3晶体结构缺陷 讨论晶体结构是,把整个晶体中所有原子都看成按理想的晶格电阵排列。实际上,在真 实晶体中,在高于0K的任何温度下,都多少存在着对理想晶体结构的偏离。 实际晶体都是非理想的,存在各种晶体结构缺陷。 晶体缺陷就是指实际晶体中与理想的点阵结构发生偏差的区域,这些缺陷的存在并不影 响晶体结构的基本特征,只是晶体中少数原子的排列发生改变 缺陷的存在及其运动规律、缺陷的数量及其分布对材料的行为起着十分重要的作用。掌 握缺陷的知识是掌握材料科学的基础。 3.1点缺陷 晶体结构缺陷有好几种类型,按其几何形状划分(偏离区域在三维空间的几何特征 可分为三大类型: 点缺陷:缺陷在3个空间方向上的尺度均很小,尺寸在1-2个原子大小级别。 线缺陷:缺陷在2个空间方向上的尺度很小,另一方向的尺度很大。一维缺陷,通常指位错。 面缺陷:缺陷在1个空间方向上的尺度很小,另2个方向的尺度很大。二维缺陷,通常指晶 界和表面 三种缺陷中,点缺陷是最基本也是最重要的 3.1.1点缺陷的类型 (1)根据对理想晶格偏离的几何位置及成分可划分为3种类型 ①空位:正常结点没有被原子或离子所占据,成为空结点。(空穴) 晶体中某结点的原子跳离,迁移到界面或跳到另一个位置。 最重要的点缺陷。 晶体结构中 少了原子,周围原子收缩,产生畸变 多了原子,周围原子扩张,产生畸变 这个畸变区域就是缺陷,宏观上看该区域,抽象为几何点。 ②间隙原子(离子):原子或离子进入晶格正常结点之间的间隙位置,成为填隙原子或添 隙离子 ③杂质原子:外来原子进入晶格成为晶体中的杂质 置换杂质原子:杂质原子取代原晶格中的原子而进入正常结点位置。 间隙杂质原子:杂质原子进入本来没有原子的间隙位置。 杂质进入晶体可以看作一个溶解过程 杂质为溶质,原晶体为溶剂。这种溶解了杂质原子的晶体称为固溶体 (2)根据产生缺陷的原因也可划分为3种类型 ①热缺陷:当晶体的温度高于绝对θK时,由于晶格内原子热振动,使一部分能量较大的 原子离开平衡位置造成缺陷。(形成离位原子) 热缺陷有两种基本形式:肖特基缺陷、弗兰克尔缺陷。 肖特基缺陷:离位原子迁移到晶体表面,使晶体内部留下空位 (表层原子获得足够能量,但不足蒸发,移到表面外新位置,原位成空位) 弗兰克尔缺陷:离位原子跳到晶格中间隙位置,形成空位加间隙原子。 (原子能量足够大,离开平衡位置,挤到间隙位,原位成空位) 金属晶体中: 点缺陷包括空位和间隙原子以及它们组合而成的复杂形式。即肖特基缺陷、弗兰克尔缺
弗兰克尔缺陷相对产生困难。因为间隙中挤入自身原子很困难,数量少 离子晶体中 缺陷的存在不应破坏正负电荷的平衡。点缺陷是带电中心。 对于肖特基缺陷:为保持电中性,正、负离子空位是成对产生的,同时伴随晶体体积增加。 正离子空位带负电,称负电中心;负离子空位带正电,称正电中心 产生一个正电中心的同时,必产生一个负电中心一一产生空位对 对于弗兰克尔缺陷:缺陷本身是空位加间隙原子,二者成对产生,晶体体积不发生改变。 正电中心数量(间隙正离子)=负电中心数量(正离子) 般情况下:离子晶体中正负离子尺寸差异较大 对于配位数小的晶体:小离子挤入相邻间隙的难度不太大,故弗兰克尔缺陷常见 对于配位数大的晶体:由于排列紧密,肖特基缺陷常见,弗兰克尔缺陷难形成。 