材料物理基礎(chǔ)3.4面缺陷

3.4面缺陷

（surfacedefects）

面缺陷是將材料分成若干區(qū)域的邊界，每個(gè)區(qū)域內(nèi)具有相同的晶體結(jié)構(gòu)，區(qū)域之間有不同的取向，如表面、晶界、界面、層錯(cuò)、孿晶面等。

3.4.1、晶界（位錯(cuò)界面）

3.4.1.1小角度晶界（smallanglegrain

boundary）

3.4.1.2大角度晶界（largeanglegrain

boundary）

3.4.2、堆積層錯(cuò)

3.4.3、反映孿晶界面3.4.1、晶界（位錯(cuò)界面）3.4.1.1小角度晶界（smallanglegrainboundary）晶界的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)與相鄰晶粒的取向差有關(guān)，當(dāng)取向差θ小于10~15o時(shí)，稱(chēng)為小角度晶界。

根據(jù)形成晶界時(shí)的操作不同，晶界分為傾斜晶界（tiltboundary）和扭轉(zhuǎn)晶界（twistboundary），如圖2-18所示。圖2-18傾斜晶界與扭轉(zhuǎn)晶界示意圖

傾斜晶界又包括對(duì)稱(chēng)傾斜晶界和不對(duì)稱(chēng)傾斜晶界下面先以簡(jiǎn)單立方晶體為例討論簡(jiǎn)單立方結(jié)構(gòu)晶體的對(duì)稱(chēng)傾斜晶界傾斜晶界為（100）面（晶界）。投影面為（001）面。兩側(cè)晶體的位向差為θ，相當(dāng)于相鄰晶粒繞[001]軸反向各自旋轉(zhuǎn)θ/2而成。轉(zhuǎn)軸是[001]幾何特征是相鄰兩晶粒相對(duì)于晶界作旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)軸在晶界內(nèi)并與位錯(cuò)線(xiàn)平行。為了填補(bǔ)相鄰兩個(gè)晶粒取向之間的偏差，使原子的排列盡可能接近原來(lái)的完整晶格，每隔幾行就插入一片原子。圖2-19簡(jiǎn)單立方晶體中的

對(duì)稱(chēng)傾斜晶界

（1）小角度晶界的結(jié)構(gòu)①傾斜境界的結(jié)構(gòu)（a）對(duì)稱(chēng)傾斜晶界對(duì)稱(chēng)傾斜晶界是最簡(jiǎn)單的小角度晶界（symmetricaltiltboundary），這種晶界的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是由一系列平行等距離排列的同號(hào)刃位錯(cuò)所構(gòu)成。位錯(cuò)間距離D、伯氏矢量b與取向差θ之間滿(mǎn)足下列關(guān)系

由上式知，當(dāng)θ小時(shí)，位錯(cuò)間距較大，若b=0.25nm，θ=1o，則D=14nm；若θ＞10o，則位錯(cuò)間距太近，位錯(cuò)模型不再適應(yīng)。

結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是：由兩組相互垂直的刃位錯(cuò)所組成。形成：界面是繞[001]軸旋轉(zhuǎn)角度φ的任意面，相鄰兩晶粒的取向差仍是很小的θ角，但界面兩側(cè)晶粒是不對(duì)稱(chēng)的。界面與左側(cè)晶粒軸向夾角為φ-θ/2，與右側(cè)晶粒的[100]成φ+θ/2晶界平面是任意面轉(zhuǎn)軸是[001](b)簡(jiǎn)單立方晶體中的不對(duì)稱(chēng)傾斜晶界沿界面AC單位距離中兩種位錯(cuò)的數(shù)目分別為：式中分別別代表垂直級(jí)水平方向的位錯(cuò)的數(shù)目。兩種位錯(cuò)各自的間距為：②簡(jiǎn)單立方晶體扭轉(zhuǎn)晶界旋轉(zhuǎn)θ角晶面平面是（001）面，轉(zhuǎn)軸是[001]兩者互相垂直結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：晶界是由兩組相互垂直的螺位錯(cuò)構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)形成：扭轉(zhuǎn)后，為了降低原子錯(cuò)排引起的能量增加，晶面內(nèi)的原子會(huì)適當(dāng)位移以確保盡可能多的原子恢復(fù)到平衡位置（此即結(jié)構(gòu)弛豫），不能回到平衡位置的，最后形成兩組相互垂直分布的螺位錯(cuò)。推廣：一般的小角度晶界，其旋轉(zhuǎn)軸和界面可以有任意的取向關(guān)系，因此結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是由刃位錯(cuò)、螺位錯(cuò)或混合位錯(cuò)組成的二維位錯(cuò)網(wǎng)所組成。

