第3章點(diǎn)缺陷、位錯(cuò)的基本類型和特征-材料科學(xué)基礎(chǔ)-資料下載頁
2025-08-15 23:11本頁面
【正文】 。 位錯(cuò) 68 表面及界面 ? 界面通常包含幾個(gè)原子層厚的區(qū)域，該區(qū)域內(nèi)的原子排列甚至化學(xué)成分往往不同于晶體內(nèi)部，又因它是二維結(jié)構(gòu)分布，故也稱為晶體的面缺陷。 ? 界面的存在對晶體的力學(xué)、物理和化學(xué)等性能產(chǎn)生重要的影響。 第 三 章 晶體缺陷 69 外表面 ? 在晶體表面上，原子配位數(shù)與晶內(nèi)不同，表面原子會(huì)偏離其正常的平衡位置，并影響到鄰近的幾層原子，造成表層的點(diǎn)陣畸變，使它們的能量比內(nèi)部原子高，這幾層高能量的原子層稱為表面。晶體表面單位面積自由能的增加稱為表面能 （ J/m2）。表面能也可理解為產(chǎn)生單位面積新表面所作的功。 ? 表面能與晶體表面原子排列致密程度有關(guān)，原子密排的表面具有最小的表面能。所以自由晶體暴露在外的表面通常是低表面能的原子密排晶面。 表面及界面 70 晶界和亞晶界 1. 晶界和亞晶界： 屬于同一固相但位向不同的晶粒之間的界面稱為晶界，它是一種內(nèi)界面；而每個(gè)晶粒有時(shí)又由若干個(gè)位向稍有差異的亞晶粒所組成，相鄰亞晶粒間的界面稱為亞晶界。晶粒的平均直徑通常在 mm范圍內(nèi)，而亞晶粒的平均直徑則通常為。 表面及界面 71 晶界和亞晶界 2. 晶界分類：根據(jù)相鄰晶粒之間位向差的大小不同可將晶界分為兩類： 小角度晶界：相鄰晶粒的位向差小于 10186。 晶界；亞晶界均屬小角度晶界，一般小于 2186。 ； 大角度晶界：相鄰晶粒的位向差大于 10186。 晶界，多晶體中 90％以上的晶界屬于此類。 3. 小角度晶界的結(jié)構(gòu)：小角度晶界可分為傾斜晶界、扭轉(zhuǎn)晶界和重合晶界等。它們的結(jié)構(gòu)可用相應(yīng)的模型來描述。 表面及界面 72 ① 對稱傾斜晶界：晶界的界面對于兩個(gè)晶粒成對稱關(guān)系。其晶界可看成是由一列平行的刃型位錯(cuò)所構(gòu)成。 ② 不對稱傾斜晶界：傾斜晶界的界面繞 x軸轉(zhuǎn)了一角度 φ ，此時(shí)晶界的界面對于兩個(gè)晶粒是不對稱的，它有兩個(gè)自由度 θ 和 φ 。該晶界可看成由兩組柏氏矢量相互垂直的刃位錯(cuò)交錯(cuò)排列而構(gòu)成。 表面及界面 73 ③ 扭轉(zhuǎn)晶界：可看成是兩部分晶體繞某一軸在一個(gè)共同的晶面上相對扭轉(zhuǎn)一個(gè) q角所構(gòu)成的，扭轉(zhuǎn)軸垂直于這一共同的晶面。 表面及界面 74 4.界通常為大角度晶界。大角度晶界的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不能用位錯(cuò)模型來描述。晶界可看成壞區(qū)與好區(qū)交替相間組合而成。隨著位向差的增大，壞區(qū)的面積將相應(yīng)增加。純金屬中大角度晶界的寬度一般不超過 3個(gè)原子間距。 表面及界面 75 5. 晶界能：晶界能定義為形成單位面積界面時(shí)，系統(tǒng)的自由能變化（ dF/dA 。 ① 小角度晶界的能量主要來自位錯(cuò)能量，而位錯(cuò)密度又決定于晶粒間的位向差，所以，小角度晶界能也和位向差有關(guān)： ② 晶界能可以通過界面交角的測定求出它的相對值。圖 3個(gè)晶粒相遇時(shí)，它們兩兩相交于一界面，在達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)， O點(diǎn)處的界面張力必須達(dá)到力學(xué)平衡，即其矢量和為零，故 表面及界面 76 6. 晶界的特性 ① 通過原子的擴(kuò)散，晶粒的長大和晶界的平直化都能減少晶界面積，從而降低晶界的總能量，是自發(fā)過程。隨溫度升高和保溫時(shí)間增長，均有利于這兩過程進(jìn)行。 ② 常溫下晶界的存在會(huì)對位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)起阻礙作用，致使塑性變形抗力提高，宏觀表現(xiàn)為晶界較晶內(nèi)具有較高的強(qiáng)度和硬度。