结构缺陷面缺陷.ppt

《结构缺陷面缺陷.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《结构缺陷面缺陷.ppt（61页珍藏版）》请在得力文库 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、4 面缺陷的基本性质面缺陷的基本性质面面缺缺陷陷是是是是将将材材料料分分成成若若干干区区域域的的边边界界。每每个个区区域域内具有相同的晶体结构，区域之间有不同的取向。内具有相同的晶体结构，区域之间有不同的取向。由由于于晶晶界界对对材材料料的的力力学学、腐腐蚀蚀、冶冶金金性性能能等等有有很很大大的的影影响响，因因此此人们对晶界的结构非常感兴趣，进行过许多理论和实验研究。人们对晶界的结构非常感兴趣，进行过许多理论和实验研究。面面缺缺陷陷是是指指两两个个方方向向尺尺寸寸较较大大，另另一一个个方方向向尺尺寸寸较较小小的的缺缺陷陷。通通常常是是几几个个原原子子层层厚厚的的区区域域，在在这这个个区区域域内

2、内的的结结构构和和性性能能不不同同于于晶晶体体的的内内部部。面面缺缺陷陷可以是平面，也可以是曲面。如表面、晶界、界面、层错、孪晶面等。可以是平面，也可以是曲面。如表面、晶界、界面、层错、孪晶面等。晶界分类晶界分类：根根据据区区域域间间取取向向的的几几何何关关系系不不同同：位位错错界界面面、孪孪晶晶界界面面和和平平移移界界面面；根根据界面上质点排列情况不同：共格、半共格和非共格界面；据界面上质点排列情况不同：共格、半共格和非共格界面；根据相邻两个晶粒取向角度偏差大小，小角度晶界、大角度晶界根据相邻两个晶粒取向角度偏差大小，小角度晶界、大角度晶界；晶界晶界是不同取向的晶粒之间的界面，是很薄的过渡层

3、。是不同取向的晶粒之间的界面，是很薄的过渡层。小角度晶界：相邻两个晶粒取向角度小角度晶界：相邻两个晶粒取向角度小于小于10o15o；大角度晶界：相邻两个晶粒取向角度大角度晶界：相邻两个晶粒取向角度大于大于10o15o。多多晶晶材材料料中中常常存存在在大大角角度度晶晶界界，但但晶晶粒粒内内部部的的亚亚晶晶粒粒（单单晶晶材材料料中中取取向向差差很很小小的的晶晶粒粒称称为为亚亚晶晶粒粒，亚亚晶晶粒粒之之间间的的界界面面称称为为亚亚晶晶界界，其其通通常为常为1o5o）之间则是小角度晶界。）之间则是小角度晶界。晶界晶界的性质取决于结构，而晶界的结构在很大程度上取决于晶界的位置。的性质取决于结构，而晶界的

4、结构在很大程度上取决于晶界的位置。确定晶界位置的确定晶界位置的5个自由度：个自由度：两两个个晶晶粒粒相相对对取取向向：一一个个晶晶粒粒相相对对于于另另一一个个晶晶粒粒绕绕某某一一轴轴 旋旋转转一一定定角角度度，确确定定 需需要要两两个个变变量量，即即两两个个方方向向余余弦弦，和和定定了了，两个晶粒相对取向就确定了，两个方向余弦和两个晶粒相对取向就确定了，两个方向余弦和为三个自由度；为三个自由度；相相对对位位向向：晶晶界界在在两两个个晶晶粒粒之之间间的的位位置置，用用晶晶界界平平面面的的法法线线方方向向 决决定，定，需要需要2个方向余弦确定，即个方向余弦确定，即2个自由度；个自由度；4.1 小角

