结构缺陷面缺陷.ppt
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1、4 面缺陷的基本性质面缺陷的基本性质面面缺缺陷陷是是是是将将材材料料分分成成若若干干区区域域的的边边界界。每每个个区区域域内具有相同的晶体结构,区域之间有不同的取向。内具有相同的晶体结构,区域之间有不同的取向。由由于于晶晶界界对对材材料料的的力力学学、腐腐蚀蚀、冶冶金金性性能能等等有有很很大大的的影影响响,因因此此人们对晶界的结构非常感兴趣,进行过许多理论和实验研究。人们对晶界的结构非常感兴趣,进行过许多理论和实验研究。面面缺缺陷陷是是指指两两个个方方向向尺尺寸寸较较大大,另另一一个个方方向向尺尺寸寸较较小小的的缺缺陷陷。通通常常是是几几个个原原子子层层厚厚的的区区域域,在在这这个个区区域域内
2、内的的结结构构和和性性能能不不同同于于晶晶体体的的内内部部。面面缺缺陷陷可以是平面,也可以是曲面。如表面、晶界、界面、层错、孪晶面等。可以是平面,也可以是曲面。如表面、晶界、界面、层错、孪晶面等。晶界分类晶界分类:根根据据区区域域间间取取向向的的几几何何关关系系不不同同:位位错错界界面面、孪孪晶晶界界面面和和平平移移界界面面;根根据界面上质点排列情况不同:共格、半共格和非共格界面;据界面上质点排列情况不同:共格、半共格和非共格界面;根据相邻两个晶粒取向角度偏差大小,小角度晶界、大角度晶界根据相邻两个晶粒取向角度偏差大小,小角度晶界、大角度晶界;晶界晶界是不同取向的晶粒之间的界面,是很薄的过渡层
3、。是不同取向的晶粒之间的界面,是很薄的过渡层。小角度晶界:相邻两个晶粒取向角度小角度晶界:相邻两个晶粒取向角度小于小于10o15o;大角度晶界:相邻两个晶粒取向角度大角度晶界:相邻两个晶粒取向角度大于大于10o15o。多多晶晶材材料料中中常常存存在在大大角角度度晶晶界界,但但晶晶粒粒内内部部的的亚亚晶晶粒粒(单单晶晶材材料料中中取取向向差差很很小小的的晶晶粒粒称称为为亚亚晶晶粒粒,亚亚晶晶粒粒之之间间的的界界面面称称为为亚亚晶晶界界,其其通通常为常为1o5o)之间则是小角度晶界。)之间则是小角度晶界。晶界晶界的性质取决于结构,而晶界的结构在很大程度上取决于晶界的位置。的性质取决于结构,而晶界的
4、结构在很大程度上取决于晶界的位置。确定晶界位置的确定晶界位置的5个自由度:个自由度:两两个个晶晶粒粒相相对对取取向向:一一个个晶晶粒粒相相对对于于另另一一个个晶晶粒粒绕绕某某一一轴轴 旋旋转转一一定定角角度度,确确定定 需需要要两两个个变变量量,即即两两个个方方向向余余弦弦,和和定定了了,两个晶粒相对取向就确定了,两个方向余弦和两个晶粒相对取向就确定了,两个方向余弦和为三个自由度;为三个自由度;相相对对位位向向:晶晶界界在在两两个个晶晶粒粒之之间间的的位位置置,用用晶晶界界平平面面的的法法线线方方向向 决决定,定,需要需要2个方向余弦确定,即个方向余弦确定,即2个自由度;个自由度;4.1 小角
