第三章缺陷与扩散

《第三章缺陷与扩散》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第三章缺陷与扩散（39页珍藏版）》请在文档大全上搜索。

1、第三章第三章 固体材料中的缺陷固体材料中的缺陷主要参考书：主要参考书：1. 固体物理学，黄昆，韩汝琦固体物理学，黄昆，韩汝琦2. 凝聚态物理学，冯端，金国钧凝聚态物理学，冯端，金国钧材料中的缺陷材料中的缺陷 所谓理想晶体的结构，其中全部原子都设想所谓理想晶体的结构，其中全部原子都设想是严格地处在规则的格点上。实际的晶体中总是存是严格地处在规则的格点上。实际的晶体中总是存在着各种各样的缺陷，偏离了理想晶格的情况。在着各种各样的缺陷，偏离了理想晶格的情况。 最近几十年来，固体科学技术的发展，愈来最近几十年来，固体科学技术的发展，愈来愈深入地揭示出，愈深入地揭示出，在一个晶体内部存在着各种各样在一个

2、晶体内部存在着各种各样的缺陷，它们对于晶体的各种性质产生十分重要的的缺陷，它们对于晶体的各种性质产生十分重要的作用。作用。 二二 维维 缺缺 陷陷固体材料的二维缺陷有：表面、晶界、亚晶界、固体材料的二维缺陷有：表面、晶界、亚晶界、相界等。相界等。它们它们对塑性变形与断裂，固态相变，材料的物理对塑性变形与断裂，固态相变，材料的物理、化学和力学性能有显著影响、化学和力学性能有显著影响。面缺陷面缺陷 表面表面外表面外表面：晶体表面结构与晶体内部不同，由于表面是原子排列：晶体表面结构与晶体内部不同，由于表面是原子排列的终止面，另一侧无固体中原子的键合，的终止面，另一侧无固体中原子的键合，其配位数少于晶

3、体内其配位数少于晶体内部部，导致表面原子偏离正常位置，并影响了邻近的几层原子，导致表面原子偏离正常位置，并影响了邻近的几层原子，造成点阵畸变，使其能量高于体内。造成点阵畸变，使其能量高于体内。 由于表面能来源于形成表面时，破坏的结合键，不同的晶由于表面能来源于形成表面时，破坏的结合键，不同的晶面为外表面时，所破坏的结合键数目不等，故表面能具有各向面为外表面时，所破坏的结合键数目不等，故表面能具有各向异性。异性。一般外表面通常是表面能低的密排面。一般外表面通常是表面能低的密排面。 外表面会吸附外来杂质外表面会吸附外来杂质:物理吸附是依靠分子键物理吸附是依靠分子键化学吸附是依靠离子键或共价键化学吸

4、附是依靠离子键或共价键 实际用的固体材料绝大部分是多晶体，是由许多晶粒组成实际用的固体材料绝大部分是多晶体，是由许多晶粒组成的。的。晶粒之间的交界面称为晶粒间界，可以看作是一种晶体晶粒之间的交界面称为晶粒间界，可以看作是一种晶体缺陷缺陷。 过去把晶粒间界想像成为具有相当厚度的无定形层。过去把晶粒间界想像成为具有相当厚度的无定形层。 实际上，实际上，晶粒间界只有极少几层原子排列是比较错乱的，晶粒间界只有极少几层原子排列是比较错乱的，它的两旁还有若干层原子是按照晶格排列的，只不过是有较它的两旁还有若干层原子是按照晶格排列的，只不过是有较大的畸变而已。大的畸变而已。面缺陷面缺陷 晶界晶界面缺陷面缺陷

5、 晶界晶界1）小角度晶界）小角度晶界: 相邻两晶粒的相邻两晶粒的取向差小于取向差小于10对称倾侧晶界对称倾侧晶界扭转晶界扭转晶界2）大角度晶界）大角度晶界: 相邻两晶粒的取向差大于相邻两晶粒的取向差大于10晶界是原子排列异常的狭窄区域，一般仅几个原子间距。晶界是原子排列异常的狭窄区域，一般仅几个原子间距。晶界处，原子排列紊乱，使能量增高，产生晶界能，使晶晶界处，原子排列紊乱，使能量增高，产生晶界能，使晶界性质有别于晶内。界性质有别于晶内。晶界处某些原子过于密集的区域为晶界处某些原子过于密集的区域为压应力区压应力区，原子过于松，原子过于松散的区域为散的区域为拉应力区拉应力区。与小角度晶界相比，大

