ch晶體缺陷面缺陷表面與界面級(jí)PPT課件

1、 第1頁(yè)/共15頁(yè) 面缺陷類(lèi)型：面缺陷類(lèi)型： ( (crystal surface)crystal surface)：固體材料與氣體或液體的分界面：固體材料與氣體或液體的分界面 ( (interface)interface)：晶界、亞晶界、孿晶界、相界、層錯(cuò)晶界、亞晶界、孿晶界、相界、層錯(cuò) (grain boundaries)(grain boundaries)：位向不同的相鄰晶粒之間的界面。：位向不同的相鄰晶粒之間的界面。 (sub-boundaries)(sub-boundaries)：晶粒又可分為更小的亞晶粒。一般：晶粒又可分為更小的亞晶粒。一般晶粒尺寸為晶粒尺寸為1525m1525m。

2、亞晶粒尺寸為。亞晶粒尺寸為1m1m。亞晶粒之間的界面稱(chēng)。亞晶粒之間的界面稱(chēng)為亞晶界。為亞晶界。 (twin boundaries)(twin boundaries) ：相鄰兩晶粒的原子，相對(duì)一定晶：相鄰兩晶粒的原子，相對(duì)一定晶面呈鏡面對(duì)稱(chēng)排列，這兩晶粒間的界面叫孿晶界。面呈鏡面對(duì)稱(chēng)排列，這兩晶粒間的界面叫孿晶界。 (phase boundaries)(phase boundaries) : :合金的組織往往由多個(gè)相組成，不合金的組織往往由多個(gè)相組成，不同的相具有不同的晶體結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分，兩個(gè)相之間的界面。同的相具有不同的晶體結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分，兩個(gè)相之間的界面。 (stacking faults)

3、(stacking faults) : :第2頁(yè)/共15頁(yè) ( (）（Surface energy Surface energy ）：晶體表面單位面積）：晶體表面單位面積自由能的增加自由能的增加 ：= dw/ds = T/L= dw/ds = T/L = = 被割斷的結(jié)合鍵數(shù)被割斷的結(jié)合鍵數(shù)/ /形成單位新表面形成單位新表面 能量能量/ /每每個(gè)鍵個(gè)鍵 ： (1) (1)與晶體表面原子排列的致密與晶體表面原子排列的致密程度有關(guān)。原子密排的表面具有最程度有關(guān)。原子密排的表面具有最小的表面能。小的表面能。 (2) (2)還與晶體表面曲率有關(guān)。曲還與晶體表面曲率有關(guān)。曲率半徑小率半徑小, ,曲率大曲

4、率大, ,愈大。愈大。 (3) (3)外部質(zhì)的性質(zhì)。介質(zhì)不同外部質(zhì)的性質(zhì)。介質(zhì)不同, ,則則不同。不同。 (4) (4)還與晶體性質(zhì)有關(guān)。晶體本身還與晶體性質(zhì)有關(guān)。晶體本身結(jié)合能高，則結(jié)合能高，則大。大。 （離子晶體表面離子晶體表面）第3頁(yè)/共15頁(yè) ( (grain boundary)grain boundary)：屬于同一固相但位向不同的晶屬于同一固相但位向不同的晶粒之間的界面。粒之間的界面。 ( (subgrain boundary)subgrain boundary) ：每個(gè)晶粒有時(shí)又由若干：每個(gè)晶粒有時(shí)又由若干個(gè)位向稍有差異的亞晶粒所組成個(gè)位向稍有差異的亞晶粒所組成，相鄰亞晶粒間的界

5、面。相鄰亞晶粒間的界面。 在晶粒內(nèi)部還存在許多位向差極?。ㄔ诰Я?nèi)部還存在許多位向差極?。?1o o）的亞結(jié)構(gòu)，稱(chēng)）的亞結(jié)構(gòu)，稱(chēng)為為 ： (1) (1)兩晶粒的兩晶粒的位向差位向差; (2); (2)晶界相對(duì)于一個(gè)晶界相對(duì)于一個(gè)點(diǎn)陣某一平面的夾角點(diǎn)陣某一平面的夾角。： 小角度晶界小角度晶界101010，多晶，多晶體中體中9090以上的晶界屬于此類(lèi)。以上的晶界屬于此類(lèi)。 第4頁(yè)/共15頁(yè) （low angle grain low angle grain boundariesboundaries ）：）：由一系列相隔一定距離由一系列相隔一定距離的刃型位錯(cuò)所組成。的刃型位錯(cuò)所組成。分類(lèi)：分類(lèi)：（ti

