材料科学基础 第三章 晶体缺陷 (七)

面缺陷类型：
表面(crystal surface)：固体材料与气体或液体的分界面 内界面(interface)：晶界、亚晶界、孪晶界、相界、层错 晶界(grain boundaries)：位向不同的相邻晶粒之间的界面。 亚晶界(sub-boundaries)：晶粒又可分为更小的亚晶粒。一般 晶粒尺寸为 15~25μm。亚晶粒尺寸为 1μm。亚晶粒之间的界
单晶体：其内部晶格方位完全一致的晶体。 多晶体：由许多彼此方位不同、外形不规则 的小晶体组成的晶体结构。 这些小晶体称之为晶粒。 晶粒平均直径: 0.015-0.25mm
晶 粒 示 意 图
光学显微镜下纯铁组织
多晶体示意图
3.3.2 晶界和亚晶界
晶界(grain boundary)：属于同一固相但位向不同的 晶粒之间的界面称为晶界(grain boundary)。
3.3.1 外 表 面
影响γ的因素：
(1)
γ与晶体表面原子排列的致密程度有关。原子密 排的表面具有最小的表面能。
(2) γ还与晶体表面曲率有关。曲率半径小,曲率大,γ愈 大。 (3) 外部质的性质。介质不同,则γ不同。
(4) 还与晶体性质有关。晶体本身结合能高，则γ大。
3.3.2 晶界和亚晶界
晶体 结构
旋转轴 [100] [110] [110] [110] [111] [111] [100] [110] [111] [111]
根据晶界两侧晶粒位相差的不同可分为小角度晶界和 大角度晶界。亚晶界属于小角度晶界。
图 晶界与亚晶界示意图
3.3.2 晶界和亚晶界
确定晶界位置用：二维点阵中晶界位置可用 两个晶粒的位向差 θ和晶界相对于一个点阵某 一平面的夹角 φ来确定。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： 按θ的大小分类： 小角度晶界θ<10º 大角度晶界θ>10º
亚晶界(subgrain boundary) ：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(sub-grain boundary)。
在晶粒内部还存在许多位向差极小（<1º ）的亚结构，称为亚晶粒
晶粒的平均直径通常在 0.015—0.25mm 范围内，而 亚晶粒的平均直径则通常为0.001mm的范围内。
从原子结合的角度看，晶体表面结构的主要特点是存 在着不饱和键力及范德瓦耳斯力。不论是金属晶体、离子 晶体或者是共价晶体，由于表面原子的近邻原子数减少， 其相应的结合键数也减少，或者说，结合键尚未饱和，因 此表面原子有强烈的倾向与环境中的原子或分子相互作用， 发生电子交换，使结合键趋于饱和。
晶体表面的范德瓦耳斯力可以作如下理解：晶体表层 原子在不均匀力场作用下会偏离其平衡位置而移向晶体内 部，但是正、负离子(或正、负电荷)偏离的程度不同，结 果在晶体表面或多或少地产生了双电层。
图 离子晶体表面的双电层
3.3.1 外 表 面
表面 (crystal surface)
偏离平衡位置的并造成表层点阵畸变的且影响到邻 近的能量比内部高的几层高能量的原子层。
表面能(γ）：晶体表面单位面积自由能的增加
dW dS
T L
被割断的结合键数目 能量 形成单位新表面 每个键
2、 大角度晶界
大角度晶界（high angle grain boundaries ）为 原子呈不规则排列的一过渡层。大多数晶粒之 间的晶界都属于大角度晶界。
重合位置点阵（coincidence site lattice）模型： 图 3.65 ， 该模型说明，在大角度晶界结构中将 存在一定数量重合点阵原子。

2
， 很小，b / D
对称倾侧晶界
(2)不对称倾斜界面：两晶粒不以二者晶界为对称 的晶界看成两组 互相垂直的刃型位错排列而成 的。两位错各自的间距为D⊥和D├，则有： b b D , D sin cos (3)扭转晶界（twist boundary） ：将一块晶体沿 横断面切开,并使上下部分晶体绕轴转动θ角 ,再与 下部分不动晶体粘在一起形成。可看成是由互相 交叉的螺位错所组成。
面称为亚晶界。
孪晶界(twin boundaries) ：相邻两晶粒的原子，相对一定晶 面呈镜面对称排列，这两晶粒间的界面叫孪晶界。
相界(phase boundaries) :合金的组织往往由多个相组成，不
同的相具有不同的晶体结构和化学成分，两个相之间的界面。 层错(stacking faults) :
第 三 章 晶 体 缺 陷 （七）
— 表面与界面
烟台大学 秦连杰 E-mail：lianjieqin@126.com
本节要求掌握的主要内容
• 需掌握的概念以及难点
• 晶界的特性 ( 大、小角度晶界 ) 、孪晶界、相界的
类型
3.3 表面与界面
面缺陷的特征： 晶体材料中存在着许多界面，如（外）表面 （surface）与内界面（interface）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（interfacial defects）。 面缺陷类型：表面(surface) — 指固体材料与Байду номын сангаас体或液体的分界 面；内界面 (interface) — 包括晶界 (grain boundaries)、孪晶界 (twin boundaries) 、 亚 晶 界 （ sub-boundaries ） 、 相 界 (phase boundaries)及层错(stacking faults)等。 界面的存在对晶体的力学、物理和化学等性能产生着重 要的影响。
1、小角度晶界
小角度晶界（low angle grain boundaries ）： 由一系列相隔一定距离的刃型位错所组成。
分类：
(1)对称倾斜界面（tilt boundary）：晶界平面为两 个相邻晶粒的对称面。是由一列平行的刃型位错 所组成。相邻位错距离D与 b、θ之间关系：
D b 2 sin