5、度晶界小角度晶界4.2 大角度晶界大角度晶界4.3 其它晶界模型其它晶界模型4.4 相界模型相界模型4.5 晶界能晶界能4.6 单相多晶体中的晶粒形状单相多晶体中的晶粒形状4.1 小角度晶界小角度晶界晶界的结构和性质与相邻晶粒的取向差有关，当取向差晶界的结构和性质与相邻晶粒的取向差有关，当取向差小于小于1015o时，时，称为小角度晶界。称为小角度晶界。根据形成晶界时的根据形成晶界时的操作操作不同，晶界分为倾斜晶界和扭转晶界。不同，晶界分为倾斜晶界和扭转晶界。倾斜晶界包括：倾斜晶界包括：对称倾斜晶界和不对称倾斜晶界对称倾斜晶界和不对称倾斜晶界一、倾斜晶界一、倾斜晶界倾斜晶界特点：倾斜晶界特点：下

6、面先以简单立方晶体为例讨论下面先以简单立方晶体为例讨论转轴在晶界平面内，有转轴在晶界平面内，有3个自由度个自由度简单立方晶体中的简单立方晶体中的对称倾斜晶界对称倾斜晶界 倾斜晶界为（倾斜晶界为（100）面（晶界平面）。）面（晶界平面）。投影面为（投影面为（001）面。）面。两侧晶粒的位向差为两侧晶粒的位向差为，相当于相邻晶粒，相当于相邻晶粒绕绕001轴反向各自旋转轴反向各自旋转/2而成。转轴是而成。转轴是001几何特征是相邻两晶粒相对于晶界作旋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。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，为了填补相邻两个晶

7、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。格，每隔几行就插入一片原子。只有角度只有角度是可变的，是可变的，即只有即只有1个自由度个自由度简单立方结构晶体的简单立方结构晶体的对称倾斜晶界对称倾斜晶界对称倾斜晶界对称倾斜晶界是最简单的小角度晶界是最简单的小角度晶界这种晶界的结构特点是由这种晶界的结构特点是由一系列平行等距离排列的一系列平行等距离排列的同号刃位错同号刃位错所构成。所构成。位错间距离位错间距离D、伯氏矢量、伯氏矢量b与取向差与取向差之间满足下列关系之间满足下列关系 由上式知，当由上式知，当小时，位错间距较大，若小时

8、，位错间距较大，若b=0.25nm，=1o，则，则D=14nm；若；若10o，则位错间距太近，位错模型不再适，则位错间距太近，位错模型不再适应。应。简单立方晶体中的简单立方晶体中的不对称倾斜晶界不对称倾斜晶界形成：形成：界界面是面是绕绕001轴轴旋旋转转角度角度的任意面，的任意面，相相邻邻两晶粒的取向差仍是很小的两晶粒的取向差仍是很小的角，角，但界面两但界面两侧侧晶粒是不晶粒是不对对称的。称的。界面与左侧晶粒界面与左侧晶粒 轴向夹角为轴向夹角为-/2，与右侧晶粒的，与右侧晶粒的100成成+/2 晶界平面是晶界平面是任意面（任意面（hkl）转轴是转轴是001结构特点是：结构特点是：有两个自由度有

9、两个自由度、，由两组相互垂直的刃位错所组成。，由两组相互垂直的刃位错所组成。设晶界设晶界AC的长度为的长度为1，位错数目：位错数目：相邻同组位错的距离相邻同组位错的距离：倾斜晶界的产生：倾斜晶界的产生：在高温下生长或充分退火的晶体中常存在着倾斜晶界，倾斜晶界是在高温下生长或充分退火的晶体中常存在着倾斜晶界，倾斜晶界是位错滑移和攀移运动位错滑移和攀移运动所形成的一种平衡组态。所形成的一种平衡组态。在其形成过程中，由于位错的长程应力场相互抵消，是一个能量降在其形成过程中，由于位错的长程应力场相互抵消，是一个能量降低过程，因此倾斜晶界形成后低过程，因此倾斜晶界形成后很难消除很难消除。由于倾斜晶界的界

