(cuò)，按幾何規(guī)律，其共有面可作為其滑移面。當(dāng)其方向相同時(shí)，也表現(xiàn)為互相排斥，有條件時(shí)相互移動(dòng)來(lái)增加其距離。當(dāng)其方向相反時(shí)，也表現(xiàn)為互相吸引，有條件時(shí)相互靠近，最后可能互相中和而消失。

處在其他情況下的位錯(cuò)間的相互作用較為復(fù)雜，暫時(shí)還難簡(jiǎn)單的說(shuō)清楚，上例僅提供一分析的方向。第三十頁(yè)第三十一頁(yè)，共43頁(yè)。第五節(jié)晶體中的界面

面缺陷：在三維空間的兩個(gè)方向上的尺寸很大(晶粒數(shù)量級(jí))，另外一個(gè)方向上的尺寸很小(原子尺寸大小)的晶體缺陷。一、表面及表面能

1.晶體的表面：就是晶體的外表面，一般是指晶體與氣體(氣相或液相)的分界面。2.晶體的表面能：同體積晶體的表面高出晶體內(nèi)部的能量稱為晶體的表面自由能或表面能。計(jì)量單位為J/m2。表面能就是表面張力，單位為N/m。晶體的表面能在有些意義和大家已知液體表面張力是一樣的。

第三十一頁(yè)第三十二頁(yè)，共43頁(yè)。一、表面及表面能第五節(jié)晶體中的界面3.表面能的來(lái)源：材料表面的原子和內(nèi)部原子所處的環(huán)境不同，內(nèi)部在均勻的力場(chǎng)中，能量較低，而表面的原子有一個(gè)方向沒(méi)有原子結(jié)合，處在與內(nèi)部相比較高的能量水平。另一種設(shè)想為一完整的晶體，按某晶面為界切開(kāi)成兩半，形成兩個(gè)表面，切開(kāi)時(shí)為破壞原有的結(jié)合鍵單位面積所吸收的能量。由于不同的晶面原子的排列方式不同，切開(kāi)破壞的化學(xué)鍵的量也不同，所以用不同的晶面作表面對(duì)應(yīng)的表面能也不相同，一般以原子的排列面密度愈高，對(duì)應(yīng)的表面能較小。

第三十二頁(yè)第三十三頁(yè)，共43頁(yè)。一、表面及表面能第五節(jié)晶體中的界面4.表面能與晶體形狀之間的關(guān)系：在晶體形成的過(guò)程中，為了使系統(tǒng)的自由能最低，盡量降低表面的總能量，即ΣσA最小。為此一方面盡量讓?duì)易钚〉木鏋楸砻妫?dāng)然也可能是表面能略高但能明顯減小表面積的晶面為表面。例如fcc結(jié)構(gòu)的晶體自由生長(zhǎng)就為14面體。

5.粗糙表面與平滑表面：晶體的表面在宏觀為一能量較低的平面，但表面原子的缺陷，局部表面原子的缺少或部分表面有多余原子，以表面存在的陣點(diǎn)數(shù)與實(shí)有原子數(shù)的比x來(lái)表示，這些缺陷的存在可提高表面的熵，是必然存在的。每種材料有特定的x值下表面能最低，其中x=0.5的表面穩(wěn)定的稱為粗糙表面，大多數(shù)的金屬材料是屬于粗糙表面；x值僅在0或1附近穩(wěn)定的稱為平滑表面，大多是非金屬材料。第三十三頁(yè)第三十四頁(yè)，共43頁(yè)。二、晶界第五節(jié)晶體中的界面2.晶界的結(jié)構(gòu)：根據(jù)晶界兩側(cè)晶粒的位向差不同，晶界的結(jié)構(gòu)大致可分為三類。1.晶界：晶界就是空間取向(或位向)不同的相鄰晶粒之間的分界面。

1）小角度晶界

晶界兩側(cè)的晶粒位向差很小?？煽闯墒且幌盗腥形诲e(cuò)排列成墻，晶界中位錯(cuò)排列愈密，則位向差愈大。

第三十四頁(yè)第三十五頁(yè)，共43頁(yè)。二、晶界第五節(jié)晶體中的界面2）大角度晶界晶界兩側(cè)的晶粒位向差較大，不能用位錯(cuò)模型。關(guān)于大角度晶界的結(jié)構(gòu)說(shuō)法不一，晶界可視為2—3(5)個(gè)原子的過(guò)渡層，這部分的原子排列盡管有其規(guī)律，但排列復(fù)雜，暫以相對(duì)無(wú)序來(lái)理解。3）共格界面界面上一側(cè)的晶體的某一晶面與另一側(cè)的一晶面具有相同的原子排列，例如同一族的不同晶面，作為其共有界面。這時(shí)兩側(cè)的晶體應(yīng)處于某寫特定角度。

第三十五頁(yè)第三十六頁(yè)，共43頁(yè)。二、晶界第五節(jié)晶體中的界面3.界面能：晶界面上的原子相對(duì)正常晶體內(nèi)部的原子而言，均處于較高的能量狀態(tài)，因此，晶界也存在界面能。

界面能與結(jié)構(gòu)的關(guān)系：

第三十六頁(yè)第三十七頁(yè)，共43頁(yè)。二、晶界第五節(jié)晶體中的界面4.晶界與雜質(zhì)原子的相互作用：在材料的研究中，發(fā)現(xiàn)少量雜質(zhì)或合金元素在晶體內(nèi)部的分布也是不均勻的，它們常偏聚于晶界，稱這種現(xiàn)象為晶界內(nèi)吸附。產(chǎn)生的原因可參見(jiàn)位錯(cuò)與點(diǎn)缺陷的作用，一般雜質(zhì)原子與晶體的尺寸或性質(zhì)差別愈大，這種偏聚愈嚴(yán)重。雜質(zhì)原子在晶界的偏聚對(duì)晶體的某些性能產(chǎn)生重要的影響，具體的影響到學(xué)習(xí)材料性能時(shí)要使用，這里先介紹內(nèi)吸附的概念。

第三十七頁(yè)第三十八頁(yè)，共43頁(yè)。三、相界面第五節(jié)晶體中的界面