离子晶体中的点缺陷对晶体的导电性起了重要作用 热缺陷的浓度表现为随着温度的上升成指数上升。对于某一特定的材料,在一定温度下 都有一定的热缺陷。 ②杂质缺陷:由于外来原子进入晶体而产生的缺陷 杂质原子进入晶体后,因其和原有的原子性质不同,它不仅破坏了原子的规则排列,而 且引起杂质原子周围的周期势场改变,形成缺陷。 与热缺陷不同,如果杂质含量在固溶体的溶解度极限之间,杂质浓度与温度无关。(杂 质含量一定且在极限之内,温度变化,缺陷浓度不变) ③非化学计量结构缺陷(电荷缺陷) 在普通化学中,定比定律认为,化合物中不同原子的数量要保持固定的比例。但在实际 的化合物,有一些并不符合定比定律,正负离子的比例并不是简单的固定比例关系,这些化 合物称非化学计量化合物 这些化合物,其化学组成会明显地随着周围气氛的性质和压力大小变化而发生偏离化学 计量,从而产生缺陷 这是一种由于在化学组成上偏离化学计量而产生的缺陷。这种偏离虽然很少,但是对于 半导体、催化、烧结领域有重大影响 (化合物化学式或分子式符合倍比定律和定比定律,即:构成化合物的各个组成,其含量相 互间成比例且固定。) 3.1.2描述缺陷的符号和单位 (1)克罗格-明克符号 要表达材料中可能同时存在的各种缺陷,须用一套适当的符号系统来描述。目前普遍使 用的描述点缺陷的是克罗格-明克符号 在此表示法中,缺陷被分为三部分来描述 主体符号——表明缺陷种类 下标一一表明缺陷所占的位置 上标一一表明缺陷相对于理想晶格的有效电荷。 (2)缺陷浓度 通常用浓度来描述点缺陷的量的多少 浓度有多种单位,最常用的是单位体积缺陷的数目(数目/cm3) 热缺陷的浓度与温度的关系为
式中:N一热缺陷浓度 ΔG一缺陷形成能 故热缺陷浓度随着温度的升高呈指数上升,随缺陷形成能的升高而降低。 在同一种晶体中,生成肖特基缺陷与弗兰克尔缺陷的能量差别很大,所以,在某种特定 晶体中,某一种缺陷占优势。 3.1.3缺陷的化学反应表达式 处理缺陷时,可把其视为化学物质。一定条件下,像化学反应似的发生反应,由化学平 衡观点,用类似反应式来描述。 缺陷的形成和相互作用可以由缺陷的化学反应表达式来描述,要求必须遵循一些基本规 则一一位置、质量、电荷平衡。 ①位置关系:在化合物MX中M位置数和X位置数总是保持a:b。 如果实际晶体中,M与X比例不符合原有的位置比例关系,则表明晶体中存在缺陷。(比 例不变,每种类型的位置总数可变。) 当缺陷发生变化时,有可能引入空位,也可能把空位消除,这相当于增加或减少点阵位 置数。但发生这种变化时,要服从位置关系 ②质量平衡:缺陷方程的两边必须保持质量平衡。 缺陷符号的下标只是表示缺陷的位置,对质量平衡没有作用 ③电荷守恒:晶体即使出现了各种缺陷也应保持电中性 电中性的条件要求缺陷反应两边具有相同数目的总有效电荷,但不必等于0 例 3.2固溶体 含有外来杂质原子的晶体称为固体溶液,简称固溶体。 溶质溶入溶剂晶格内且保持溶剂晶格结构不变,形成的物质(单一的、均匀的晶态圊体) 称为固溶体。 溶质原子B溶入溶剂A所形成的均匀晶体为固溶体。仍保持溶剂A的晶体结构,B溶入 A的量越多,称A溶解B的能力越强 固溶体有三个基本特点: 仍然是晶体。 ②该晶体的结构不因溶质原子的溶入而改变。 ③溶质原子(杂质、掺杂原子)与溶剂原子(原组分、含量高组分)在原子尺度上随机混 3.2.1分类 根据固溶体的不同特点,分为不同类型 (1)按溶质原子在溶剂晶格所处的位置分 置換型固溶体:溶质原子占据溶剂晶格中结点位置 间隙型固溶体:溶质原子进入溶剂晶格中间隙位置 (2)按固溶度的大小分 有限固溶体:溶质原子在溶剂中的溶解度有一极限 无限(连续)固溶体:溶质与溶剂可以任何比例相互溶解 (把摩尔分数>50%的组元称为溶剂) (3)按溶质原子与溶剂原子的相对分布情况分 有序固溶体:溶质原子按一定比例、顺序、方向有规律排列 无序固溶体:溶质原子统计式或概率地分布,没有秩序性或规律性
说明: ①固溶体是一种点缺陷范围的晶体结构缺陷 ②固溶体、机械混合物、化合物三者之间有本质区别。 ③结晶学基础、晶体结构几章从微观原子结构、键来讨论材料;从固溶体开始从微观组织 来讨论材料。(相的结构 相:材料中具有同一聚集状态、同一结构和相同性质的部分;体系内物理化学性质完全 相同的部分 3.2.2置换型固溶体 其溶质原子与溶剂原子可以有限固溶,也可无限互溶 例:Cu-Ni能形成连续固溶体f.c.c 影响其固溶度的因素有 ①尺寸 溶质、溶剂两种原子尺度不同,溶入时会引起晶格畸变,贔体能量増髙(贔格畸变能), 晶格不稳定,到一定程度就不再置换,产生一定溶解度。 二者半径关系: Ar ra-rB 式中:r4溶剂原子半径 rB-溶质原子半径 由此可见,一越小,固溶度越高 15%有可能形成连续固溶体 △尸 =15-30%可以形成有限置换固溶体 >30%不能形成固溶体 ②晶体的结构类型 A、B原子晶格差别大,各自按自身结构,要置换,内能增加,固溶度降低。 结构越相近,形成置换固溶体的溶解度越大。 要想形成连续固溶体,A、B原子的晶体结构必须相同。(结构不同,最多只能生成有限 固溶体) ③电负性 电负性表示分子中原子吸引电子的能力。电负性越大,吸引力越强 电负性相近,有利于固溶体的生成。 、B原子的电负性差越小(电负性相近),固溶度越大。随着电负性差的增加,固溶度 降低。 电负性差很大时,往往形成化合物。(原子之间倾向于形成离子键。两元素的电负性差 越大,化学亲和力越强,生成化合物越稳定。) ④离子价 只有离子价相同或离子价总和相等时,才能生成连续固溶体,这是生成连续固溶体的必
要条件 如果取代离子价不同,则要求用两种以上不同离子组合起来,满足电中性取代条件 例:钙长石和钠长石形成的固溶体 如果取代离子价不同,又不发生复合取代,由于要保持电中性,很少生成固溶体。 如果离子价不同的两种化合物生成固溶体,为了保持电中性,必然在基体中产生空位。 这是不等价取代只能生成有限固溶体的根本原因。 例:Ca0添加到ZrO2中 相似相溶”规律:结构、尺寸、电负性、离子价相似 (A、B原子越相似,它们互溶的能力越大) 形成无限固溶体的条件:结构相同、半径差小、电负性差小、离子价或离子价总和相等。 3.2.3间隙固溶体 半径较小的溶质原子占据半径较大的溶剂原子的间隙位置形成的固溶体。此时溶质原子 称为间隙原子 间隙固溶体仍具备固溶体的三个基本特点。(晶体、结构不变、随机混合) 间隙固溶体的溶解度主要取决于间隙原子半径与溶剂点阵间隙半径的相对差别 <0.59,易形成间隙固溶体。二者差别越大,溶解度越大。 