6、角度晶界能较高，大致在与小角度晶界相比，大角度晶界能较高，大致在0.5J/m2。晶界的特点晶界的特点某些特殊取向的大角度晶界的界面能很低，这些特殊取向某些特殊取向的大角度晶界的界面能很低，这些特殊取向满足满足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。小资料：重合位置点阵模型小资料：重合位置点阵模型晶粒晶粒2是相对晶粒是相对晶粒1绕垂直于纸绕垂直于纸面的轴旋转了面的轴旋转了37 。从晶粒。从晶粒1到到晶粒晶粒2，两个晶粒有，两个晶粒有1/5的原子是的原子是位于位于另一晶粒点阵另一晶粒点阵的延伸位置的延伸位置上，即有上，即有1/5原子处在重合位置原子处在重合位置上。这些重合位置构成

7、了一个上。这些重合位置构成了一个比原点阵大的比原点阵大的“重合位置点阵重合位置点阵”。晶界上包含的重合位置多晶界上包含的重合位置多，晶界上畸变程度下降，导致，晶界上畸变程度下降，导致晶界能下降，晶界能下降，其界面能明显低其界面能明显低于普通的大角度晶界的界面能于普通的大角度晶界的界面能。3) 孪晶界孪晶界：相邻两晶粒沿一个公共晶面相邻两晶粒沿一个公共晶面(孪晶界孪晶界)构成镜面对构成镜面对称的位向关系称的位向关系。孪晶界上的原子同时位于两个晶体点阵的结点上，为孪晶的孪晶界上的原子同时位于两个晶体点阵的结点上，为孪晶的两部分晶体所共有。两部分晶体所共有。孪晶面上原子没发生错排，不会孪晶面上原子没

8、发生错排，不会引起弹性应变，引起弹性应变，故界面能很低。故界面能很低。例如例如Cu的共格孪晶界的界面能的共格孪晶界的界面能仅为仅为0.025Jm2。面缺陷面缺陷 晶界晶界u内吸附：内吸附：当晶体中存在能降低界面能的异类原子时，这些原当晶体中存在能降低界面能的异类原子时，这些原子将向晶界偏聚。子将向晶界偏聚。u晶界上原子的扩散速度比晶粒内部快得多：晶界上原子的扩散速度比晶粒内部快得多：（晶界上原子具（晶界上原子具有较高的能量。）有较高的能量。）u晶界对位错运动起阻碍作用：晶界对位错运动起阻碍作用：金属材料的晶粒越细，其强度金属材料的晶粒越细，其强度和硬度越高。和硬度越高。u晶界比晶内更易氧化和优

9、先腐蚀。晶界比晶内更易氧化和优先腐蚀。u晶粒长大是能量降低过程：晶粒长大是能量降低过程：晶粒的长大及晶界平直化可减少晶粒的长大及晶界平直化可减少晶界总面积，使晶界能总量下降。晶界总面积，使晶界能总量下降。u固态相变时优先在母相晶界上形核固态相变时优先在母相晶界上形核：（：（晶界具有较高能量）晶界具有较高能量）与晶界相关的现象与晶界相关的现象相界相界：材料中：材料中两相之间的分界两相之间的分界。相界结构有三种：相界结构有三种：共格界面、半共格界面和非共格界面共格界面、半共格界面和非共格界面。共格界面共格界面半共格界面半共格界面非共格界面非共格界面面缺陷面缺陷 相界相界p共格界面：共格界面：两相的

10、界面上，原子成两相的界面上，原子成一一对应的完全匹配一一对应的完全匹配，即界面上的原子同时处于两相晶格的结点上，为相邻两晶体即界面上的原子同时处于两相晶格的结点上，为相邻两晶体所共有。（所共有。（界面两侧的两个相必须有特殊位向关系，而且原界面两侧的两个相必须有特殊位向关系，而且原子排列，晶面间距相差不大子排列，晶面间距相差不大。然而大多情况必定。然而大多情况必定产生弹性应产生弹性应变和应力，使界面原子达到匹配。变和应力，使界面原子达到匹配。）p半共格界面或非共格界面：半共格界面或非共格界面：若两相邻晶粒晶面间距相差较若两相邻晶粒晶面间距相差较大，界面上原子不可能完全一一对应，某些晶面则没有相对

11、大，界面上原子不可能完全一一对应，某些晶面则没有相对应的关系。应的关系。小资料：共格界面、半共格界面和非共格界面小资料：共格界面、半共格界面和非共格界面失配度失配度 0.25，完全失，完全失去匹配能力，成为去匹配能力，成为非共格界面非共格界面。共格界面界面能最低，非共格界面界面能最高，半共格界面界共格界面界面能最低，非共格界面界面能最高，半共格界面界面能居中。面能居中。一一 维维 缺缺 陷陷线缺陷线缺陷 位错位错u晶体中的一维缺陷是各种类型的位错。晶体中的一维缺陷是各种类型的位错。u其特点是原子发生错排的范围，在一个方向上尺寸较大其特点是原子发生错排的范围，在一个方向上尺寸较大，而另外两个方向