6、lt boundarytilt boundary）：）：是把晶界兩側(cè)晶體互相傾斜的結(jié)果。晶界是把晶界兩側(cè)晶體互相傾斜的結(jié)果。晶界平面為兩個(gè)相鄰晶粒的對(duì)稱(chēng)面。是由一列平面為兩個(gè)相鄰晶粒的對(duì)稱(chēng)面。是由一列平行的刃型位錯(cuò)所組成。相鄰位錯(cuò)距離平行的刃型位錯(cuò)所組成。相鄰位錯(cuò)距離D D與與 b b、之間關(guān)系：之間關(guān)系：D = b / 2sin(/2) ：兩晶粒不以二者晶：兩晶粒不以二者晶界為對(duì)稱(chēng)的晶界看成兩組互相垂直的刃型界為對(duì)稱(chēng)的晶界看成兩組互相垂直的刃型位錯(cuò)排列而成的。兩位錯(cuò)各自的間距為位錯(cuò)排列而成的。兩位錯(cuò)各自的間距為DD和和DD，則有則有3.403.40式。式。 （twist boundarytw

7、ist boundary） ：將：將一塊晶體沿橫斷面切開(kāi)一塊晶體沿橫斷面切開(kāi), ,并使上下部分晶并使上下部分晶體繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)體繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)角角, ,再與下部分晶體粘在一再與下部分晶體粘在一起形成?？煽闯墒怯苫ハ嘟徊娴穆菸诲e(cuò)所起形成?？煽闯墒怯苫ハ嘟徊娴穆菸诲e(cuò)所組成。組成。 第5頁(yè)/共15頁(yè) （high angle grain boundaries high angle grain boundaries ）為原子為原子呈不規(guī)則排列的一過(guò)渡層。大多數(shù)晶粒之間的晶界都屬于呈不規(guī)則排列的一過(guò)渡層。大多數(shù)晶粒之間的晶界都屬于大角度晶界。大角度晶界。（coincidence site latticecoincid

8、ence site lattice）模型：圖模型：圖3.653.65， 該模型說(shuō)明，在大角度晶界結(jié)構(gòu)中將存在一定數(shù)該模型說(shuō)明，在大角度晶界結(jié)構(gòu)中將存在一定數(shù)量重合點(diǎn)陣原子。量重合點(diǎn)陣原子。 第6頁(yè)/共15頁(yè) ：形成單位面時(shí)：形成單位面時(shí)，系統(tǒng)的自由能變化系統(tǒng)的自由能變化。它等于它等于界面區(qū)單位面積的能量減去無(wú)界面時(shí)該區(qū)單位面積的能量。界面區(qū)單位面積的能量減去無(wú)界面時(shí)該區(qū)單位面積的能量。J/J/。：主要來(lái)自位錯(cuò)能量：主要來(lái)自位錯(cuò)能量( (形成位錯(cuò)的能形成位錯(cuò)的能量和將位錯(cuò)排成有關(guān)組態(tài)所作的功量和將位錯(cuò)排成有關(guān)組態(tài)所作的功) )，而位密度又決定于晶，而位密度又決定于晶粒間的位向差，所以晶界能量與粒

9、間的位向差，所以晶界能量與有關(guān)：有關(guān)： = = 0 0(A(Aln)ln) 式中式中0 0 = Gb/4(1= Gb/4(1) 為常數(shù)，為常數(shù)，A A為積分常數(shù)，取決為積分常數(shù)，取決于位錯(cuò)中心的原子錯(cuò)排能。于位錯(cuò)中心的原子錯(cuò)排能。 小角度晶界的晶界能是隨位向差增加而增大，但該公小角度晶界的晶界能是隨位向差增加而增大，但該公式只適用于小角度晶界，而對(duì)大角度晶界不適用。式只適用于小角度晶界，而對(duì)大角度晶界不適用。 與與無(wú)關(guān)無(wú)關(guān)，J/J/ 在平衡狀態(tài)時(shí)，在平衡狀態(tài)時(shí)，均趨與穩(wěn)定狀態(tài)，此均趨與穩(wěn)定狀態(tài)，此時(shí)時(shí)1 = 2 = 3 = 1201 = 2 = 3 = 120。第7頁(yè)/共15頁(yè) （1 1）晶界

