材料科学基础 第三章 晶体缺陷 (七)

晶体 结构
旋转轴 [100] [110] [110] [110] [111] [111] [100] [110] [111] [111]
体心 立方
转动角度 （度） 36.9 70.5 38.9 50.5 60.0合位 置密度 1/5 1/3 1/9 1/11 1/3 1/7
（7）晶界具有不同与晶内的物理性质。
亚晶界属与小角度晶界，为各种亚结构的交界，大小 和尺寸与热加工条件有关。
亚晶界
5、界面对材料性能的影响
界面是晶体中的面缺陷，对晶体材料的性质和转变过程有重要影响;
界面阻碍位错运动，引起界面强化，提高材料的强度。界面阻碍变
形，使变形分布均匀、提高材料的塑性，强度、塑性的提高相应使 材料韧性也得到改善。因此，界面的增加，得到细晶组织，可大大 改善材料的力学性能; 界面具有高的能量，化学介质不稳定，产生晶界腐蚀，故影响材料
4、晶界特征
（1）晶界处点畸变大，存在晶界能。 （2）常温下晶界的存在会对位错的运动起阻碍运动，使塑型 变形抗力提高，使晶体（材料）的硬度和强度提高。 （3）晶界处原子具有较高的动能，且晶界处存在大量缺陷。 原子在晶界处扩散比晶内快得多。
（4）固态相变时易在晶界处形成新核。
（5）晶界上富集杂质原子多，熔点低，加热时容易过烧。 （6）晶界腐蚀速度比晶内快。
3、非共格界面（noncoherent phase boundary） 特征：原子不规则排列的薄层为两相的过渡层。
具有完善共格关系的界面
具有弹性畸变的共格界面
半共格界面
非共格界面
依照形成原因不同分为：变形孪晶、生长孪晶、退火孪晶
孪晶的形成与堆垛层错有密切关系
面心立方晶体是以{111}面按ABCABC…的 顺序堆垛而成的，可用△△△△…表示。 如果从某一层开始，其堆垛顺序发生颠 倒，就成为ABCACBACBA…，即 △△△▽▽▽▽…，则上下两部分晶体就 构成了镜面对称的孪晶关系。可以看 出…CAC…处相当于堆垛层错，接着就
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 每个键 形成单位新表面
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) :
1/5 1/9 1/7 1/7
面心 立方
大角度晶界
3、晶界能
晶界能：形成单位面积界面时，系统的自由能变 化。 单位：J/㎡。
晶界能量与位相差 有关：
0（A ln ），
Gb 其中 0 4 (1 )
3、晶界能
由图看出，小角晶
界模型只能在10º 以内 符合，超出10º ，计算 值（虚线）与实验值 (实线)不再符合。公式
依附界面，长大依靠界面迁移；因此，界面的结构和特性
影响凝固和相变过程; 由于界面的重要影响，受到广泛的重视，成为材料科学的 重要组成内容。
3.3.3 孪晶界
孪晶（ twin ）的定义：
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
， 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。
图 孪晶界
3.3.3 孪晶界
孪晶分类： ①共格孪晶面（coherent twin boundary）：
②非共格孪晶面(non-coherent twin boundary）：
孪晶的形成常常与晶体中的堆垛层错有密切关系， γ高不易形成孪晶。 fcc结构 孪晶面为{111} bcc结构 孪晶面为{112}
第 三 章 晶 体 缺 陷 （七）
— 表面与界面
烟台大学 秦连杰 E-mail：lianjieqin@
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) — 指固体材料与气体或液体的分界 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。
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。
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。
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)。
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
的化学性能;
界面也影响材料的物理性能，如材料组织中晶粒增大，界面减少， 可提高导磁率，降低矫顽力;
在高温下界面强度降低，成为薄弱环节;
界面影响形变过程及形变金属加热时发生的再结晶过程。
界面增大变形阻力，增加变形储能，影响到再结晶时的形 核，细小晶粒组织可增大再结晶的形核率，再结晶时晶核 的长大和再结晶后晶粒的长大都是界面迁移过程; 结晶凝固和固态相变都是新相生核和核心长大过程，形核
2、半共格界面（semi-coherent phase boundary )
特征：沿相界面每隔一定距离产生一个刃型位错，除 刃型位错线上的原子外，其余原子都是共格的。所以 半共格界面是由共格区和非共格区相间组成。
半共格界面上的位错间距取决于相界处两相匹配 晶面的错配度（δ）
( ) / ，（ .44式） 3
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
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
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
对扭转晶界也适用，但
位错能相关的系数0和 A不同。
3、晶界能
大角度晶界能量与θ无关，基本上为一恒定值，0.25-
1.0 J/㎡；在平衡状态时，三叉晶界的各面角均趋与稳定
状态，此时φ1 = φ2 = φ3 = 120º。
利用三角形的正弦定理，以及诱导公式
sin(180 ) sin
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。
按倒过来的顺序堆垛，仍属正常的fcc堆垛
顺序，但与出现层错之前的那部分晶体顺 序正好相反，故形成了对称关系。
铜合金中的孪晶
3.3.4 相界
相界(phase boundary)： 具有不同结构的两相之间的分界
面
按相界面上原子间匹配程度分为： 共格界面、半共格界面、非共格界面 1、共格界面(coherent phase boundary)： 特征：界面两侧的保持一定的位向关系，沿界面两相 具有相同或近似的原子排列，两相在界面上原子匹配 得好，界面上能量高。 理想的完全共格界面只有在孪晶面（界）。