10、面能比。由于倾斜晶界的界面能比一般的晶界低，因此，倾斜晶界即小角度晶界就不能有效地阻止位一般的晶界低，因此，倾斜晶界即小角度晶界就不能有效地阻止位错的滑移。因而对晶体的力学性质和光学性质有较大影响。要消除错的滑移。因而对晶体的力学性质和光学性质有较大影响。要消除晶体中的小角度晶界，工艺上必须控制位错的形成。晶体中的小角度晶界，工艺上必须控制位错的形成。简单立方晶体扭转晶界简单立方晶体扭转晶界旋转旋转角角 晶面平面是（晶面平面是（001）面，转轴是）面，转轴是001 两者互相垂直两者互相垂直结构特点：结构特点：晶界是由两组相互垂直的螺位错构成的网络晶界是由两组相互垂直的螺位错构成的网络 形成：扭

11、转后，为了降低原子错排引起的形成：扭转后，为了降低原子错排引起的能量增加，晶面内的原子会适当位移以确能量增加，晶面内的原子会适当位移以确保尽可能多的原子恢复到平衡位置（此即保尽可能多的原子恢复到平衡位置（此即结构弛豫），不能回到平衡位置的，最后结构弛豫），不能回到平衡位置的，最后形成两组相互垂直分布的螺位错。形成两组相互垂直分布的螺位错。二、扭转晶界二、扭转晶界010100简单的扭转晶界只有一个自由度简单的扭转晶界只有一个自由度 推广：一般的小角度晶界，其旋转轴和界面可以有任意的取向关系，因推广：一般的小角度晶界，其旋转轴和界面可以有任意的取向关系，因此结构特点是由刃位错、螺位错或混合位错组成

12、的二维位错网所组成。此结构特点是由刃位错、螺位错或混合位错组成的二维位错网所组成。此为小角度晶界的位错模型此为小角度晶界的位错模型 晶面位置、转轴和转角都是可变的，应是晶面位置、转轴和转角都是可变的，应是5个自由度。个自由度。晶面平面是图中阴影面晶面平面是图中阴影面转轴转轴u一般与晶界呈任意角度一般与晶界呈任意角度旋转角度是旋转角度是结构特点：结构特点：晶界即包含倾斜成份，又包含扭转成份晶界即包含倾斜成份，又包含扭转成份 1950年，年，Frank根据根据5个自由度，提出了一个简单的方法来确定适个自由度，提出了一个简单的方法来确定适当的位错结构，即所谓的当的位错结构，即所谓的Frank公式。公

13、式。三、一般小角度晶界三、一般小角度晶界晶面平面上有一组平行位错线晶面平面上有一组平行位错线O点是晶界平面和转轴的交点点是晶界平面和转轴的交点晶面平面内的任意向量晶面平面内的任意向量假定形成晶界时，晶界平面两边的晶粒分假定形成晶界时，晶界平面两边的晶粒分别绕别绕u轴反向旋转了轴反向旋转了/2，因而因而r分别转分别转到了到了r（OA）、）、r(OA)的位置，让的位置，让r、r分别位于两个晶粒内。分别位于两个晶粒内。走回路，因包含位错，回路不封闭，不封闭段走回路，因包含位错，回路不封闭，不封闭段d(AA)应等应等于回路中所包含的所有位错的伯氏适量的和，或等于于回路中所包含的所有位错的伯氏适量的和，

14、或等于r所切所切割的所有晶界位错的伯氏适量的之和。割的所有晶界位错的伯氏适量的之和。（1）（）（2）都是）都是Frank公式，根据此式，只要知道了晶界位错的伯公式，根据此式，只要知道了晶界位错的伯氏矢量，就可确定晶界的性质和位错分布。氏矢量，就可确定晶界的性质和位错分布。Ni是所切割的伯氏矢量是所切割的伯氏矢量bi的位错数的位错数同时，同时，d相当于界面上和相当于界面上和OA相交的各位错伯氏矢量之和相交的各位错伯氏矢量之和举例：举例：假如晶界只包含伯氏矢量假如晶界只包含伯氏矢量b的位错的位错根据根据Frank公式公式即没有位错线与即没有位错线与r相交，说明位错线平行于转轴。相交，说明位错线平行