5、度晶界小角度晶界4.2 大角度晶界大角度晶界4.3 其它晶界模型其它晶界模型4.4 相界模型相界模型4.5 晶界能晶界能4.6 单相多晶体中的晶粒形状单相多晶体中的晶粒形状4.1 小角度晶界小角度晶界晶界的结构和性质与相邻晶粒的取向差有关,当取向差晶界的结构和性质与相邻晶粒的取向差有关,当取向差小于小于1015o时,时,称为小角度晶界。称为小角度晶界。根据形成晶界时的根据形成晶界时的操作操作不同,晶界分为倾斜晶界和扭转晶界。不同,晶界分为倾斜晶界和扭转晶界。倾斜晶界包括:倾斜晶界包括:对称倾斜晶界和不对称倾斜晶界对称倾斜晶界和不对称倾斜晶界一、倾斜晶界一、倾斜晶界倾斜晶界特点:倾斜晶界特点:下
6、面先以简单立方晶体为例讨论下面先以简单立方晶体为例讨论转轴在晶界平面内,有转轴在晶界平面内,有3个自由度个自由度简单立方晶体中的简单立方晶体中的对称倾斜晶界对称倾斜晶界 倾斜晶界为(倾斜晶界为(100)面(晶界平面)。)面(晶界平面)。投影面为(投影面为(001)面。)面。两侧晶粒的位向差为两侧晶粒的位向差为,相当于相邻晶粒,相当于相邻晶粒绕绕001轴反向各自旋转轴反向各自旋转/2而成。转轴是而成。转轴是001几何特征是相邻两晶粒相对于晶界作旋几何特征是相邻两晶粒相对于晶界作旋转,转轴在晶界内并与位错线平行。转,转轴在晶界内并与位错线平行。为了填补相邻两个晶粒取向之间的偏差,为了填补相邻两个晶
7、粒取向之间的偏差,使原子的排列尽可能接近原来的完整晶使原子的排列尽可能接近原来的完整晶格,每隔几行就插入一片原子。格,每隔几行就插入一片原子。只有角度只有角度是可变的,是可变的,即只有即只有1个自由度个自由度简单立方结构晶体的简单立方结构晶体的对称倾斜晶界对称倾斜晶界对称倾斜晶界对称倾斜晶界是最简单的小角度晶界是最简单的小角度晶界这种晶界的结构特点是由这种晶界的结构特点是由一系列平行等距离排列的一系列平行等距离排列的同号刃位错同号刃位错所构成。所构成。位错间距离位错间距离D、伯氏矢量、伯氏矢量b与取向差与取向差之间满足下列关系之间满足下列关系 由上式知,当由上式知,当小时,位错间距较大,若小时
8、,位错间距较大,若b=0.25nm,=1o,则,则D=14nm;若;若10o,则位错间距太近,位错模型不再适,则位错间距太近,位错模型不再适应。应。简单立方晶体中的简单立方晶体中的不对称倾斜晶界不对称倾斜晶界形成:形成:界界面是面是绕绕001轴轴旋旋转转角度角度的任意面,的任意面,相相邻邻两晶粒的取向差仍是很小的两晶粒的取向差仍是很小的角,角,但界面两但界面两侧侧晶粒是不晶粒是不对对称的。称的。界面与左侧晶粒界面与左侧晶粒 轴向夹角为轴向夹角为-/2,与右侧晶粒的,与右侧晶粒的100成成+/2 晶界平面是晶界平面是任意面(任意面(hkl)转轴是转轴是001结构特点是:结构特点是:有两个自由度有
9、两个自由度、,由两组相互垂直的刃位错所组成。,由两组相互垂直的刃位错所组成。设晶界设晶界AC的长度为的长度为1,位错数目:位错数目:相邻同组位错的距离相邻同组位错的距离:倾斜晶界的产生:倾斜晶界的产生:在高温下生长或充分退火的晶体中常存在着倾斜晶界,倾斜晶界是在高温下生长或充分退火的晶体中常存在着倾斜晶界,倾斜晶界是位错滑移和攀移运动位错滑移和攀移运动所形成的一种平衡组态。所形成的一种平衡组态。在其形成过程中,由于位错的长程应力场相互抵消,是一个能量降在其形成过程中,由于位错的长程应力场相互抵消,是一个能量降低过程,因此倾斜晶界形成后低过程,因此倾斜晶界形成后很难消除很难消除。由于倾斜晶界的界