——此為小角度晶界的位錯(cuò)模型網(wǎng)絡(luò)間距也滿(mǎn)足：(2)對(duì)稱(chēng)傾斜小角度晶界的應(yīng)變能傾斜晶界的界面能基本上由位錯(cuò)的應(yīng)變能構(gòu)成。單位長(zhǎng)度刃型位錯(cuò)的能量為：?jiǎn)挝幻娣e對(duì)稱(chēng)傾斜晶界的界面能為：3.4.1.2大角度晶界（largeanglegrain

boundary）實(shí)驗(yàn)研究（如場(chǎng)離子顯微鏡觀(guān)察）表明，大角度晶界兩側(cè)晶粒的取向差較大，但其過(guò)渡區(qū)卻很窄（僅有幾個(gè)埃），其中原子排列在多數(shù)情況下很不規(guī)則，少數(shù)情況下有一定的規(guī)律性，因此很難用位錯(cuò)模型來(lái)描述。一般大角度晶界的界面能大致在0.5~0.6J/m2左右，與相鄰晶粒的取向差無(wú)關(guān)。但也有些特殊取向的大角度晶界的界面能比其它任意取向的大角度晶界的界面能低，為了解釋這些特殊晶界的性質(zhì)，提出了大角度晶界的重合位置點(diǎn)陣（coincidencesitelattice即CSL）模型，O點(diǎn)陣模型，DSC點(diǎn)陣模型等。（1）大角度晶界的重合位置點(diǎn)陣模型定義：假設(shè)兩個(gè)點(diǎn)陣1和2，作相對(duì)平移或旋轉(zhuǎn)，當(dāng)達(dá)到某一特定位置時(shí)，其中有些陣點(diǎn)相互重合。這些重合位置的陣點(diǎn)所構(gòu)成的超點(diǎn)陣，稱(chēng)為重合位置點(diǎn)陣。簡(jiǎn)單立方點(diǎn)陣相對(duì)于[001]軸旋轉(zhuǎn)θ=28.1度的（001）面原子的排列圖重合位置點(diǎn)陣與大角度境界關(guān)系：用重合位置點(diǎn)陣模型描述大角度晶界：大角度晶界總是處于重合位置點(diǎn)陣的密排面上，如果有一小角度差時(shí)，在晶界上會(huì)產(chǎn)生臺(tái)階或坎，以使兩者有最大的重合面積。重合位置密度：重合位置密度的計(jì)算（2）多晶材料的晶界強(qiáng)化機(jī)制①多晶的強(qiáng)化與結(jié)構(gòu)因素問(wèn)題的提出：實(shí)際使用的金屬材料絕大多數(shù)是多晶材料因?yàn)椋憾嗑w的屈服強(qiáng)度明顯地高于同樣組成的單晶體，同一種多晶體材料中，晶粒越細(xì)，屈服強(qiáng)度越高。

原因解釋?zhuān)呵?qiáng)度高，說(shuō)明晶體中位錯(cuò)滑移的啟動(dòng)較困難。位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力增加來(lái)自?xún)蓚€(gè)方面：其一，晶粒位向不一致造成的阻力；其二，晶界本身的阻力。與晶粒內(nèi)部相比，晶界上原子排列紊亂、不規(guī)則，伯氏矢量大，使滑移的臨界分切應(yīng)力增加；同時(shí)雜質(zhì)原子在晶界的偏聚或形成第二相顆粒沉積在晶界上，都會(huì)阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)。②晶界強(qiáng)化（細(xì)晶強(qiáng)化）機(jī)制位錯(cuò)塞積解釋細(xì)晶強(qiáng)化問(wèn)題的提出：同一種多晶體材料中，晶粒越細(xì)，屈服強(qiáng)度越高。

解釋?zhuān)壕w強(qiáng)化機(jī)制的實(shí)質(zhì)就是阻止晶體中位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)。位錯(cuò)塞積：晶粒越小，塞積的位錯(cuò)越多。Hall-petch方程：在沒(méi)有擇優(yōu)取向時(shí)，開(kāi)動(dòng)滑移系結(jié)構(gòu)中，晶粒間的位相差θ可以看做定值，于是上式可簡(jiǎn)化為：?jiǎn)尉В焊鶕?jù)等功原理：3.4.2、堆積層錯(cuò)

堆垛層錯(cuò)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)層錯(cuò)),就是指正常堆垛順序中引入不正常順序堆垛的原子面而產(chǎn)生的一類(lèi)面缺陷。以面心立方結(jié)構(gòu)為例,當(dāng)正常層序中抽走一原子層,相應(yīng)位置出現(xiàn)一個(gè)逆順序堆層……ABCACABC……稱(chēng)抽出型(或內(nèi)稟)層錯(cuò)；如果正常層序中插入一原子層，如圖2-20(b)所示，相應(yīng)位置出現(xiàn)兩個(gè)逆順序堆層……ABCACBCAB……稱(chēng)插入型(或外稟)層錯(cuò)。圖2-20面心立方晶體中的抽出型層錯(cuò)(a)和插入型層錯(cuò)(b)

這種結(jié)構(gòu)變化，并不改變層錯(cuò)處原子最近鄰的關(guān)系(包括配位數(shù)、鍵長(zhǎng)、鍵角)，只改變次鄰近關(guān)系，幾乎不產(chǎn)生畸變，所引起的畸變能很小。因而，層錯(cuò)是一種低能量的界面。3.4.3、反映孿晶界面

面心立方結(jié)構(gòu)的晶體中的正常堆垛方式是六方密排面作……△△△△△△△△……的完全順順序堆垛（或與此等價(jià)，作……▽▽▽▽▽……完全逆順序堆垛）。如果從某一層起全部變?yōu)槟鏁r(shí)針堆垛，例如……△△△△▽▽▽▽……，則這一原子面成為一個(gè)反映面，兩側(cè)晶體以此面成鏡面對(duì)稱(chēng)（見(jiàn)圖2