15、于转轴。只有对称倾斜晶界的上的刃位错满足。只有对称倾斜晶界的上的刃位错满足。对称倾斜晶界的上的刃位错满足对称倾斜晶界的上的刃位错满足与对称倾斜晶界对比与对称倾斜晶界对比位错均平行于位错均平行于001位错间距为位错间距为b/对对Frank公式的讨论公式的讨论Frank公式仅适用于平面的晶界；公式仅适用于平面的晶界；对给定的对给定的n或或u，由于，由于Frank公式可能得到多个晶界位错公式可能得到多个晶界位错模型，最可能的模型应该是能量最低的。模型，最可能的模型应该是能量最低的。必须是小角度晶界，因而位错密度正比于必须是小角度晶界，因而位错密度正比于。不管伯氏矢量如何，每组位错线必须是等间距的平行

16、直线。不管伯氏矢量如何，每组位错线必须是等间距的平行直线。4.2 大角度晶界大角度晶界 实实验验研研究究（如如场场离离子子显显微微镜镜观观察察）表表明明，大大角角度度晶晶界界两两侧侧晶晶粒粒的的取取向向差差较较大大，但但其其过过渡渡区区却却很很窄窄（仅仅有有几几个个埃埃），其其中中原原子子排排列列在在多多数数情情况况下下很很不不规规则则，少少数数情情况况下下有有一一定定的的规规律律性性，因因此此很很难难用用位位错错模模型型来来描描述述。一一般般大大角角度度晶晶界界的的界界面面能能大大致致在在0.50.6J/m2左左右右，与与相相邻邻晶晶粒粒的的取取向向差差无无关关。但但也也有有些些特特殊殊取取

17、向向的的大大角角度度晶晶界界的的界界面面能能比比其其它它任任意意取取向向的的大大角角度度晶晶界界的的界界面面能能低低，为为了了解解释释这这些些特特殊殊晶晶界界的的性性质质，提提出出了了大大角角度度晶晶界界的的重重合合位位置置点点阵阵（coincidence site lattice 即即CSL）模型，）模型，O点阵理论，点阵理论，DSC点阵模型点阵模型等。等。一、大角度晶界的重合位置点阵模型一、大角度晶界的重合位置点阵模型CSL假设两个点阵假设两个点阵1和和2，作相对平移或旋转，作相对平移或旋转，当达到某一特定位置时，其中有些阵点相当达到某一特定位置时，其中有些阵点相互重合。这些重合位置的阵点

18、所构成的超互重合。这些重合位置的阵点所构成的超点阵，称为重合位置点阵。点阵，称为重合位置点阵。转轴一般是低指数的晶轴转轴一般是低指数的晶轴简单立方点阵简单立方点阵相对于相对于001轴旋转轴旋转=28.1度度的（的（001）面原子的排列图）面原子的排列图 定义定义CSL的特征的特征用重合位置点阵密度来描述用重合位置点阵密度来描述1/5的重合位置的重合位置两体心立方晶粒相对两体心立方晶粒相对110轴旋转轴旋转50.5度后，出现度后，出现1/11的重合位置的重合位置为了说明两个晶粒中外延点阵中阵点的为了说明两个晶粒中外延点阵中阵点的重合情重合情况，引入倒易密度的概念况，引入倒易密度的概念重合位置点阵