晶粒愈細(xì)，材料的強(qiáng)度愈高，這就是 細(xì)晶強(qiáng)化 ；而高溫下則相反，因高溫下晶界存在一定的粘滯性，易使相鄰晶粒產(chǎn)生相對滑動(dòng)。 ③ 晶界處原子具有較高的動(dòng)能，且晶界處存在較多的缺陷如空穴、雜質(zhì)原子和位錯(cuò)等，故晶界處原子的擴(kuò)散速度比在晶內(nèi)快得多。 表面及界面 77 6. 晶界的特性 ④ 固態(tài)相變過程中，新相易于在晶界處優(yōu)先形核。母相原始晶粒愈細(xì)，晶界愈多，則新相形核率也相應(yīng)愈高。 ⑤ 由于成分偏析和內(nèi)吸附現(xiàn)象，晶界熔點(diǎn)較低，在加熱過程中，因溫度過高將引起晶界熔化和氧化，導(dǎo)致 “ 過熱 ” 現(xiàn)象產(chǎn)生。 ⑥ 由于晶界能量較高、原子處于不穩(wěn)定狀態(tài)，以及晶界富集雜質(zhì)原子的緣故，與晶內(nèi)相比，晶界的腐蝕速度一般較快。這就是用腐蝕劑顯示全相樣品組織的依據(jù)，也是某些金屬材料在使用中發(fā)生晶間腐蝕破壞的原因。 表面及界面 78 孿晶界 1. 孿晶是指兩個(gè)晶體（或一個(gè)晶體的兩部分）沿一個(gè)公共晶面構(gòu)成鏡面對稱的位向關(guān)系，這兩個(gè)晶體就稱為 “ 孿晶 ” ，此公共晶面就稱孿晶面。 2. 孿晶界可分為兩類，即共格孿晶界和非共格孿晶界。 表面及界面 79 相界 1. 具有不同結(jié)構(gòu)的兩相之間的界面稱為 相界 2. 共格相界：界面上的原子同時(shí)位于兩相晶格的結(jié)點(diǎn)上，即兩相的晶格是彼此銜接的，界面上的原子為兩者共有。 3. 半共格相界：相界面上產(chǎn)生一些位錯(cuò)，以降低界面的彈性應(yīng)變能，這時(shí)界面上兩相原子部分地保持匹配。 表面及界面 80 相界 4. 非共格相界： 當(dāng)兩相在相界面處的原子排列相差很大時(shí)，只能形成非共格界面。這種相界與大角度晶界相似，可看成是由原子不規(guī)則排列的很薄的過渡層構(gòu)成。 表面及界面 81 界面特性 （ 1）界面能會(huì)引起界面吸附。 （ 2）界面上原子擴(kuò)散速度較快。 （ 3）對位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)有阻礙作用。 （ 4）易被氧化和腐蝕。 （ 5）原子的混亂排列利于固態(tài)相變的形核。 表面及界面 82 第 3章 習(xí)題 1. Nb的晶體結(jié)構(gòu)為 bcc，其晶格常數(shù)為 ，密度為 ，試求每 106Nb中所含空位數(shù)目。 2. Pt的晶體結(jié)構(gòu)為 fcc，其晶格常數(shù)為 ，密度為 ，試計(jì)算空位所占的格子之比例。 3. 若 fcc的 Cu中每 500個(gè)原子會(huì)失去一個(gè)原子，其晶格常數(shù)為 ，試求銅的密度。 4. 若 H原子正好能填入 aFe的間隙位置，而如果每 200個(gè)鐵原子伴隨著一個(gè) H原子，試求理論的和平均的密度與致密度(已知 aFe a=， rFe=， rH=)。 83 第 3章 習(xí)題 5. 在鐵中形成 1mol空位的能量為 ，試計(jì)算從20℃ 升溫之 850℃ 時(shí)空位數(shù)目增加多少倍？ 6. 由 600℃ 降至 300℃ 時(shí)，鍺晶體中的空位平衡濃度降低了六個(gè)數(shù)量級，試計(jì)算鍺晶體中的空位形成能。 7. 若將一位錯(cuò)線的正向定義為原來的反向，此位錯(cuò)的柏氏矢量是否改變？位錯(cuò)的類型性質(zhì)是否改變？一個(gè)位錯(cuò)環(huán)上各點(diǎn)位置類型是否相同？ 8. 有兩根左螺旋位錯(cuò)線，各自的能量都為 E，當(dāng)它們無限靠攏時(shí)，體系總能量為多少？與初始狀態(tài)相比，體系能量有什么變化？ 84 第 3章 習(xí)題 9. 圖 36所示某晶體位錯(cuò)面上有一柏氏矢量為 b的位錯(cuò)環(huán)并收到一均勻切應(yīng)力 τ的作用， a)分析各段位錯(cuò)線所受力的大小并確定其方向； b)在 τ作用下，若要使它在晶體中穩(wěn)定不動(dòng)，其最小半徑為多大？
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