材料科学基础课件：3.4面缺陷.ppt

1、2.4 面缺陷面缺陷 （surface defects） 面缺陷面缺陷是将材料分成若干区域的边界，如表面、是将材料分成若干区域的边界，如表面、晶界、界面、层错、孪晶面等。晶界、界面、层错、孪晶面等。 一、晶界（位错界面）一、晶界（位错界面） （一）小角度晶界（一）小角度晶界（small angle grainboundary）（二）大角度晶界（二）大角度晶界（large angle grainboundary）二、堆积层错二、堆积层错三、反映孪晶界面三、反映孪晶界面 一、晶界（位错界面）一、晶界（位错界面）（一）小角度晶（一）小角度晶界（界（small angle grain boundary

2、） 晶界的结构和性质与相邻晶粒的取向差有关，当晶界的结构和性质与相邻晶粒的取向差有关，当取向差取向差小于小于1015o时，称为小角度晶界。时，称为小角度晶界。 根据形成晶界时的根据形成晶界时的操作操作不同，晶界分为倾斜晶界不同，晶界分为倾斜晶界（tilt boundary）和扭转晶界）和扭转晶界（twist boundary），）， 如如图图2-18所示。所示。图图2-18 倾斜晶界与扭转晶界示意图倾斜晶界与扭转晶界示意图倾斜晶界又包括对称倾斜晶界和不对称倾斜晶界倾斜晶界又包括对称倾斜晶界和不对称倾斜晶界下面先以简单立方晶体为例下面先以简单立方晶体为例讨论讨论简单立方结构晶体的简单立方结构晶体

3、的对称倾斜晶界对称倾斜晶界倾斜晶界为（倾斜晶界为（100）面（晶界）。）面（晶界）。投影面为（投影面为（001）面。）面。两侧晶体的位向差两侧晶体的位向差为为，相当于相，相当于相邻晶粒绕邻晶粒绕001轴反向各自旋转轴反向各自旋转/2而成。转轴是而成。转轴是001几何特征是相邻两晶粒相对于晶界几何特征是相邻两晶粒相对于晶界作旋转，转轴在晶界内并与位错线作旋转，转轴在晶界内并与位错线平行。平行。为了填补相邻两个晶粒取向之间的为了填补相邻两个晶粒取向之间的偏差，使原子的排列尽可能接近原偏差，使原子的排列尽可能接近原来的完整晶格，每隔几行就插入一来的完整晶格，每隔几行就插入一片原子。片原子。 图图2-

4、19 简单立方晶体中的简单立方晶体中的对称倾斜晶界对称倾斜晶界 对称倾斜晶界对称倾斜晶界是最简单的小角度晶界是最简单的小角度晶界（symmetrical tilt boundary），），这种晶界的结构特点是由这种晶界的结构特点是由一系列平行等距离排列的一系列平行等距离排列的同号刃位错同号刃位错所构成。所构成。位错间距离位错间距离D、伯氏矢量、伯氏矢量b与取向差与取向差之间满足下列关系之间满足下列关系 由上式知由上式知，当，当小时，位错间距较大，若小时，位错间距较大，若b=0.25nm，=1o，则，则D=14nm；若；若10o，则位错间距太近，位错模型不再适应，则位错间距太近，位错模型不再适应

5、。 bbDDb2sin2 ;22sin结构特点是：结构特点是：由两组相互垂直的刃位错所组成。由两组相互垂直的刃位错所组成。简单立方晶体中的不对称倾斜晶界简单立方晶体中的不对称倾斜晶界形成：形成：界面是绕界面是绕001轴旋转角度轴旋转角度的任意面，的任意面，相邻两晶粒的取向差仍是很小的相邻两晶粒的取向差仍是很小的角，角，但界面两侧晶粒是不对称的。但界面两侧晶粒是不对称的。界面与左侧晶粒界面与左侧晶粒 轴向夹角为轴向夹角为-/2，与右侧晶粒的与右侧晶粒的100成成+/2 001晶界平面是任意面晶界平面是任意面转轴是转轴是001简单立方晶体扭转晶界简单立方晶体扭转晶界旋转旋转角角 晶面平面是（晶面平

