(完整版)2.第二章晶体的界面结构

2.2 小角晶界
一 、 小 角 度 晶 界 （ small angle grain boundary）
晶界的结构和性质与相 邻晶粒的取向差有关，
➢ 当 取 向 差 θ 小 于 10~15o 时 ， 称为小角度晶界。
➢ 当 取 向 差 θ 大 于 10~15o 时 ， 称为大角度晶界
• 根据形成晶界时的操作不 同，晶界分为
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相界
半共格相界上位错间距取决于相界处两相匹配晶 面的错配度。错配度定义为
• 具有不同结构的两相之间的分界面称为“相界”。 • 按结构特点，相界面可分为：
➢ 共格相界 ➢ 半共格相界 ➢ 非共格相界
式中a 和b分别表示相界面两侧的 相和相
1．共格相界
的点阵常数，且a ＞a 。
所谓"共格"是指界面上的原子➢同时< 位0.0于5 两相晶--格---的- 共结格点界上面，即两相的晶格是
相界
具有不同结构的两相之间的分界面称为"相界"。按结 构特点，相界面可分为共格相界、半共格相界和非共格相 界三种类型。
错配度定义为
式中a 和b分别表示相界面两侧的 相和相的点阵常数，且
a ＞a 。
由此可求得位错间距D为D=αα/δ当δ很小时，D很大，α和β 相在相界面上趋于共格，即成为共格相界； 当δ很大时，D很小，α和β相在相界面上完全失配，即成为 非共格相界，
第二章 晶体的界面结构
2.1 晶界与相界的概念
孪晶界与相界
1）孪晶界 两晶粒沿公共晶面形成镜面 对称关系
2）相界
相邻两相之间的界面
3）分类
孪晶界(相界)点阵完全重
合——共格
孪晶界(相界)点阵基本重 合——部分共格+位错——
半共格
孪晶界(相界)点阵完全不重
合——非共格
4
孪晶界
孪晶是指两个晶体(或一个晶体的两部分)沿一个公共晶 面构成镜面对称的位向关系，这两个晶体就称为“孪晶 (twin)”，此公共晶面就称孪晶面
2.2 小角晶界
二、晶界自由度 • 二维晶界------有两个自由度
➢ 位相角：θ（旋转角） ➢ 方向角：φ（晶界与另一晶粒的位相角）
2.2 小角晶界
二、晶界自由度 • 三维晶界------有5个自由度
➢ 位相角：θ1 ，θ2， θ 3（三个相邻晶粒的旋转角） ➢ 方向角：φ1 ，φ2 （晶界与另一晶粒的位相角）
➢ 倾斜晶界（tilt boundary）
➢ 扭 转 晶 界 （ twist
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boundary）
2.2 小角晶界
一、小角度晶界（small angle grain boundary） • 根据形成晶界时的操作不同，晶界分为
➢倾斜晶界（tilt boundary） ➢扭转晶界（twist boundary）
出的。 • 晶界点阵缺陷模型：1949年葛庭燧用内耗法研究了纯Al, Cu和Fe等晶界滑移激
活能，证明晶界滑移激活能与内扩散激活能几乎相等。因此提出了晶界上存在 大量空为及间隙原子等点阵缺陷。 • 位错模型：
– 1952年Chalmers提出大角晶界石位错交错排列的结果； – 1952年Smoluchowsky提出了晶界是有一些位错团组成的； – 1961年李政民提出晶界是由一系列密排列的位错而成的板状结构。
பைடு நூலகம்
彼此衔接的，界面上的原子为两者➢共0.0有5<。但<0是.2理5 想--的----完半全共共格格界界面面，只有在孪晶
界，且孪晶界即为孪晶面时才可能➢存>在0.。25
------ 非共格界面
2．半共格相界 若两相邻晶体在相界面处的晶面间距相差较大，则在相界面上不可能做到完
全的-一对应，于是在界面上将产生一些位错，以降低界面的弹性应变能，这时 界面上两相原子部分地保持匹配，这样的界面称为半共格界面或部分共格界面。
•对称倾斜晶界模型
2.2 小角晶界
不对称倾斜晶界
晶界面在（hkl）上，有 两组刃型位错组成，布氏矢 量分别是[100]，[010]，晶 界AC,两组位错间距
D
b
sin
b
D c os
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•不对称晶界模型
2.2 小角晶界
扭转晶界
➢ 扭转晶界的特点是旋转轴与晶界面垂直。 ➢ 晶界面是（001），旋转轴[001] ➢ 晶界面由两组螺型位错组成网络，一组平行于[100]，另一组平行
• 现代研究：
– 用计算机模拟晶界上的原子排列 – 用实验的方法直接观察晶界上原子排列情况
葛庭燧（1913～2000）， 1941年 赴 美 国 留 学 ， 入 加 利福尼亚大学物理系。 1943年 获 博 士 学 位 。 先 后 在麻省理工学院光谱实验室 和辐射实验室、芝加哥大学 金属研究所任研究员。他最 突出的贡献是在低频内耗与 晶体缺陷方面的研究，是内 耗这一领域的创始人之一。 回国后，历任中国科学院合 肥分院副院长、固体物理研 究所所长等。他还在金属物 理方面做了大量工作
动画
2.2 小角晶界
• 最简单的小角度晶界是对称倾斜晶 界（symmetrical tilt boundary）， 这种晶界的结构是由一系列平行等距 离排列的同号刃位错所构成。
• 位错间距离D、伯氏矢量b与取向 差θ之间满足下列关系
•
b sin 2 ;
2D
D
b 2sin
b
2
由上式知，当θ小时，位错间距较 大， •若b=0.25nm，θ=1o，则D=14nm； •若θ＞10o，则位错间距太近，位错模 型不再适应。
2.2 小角晶界
三、小角度晶界的位错模型
简 单 立 方 结 构 晶 体 中 界 面 为 （ 100 ） 面 的 倾 斜 晶 界 在 （ 001 ） 面上的投影，其两侧晶体的位向 差为θ，相当于相邻晶粒绕[001] 轴反向各自旋转θ/2而成。 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 位错线平行。 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 接近原来的完整晶格，每隔几行 就插入一片原子。
完全共格相界
弹性畸变共格相界
半共格相界
非共格相界
2.1 晶体界面的发展
晶界（相界）：多晶体中个晶粒之间的交界。
• 非晶体粘合物学术：晶体是由非晶粘合物构成。（20世纪初） • 点阵过渡学说：1929年Hargeacave和Hills提出，晶界上的原子是由相邻晶粒
的位相所决定的。 • 大角晶界结构岛状模型：1948年Mott,在解释高温蠕变时晶界的滑移和迁移时提