第3章节晶体缺陷课件(7048KB).ppt

过冷液体模型：认为晶界上的原子排列类似于微晶，具有长程无序，短程有序的特点。——晶界各向同性，可解释葛庭燧发现的晶界滑移引起的内耗。 小岛模型：认为晶界是由具有结晶特征的岛和具有非晶特征的海构成的 ——可解释晶界扩散的各向异性。 大角晶界的原子排列方式有不同的模型来描述。各能解释一些实验现象，但也都有与实验事实不相符的地方。 A晶粒与B晶粒有1／5的原子处于重合位置。 例：简单立方点阵 晶界两侧的部分原子同时处于A晶粒和B晶粒的点阵上，这类原子位置称为重合位置。所有重合位置所构成的点阵称为重合位置点阵。 重合位置点阵模型 任意角度晶界：特殊晶界＋小角度晶界（位错墙） 重合位置密度：重合位置占总点阵位置上的比例。 重合位置密度越大，晶界上原子排列的畸变越小，晶界能越低。 bcc：分别绕[110]轴旋转50.5o，绕[100]轴旋转36.9o，绕[110]轴旋转70.5o、38.9o，绕[111]轴旋转60.5o、38.2o，有1/11、1/5、1/3、1/9、1/3、1/7的原子处于重合位置点阵上。 fcc：分别绕[110]轴旋转50.5o，绕[100]轴旋转36.9o，绕[110]轴旋转38.9o，绕[111]轴旋转60.0o、38.2o，有1/11、1/5、1/9、1/7、1/7的原子处于重合位置点阵上。 MgO晶体中晶界结构单元组态的高分辨电镜(High Resolution Electron Microscope, HREM)照片及其结构单元 晶界面由周期性排列的结构单元组成。 结构单元模型 结构单元：通过原子位置调整而得到的具有最低交互作用能的界面组态，是一些特征的多边形的原子组合。 晶界引起的单位面积上的自由能升高。 小角度晶界的晶界能 晶界能 晶界能?随?增大而升高。因位错密度随?增大而升高。 ?=?0?(A-ln?) A为积分常数，取决于位错中心的原子错排能； 其中G为晶体的切弹性模量，b为位错的柏氏矢量的模，?为泊松比。 铜的晶界能与取向差的关系 大角度晶界的晶界能与取向差无关 取向差超过10o或 15o后，小角度晶界能公式不再适用。 小角度晶界与大角度晶界的区别： 小角度晶界可用位错模型描述，大角度晶界不能 小角度晶界的晶界能与?有关，大角度晶界相反 二者不存在绝对界限 晶界的作用： 晶界消失会导致自由能降低 ——优先腐蚀，相变中的优先形核位置 溶质原子偏聚于晶界 晶界处的扩散容易 常温下会阻碍位错的运动，提高强度； 高温下晶界可发生相对滑动，提高塑性。 3.4.2 堆垛层错（Stacking faults) 概念：晶体中的局部的堆垛顺序错误，是一种面缺陷。 例:fcc密排面的正确堆垛顺序ABCABCABC……因晶体生长时的随机错误或晶面相对滑动，出现ABCBCABC……或ABCBABCABC……堆垛，局部顺序由原来的“正序” AB、BC、CA变成“反序”BA、AC、CB，相当于正确堆垛顺序中抽出或插入了一层密排面。 堆垛层错本身几乎不产生点阵畸变，对材料的性能影响不大，但可通过其边界的位错对材料的性能发生较大的影响。 堆垛层错能： 堆垛层错引起的单位面积自由能增加 3.4.3 孪晶界（Twin boundarys) 孪晶界：孪晶之间的界面。 共格界面：界面上的原子为界面两侧所共有 非共格界面：界面两侧的原子分属不同的点阵 共格孪晶界的界面能很低（堆垛层错能）。非共格孪晶界的界面能约为大角度晶界的一半。 孪晶：两部分晶体沿一定的晶面成镜面对称关系 3.4.4 外表面（Surface) 外表面：固体与气、液相或真空的界面。 表面存在悬（挂）键，使晶体表面附近的自由能比晶体内部高。 表面能：晶体单位表面积上的自由能升高。 实际表面总是吸附一些气体原子以降低表面能量 清洁表面：指经离子轰击、退火、解理、热蚀、外延、场效应、蒸发等特殊处理后在10-9～10-10Pa超高真空下的表面。 为降低表面能，表面的数原子层厚的原子的状态也会发生变化，使原子的排列发生适当的调整，主要有弛豫和重构两种方式。 表面弛豫：表面的原子或离子仍保持原晶胞的结构，但原子间距发生改变的现象。(保留平行表面的原子排列二维对称性)。 晶体内部原子排列 发生弛豫，表面原子间距增大或减小 实例：锗{111}清洁表面的弛豫（金刚石结构） 表面重构：表面上的数层原子排列作较大范围的调整，使其平移对称性发生明显改变的现象。 表面缺陷：清洁表面也不会是完整的晶面，表面上总有台阶、扭折、位错露头等缺陷 实际表面总是粗糙的，抛光后表面仍有明显起伏 金属抛光表面：氧化物层(0.01－0.1?m)＋贝尔比层(非晶层, 5－100nm)＋严重变形区(1－2?m)＋明显变形区(5－10?m)＋微小变形区(20－50?m)，总厚度可