6、面是（001）面，转轴是）面，转轴是001 两者互相垂直两者互相垂直结构特点：结构特点：晶界是由两组相互垂直的螺位错构成的网络晶界是由两组相互垂直的螺位错构成的网络 形成：扭转后，为了降低原子错排引起的形成：扭转后，为了降低原子错排引起的能量增加，晶面内的原子会适当位移以确能量增加，晶面内的原子会适当位移以确保尽可能多的原子恢复到平衡位置（此即保尽可能多的原子恢复到平衡位置（此即结构弛豫），不能回到平衡位置的，最后结构弛豫），不能回到平衡位置的，最后形成两组相互垂直分布的螺位错。形成两组相互垂直分布的螺位错。推广：一般的小角度晶界，其旋转轴和界面可以有任意的取向关系，因推广：一般的小角度晶界，

7、其旋转轴和界面可以有任意的取向关系，因此结构特点是由刃位错、螺位错或混合位错组成的二维位错网所组成。此结构特点是由刃位错、螺位错或混合位错组成的二维位错网所组成。 此为小角度晶界的位错模型此为小角度晶界的位错模型 （二）大角度晶界（二）大角度晶界（large angle grainboundary） 实验研究（如场离子显微镜观察）表明，大角度晶界两实验研究（如场离子显微镜观察）表明，大角度晶界两侧晶粒的取向差较大，但其过渡区却很窄（仅有几个埃），侧晶粒的取向差较大，但其过渡区却很窄（仅有几个埃），其中原子排列在多数情况下很不规则，少数情况下有一定的其中原子排列在多数情况下很不规则，少数情况下有

8、一定的规律性，因此规律性，因此很难用位错模型很难用位错模型来描述。一般大角度晶界的界来描述。一般大角度晶界的界面能大致面能大致在在0.50.6J/m2左右，与相邻晶粒的取向差无关。左右，与相邻晶粒的取向差无关。但也有些但也有些特殊取向的大角度晶界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，为了解释这些特殊晶界的性质，提大角度晶界的界面能低，为了解释这些特殊晶界的性质，提出了出了大角度晶界的重合位置点阵（大角度晶界的重合位置点阵（coincidence site lattice 即即CSL）模型，）模型，O点阵模型，点阵模型，DSC点阵模型点阵模型等

9、。等。 大角度晶界的重合位置点阵模型大角度晶界的重合位置点阵模型假设两个点阵假设两个点阵1和和2，作相对平移或旋转，作相对平移或旋转，当达到某一特定位置时，其中有些阵点当达到某一特定位置时，其中有些阵点相互重合。这些重合位置的阵点所构成相互重合。这些重合位置的阵点所构成的超点阵，称为重合位置点阵。的超点阵，称为重合位置点阵。 简单立方点阵简单立方点阵相对于相对于001轴旋转轴旋转=28.1度度的（的（001）面原子的排列图）面原子的排列图 用重合位置点阵模型描述大角度晶界：用重合位置点阵模型描述大角度晶界：大角度晶界总是处于重合位置点阵的大角度晶界总是处于重合位置点阵的密排面上，如果有一小角度

10、差时，在密排面上，如果有一小角度差时，在晶界上会产生台阶或坎，以使两者有晶界上会产生台阶或坎，以使两者有最大的重合面积。最大的重合面积。晶界对材料性能的影响晶界对材料性能的影响多晶的强化与结构因素多晶的强化与结构因素问题的提出：实际使用的金属材料绝大多数是多晶材料问题的提出：实际使用的金属材料绝大多数是多晶材料因为：多晶体的屈服强度明显地高于同样组成的单晶体，因为：多晶体的屈服强度明显地高于同样组成的单晶体，同一种多晶体材料中，晶粒越细，屈服强度越高。同一种多晶体材料中，晶粒越细，屈服强度越高。 原因解释：屈服强度高，说明晶体中位错滑移的启动较困难。原因解释：屈服强度高，说明晶体中位错滑移的启