10、面能比。由于倾斜晶界的界面能比一般的晶界低,因此,倾斜晶界即小角度晶界就不能有效地阻止位一般的晶界低,因此,倾斜晶界即小角度晶界就不能有效地阻止位错的滑移。因而对晶体的力学性质和光学性质有较大影响。要消除错的滑移。因而对晶体的力学性质和光学性质有较大影响。要消除晶体中的小角度晶界,工艺上必须控制位错的形成。晶体中的小角度晶界,工艺上必须控制位错的形成。简单立方晶体扭转晶界简单立方晶体扭转晶界旋转旋转角角 晶面平面是(晶面平面是(001)面,转轴是)面,转轴是001 两者互相垂直两者互相垂直结构特点:结构特点:晶界是由两组相互垂直的螺位错构成的网络晶界是由两组相互垂直的螺位错构成的网络 形成:扭
11、转后,为了降低原子错排引起的形成:扭转后,为了降低原子错排引起的能量增加,晶面内的原子会适当位移以确能量增加,晶面内的原子会适当位移以确保尽可能多的原子恢复到平衡位置(此即保尽可能多的原子恢复到平衡位置(此即结构弛豫),不能回到平衡位置的,最后结构弛豫),不能回到平衡位置的,最后形成两组相互垂直分布的螺位错。形成两组相互垂直分布的螺位错。二、扭转晶界二、扭转晶界010100简单的扭转晶界只有一个自由度简单的扭转晶界只有一个自由度 推广:一般的小角度晶界,其旋转轴和界面可以有任意的取向关系,因推广:一般的小角度晶界,其旋转轴和界面可以有任意的取向关系,因此结构特点是由刃位错、螺位错或混合位错组成
12、的二维位错网所组成。此结构特点是由刃位错、螺位错或混合位错组成的二维位错网所组成。此为小角度晶界的位错模型此为小角度晶界的位错模型 晶面位置、转轴和转角都是可变的,应是晶面位置、转轴和转角都是可变的,应是5个自由度。个自由度。晶面平面是图中阴影面晶面平面是图中阴影面转轴转轴u一般与晶界呈任意角度一般与晶界呈任意角度旋转角度是旋转角度是结构特点:结构特点:晶界即包含倾斜成份,又包含扭转成份晶界即包含倾斜成份,又包含扭转成份 1950年,年,Frank根据根据5个自由度,提出了一个简单的方法来确定适个自由度,提出了一个简单的方法来确定适当的位错结构,即所谓的当的位错结构,即所谓的Frank公式。公
13、式。三、一般小角度晶界三、一般小角度晶界晶面平面上有一组平行位错线晶面平面上有一组平行位错线O点是晶界平面和转轴的交点点是晶界平面和转轴的交点晶面平面内的任意向量晶面平面内的任意向量假定形成晶界时,晶界平面两边的晶粒分假定形成晶界时,晶界平面两边的晶粒分别绕别绕u轴反向旋转了轴反向旋转了/2,因而因而r分别转分别转到了到了r(OA)、)、r(OA)的位置,让的位置,让r、r分别位于两个晶粒内。分别位于两个晶粒内。走回路,因包含位错,回路不封闭,不封闭段走回路,因包含位错,回路不封闭,不封闭段d(AA)应等应等于回路中所包含的所有位错的伯氏适量的和,或等于于回路中所包含的所有位错的伯氏适量的和,
14、或等于r所切所切割的所有晶界位错的伯氏适量的之和。割的所有晶界位错的伯氏适量的之和。(1)()(2)都是)都是Frank公式,根据此式,只要知道了晶界位错的伯公式,根据此式,只要知道了晶界位错的伯氏矢量,就可确定晶界的性质和位错分布。氏矢量,就可确定晶界的性质和位错分布。Ni是所切割的伯氏矢量是所切割的伯氏矢量bi的位错数的位错数同时,同时,d相当于界面上和相当于界面上和OA相交的各位错伯氏矢量之和相交的各位错伯氏矢量之和举例:举例:假如晶界只包含伯氏矢量假如晶界只包含伯氏矢量b的位错的位错根据根据Frank公式公式即没有位错线与即没有位错线与r相交,说明位错线平行于转轴。相交,说明位错线平行