10、處點(diǎn)畸變大，存在晶界能。）晶界處點(diǎn)畸變大，存在晶界能。（2 2）晶界處原子排列不規(guī)則，常溫下晶界的存在會(huì)對(duì)位錯(cuò)）晶界處原子排列不規(guī)則，常溫下晶界的存在會(huì)對(duì)位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)起阻礙運(yùn)動(dòng)，使塑型變形抗力提高，使晶體（材料）的運(yùn)動(dòng)起阻礙運(yùn)動(dòng)，使塑型變形抗力提高，使晶體（材料）的硬度和強(qiáng)度提高。產(chǎn)生的硬度和強(qiáng)度提高。產(chǎn)生 （3 3）晶界處原子具有較高的動(dòng)能，且晶界處存在大量缺陷。）晶界處原子具有較高的動(dòng)能，且晶界處存在大量缺陷。原子在晶界處擴(kuò)散比晶內(nèi)快得多。原子在晶界處擴(kuò)散比晶內(nèi)快得多。（4 4）固態(tài)相變時(shí)易在晶界處形成新核。）固態(tài)相變時(shí)易在晶界處形成新核。（5 5）晶界上富集雜質(zhì)原子多，熔點(diǎn)低，加熱時(shí)容易過(guò)

11、熱和）晶界上富集雜質(zhì)原子多，熔點(diǎn)低，加熱時(shí)容易過(guò)熱和過(guò)燒。過(guò)燒。（6 6）晶界腐蝕速度比晶內(nèi)快。）晶界腐蝕速度比晶內(nèi)快。（7 7）晶界具有不同與晶內(nèi)的物理性質(zhì)。）晶界具有不同與晶內(nèi)的物理性質(zhì)。 亞晶界屬與小角度晶界，為各種亞結(jié)構(gòu)的交界，大小和尺亞晶界屬與小角度晶界，為各種亞結(jié)構(gòu)的交界，大小和尺寸與熱加工條件有關(guān)。寸與熱加工條件有關(guān)。第8頁(yè)/共15頁(yè) (twin)(twin)：兩個(gè)晶體：兩個(gè)晶體( (或一個(gè)晶體的兩部分或一個(gè)晶體的兩部分) )沿一個(gè)公共晶面構(gòu)成沿一個(gè)公共晶面構(gòu)成鏡面對(duì)稱(chēng)的位向關(guān)系，這兩個(gè)晶體就稱(chēng)為鏡面對(duì)稱(chēng)的位向關(guān)系，這兩個(gè)晶體就稱(chēng)為： （coherent twin boundar

12、ycoherent twin boundary）：在孿晶面上的原子）：在孿晶面上的原子同時(shí)位于兩個(gè)晶體點(diǎn)陣的結(jié)點(diǎn)上，為兩個(gè)晶體所共有，屬于自然地完同時(shí)位于兩個(gè)晶體點(diǎn)陣的結(jié)點(diǎn)上，為兩個(gè)晶體所共有，屬于自然地完全匹配。全匹配。 ( (non-coherent twin boundarynon-coherent twin boundary）：孿晶界上只有）：孿晶界上只有部分原子為兩部分晶體所共有部分原子為兩部分晶體所共有 孿晶的形成常常與晶體中的堆垛層錯(cuò)孿晶的形成常常與晶體中的堆垛層錯(cuò)有密切關(guān)系，有密切關(guān)系，高不易形成孿晶。高不易形成孿晶。 fccfcc結(jié)構(gòu)：孿晶面為結(jié)構(gòu)：孿晶面為111 111 b

13、cc bcc結(jié)構(gòu)：孿晶面為結(jié)構(gòu)：孿晶面為112112。 、生長(zhǎng)孿晶、退火孿晶生長(zhǎng)孿晶、退火孿晶第9頁(yè)/共15頁(yè) （phase boundaryphase boundary) )：具有不同結(jié)構(gòu)的兩相之間的分界面。：具有不同結(jié)構(gòu)的兩相之間的分界面。 ：共格界面、半共格界面、非：共格界面、半共格界面、非共格界面共格界面第10頁(yè)/共15頁(yè)界面上界面上的原子同時(shí)位于兩相晶格的結(jié)的原子同時(shí)位于兩相晶格的結(jié)點(diǎn)上，即兩相的晶格是彼此銜點(diǎn)上，即兩相的晶格是彼此銜接的接的, ,界面上的原子為兩者共有。界面上的原子為兩者共有。 ：界面兩側(cè)的保持一定：界面兩側(cè)的保持一定的位向關(guān)系，沿界面兩相具有的位向關(guān)系，沿界面兩相

