晶体缺陷【材料科学基础】

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大角度晶界
¾ ¾ 9 9
大角度晶界的结构较复杂，其中原子排列较不规则。 有关大角度晶界的结构，人们曾提出许多模型： 早期：认为晶界是由一层很薄（几个原子间距）的非晶 质组成。 后来： 过渡结构模型：晶界原子分布同时受两相邻晶粒位向的 影响，处于折中位置。 小岛结构模型：晶界中的一部分原子与其相邻两边界的 点阵匹配排列，成为好区；有的部分（岛屿）原子排列 较混乱，成为坏区。好区与坏区交替相间组成晶界。

相界能低（畸变非常小）。
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半共格相界
定义：两相结构相近而原子 间距相差较大，在相界面上 出现了一些刃位错。（界面 上两相原子部分匹配） 相界能较高（有畸变）。相 界面上的原子共格关系主要 通过一组刃位错调整和维持。

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半共格相界上位错间距D取决于相界处两相匹配晶 面的错配度（δ） 。 相界两侧原子的不匹配程度
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晶界的性质
晶界能：形成单位面积晶界时所增加的能量。 ¾ 小角度晶界的晶界能： 小角度晶界的能量主要来自位错能量（形成位错的 能量和将位错排成有关组态所作的功），而位错密 度又决定于晶粒间的位向差，所以，小角度晶界能 也和位向差有关：

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可见，小角度晶界的界面能随位向差增加而增大。
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大角度晶界的晶界能： 9 基本恒定，约在0.25~1.0J/m2范围内，与晶粒 之间的位向差无关。 9 晶界能可以界面张力的形式来表现，且可以通过界 面交角的测定求出它的相对值。三个晶粒相交于一 点，界面张力达到平衡时：
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界面结构：溶质原子在大角度晶界中偏聚严重。
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¾ ¾ ¾ ¾ ¾
晶界的其它特性： 晶界的扩散激活能约为晶内的一半，晶界处原子的 扩散速度比在晶内快得多。 随温度升高，保温时间延长，晶界发生迁移，晶粒 要长大，晶界平直化；晶界可能熔化（过烧）。 新相易在晶界处优先形核（晶界能量高，原子活动 能力大）。 晶界具有较低的抗腐蚀能力。 晶界阻碍位错运动，使金属具有较高的塑变抗力。
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根据相邻晶粒之间位向差 的不同可将晶界分为两类：
小角度晶界：θ<10°；亚 晶界均属小角度晶界，一般 小于2º ； 大角度晶界：θ>10°；多 晶体中90％以上的晶界属于 大角度晶界。

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小角度晶界
按照相邻亚晶粒之间位向差的不同，可将小角度晶 界分为倾斜晶界、扭转晶界和重合晶界等，其结构 可用相应的模型来描述。 （1）对称倾斜晶界 ¾ 形成：两晶粒相对于晶界对称，各转(1/2)θ角。 ¾ 结构：由一系列刃位错垂直排列而成。
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1—理论强度； 2—晶须强度； 3—未强化的纯金属强度； 4—合金化、加工硬化或热 处理的合金强度
晶体强度与晶体缺陷数量的关系
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共格孪晶界 非共格孪晶界

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共格孪晶界
孪晶面上的原子同时位于两侧晶体点阵的结点上， 为两者所共有。 界面能最低（原子几乎不发生错排和畸变）。

非共格孪晶界
如果孪晶界相对于孪晶面旋转一角度，即可得到非 共格孪晶界。孪晶面上只有部分原子为两部分晶体 所共有。 原子错排较严重，界面能较高。
第三节 表面及界面
研究表面与界面的意义
界面是构成晶态固体组织的重要组成部分；是二维 晶体缺陷。 界面结构不同于晶体内部，因而有很多重要的不同 于晶体内部的性质，影响晶体的一系列物理化学过 程，且对晶体整体性能也具有重要影响。 界面是现代材料科学中一个活跃的课题。

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界面：如果金属晶体中两个相邻部分的取向、 结构、成分或点阵常数不同，在它们的接触 处将形成界面。也称为面缺陷。 界面包括：
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图中：在二维正方 点阵中，两相邻晶 粒的位向差为 37°时（相当于 绕某固定轴旋转 37°） ，设想两 晶粒点阵彼此向对 方延伸，则其中的 一些原子将出现有 规律的相互重合。 根据该模型：大角度晶界结构中将存在一定数量重合位置 点阵的原子，晶界上重合位置越多，原子排列的畸变程度 越小，则晶界能越低。所以，晶界总是和重合位置点阵的 18 密排面或较密排面重合。
外表面：是指晶体与其它介质相接触的界面； 内界面：可分为晶界、亚晶界、孪晶界、层错、 界。

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一.晶体的表面与表面能
晶体外表面：晶体与空气或液体接触的界面。
晶体表面原子排列情况与晶内不同，表面原子会偏 离其正常的平衡位置，并影响到邻近的几层原子， 造成表层点阵畸变，使其能量比内部原子高，这几 层高能量的原子层称为表面。
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重合位置密度：重合位置点阵的阵点数与原有点阵 的阵点总数的比。例如：重合位置密度为1/5，则 表示每5个原子中就有一个重合位置。 注意：不能用重合位置点阵来解释任意取向的大角度晶
界（许多特殊取向的晶粒可出现重合位置点阵）。
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需要对此模型进行补充：如果两晶粒位向差不符合 一些特殊取向，需要在晶界上引入一重合点阵的位 错，把这种晶界看成是重合位置点阵所构成的小角 度晶界。调整重合位置点阵位错密度，可以调整两 晶粒的位向差，就解释了大部分任意取向的大角度 晶界。