间隙固溶体只能是有限固溶体,溶解度很小。(由于固溶,造成晶格畸变,点阵常数増 大,畸变能增加。) 无论是置换固溶体还是间隙固溶体,由于其固溶,对材料性能造成影响,引起固溶体硬 度、强度增高,即强化效应,这种现象称为固溶强化。 般而言,间隙固溶体溶解度小,其强化效果好。(溶质太多,畸变能太高) 不论结构如何,间隙固溶体溶质溶到八面体间隙中 3.2.4陶瓷材料的固溶方式 陶瓷材料的原料大部分来自天然矿物(硅酸盐、碳酸盐等),属无机非金属化合物,这 些化合物同样可以以置换或间隙固溶的方式溶入一些元素形成固溶体,有些甚至可形成无限 固溶体。 影响陶瓷材料中离子代换或固溶度的因素有:温度、尺寸、结构、电负性、电中性、晶 格能量 (1)等价固溶 加入的与置换的电价相等 (2)不等价固溶 如果直接置换,会破坏电中性,为了保持电中性,异价代换可出现不同的代换方式 ①同时出现两对异价置换离子,使不平衡电价得以补偿 ②附加阴离子 ③附加阳离子 ④阳离子出现空位 ⑤阴离子出现空位 3.3非化学计量化合物 是由于化学组成上偏离化学计量而产生的缺陷。 因为正离子、负离子组分都可能过量,而且伴随每种过量还可能有间隙或空位,此种缺 陷可分为四种类型: (1)阴离子缺位型
(2)阳离子填隙型 (3)阴离子间隙型 (4)阳离子空位型 非化学计量化合物的产生及缺陷的浓度与气氛的性质及大小有关,这是它与别的点缺陷 的最大不同之处。此外,这种缺陷的浓度也与温度有关。 从非化学计量的观点看,世界上所有的化合物都是非化学计量的,只是程度不同而已。 例如Mg0、A12O2都是有一个很狭小的非化学计量范围。但在一般情况下,都把它们看作稳定 的化学计量化合物。 3.4线缺陷(位错) 晶体在结晶时受到杂质、温度变化、振动产生的应力作用,或晶体由于受到打击、切削、 磨等机械应力的作用,使晶体内部质点排列变形,原子行列间相互滑移,而不再符合理想 晶格的有序排列,由此形成的缺陷称位错。 位错是原子的一种特殊组态,是一种具有特殊结构的晶格缺陷,因为它在一个方向上尺 寸较长,空间几何上可抽象为线,故称之为线缺陷 位错的假说是在20世纪30年代为了解释金属的塑性变形提出来的,50年代得到证实。 位错的存在对晶体的生长、相变、扩散、形变、断裂以及其他许多物理化学性质都有重 要影响。了解位错的结构及性质,对研究和了解金属尤为重要,对了解陶瓷等多晶体中晶界 的性质和烧结机理,也是不可缺少的 3.41位错的种类 实际晶体在应力作用下,内部质点排列变形,原子行列间相互滑移,偏离理想晶格的有 序排列而形成的缺陷称位错 位错分为刃位错、螺位错 (1)刃位错 以简单立方晶体为例,刃位错可以看作是半个原子面从上方插入晶体而成。(由于半原 子面的插入,晶体的排列偏离理想状态。) 位错线:半原子面的最下端。表示位错存在的空间位置 位错的引入:晶体受应力作用,在局部区域内使理想晶体在某一晶面上发生滑移,把 个半原子面挤入晶格中,形成刃位错 从这个角度也可以认为位错是已滑移区与未滑移区的边界,位错线是二者的交界线,线 上下原子排列不同。 正刃位错:半原子面在滑移面的上方,记为⊥。 负刃位错:半原子面在滑移面的下方,记为T 应注意,正负是相对而言的。 (2)螺位错 螺位错可以看作是把晶体切开一部分,再把分开的两部分做一定的错动而形成的。其位 置错排成螺旋形 位错线:是晶体中螺旋面的轴线。(离位错线越远,相对理想晶体排列的偏离越小。) 左螺型:符合左手定则 右螺型:符合右手定则 应注意,拇指代表螺旋面前进方向,四指代表旋转方向 实际中,刃位错的正负、螺位错的左右螺旋区分并不重要,关键是刃位错、螺位错类 的区分。 (3)混合位错 既有刃位错特征,又有螺位错特征。实际晶体中的位错常常是混合型的