19、密度的计算重合位置点阵密度的计算两个立方晶体，围绕两个立方晶体，围绕uvw轴相对旋转轴相对旋转角后，有点阵重角后，有点阵重合，任意重合点的坐标为（合，任意重合点的坐标为（x.y）,x.y为整数为整数重合位置点阵的晶界必然要出现台阶，但重合位置点阵的晶界必然要出现台阶，但这些台阶不能过多过大，否则晶界的能量这些台阶不能过多过大，否则晶界的能量将比原于任意排列的平直晶界还要高。因将比原于任意排列的平直晶界还要高。因此在重合位置点阵模型的晶界上有许多周此在重合位置点阵模型的晶界上有许多周期性的结构单元。左图表示具有结构单元期性的结构单元。左图表示具有结构单元的的37.8度对称倾斜晶界。结构单元由度对

20、称倾斜晶界。结构单元由7个个原子组成：原子组成：6个阴影和个阴影和1个红色。阴影的是个红色。阴影的是过渡原子，红色是重合位置。过渡原子，红色是重合位置。红色是重合位置原子附近有许多小的坎红色是重合位置原子附近有许多小的坎用重合位置点阵模型描述大角度晶界：用重合位置点阵模型描述大角度晶界：大角度晶界总是处于重合位置点阵的大角度晶界总是处于重合位置点阵的密排面上，如果有一小角度差时，在密排面上，如果有一小角度差时，在晶界上会产生台阶或坎，以使两者有晶界上会产生台阶或坎，以使两者有最大的重合面积。最大的重合面积。图中图中ABC可看成是坎。可看成是坎。4.3 其它晶界模型其它晶界模型 只只有有当当两两

21、晶晶粒粒绕绕uvw轴轴旋旋转转特特定定角角后后，重重合合位位置置点点阵阵才才会会出出现现。但但是是当当晶晶体体对对称称性性下下降降时时，重重合合位位置置点点阵阵出出现现会会很少；在有，不同的晶体点阵之间，不会出现重合位置点阵。很少；在有，不同的晶体点阵之间，不会出现重合位置点阵。为了描述上述情况下的晶界结构，人们提出了其它的晶界模为了描述上述情况下的晶界结构，人们提出了其它的晶界模型。型。O点阵理论，点阵理论，DSC点阵模型点阵模型等。等。一、一、O点阵理论点阵理论O点阵的结点是这样的点：在点阵的结点是这样的点：在点上看各自晶格的近邻关系是点上看各自晶格的近邻关系是相同的，只差一个转角。相同的

22、，只差一个转角。简单立方点阵（简单立方点阵（001）面）面相对于相对于001轴旋转轴旋转=28.1度，度，=17Bollmann研究晶界两边晶粒点阵之间的匹配后提出的，用几何学方法研究晶界两边晶粒点阵之间的匹配后提出的，用几何学方法来描述相互穿插点阵中的最近邻关系。来描述相互穿插点阵中的最近邻关系。O点阵中的点是什么样的点？点阵中的点是什么样的点？O点阵中的结点是匹配最好的点点阵中的结点是匹配最好的点O点阵概念与点阵概念与CSL概念的比较概念的比较CSL 着眼于两点阵复合贯穿后在哪些阵点上相重合；着眼于两点阵复合贯穿后在哪些阵点上相重合；O点阵着眼于两点阵上相同的原子配位环境。点阵着眼于两点阵

23、上相同的原子配位环境。O点阵的优越性：两晶粒相对旋转时，点阵的优越性：两晶粒相对旋转时，O点的集合作连续的运动，而点的集合作连续的运动，而CSL 是突然出现与消失，甚至当是突然出现与消失，甚至当CSL 不存在时，不存在时，O点阵仍然存在。点阵仍然存在。二、二、旋错（旋错（DSC点阵模型）点阵模型）为什么提出旋错的概念：为什么提出旋错的概念：1930年年Volterra提出，在提出，在20世纪世纪70年之后获得人们重视。年之后获得人们重视。一个原因是晶界的结构是不均匀的，应力场的分布也是不均匀的，但位一个原因是晶界的结构是不均匀的，应力场的分布也是不均匀的，但位错是平移矢量，描述起来不能充分反映

