吉林大学材料科学基础考研第五章24

晶界能
晶界上的原子排列是不规则的，存在畸变， 从而使系统的自由能增高。
晶界能定义：形成单位面积界面时系统自由能 的变化(dF/dA)，它等于界面区单位面积的能量 减去 无界面时该区 单位面积的能量。
晶界的特性．
(1) 晶界处点阵畸变大，存在着晶界能． (2) 晶界处原子排列不规则，宏观表现为晶界强度和硬度高于
量．
比较:螺形位错的特征
螺形位错没有额外半原子面. 螺形位错线是一个具有一定宽度的细长的晶格畸变管道, 其中只有切应变,而无正应变. 位错线与滑移方向平行,位错线运动的方向与位错线垂直.
螺型位错的特征:
A.螺型位错无半原子面，原子错排是呈轴对称的． B.螺型位错可分为右旋和左旋螺型位错．
这些原始位错究竟是通过哪些 途径产生的呢？？？
晶体中的位错来源可有以下几种
• １、晶体生长过程中产生位错。其主要来源有： ①由于熔体中杂质原子在凝固过程中不均匀分布使晶体的先 后凝固部分成分不同，从而点阵常数也有差异，可能形成位错作为 过渡； ②由于温度梯度、浓度梯度、机械振动等的影响，致使生长 着的晶体偏转或弯曲引起相邻晶块之间有位相差，它们之间就会形 成位错； ③晶体生长过程中由于相邻晶粒发生碰撞或因液流冲击，以 及冷却时体积变化的热应力等原因会使晶体表面产生台阶或受力变 形而形成位错。
根据相邻晶粒之间位向差θ角的大小不同可将晶 界分为两类： • 1.小角度晶界——相邻晶粒的位向差小于10°的晶
界；亚晶界均属小角度晶界，一般小于2°；
• 2.大角度晶界——相邻晶粒的位向差大于10°的晶
界，多晶体中90％以上的晶界属于此类。
相
相界
界:
在多相组织中，具有不同晶体结构的两相之间的分界面为
• ２、由于自高温较快凝固及冷却时晶体内存在大量过饱和空位，空 位的聚集能形成位错。
• ３、晶体内部的某些界面（如第二相质点、孪晶、晶界等）和微裂 纹的附近，由于热应力和组织应力的作用，往往出现应力集中现象， 当此应力高至足以使该局部区域发生滑移时，就在该区域产生位错。
位错增殖的Frank-Read源(07)
位错的攀移 只有刃型位错才能发生攀移运动，即位错在垂直
于滑移面的方向上运动。
实质：构成刃型位错的多余半原子面的扩大或缩小， 它是通过物质迁移即原子或空位的扩散来实现的。 通常把半原子面向上运动称为正攀移，向下运动称 为负攀移 .