11、动较困难。位错运动的阻力增加来自两个方面：位错运动的阻力增加来自两个方面：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。与晶粒内部相比，晶界上原子排列紊乱、其二，晶界本身的阻力。与晶粒内部相比，晶界上原子排列紊乱、不规则，伯氏矢量大，使滑移的临界分切应力增加；同时杂质原子不规则，伯氏矢量大，使滑移的临界分切应力增加；同时杂质原子在晶界的偏聚或形成第二相颗粒沉积在晶界上，都会阻碍位错运动。在晶界的偏聚或形成第二相颗粒沉积在晶界上，都会阻碍位错运动。晶界对材料性能的影响晶界对材料性能的影响位错塞积解释细晶强化位错塞积解释细晶强化问题的提出：同一种多晶体材料中

12、，晶粒越细，屈服强度越高。问题的提出：同一种多晶体材料中，晶粒越细，屈服强度越高。 解释：晶体强化机制的实质就是阻止晶体中位错的运动。解释：晶体强化机制的实质就是阻止晶体中位错的运动。 位错塞积位错塞积 晶粒越小，塞积的位错越多。晶粒越小，塞积的位错越多。二、堆积层错二、堆积层错 堆垛层错堆垛层错(以下简称层错以下简称层错),就是指正常堆垛顺序中引就是指正常堆垛顺序中引入不正常顺序堆垛的原子面而产生的一类面缺陷。入不正常顺序堆垛的原子面而产生的一类面缺陷。 以面心立方结构为例以面心立方结构为例,当正常层序中抽走一原子层当正常层序中抽走一原子层, 相应位置出现一个逆顺序堆相应位置出现一个逆顺序堆

13、层层ABCACABC称称抽出型抽出型(或内禀或内禀)层错；如果正常层序中插入一原子层，层错；如果正常层序中插入一原子层，如如图图2-20(b)所示，相应位置出现两个逆顺序所示，相应位置出现两个逆顺序堆堆层层ABCACBCAB称插入型称插入型(或外禀或外禀)层错。层错。图图2-20 面心立方晶体中的抽出型层错面心立方晶体中的抽出型层错(a) 和插入和插入型层错型层错(b) 这种结构变化，并不改变层错处原子最近邻的关系这种结构变化，并不改变层错处原子最近邻的关系(包括配位数、包括配位数、键长、键角键长、键角)，只改变次邻近关系，几乎不产生畸变，所引起的畸变，只改变次邻近关系，几乎不产生畸变，所引起

14、的畸变能很小。因而，层错是一种低能量的界面。能很小。因而，层错是一种低能量的界面。三、反映孪晶界面三、反映孪晶界面 面心立方结构的晶体中的正常堆垛方式是六方密面心立方结构的晶体中的正常堆垛方式是六方密排面排面作作的完全顺顺序堆的完全顺顺序堆垛（或与此等价，作垛（或与此等价，作完全逆顺完全逆顺序堆垛）。如果从某一层起全部变为逆时针堆垛，序堆垛）。如果从某一层起全部变为逆时针堆垛，例如例如，则这一原子面成，则这一原子面成为一个反映面，两侧晶体以此面成镜面对称（见为一个反映面，两侧晶体以此面成镜面对称（见图图2-21）。这两部分晶体成孪晶关系，由于两者具有）。这两部分晶体成孪晶关系，由于两者具有反映关系，称反映孪晶，该晶面称孪晶界面。反映关系，称反映孪晶，该晶面称孪晶界面。 图图2-21 面心立方晶体中面心立方晶体中111面面反映孪晶的反映孪晶的110投影投影图图 沿着孪晶界面，孪晶的两沿着孪晶界面，孪晶的两部分完全密合，最近邻关部分完全密合，最近邻关系不发生任何改变，只有系不发生任何改变，只有次近邻关系才有变化，引次近邻关系才有变化，引入的原子错排很小，称共入的原子错排很小，称共格孪晶界面。孪晶界面的格孪晶界面。孪晶界面的能量约为层错能之半。能量约为层错能之半。