完整版2第二章晶体的界面结构
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
动画
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.于05两相晶格---的---结共点格上界，面即两相的晶格是
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）
? 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
? 倾斜晶界（ tilt boundary ）
? 扭 转 晶 界 （ twist
动画
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 ）
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
?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
?
D?
?
?
b
c os ?
动画
?不对称晶界模型
2.2 小角晶界
?Байду номын сангаас转晶界
? 扭转晶界的特点是旋转轴与晶界面垂直。
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
彼此衔接的，界面上的原子为两者?共0.有05。< 但?<是0.2理5想--的---完- 全半共共格格界界面面，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。
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 ?
2 sin
?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。
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。
?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
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.于05两相晶格---的---结共点格上界，面即两相的晶格是
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）
? 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
? 倾斜晶界（ tilt boundary ）
? 扭 转 晶 界 （ twist
动画
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 ）
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
?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
?
D?
?
?
b
c os ?
动画
?不对称晶界模型
2.2 小角晶界
?Байду номын сангаас转晶界
? 扭转晶界的特点是旋转轴与晶界面垂直。
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
彼此衔接的，界面上的原子为两者?共0.有05。< 但?<是0.2理5想--的---完- 全半共共格格界界面面，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。
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 ?
2 sin
?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。
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。
?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