第二章晶体结构缺陷精选PPT.ppt

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1、第二章 晶体结构缺陷第1页，本讲稿共15页 一、晶界（位错界面）一、晶界（位错界面）（一）小角度晶界（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，当取向晶界的结构和性质与相邻晶粒的取向差有关，当取向差差小于小于1015o时，称为小角度晶界。时，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，晶界分为倾斜晶界不同，晶界分为倾斜晶界（tilt boundary）和扭转晶界（）和扭转晶界（twist boundary），），如如图图2-18所示。所示。第2页，本讲稿共15页图图2-18 倾斜晶界与扭转晶界示意图倾斜晶界与

2、扭转晶界示意图倾斜晶界又包括对称倾斜晶界和不对称倾斜晶界倾斜晶界又包括对称倾斜晶界和不对称倾斜晶界下面先以简单立方晶体为例下面先以简单立方晶体为例讨论讨论第3页，本讲稿共15页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倾斜晶界为（倾斜晶界为（100）面（晶界）。）面（晶界）。投影面为（投影面为（001）面。）面。两侧晶体的位向差为两侧晶体的位向差为，相当于相邻，相当于相邻晶粒绕晶粒绕001轴反向各自旋转轴反向各自旋转/2而成。而成。转轴是转轴是001几何特征是相邻两晶粒相对于晶界作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。旋转，转轴在晶界内并与位错线平

3、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。图图2-19 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 第4页，本讲稿共15页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（symmetrical tilt boundary），），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

4、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，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，位错模型不再适应。，则位错间距太近，位错模型不再适应。第5页，本讲稿共15页结构特点是：结构特点是：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。简单立方晶体中的不对称倾斜晶界简单立方晶体中的不对称倾斜晶界形成：形成：界面是界面是绕绕001轴轴旋旋转转角度角度的任意面，相的任意面，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，但界面两角，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

5、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 晶界平面是任意面晶界平面是任意面转轴是转轴是001第6页，本讲稿共15页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：扭转后，为了降低原子错排引起的能量增加，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保尽可能多的原子恢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

6、结构弛豫），不能回到平衡位复到平衡位置（此即结构弛豫），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。置的，最后形成两组相互垂直分布的螺位错。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的二维位错网所组成。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 第7页，本讲稿共15页（二）大角度晶界（二）大角度晶界（large angle grainboundary）实实验验研研究究（如如场场离离子子显显微微镜

7、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

8、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）模模型型，O点点阵阵模模型型，DSC点点阵阵模模型型等。等。第8页，本讲稿共15页大角度晶界的重合位置点阵模型大角度晶界的重合位置点阵模型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。简单立方点阵简单立方点阵相对于相对于

9、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 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。第9页，本讲稿共15页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：实际使用的金属材料绝大多数是多晶材料问题的提出：实际使用的金属材料绝大多数是多晶材料因为：多晶体的屈服强度明显地高

10、于同样组成的单晶体，同一种多晶体因为：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。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、不规则，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；同时杂质原子在晶界的偏聚或伯氏矢量大

11、，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。形成第二相颗粒沉积在晶界上，都会阻碍位错运动。第10页，本讲稿共15页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：同一种多晶体材料中，晶粒越细，屈服强度越高。问题的提出：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。第11页，本讲稿共15页二、堆积层错二、堆积层错 堆垛层错堆垛层错(

12、以下简称层错以下简称层错),就是指正常堆垛顺序中引入不正就是指正常堆垛顺序中引入不正常顺序堆垛的原子面而产生的一类面缺陷。常顺序堆垛的原子面而产生的一类面缺陷。以面心立方结构为例以面心立方结构为例,当正常层序中抽走一原子层当正常层序中抽走一原子层,相应位相应位置出现一个逆顺序堆层置出现一个逆顺序堆层ABCACABC称抽出型称抽出型(或内或内禀禀)层错；如果正常层序中插入一原子层，如图层错；如果正常层序中插入一原子层，如图2-20(b)所示，相所示，相应位置出现两个逆顺序堆层应位置出现两个逆顺序堆层ABCACBCAB称插入型称插入型(或或外禀外禀)层错。层错。第12页，本讲稿共15页图图2-20

13、 面心立方晶体中的抽出型层错面心立方晶体中的抽出型层错(a)和插入型层错和插入型层错(b)这种结构变化，并不改变层错处原子最近邻的关系这种结构变化，并不改变层错处原子最近邻的关系(包括配位数、键长、键角包括配位数、键长、键角)，只改变次邻近关系，几乎不产生畸变，所引起的畸变能很小。因而，层错是一种，只改变次邻近关系，几乎不产生畸变，所引起的畸变能很小。因而，层错是一种低能量的界面。低能量的界面。第13页，本讲稿共15页三、反映孪晶界面三、反映孪晶界面 面心立方结构的晶体中的正常堆垛方式是六方密排面作面心立方结构的晶体中的正常堆垛方式是六方密排面作的完全顺顺序堆垛（或与此等价，的完全顺顺序堆垛（

14、或与此等价，作作完全逆顺序堆垛）。如果从某一层完全逆顺序堆垛）。如果从某一层起全部变为逆时针堆垛，例如起全部变为逆时针堆垛，例如，则，则这一原子面成为一个反映面，两侧晶体以此面成镜面对称这一原子面成为一个反映面，两侧晶体以此面成镜面对称（见（见图图2-21）。这两部分晶体成孪晶关系，由于两者具有反）。这两部分晶体成孪晶关系，由于两者具有反映关系，称反映孪晶，该晶面称孪晶界面。映关系，称反映孪晶，该晶面称孪晶界面。第14页，本讲稿共15页图图2-21 面心立方晶体中面心立方晶体中111面反映面反映孪晶的孪晶的110投影图投影图 沿着孪晶界面，孪晶的两部分沿着孪晶界面，孪晶的两部分完全密合，最近邻关系不发生完全密合，最近邻关系不发生任何改变，只有次近邻关系才任何改变，只有次近邻关系才有变化，引入的原子错排很小，有变化，引入的原子错排很小，称共格孪晶界面。孪晶界面的称共格孪晶界面。孪晶界面的能量约为层错能之半。能量约为层错能之半。第15页，本讲稿共15页