24、晶界结构；错是平移矢量，描述起来不能充分反映晶界结构；另一个原因是晶界是旋转缺陷；另一个原因是晶界是旋转缺陷；与位错相对应，旋错分为楔型旋错和扭型旋错。与位错相对应，旋错分为楔型旋错和扭型旋错。和位错对比进行分析：和位错对比进行分析：楔型旋错：旋转轴平行于旋错线。楔型旋错：旋转轴平行于旋错线。楔型旋错楔型旋错表示旋错的强度表示旋错的强度刃位错刃位错b表示强度表示强度扭型旋错：旋转轴垂直于旋错线。扭型旋错：旋转轴垂直于旋错线。楔型旋错形成的对成倾斜晶界楔型旋错形成的对成倾斜晶界旋错模型的优点：没有旋错模型的优点：没有伯氏矢量的概念，旋错伯氏矢量的概念，旋错的旋转轴是两晶粒共有的旋转轴是两晶粒共有

25、的方向，晶界能较低。的方向，晶界能较低。4.4 相界模型相界模型 不同相之间的界面称为相界。不同相之间的界面称为相界。主要影响材料的脆性。主要影响材料的脆性。存在的问题：理论上相界应有较高的能量，但实际上相存在的问题：理论上相界应有较高的能量，但实际上相 界能总是小于任一相的晶界能，没法解释。界能总是小于任一相的晶界能，没法解释。按原子在界面上排列的不同，相界分为按原子在界面上排列的不同，相界分为共格相界、半共格相界、非共格相界。共格相界、半共格相界、非共格相界。一、相界一、相界 含义含义：以界面为边界的两个：以界面为边界的两个相的原子排列完全一一对应。相的原子排列完全一一对应。特点特点：相界

26、面上的原子为两：相界面上的原子为两相共有，两相的晶面在相界相共有，两相的晶面在相界面上是连续的。面上是连续的。共格相界共格相界形成形成：两相的点阵参数几乎相同，若不相同但畸变后相同。：两相的点阵参数几乎相同，若不相同但畸变后相同。半共格相界半共格相界含义含义：两相晶体结构相同，：两相晶体结构相同，但点阵参数有小于但点阵参数有小于10%的误的误差，或夹角有少量差异。差，或夹角有少量差异。特点特点：引入一系列位错来周：引入一系列位错来周期性补偿两点阵参数差异。期性补偿两点阵参数差异。是由共格相界和位错组成的。是由共格相界和位错组成的。非共格相界非共格相界含义含义：两相晶体结构错配较大，：两相晶体结

27、构错配较大，两相原子排列完全不对应两相原子排列完全不对应特点特点：类似大角度晶界。：类似大角度晶界。相界能相界能含义含义：包含弹性能、化学相互作用。若只考虑弹性能：包含弹性能、化学相互作用。若只考虑弹性能：适用于位错线密度不太大情形。适用于位错线密度不太大情形。二、反相畴界二、反相畴界 形成有两种方式形成有两种方式：上图表示的有序化形成；上图表示的有序化形成；另一种是位错运动形成的。另一种是位错运动形成的。4.5 晶界能晶界能 晶界上原子排列畸变产生的能量为晶界能。晶界上原子排列畸变产生的能量为晶界能。小角度晶界具有位错模型，只有应变能低的位错组态，小角度晶界具有位错模型，只有应变能低的位错组

28、态，才是稳定的晶界位错模型。才是稳定的晶界位错模型。一、小角度晶界的能量一、小角度晶界的能量倾斜小角度晶界由位错列构成：倾斜小角度晶界由位错列构成：对晶界能的分析：对晶界能的分析：各位错核心能对总能量的贡献。与位错个数成正各位错核心能对总能量的贡献。与位错个数成正比。即比。即角大，位错数多，晶界能高。角大，位错数多，晶界能高。各位错交互弹性能。即各位错交互弹性能。即角大，位错数多，引起的角大，位错数多，引起的畸变区域变窄，交互弹性能降低，界面能下降。畸变区域变窄，交互弹性能降低，界面能下降。表明，晶界能与位相差表明，晶界能与位相差角有关。角有关。曲线穿过原点曲线穿过原点较小时，第一项的贡献大较

