金属学第三章3晶体缺陷

表面与界面的理论是非常重要的基础理论之 一，而且具有广泛的应用价值。
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一、面缺陷的分类及其晶体构造
气相(或真空)与凝聚相之间的分界面称为表面(surface) 凝聚相与凝聚相之间的分界面称为界面(inteface)
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一、面缺陷的分类及其晶体构造 (一)晶界
从晶体几何学的角度 来看，两晶粒交接后， 各晶粒原子排列的位向 差的角度称为晶界角。
第3节 面缺陷－表面与界面 研究表面与界面的意义：
界面构成晶态固体组织的重要组成部分, 是二 维晶体缺陷。 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 理化学过程及其应用。
现代材料学科中一个活跃的课题。
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一、面缺陷的分类及其晶体构造
面缺陷：原子偏离理想状态的区域在二维方 向上都较大，而在第三维方向上很小的晶体缺陷。 包括晶界、相界、外表面、层错等等。
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2.半共格界面
在界面上形成一系列刃 型位错，以补偿界面上原 子间的不匹配性，使界面 上的畸变和弹性应变能降 至最低。
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3. 非共格界面
两相点阵类型或点阵 参数具有很大差别时 易出现。 界面上的晶格畸变很 小，但界面能较高。
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一、面缺陷的分类及其晶体构造
(三)晶体表面
材料表面在材料的服役和制备过程中起着举足 轻重的作用，如催化、腐蚀、磨损、吸附等现象只 发生在表面上；光－电、声－电、压－电转换现象 都与表面密不可分；此外，表面在晶体生长中起着 决定性的作用。
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(一)晶界
1.小角度晶界
相邻两个晶粒的取向差 小于10时，其界面称为小 角度晶界。
由—列垂直分布的同号 刃型位错所组成的，相邻两 个位错间的距离为
D=b/ tg(/2)/2=(nb/2)/nD
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Nb晶界的HRTEM影像
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对称倾侧小角度晶界
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非对称倾侧小角度晶界
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非对称倾侧小角度晶界
由两排交叉在一 起的刃型位错组成 的，两排刃型位错 的多余半原子面相 互垂直。每排刃位 错的间距D取决于 二晶粒的夹角,其 计算式为:
小岛模型
莫特(Mott) 认为在大角度晶界区存在原子排列匹配较好，具有 晶态特征的“岛”，尺寸在几个～几十个原子之间。它们分布在 原子匹配较差，具有接近非晶特征的“海”中。
小岛模型可以成功地解释晶界区快速的扩散，还因为“岛”具 有晶态的各向异性，而可以解释晶界扩散时的各向异性。
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无序群模型
葛庭燧对大角度晶界提出过无序群模型，认 为大角度晶界中有排列比较整齐的区域，也有较 为疏松的区域。疏松区域被称为无序群，类似非 晶态，有较大的流动性。
D=b/sin D├= b/cos
分母表示位 错线的个数
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扭转小角度晶界
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扭转小角度晶界
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2.大角度晶界
相邻晶粒的位向差大于10时的晶界为 大角度晶界。
这种晶界的结构不能用位错来描述。 关于大角度晶界的结构模型已有多年 的研究，但始终未得到最适当的结构模型。
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过冷液体模型
可解释晶界扩散速度比晶内快的事实。无法解释有些 晶界扩散的各向异性以及晶界范围较窄，只有2～3个原 子宽的现象。
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4.共格孪晶界及层错
孪晶：界面上点阵自然地完全匹 配，不存在点阵畸变。孪晶的 出现破坏了完整晶体中原子排 列的本来顺序。是一种面缺陷。 孪晶面的出现，常常与晶体中 某些晶面的堆垛顺序的变化相 联系。
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一、面缺陷的分类及其晶体构造
(二)相界
1.共格界面
两相在某种晶面上具有相 同的原子排列方式及相近的 原子间距时，两相的晶格在 界面上能够相互衔接，一一 对应，这种界面称为共格界 面。存在着一定的晶格畸变。
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表面台阶结构
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吸附表面 与体相原子不同，固体表面的原子有一部分
键被切断，以悬空键(dangling bonds)的形式存 在，使表面具有较高的自由能。为降低表面自由 能，除了表面原子的几何位置发生变化(表面重构 和表面驰豫)以外，还通过吸附外来原子或分子来 降低表面自由能，以使表面处于更稳定的状态。 物理吸附、化学吸附
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第3节 面缺陷－表面与界面
二、界面能及其对组织形貌的影响
晶界能=长程应变场的弹性能+晶界狭小区域内原子相互作
用的核心能+化学键能
小角度晶界、共格或半共格界面上以弹性能为主，与 取向差是线性关系；
大角度界面和非共格界面上以化学能为主，晶界能和 取向差关系不大。
共格孪晶界和层错则无畸变能，只有很小的化学能。 界面能的高低对界面的性质有极其重要的影响。
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1.理想表面
理想表面是一种理论 结构完整的二维点阵平面。
理想表面是指忽略晶体内部的周期势场中断的影 响，也忽略表面原子的热运动以及出现的缺陷和扩 散现象，又忽略外界环境的作用，即将表面视为暴 露在外的晶面。
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2.理想表面的晶体结构
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3. 实际晶体的表面结构特征 表面重构
严格意义上的理想表面是不存在的。形成晶体表面时 悬空键的存在，使得理想表面处于高能的不稳定状态。为 了降低表面自由能，表面原子的位置必然发生变化。这种 变化的结果，使得在平行于表面的平面内，表面原子的平 移对称性与理想表面显著不同，这种表面结构的变化称为 表面重构(surface reconstruction)。
这个模型与莫特模型有异曲同工之处，葛庭 燧注重的是无序群，即莫特模型中的“海”；而 莫特关注的重点则是“岛”。
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晶界重合位置点阵模型
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3.亚晶界
位向差小于1的小晶粒。 亚晶粒的平均尺寸在1m左右。 亚晶界能量比晶内的高，也是溶质原子优先 聚集和第二相优先析出的地方；可以阻碍位错的 运动。亚晶粒的细化将使得金属的强度提高。
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表面驰豫 晶体的三维周期性在表面处中断，表面上原子
的配位情况发生了变化，并且表面原子附近的电荷 分布也有改变，使表面原子所在的力场与体内原子 不同。因此，表面上的原子会发生相对正常位置的 上或下的位移，以降低体系的能量。表面原子的这 种位移称为表面பைடு நூலகம்豫(surface relaxation)。
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(一)小角度晶界的界面能
界面能公式见教材P143
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(二)大角度晶界的界面能
大角度界面能中化学能占主导地位。由于大角度晶界 的结构模型还不完善，因此还不能通过理论计算界面能， 只能用实验测定。大角度晶界的界面能大体上是一常数， 不随相邻晶粒的位向差而变。