15、于转轴。只有对称倾斜晶界的上的刃位错满足。只有对称倾斜晶界的上的刃位错满足。对称倾斜晶界的上的刃位错满足对称倾斜晶界的上的刃位错满足与对称倾斜晶界对比与对称倾斜晶界对比位错均平行于位错均平行于001位错间距为位错间距为b/对对Frank公式的讨论公式的讨论Frank公式仅适用于平面的晶界;公式仅适用于平面的晶界;对给定的对给定的n或或u,由于,由于Frank公式可能得到多个晶界位错公式可能得到多个晶界位错模型,最可能的模型应该是能量最低的。模型,最可能的模型应该是能量最低的。必须是小角度晶界,因而位错密度正比于必须是小角度晶界,因而位错密度正比于。不管伯氏矢量如何,每组位错线必须是等间距的平行
16、直线。不管伯氏矢量如何,每组位错线必须是等间距的平行直线。4.2 大角度晶界大角度晶界 实实验验研研究究(如如场场离离子子显显微微镜镜观观察察)表表明明,大大角角度度晶晶界界两两侧侧晶晶粒粒的的取取向向差差较较大大,但但其其过过渡渡区区却却很很窄窄(仅仅有有几几个个埃埃),其其中中原原子子排排列列在在多多数数情情况况下下很很不不规规则则,少少数数情情况况下下有有一一定定的的规规律律性性,因因此此很很难难用用位位错错模模型型来来描描述述。一一般般大大角角度度晶晶界界的的界界面面能能大大致致在在0.50.6J/m2左左右右,与与相相邻邻晶晶粒粒的的取取向向差差无无关关。但但也也有有些些特特殊殊取取
17、向向的的大大角角度度晶晶界界的的界界面面能能比比其其它它任任意意取取向向的的大大角角度度晶晶界界的的界界面面能能低低,为为了了解解释释这这些些特特殊殊晶晶界界的的性性质质,提提出出了了大大角角度度晶晶界界的的重重合合位位置置点点阵阵(coincidence site lattice 即即CSL)模型,)模型,O点阵理论,点阵理论,DSC点阵模型点阵模型等。等。一、大角度晶界的重合位置点阵模型一、大角度晶界的重合位置点阵模型CSL假设两个点阵假设两个点阵1和和2,作相对平移或旋转,作相对平移或旋转,当达到某一特定位置时,其中有些阵点相当达到某一特定位置时,其中有些阵点相互重合。这些重合位置的阵点
18、所构成的超互重合。这些重合位置的阵点所构成的超点阵,称为重合位置点阵。点阵,称为重合位置点阵。转轴一般是低指数的晶轴转轴一般是低指数的晶轴简单立方点阵简单立方点阵相对于相对于001轴旋转轴旋转=28.1度度的(的(001)面原子的排列图)面原子的排列图 定义定义CSL的特征的特征用重合位置点阵密度来描述用重合位置点阵密度来描述1/5的重合位置的重合位置两体心立方晶粒相对两体心立方晶粒相对110轴旋转轴旋转50.5度后,出现度后,出现1/11的重合位置的重合位置为了说明两个晶粒中外延点阵中阵点的为了说明两个晶粒中外延点阵中阵点的重合情重合情况,引入倒易密度的概念况,引入倒易密度的概念重合位置点阵
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