14、具有相同或近似的原子排列，兩相相同或近似的原子排列，兩相在界面上原子匹配得好，界面在界面上原子匹配得好，界面能很低。能很低。 理想的完全共格界面只有在理想的完全共格界面只有在孿晶面（界）。右圖分別為孿晶面（界）。右圖分別為具具有完善和彈性畸變的共格關(guān)系有完善和彈性畸變的共格關(guān)系的界面的界面第11頁(yè)/共15頁(yè) ：沿相界面每隔一定：沿相界面每隔一定距離產(chǎn)生一個(gè)刃型位錯(cuò)，除刃距離產(chǎn)生一個(gè)刃型位錯(cuò)，除刃型位錯(cuò)線(xiàn)上的原子外，其余原型位錯(cuò)線(xiàn)上的原子外，其余原子都是共格的。所以半共格界子都是共格的。所以半共格界面是由共格區(qū)和非共格區(qū)相間面是由共格區(qū)和非共格區(qū)相間組成。組成。 半共格界面上的位錯(cuò)間距半共格界面

15、上的位錯(cuò)間距取決于相界處兩相匹配晶面的取決于相界處兩相匹配晶面的錯(cuò) 配 度錯(cuò) 配 度 ( ) : ( ) : ( ( )/)/ 若兩若兩相鄰晶體在相界面處的晶面間距相差較大，則在相界面上不相鄰晶體在相界面處的晶面間距相差較大，則在相界面上不可能做到完全的一一對(duì)應(yīng)，于是在界面上將產(chǎn)生一些位錯(cuò)，可能做到完全的一一對(duì)應(yīng)，于是在界面上將產(chǎn)生一些位錯(cuò)，以降低界面的彈性應(yīng)變能，這類(lèi)界面為以降低界面的彈性應(yīng)變能，這類(lèi)界面為第12頁(yè)/共15頁(yè) 特征：原子不規(guī)則排列特征：原子不規(guī)則排列的薄層為兩相的過(guò)渡層。的薄層為兩相的過(guò)渡層。 相界能包括兩部分：彈性畸變能和化學(xué)交互作用能。彈性相界能包括兩部分：彈性畸變能和化

16、學(xué)交互作用能。彈性畸變能大小取決于錯(cuò)配度畸變能大小取決于錯(cuò)配度（misfit matchmisfit match）的大??；化學(xué)交）的大??；化學(xué)交互作用能取決于界面上原子與周?chē)拥幕瘜W(xué)鍵結(jié)合狀況。相互作用能取決于界面上原子與周?chē)拥幕瘜W(xué)鍵結(jié)合狀況。相界面結(jié)構(gòu)不同，這兩部分能量所占的比例不同。對(duì)共格相界，界面結(jié)構(gòu)不同，這兩部分能量所占的比例不同。對(duì)共格相界，界面能以應(yīng)變能為主；對(duì)于非共格相界，界面能以化學(xué)能為主界面能以應(yīng)變能為主；對(duì)于非共格相界，界面能以化學(xué)能為主且總的界面能較高。從相界能的角度來(lái)看，從共格至半共格到且總的界面能較高。從相界能的角度來(lái)看，從共格至半共格到非共格依次遞增。非共格依

17、次遞增。第13頁(yè)/共15頁(yè)1 1、各類(lèi)缺陷的定義和特征、各類(lèi)缺陷的定義和特征2 2、點(diǎn)缺陷的類(lèi)型和平衡濃度公式、點(diǎn)缺陷的類(lèi)型和平衡濃度公式3 3、線(xiàn)缺陷的類(lèi)型（刃型、螺型、混合型位錯(cuò)），刃位錯(cuò)、線(xiàn)缺陷的類(lèi)型（刃型、螺型、混合型位錯(cuò)），刃位錯(cuò)、螺位錯(cuò)和混合位錯(cuò)的判斷及其特征。螺位錯(cuò)和混合位錯(cuò)的判斷及其特征。4 4、柏氏矢量的特征，柏氏矢量與位錯(cuò)的關(guān)系、柏氏矢量的特征，柏氏矢量與位錯(cuò)的關(guān)系5 5、位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)及特性、滑移、位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)及特性、滑移、( (雙雙) )交滑移、多滑移、攀移、交滑移、多滑移、攀移、交割、割價(jià)、扭折、塞積交割、割價(jià)、扭折、塞積6 6、位錯(cuò)的應(yīng)力場(chǎng)、應(yīng)變能、線(xiàn)張力、作用在位錯(cuò)上的力、位錯(cuò)的應(yīng)力場(chǎng)、應(yīng)變能、線(xiàn)張力、作用在位錯(cuò)上的力7 7、位錯(cuò)