29、小时，第一项的贡献大若若在大，位错密度增加，位错相互重叠等，上是式不适用。当在大，位错密度增加，位错相互重叠等，上是式不适用。当较大时，较大时，位错密度增加后，弹性应力场高次项的影响、位错中心区的影响以及晶位错密度增加后，弹性应力场高次项的影响、位错中心区的影响以及晶界两边晶内形变的影响等都逐渐变得不能忽略不计。界两边晶内形变的影响等都逐渐变得不能忽略不计。Fe-Si合金倾斜晶界合金倾斜晶界界面能与界面能与的关系的关系 图中小圆圈为实测值。图中小圆圈为实测值。由图可见实验值与理论计由图可见实验值与理论计算值的变化趋势一致，并算值的变化趋势一致，并为为0时，时，E为为0。任意大角度晶界任意大角度

30、晶界二、大角度晶界的能量二、大角度晶界的能量任意大角度晶界包含了大面积的原子匹配很差的区域，具有比较松任意大角度晶界包含了大面积的原子匹配很差的区域，具有比较松散的结构，原子间的键被割断或者被严重地歪扭了，因而与小角度散的结构，原子间的键被割断或者被严重地歪扭了，因而与小角度晶界相比，具有较高的能量。晶界相比，具有较高的能量。热蚀热蚀法法测测定定 特殊大角度晶界特殊大角度晶界大多数大角度晶界能是相同的大多数大角度晶界能是相同的 晶体晶体共格共格孪孪晶界晶界非共格非共格孪孪晶界晶界一般大角一般大角度晶界度晶界特殊大角度晶界特殊大角度晶界（5或或7）Cu21498623300400Ag812637

31、7表表 不同晶界的晶界能（不同晶界的晶界能（mJ/m2）4.6 单相多晶体中的晶粒形状单相多晶体中的晶粒形状 界面结构和界面能决定了多晶体和多相材料的组织形貌，组织的平界面结构和界面能决定了多晶体和多相材料的组织形貌，组织的平衡形貌都必须满足界面能最低的热力学条件。衡形貌都必须满足界面能最低的热力学条件。晶界和相界都是高能区，从热力学角度看，应该把晶界或相界减晶界和相界都是高能区，从热力学角度看，应该把晶界或相界减少到极小。少到极小。据此，得出的结论是？据此，得出的结论是？单相的组织形貌？单相的组织形貌？两相合金的组织形貌？两相合金的组织形貌？但事实并非如此，在实际材料中存在着大量的界面，这是

32、因为界面通过自但事实并非如此，在实际材料中存在着大量的界面，这是因为界面通过自身的调整，在晶界或相界相交处产生亚稳平衡，界面能对控制材料的晶粒身的调整，在晶界或相界相交处产生亚稳平衡，界面能对控制材料的晶粒形状有重要作用。形状有重要作用。多晶体中每一个晶粒都是由界面围成的多面体，多晶体中的每多晶体中每一个晶粒都是由界面围成的多面体，多晶体中的每个晶粒在平衡时，它们的晶面、晶棱、晶粒角隅之间有共享关系：个晶粒在平衡时，它们的晶面、晶棱、晶粒角隅之间有共享关系：两晶粒共两晶粒共1个面，三个晶粒共一条线，个面，三个晶粒共一条线，4晶粒共一点。晶粒共一点。据此，分析晶界亚平衡的热力学条件，可以知道单相