晶体位错的研究方法:通常用光学显微分析、x射线衍射分析、电子衍射分析、电子显 微镜等技术直接观察或间接测量 利用位错可说明许多现象和晶体的有关性质 34.2柏氏矢量与位错密度 在位错线确定的前提下,位错的定量描述有两个基本参数: 柏氏矢量b:反映单根位错特征的 位错密度P:反映位错整体数量的 (1)柏氏矢量b 位错是一种线缺陷,位错线周围的原子偏离理想状态。为定量描述其偏离的大小与 方向,提出柏氏矢量b概念 (I)柏氏矢量b的确定方法 ①规定位错线的方向 ②右手定则作柏氏回路(首尾相连) ③理想晶体中同样方向演示回路(首尾不相连) ④终点到起点的矢量既为柏氏矢量b 柏氏矢量b能同时反映对于理想晶体偏离的大小与方向 (Ⅱ)柏氏矢量b的意义 ①b的模表示畸变的总和。 ②b的方向反映晶体错动(滑动)的方向。(晶体如果可以运动的话,从一个原子平衡位置 指向另一个平衡位置。) (Ⅲ)柏氏矢量b与位错线的性质 ①b与回路的具体路径无关 ②不论位错线形状如何,一根位错线只能有一个b ③位错线只能终止在界面或表面上,不能中断于晶体内部 ④刃位错的b垂直于位错线1,位错线可以弯曲: 螺位错的b平行于位错线1,位错线只能是直线。 混合位错的b既不平行,也不垂直于位错线1,但可以分解为平行或垂直于位错线的b。 (ⅣV)柏氏矢量b的表示方法 与晶向指数相似,在晶向指数的基础上,把矢量的模表示出来(方向、大小)。同时标 出矢量在各个轴上的分量 a 立方品系的一般表达式为b==nw=vm2+y2+y2 (2)位错密度ρ 位错密度是指单位体积晶体内位错线的总长度m/m3。也可是穿越单位截面积的位 错线的数目(露头数目)1/m A 式中:s—一总长 V一一体积 —数目 A—一面积 3.4.3位错的运动 晶体中存在的位错,在应力作用下,可产生运动。多余的原子面跳到晶体表面,完成晶 体塑变 晶体中的位错力图从高能量位置转移到低能位置,在适当条件下,位错会发生运动
位错在晶体中的运动有两种方式:滑移、攀移。其中滑移最重要 (1)位错的滑移运动 位错沿某些特殊晶面(滑移面)的移动称为滑移,滑移按一定的方向进行(滑移方向)。 滑移面往往是密排面:滑移方向往往是密排方向。 滑移是在切应力作用下进行的,只有当滑移面上的切应力分量达到一定值(临界分切应 力),位错才能滑移。 在切应力作用下,位错线逐渐前进移动,最终离开晶体。晶体上下两部分相对滑动一定 距离,在晶体产生宏观可见台阶,使晶体发生塑变。 滑移的特点 ①只有位错线附近原子进行微小移动,远离的原子并不移动。(小区域键断再接上) ②虽造成位错从一个平衡位置移至另一个平衡位置,但原子没有扩散。(任意原子的运动 距离不超过柏氏矢量) ③可造成晶体表面台阶 (2)位错的攀移 只有刃位错能发生攀移,螺位错不存在攀移。 