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¾
结构：两组柏氏矢量相互垂 直的刃位错b┻ 、b├交错排 列而构成。 两组刃位错各自的间距：
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（3）扭转晶界 ¾ 可看成是两部分晶体绕某一轴在一个共同的晶面上 相对扭转一个 θ角所构成的，扭转轴垂直于这一共 同的晶面。
¾
结构：由两组交叉的螺型位错网络所构成。
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扭转晶界位错模型
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亚晶界
一个晶粒内部位向差很小 的亚晶之间的界面。 亚晶界属于小角度晶界； 能量高于晶内；是溶质原 子聚集地和第二相优先析 出地点；可阻碍位错运 动，亚晶细化使金属强度 提高。

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三.孪晶界
孪晶：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”，此公共晶面就称 孪晶面。 孪晶界：孪晶之间的界面。 孪晶界可分为两类：
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二.晶界和亚晶界
晶界：属于同一固相，但位向不同的晶粒之 间的界面称为晶界，它是一种内界面。 亚晶界：每个晶粒有时又由若干个位向稍有 差异的亚晶粒所组成，相邻亚晶粒间的界面 称为亚晶界。 晶粒边界的相对几何位置取决于：
两晶粒点阵的位向差θ角； 晶界相对于一个点阵的位向差 φ角（相同的θ角，由于φ角 不同将呈现不同的晶界位置）。
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产生原因：由于溶质原子的尺寸与溶剂原子有较大 差别，当溶质原子处于晶粒内部时会产生很大的畸 变能；如果处于晶界上，则由于晶界原子排列不规 则，空隙较大，溶质原子聚集在晶界上会导致整个 系统应变能减少，降低晶界能。 ¾ 驱动力：溶质原子在晶粒内与晶界的能量差△E， 产生一个作用在溶质原子而指向界面的力，使其在 界面富集。
表面能：晶体表面单位面积自由能的增加称 为表面能 （J/m2），也可理解为产生单位 面积新表面所作的功。
dW为产生dS表面所作的功
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表面能与表面张力具有相同的量纲，对同一晶体 表面，两者的数值相同。 晶体表面能主要来自表面与内部原子配位的差异 所造成的结合键的差异。 表面能与晶体表面原子排列致密程度有关，原子 密排的表面具有最小的表面能。所以自由晶体暴 露在外的表面通常是低表面能的原子密排晶面。 曲率越大，表面能越大。
αα和αβ分别表示相界面两侧的α相和β相 的点阵常数，且αα> αβ。
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非共格相界
定义：两相原子在相界面上无任何匹配关系的相界。 相界能高。

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提高金属材料强度的基本途径：
¾ ¾ ¾ ¾
尽量减少金属中的缺陷：制造无位错的金属和合金 晶须和单晶。 增加晶体中的缺陷： 增加异类原子的固溶强化和第二相强化； 增加位错密度的冷加工硬化； 改变组织结构的热处理强化； 增加晶界的细晶强化等。
¾
若取其中某一晶界能作为基准，通 过测量界面角可求得其它晶界的相 对晶界能。
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9
在平衡状态下：三叉晶界的各面角趋向于120° 时，各晶粒之间的晶界能基本相等，晶粒最稳定。
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¾
晶界偏聚（平衡偏聚）——又称晶界内吸附
定义：在平衡条件下，晶界和晶内成分不均匀的现 象（杂质原子或溶质原子在晶界处聚集，使晶界处 浓度远高于晶粒内部的现象）。 ¾ 平衡偏聚不能借助于扩散均匀化退火消除。而非平 衡的偏聚可以通过退火消除。
¾
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影响因素： 9 成分：不同合金系统，晶界偏聚程度不同。 • 对任一给定的溶质原子，晶界偏聚与溶质原子浓度 成正比； • 溶质原子的极限溶解度越小，晶界偏聚越严重。 9 加入第三种元素：可减弱或增强偏聚速率和程度。
¾
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9
温度：若溶质原子在晶内的浓度为Co，在晶界的 浓度为C，则存在：
此式为晶界内吸附方程： 随温度升高，晶界浓度降低，溶质原子偏聚分布 不均匀性得到改善； 晶内溶质原子浓度越高，晶界溶质原子浓度也越 高；

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孪晶的形成与堆垛层错有密切关系
例如，面心立方晶体在{111}面上的堆垛层错就 形成共格孪晶。
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四.相界
相界：具有不同结构的两相之间的分界面称 为“相界”。 按结构特点相界面三种类型，可分为：
共格相界 半共格相界 非共格相界

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共格相界
所谓“共格”是指界面上的 原子同时位于两相晶格的结 点上。（匹配最好） 理想的完全共格界面，只有 在孪晶界，且孪晶界即为孪 晶面时才可能存在。
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¾
晶界中位错的间距D与位向差、柏氏矢量的关系：
9 9 9
θ减小，D增高；位错密度降低。 θ增高，D减小；位错密度增大。 该模型适用：θ 较小的情况。
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（2）非对称倾斜晶界 ¾ 如果倾斜晶界的界面绕x轴 转了一个角度ϕ ，则此时两 晶粒之间的位向差仍为θ 角，但此时晶界的界面对于 两个晶粒是不对称的，称为 不对称倾斜晶界。
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•
•
晶界上既含有不属于任一晶 粒的原子A，也含有同时属于 两个晶粒的原子D；既有受压 缩的区域B，也有受拉伸的区 域 C。 原因：晶界上的原子同时受 到位向不同的两个晶粒中原 子的作用所致。
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¾
近年： 重合位置点阵模型：将两晶粒的点阵分别向空间延 伸，使其相互穿插，则其中有些点阵会出现相互重 合。这些重合位置的点阵构成了一个新的空间点 阵——重合位置点阵。该模型得到了实验验证。