33、多晶体中晶粒的形貌。据此，分析晶界亚平衡的热力学条件，可以知道单相多晶体中晶粒的形貌。讨论平面上二维晶粒的形貌：讨论平面上二维晶粒的形貌：个晶粒交于结点，个晶粒交于结点，个晶粒交于结点，个晶粒交于结点，当交点从点移到点时，当交点从点移到点时，计算晶界能量的变化。计算晶界能量的变化。点处总界面能：点处总界面能：点处总界面能：点处总界面能：令晶界移动前后总界面能的变化为令晶界移动前后总界面能的变化为即移动的距离无穷小。即移动的距离无穷小。因为因为OP为无穷小量为无穷小量若各向同性，则扭矩项为若各向同性，则扭矩项为0晶粒的平衡形态应是晶粒间互成晶粒的平衡形态应是晶粒间互成120度角。度角。二维晶粒要

34、保持二维晶粒要保持120度角平衡形态，一定是正六边形。度角平衡形态，一定是正六边形。六边形晶粒为平直界面六边形晶粒为平直界面。5 3 4 10 6 对于三维晶粒，单相多晶平衡时，在对于三维晶粒，单相多晶平衡时，在4个晶棱相交的点上，两两晶棱个晶棱相交的点上，两两晶棱间的交角应是间的交角应是109.5，没有一种规则的多面体可以充满空间并且它们，没有一种规则的多面体可以充满空间并且它们的棱之间符合平衡条件，满足这些要求的最接近的是的棱之间符合平衡条件，满足这些要求的最接近的是规则十四面体规则十四面体，它们能充满空间，但棱之间不具有完全正确的角度，把规则十四面体它们能充满空间，但棱之间不具有完全正确

35、的角度，把规则十四面体作一些改动，使各棱之间的夹角都等于作一些改动，使各棱之间的夹角都等于109.5，这时，它的面和棱都，这时，它的面和棱都必须有一些弯曲，由必须有一些弯曲，由变形的十四面体变形的十四面体堆垛可以充满空间又满足平衡条堆垛可以充满空间又满足平衡条件，因此常把变形的十四面体作为单相多晶体的完整晶粒形状的模型，件，因此常把变形的十四面体作为单相多晶体的完整晶粒形状的模型，即即十四面体、十四面体、十四面体十四面体.晶界对材料性能的影响晶界对材料性能的影响多晶的强化与结构因素多晶的强化与结构因素问题的提出：实问题的提出：实际使用的金属材料绝大多数是多晶材料际使用的金属材料绝大多数是多晶材

36、料因为：多晶体的屈服强度明显地高于同样组成的单晶体，因为：多晶体的屈服强度明显地高于同样组成的单晶体，同一种多晶体材料中，晶粒越细，屈服强度越高。同一种多晶体材料中，晶粒越细，屈服强度越高。原因解释：屈服强度高，说明晶体中位错滑移的启动较困难。原因解释：屈服强度高，说明晶体中位错滑移的启动较困难。位错运动的阻力增加来自两个方面：位错运动的阻力增加来自两个方面：其一，晶粒位向不一致造成的阻力；其一，晶粒位向不一致造成的阻力；其二，晶界本身的阻力。与晶粒内部相比，晶界上原子排列紊乱、其二，晶界本身的阻力。与晶粒内部相比，晶界上原子排列紊乱、不规则，伯氏矢量大，使滑移的临界分切应力增加；同时杂质原子不规则，伯氏矢量大，使滑移的临界分切应力增加；同时杂质原子在晶界的偏聚或形成第二相颗粒沉积在晶界上，都会阻碍位错运动。在晶界的偏聚或形成第二相颗粒沉积在晶界上，都会阻碍位错运动。晶界对材料性能的影响晶界对材料性能的影响位错塞积解释细晶强化位错塞积解释细晶强化问题的提出：问题的提出：同一种多晶体材料中，晶粒越细，屈服强度越高。同一种多晶体材料中，晶粒越细，屈服强度越高。解释：晶体强化机制的实质就是阻止晶体中位错的运动。解释：晶体强化机制的实质就是阻止晶体中位错的运动。位错塞积位错塞积 晶粒越小，塞积的位错越多。晶粒越小，塞积的位错越多。