刃位错除可滑移外,还可沿垂直滑移面的方向进行另一种运动—一攀移 刃位错垂直滑移面的运动称为攀移,即半原子面向上或向下移动。上为正攀移,下为负 攀移 攀移的机制:通过原子扩散实现的,实质是半原子面的扩展和收缩。(滑移不涉及扩散) ①空位或原子扩散 :空位扩散到半原子面下端,使其缩短 :原子扩散到半原子面下端,使其加长 攀移过程是空位的运输过程,引起体积变化 上述扩散(空位、原子)加入到位错线产生攀移的过程是逐渐的,位错线不是同步上升 或下降。攀移时位错线上有许多台阶,称割阶。 此过程需要热激活以产生大量空位,且空位数量及其运动速度对温度敏感。攀移往往是 在高温下进行的。 当晶体中存在过饱和空位时,空位向刃位错的扩散是降低空位浓度的有效方法之 ②正应力作用 除温度外,施加正应力σ也有助于刃位错的攀移。不起作用 如受垂直于半原子面的正应力o作用,则 压应力有助于正攀移; 拉应力有助于负攀移 (3)作用在位错上的力 外加剪应力τ,刃位错、螺位错均可产生滑移;(刃位锴τ方向∥位错线1,螺位错τ∥1) 外加应力正σ,刃位错可攀移。(σ方向⊥位错线1) 这些应力的类型、方向与对位错运动作用关系较复杂,为简化处理,假想位错线上有 虚拟牵引力,拉着位错线移动。今后在应力作用下讨论任何形式的位错运动均使用虚拟力F。 单位长度位错线上的力为F,位错线方向1,则 F4=τb(数值大小)F⊥1(方向,指向位错的运动方向) F4=o·b(数值大小)Fa⊥1(方向,指向位错攀移的方向) 3.5面缺陷 理想完整晶体在于其结构完全的周期性和对称性。零维的点缺陷和一维的位错以外,最 重要的缺陷是面缺陷
表面、相界和晶界是材料各种聚集状态中特殊的部分,对材料的性质有着强烈的影响, 对材料制备过程也起者相当大的作用。 表面:是指物体对真空或与本身的蒸汽接触的面。由于绝对的真空并不存在,在许多场 合下,把固相与气相、液相与气相之间的分界面都称为表面。 简言之,晶体的外表面。固体与液体或气体的分界面 相界:指结构不同的两块晶体或结构相同而点阵参数不同的两块晶体结合所形成的交界 简言之,不同相之间的边界。(多晶体相与相的交界) 晶界:指同种材料相同结构的两个晶粒之间的边界。即晶体结构相同、取向不同区域的 交界 简言之,晶粒间界 界面:是一个总的名称,即两个独立体系的相交处。可以是不同相之间,也可以是同相 不同取向区域之间的分界面。故包含了表面、相界和晶界 对晶体而言,界面是理想原子排列的终止面,界面上的原子排列状态与理想晶体内部不 同,因此界面也是一种缺陷。二维面缺陷 界面不是几何面,它具有一定的厚度。约2-3个原子直径 当前材料硏究热点之一就是界面,特别是复合材料界面等,主要研究界面附近原子排列 情况、反应、能带等。近年来,界面起突岀作用的新型材料有薄膜、多层膜、超细微粒、纳 米材料等。 说明 ①由于晶体材料与外界相互作用是通过表面来实现的,因而表面的结构特征无论从基础理 论还是技术应用的角度看,都至关重要。故把表面作为一类面缺陷。 ②另一类出现在有限晶体内部,有相界和晶界,称为界面。这其中有的是与理想点阵结构 发生偏离,有的牵涉到化学组成或相差异对材料性质产生重要的影响。 因此,有的时候把面缺陷分为表面与界面。 3.5.1晶界 晶界是结构相同取向不同的晶体接触界面。 