位错的生成
• 大多数晶体的位错密度都很大，即使精心制备 的纯单晶体中也存在许多位错。
间障原子，则称为弗仑克尔空位．
典型位错: 刃型位错 刃型位错的特征:
螺型位错【一维线性晶体缺陷】
a.刃型位错有一个半原子面． b.刃型位错可解释为晶体中以滑移区和未滑移区的分界线． （不一定是直线，但是滑移线必与滑移方向垂直）
c.滑移面必定是同时包含有位错线和滑移矢量的平面（二者垂
直，构成唯一平面），在其它面上不能滑移． d.晶体中存在刃型位错之后，位错周围的点阵发生弹性畸变， 既有切应变又有正应变． e.在位错线周围的过渡区(畸变区)每个原子具有较大的平均能
相界能包括两部分: 即弹性畸变能和化学交互作用能。
（1）弹性畸变能大小取决于错配度δ的大小； （2）化学交互作用能大小取决于界面上原子与周围原 子的化学键结合状况。 (相界面结构不同，这两部分能量所占的比例不同。如 对共格相界，由于界面上原子保持着匹配关系，故界面上 原子结合键数目不变，因此这里应变能是主要的；而对于 非共格相界，由于界面上原子的化学键数目和强度与晶内 相比发生了很大变化，故其界面能以化学能为主，而且总 的界面能较高。） 从相界能的角度来看，从共格至半共格到非共格依次递增。
混合型位错
• 晶体中已滑移区与未滑移区的边界线（即位错线）既不平 行也不垂直于滑移方向，即滑移矢量与位错线成任意角度， 这种晶体缺陷称为混合型位错。混合型位错可分解为刃型 位错分量和螺型位错分量，它们分别具有刃型位错和螺型 位错的特征。
***
重要性质：一根位错线不能终止至于晶体的内部，而 只能露头于晶体表面，若终止于内部必与位错线相连或者 在晶体的内部形成封闭曲线（位错环）。
晶内．
(3) 原子在晶界处的扩散速度比在晶内快，快乐晶界处原子偏 离平衡位置，具有较高的动能． (4) (5) 固态相变时新相易于在晶界处优先形核． 由于成分偏析和内吸附现象，晶界处易于富集杂质原子， 晶界的熔点较低，在加热过程中容易引起晶界熔化和氧 化，导致“过热” 现象的产生． (6) 晶界能量较高，原子处理不稳定的状态，由于杂质原子富
C.螺型位错线与滑移矢量平行，因此一定是直线，而且位错 线的移动方向与晶体滑移方向互相垂直．
D.螺型位错的滑移面不是唯一的，凡是包含螺型位错线的滑 移面都可以做为它的滑移面。 E.螺型位错线周围点阵也发生畸变，但是只有平行于位错线 的切应变而无正应变，不会引起体积的膨胀和收缩． F.螺型位错周围的点阵畸变随离位错线距离的增加而急剧减 少，故它也是包含几个原子宽的线缺陷．
***原因：位错线是与滑移区和未滑移区的边界。
柏氏矢量及其特征
a.柏氏矢量是一个反映位错周围点阵畸变积累的物理量．矢量的 方向表示位错的性质和位错的取向．而大小则表示畸变的程度， 称为位错强度． b.柏氏矢量与回路起点及其具体途径无关，只要不和其它位错线 相遇，不论回路怎样扩大，缩小或任意移动，由此回路确定的 柏氏矢量是唯一的，这一点称为柏氏矢量的守恒性． c.一根位错线有唯一的柏氏矢量．位错线在晶体中运动或改变方 向时，其柏氏矢量不变． d.若一个柏氏矢量为b的位错可以分解为几个柏氏矢量的位错，则 分解后各柏氏矢量之和等于原位错的柏氏矢量．若有数个位错 线交于一点，则指向结点的各位错线的柏氏矢量之和应等于离 开结点的各位错线的柏氏矢量之和． e.位错有连续性．不能中断于晶体内部．可以形成位错环或终止 于晶界等．
晶 粒 晶 粒:
晶 界:
晶 界
合 金
固溶体
组成多晶体的基本单位叫晶粒.
晶体结构相同但位向不同的晶粒之间的界面称为晶粒间界， 或简称晶界。每个晶粒内的原子排列总体上是规整的，但还 存在许多位向差极小的亚结构，称为亚晶粒。亚晶粒之间的 界面叫亚晶界。
合 金:
合金是指由两种或两种以上的金属或金属与非金属经熔 炼,烧结或其他方法组合而成并具有金属特性的物质.组成合 金的基本的,独立的特质称为组元.
集，晶界的腐蚀速度较快．
本章重点内容
1.刃型位错,螺型位错的特点. 2. 柏氏矢量及其特征 3. 晶界的特性
本章重点内容
1.刃型位错,螺型位错的特点.
2.柏氏矢量及其特征.
3.晶 粒,晶 界,合 金,固溶体.
4 位错的生成和攀移.
5.晶界能.
6.晶界的特性. 7.弗兰克-瑞德位错源增殖机制.
金属中的缺陷
点缺陷: 点缺陷是最简单的晶体缺陷,它是在结点上或邻近的微观
区域内偏离晶体结构正常排列的一种缺陷.包括空位,间隙原 子,杂质或溶质原子.其特征是在三维空间各个方向上尺寸都 很小,故称为零维缺陷. 点缺陷与温度密切相关所以也称为热缺陷。 在晶体中，晶格中的原子由于热振动能量的涨落而脱离格
• 三种类型位错的矢量图解法
位错的滑移
位错的滑移是在外加切应力作用下，通过位错中心附 近的原子沿柏氏矢量方向在滑移面上不断地作少量位 移（小于一个原子间距）而逐步实现的。
螺型位错的双交滑移及增殖模型说明：
对于螺型位错，由于所有包含位错线的晶面都可以成 为它的滑移面，因此当某一螺型位错在原滑移面上运 动受阻时，有可能从原滑移面转移到与之相交的另一 滑移面上继续滑移，这一过程称为交滑移。 如果交滑移后的位错再转回和原滑移面平行的滑移面 上继续运动，则称为双交滑移。
点移动到晶体表面的正常格点位置上，在原来的格点位置留
下空位。这种空位称为肖脱基缺陷。如果脱离格点的原子跑 到邻近的原子空隙形成间隙原子，这种缺陷称为弗伦克耳缺
陷。
金属中的缺陷
线缺陷: 其特征是在两个方向上尺寸都很小,另外一个方 向上延伸较长,也称为一维缺陷.包括各类位错. 面缺陷: 其特征是在一个方向上尺寸很小,另外两个方向 上扩展很大,也称二维缺陷.包括表面,晶界,亚晶 界等.
• 图中刃型位错AB的两端被位错网点钉住不能运动。若 沿柏氏矢量b方向施加一切应力，使位错沿滑移面向前 滑移运动。由于AB两端固定，所以位错线只能发生弯 曲。而单位长度位错线所受的滑移力Fd=τb,它总是与位 错线本身垂直，所以弯曲后的位错每一小段继续受到τb 的作用沿它的法线方向向外扩展，其两端则分别绕节点 A，B发生回转。当两端弯出来的线段相互靠近时，由 于该两线段平行于柏氏矢量b，但位错线方向却相反， 分别属于左螺和右螺位错，因此会互相抵消，形成一闭 合的位错环以及位错环内的一小段弯曲位错线。只要外 加应力继续作用，位错环便继续向外扩张同时环内的弯 曲位错在线张力作用下又被拉直，恢复原始状态并重复 以前的运动，这样源源不断地产生新的位错环，从而造 成位错的增殖。
点缺陷（空位，间隙原子）
空 位： 肖特基空位 弗仑克尔空位
当某一原子具有足够大的振动能而使振幅增大到一定限度时，就
可能克服周围原子对它的制约作用，跳离其原来的位置使点阵中形 成空结点，称为空位． 当原子迁移到晶体表面或内表面的正常结点位置上，而使晶体内 部留阵的间隙位置，而在晶体中形成数目相等的空位和
表面与界面
•
晶体材料中存在着许多界面，如（外）表面与内界面等。 界面通常包含几个原子层厚的区域，该区域内的原子排列 甚至化学成分往往不同于晶体内部，又因其在三维空间表 现为一个方向上尺寸很小，另外两个方向上尺寸较大，故 称为面缺陷。
•
表面是指固体材料与气体或液体的分界面；而内界面包 括晶界、孪晶界、亚晶界、相界及层错等。
相界的结构有三类：共格界面, 半共格界面和非共格界面 界面上的原子同时位于两相晶格的结点上，为两种晶格 所共有的界面称为共格界面。 界面上的两相原子部分地保持着对应关系的界面称为 半 共格相界面,其特征是在相界面上每隔一定距离就存在一个
刃型位错。
当两相在相界面处的原子排列相差很大时，即δ很大时， 只能形成非共格界面 .