晶界上两个晶粒的质点排列有一定取向差异,各自力图使界面上的质点排列符合自己的 取向。达到平衡时,晶界上的原子形成一种过渡排列。 这种排列不规则造成结构疏松,并使晶界具有不同于晶粒的特点 ①易受腐蚀;(显微结构观察时有时需侵蚀晶界) ②为原子或离子快速扩散的通道,易引起杂质原子的偏聚; ③处于应力畸变的高能状态。(空位、位错、键变形等缺陷) 根据晶界两侧晶粒位相差(相邻晶粒间位相差θ)的不同,可分为 大角度晶界0>10 小角度晶界<10 多晶体金属的θ在30°-40°范围 实际上,每一晶粒内原子排列的取向也不完全一致,又分为亚晶,相邻亚晶之间的界面 称为亚晶界,是一种小角度晶界。 大角度晶界与小角度晶界不单是位向差不同,其结构、性质也不相同 (1)小角度晶界 小角度晶界基本由位错组成。具有简单位错结构的特殊晶界有两类: ①对称倾斜晶界(倾侧型) 由一系列相隔一定距离的刃位错平行排列而构成(两晶粒相对于完整点阵向相反方
向各旋转相同的角度/2) 位向差θ与位错间距D的关系 D=b/2 θ取弧度,b⊥晶界面) g6/26 ②扭转晶界 将一个单晶体沿中间平面切开,右半部分绕Y轴旋转θ角,再与左半部分结合。 最简单的扭转晶界可以由螺位错构成 上述单纯的对称倾斜晶界、扭转晶界是小角度晶界的两种简单形式,对于一般小角 度晶界,其旋转轴和界面可有任意的取向,故由刃位错和螺位错组合构成 (2)大角度晶界 当晶粒间的位向差增加到一定程度后,位错难以协调相邻晶粒之间的位向差,故位错模 型不适应大角度晶界。 大角度晶界的结构非常复杂,模型有多种。其基本特点为: ①大角度晶界相当于两晶粒之间的过渡层,厚度仅2-3个原子直径 ②尽管存在排列规则部分,但总体原子排列相对无序,也较稀疏。 (3)晶界能 无论大角度晶界还是小角度晶界,晶界相对晶体内部原子排列偏离平衡位置,处于高能 状态,高出的能量称为晶界能(晶界自由能)。记为γ6,单位J/m2。(单位面积的能量) 有时晶界能以界面张力的形式表示,记为σ,单位N/m ①对于小角度晶界,由位错组成,yc来自于位错的能量,y。与位向差0之间的关系: 4n(1-v) 6(B-n6)=y0(B-Cn6) 式中:G——切变模量 b——柏氏矢量 ——泊松比 B——积分常数,取决于位错中心错排能 70、B——常数 因此:γ随着θ的增加而增加。(位错密度取决于晶粒间位向差θ) 单位长度上位错数目增加,γ增加。 ②对于大角度晶界,其结构是一个相对无序的薄区,y不随θ明显变化,可以把它 近似看成为材料常数,随材料而异 实验发现,γ与E有关,E增加γ增加。(键合强度增加) 金属的=30-40,ys=0.25-1.0J/m ③y6可以以界面张力的形式表现出来,并可通过界面交角的测定求出它的相对值。 (4)孪晶界 成分、结构相同的两部分晶体之间,由于结晶或变形的原因,可能出现一种特殊的界面 界面原子同时位于两侧晶格的阵点上且两侧晶体以界面为对称面成镜面对称。这样一对晶体 称为孪晶、双晶。 简言之,以特定界面成镜面对称的一对晶体称为孪晶。很多情况下,把与母体成镜面对 称的一部分晶体称为孪晶 对称界面就是孪晶面,也称孪晶界。 镜面对称是孪晶的重要晶体学特征。 孪晶的形成方式有两种 ①晶体生长时形成的:相变孪晶——材料凝固、相变过程形成
