2.6 面缺陷

2.6 面缺陷

只要金属晶体中两个相邻部分的取向、结构或点阵常数不同，在它们的接触处就将形成界面，它是一种面缺陷。不仅在多晶体材料的晶粒之间有通常所说的晶粒间界，而且在一个晶粒内部或者单晶体中还经常存在着亚晶。在复相材料中，除晶粒间界外，还有相界面。此外，任何晶体还有外表面。在这些界面处共同的特点是原子相邻关系偏离晶体内部排列的正常状态，因此都可以归并为面状的晶格缺陷。这些面缺陷对塑性变形与断裂，固态相变，材料的各种力学、物理和化学性能都有重要影响。界面类型有：表面、晶界、亚晶界和相界。 一 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的终止面，另一侧无固体中原子的键合，其配位数少于晶体内部，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，使其能量高于晶内。晶体表面单位面积能量的增加称为比表面能，数值上与表面张力?相等以?表示。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，故表面能具有各向异性。一般外表面通常是表面能低的密排面。对于体心立方{100}表面能最低，对于面心立方{111}表面能最低。杂质的吸附会显著改变表面能，所以外表面会吸附外来杂质，与之形成各种化学键，其中物理吸附是依靠分子键，化学吸附是依靠离子键或共价键。

在晶体表面上，原子排列情况与晶内不同,表面原子会偏离其正常的平衡位置，并影响到邻近的几层原子，造成表层的点阵畸变，使它们的能量比内部原子高，这几层高能量的原

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子层称为表面。晶体表面单位面积自由能的增加称为表面能（J/m），表面能也可理解为产生单位面积新表面所作的功。表面能与晶体表面原子排列致密程度有关，原子密排的表面具有最小的表面能。所以自由晶体暴露在外的表面通常是低表面能的原子密排晶面。 二 晶界与亚晶界

多晶体由许多晶粒组成，每个晶粒是一个小单晶。位向不同的相邻晶粒之间的界面叫晶界。相邻的晶粒位向不同，其交界面叫晶粒界，简称晶界，如图1。多晶体中，每个晶粒内部原子排列也并非十分整齐，会出现位向差极小的亚结构，亚结构之间的交界为亚晶界，如图2。晶粒又可分为更小的亚晶粒。一般晶粒尺寸为15~25μ。亚晶粒尺寸为1μ。亚晶粒之

o

间的界面称为亚晶界。晶界的结构与性质与相邻晶粒的取向差有关，当取向差约小于10时，

o

叫小角度晶界，当取向差大于10以上时，叫大角度晶界。晶界处，原子排列紊乱，使能量增高，即产生晶界能，使晶界性质有别于晶内。

图1 大角度晶界示意图

图2 亚结构与亚晶界

1 小角度晶界

按照相邻亚晶粒之间位向差的不同，可将小角度晶界分为对称倾侧晶界和扭转晶界。它们的结构可用相应的模型来描述。 1）对称倾侧晶界

对称倾侧晶界可看作把晶界两侧晶体互相倾斜的结果。由于相邻两晶粒的位向差θ角很小，其晶界可看成是由一列平行的刃型位错所构成，如图3。对称倾侧晶界是最简单的小角度晶界。图3是简单立方结构晶体中的对称倾侧晶界，由一系列柏氏矢量互相平行的同号刃位错垂直排列而成，晶界两边对称，两晶粒的位向差为?，柏氏矢量为b，当?很小时，

oo求得晶界中位错间距为D?b/?。若??1，b?0.25nm，则位错间距为14nm。当??10时，位错间距仅为1.4nm，此时位错密度太大，此模型已不适用。对称倾侧晶界中同号位错垂直排列，刃位错产生的压应力场与拉应力场可互相抵消，不产生长程应力场，其能量很低。

图3 对称倾侧晶界

对称倾侧晶界的形成过程（a）倾侧前（b）倾侧后

2） 扭转晶界

扭转晶界是小角度晶界的又一种类型。它可看成是两部分晶体绕某一轴在一个共同的晶面上相对扭转一个?角所构成的，扭转轴垂直于这一共同的晶面，如图4。图5表示两个简单立方晶粒之间的扭转晶界，是由两组互相垂直的螺位错构成的网络。

图4 扭转晶界形成模型

图5 扭转晶界的结构

2 大角度晶界

大角度晶界的结构较复杂，其中原子排列较不规则，不能用位错模型来描述。晶界可看成坏区与好区交替相间组合而成。随着位向差的增大，坏区的面积将相应增加。纯金属中大角度晶界的宽度不超过3个原子间距。

大角度晶界示意图，如图1所示，每个相邻晶粒的位向不同，由晶界把各晶粒分开。晶界是原子排列异常的狭窄区域，一般仅几个原子间距。晶界处某些原子过于密集的区域为压应力区，原子过于松散的区域为拉应力区。与小角度晶界相比，大角度晶界能较高，大致在0.5-0.6J/m2，与相邻晶粒取向无关。但也发现某些特殊取向的大角度晶界的界面能很低，为解释这些特殊取向的晶界的性质提出了大角度晶界的重合位置点阵模型。

重合位置点阵模型：

应用场离子显微镜研究晶界，发现当相邻晶粒处在某些特殊位向时，不受晶界存在的影响，两晶粒有1/n的原子处在重合位置，构成一个新的点阵称为“1/n重合位置点阵”，1/n称为重合位置密度。表1以体心立方结构为例，给出了重要的“重合位置点阵”。图6为二维正方点阵中的两个相邻晶粒，晶粒2是相对晶粒1绕垂直于纸面的轴旋转了37o。可发现不受晶界存在的影响，从晶粒1到晶粒2，两个晶粒有1/5的原子是位于另一晶粒点阵的延伸位置上，即有1/5原子处在重合位置上。这些重合位置构成了一个比原点阵大的“重合位置点阵”。当晶界与重合位置点阵的密排面重合，或以台阶方式与重合位置点阵中几个密排面重合时，晶界上包含的重合位置多，晶界上畸变程度下降，导致晶界能下降。在图7中，大角度晶界中的一些特殊位向，具有1/7重合晶界和1/5重合晶界，其界面能明显低于普通的大角晶界的界面能。

表1 体心立方结构的重合位置点阵

图6 位向差为37o时存在的1/5重合位置点阵

图7 铜的不同类型界面的界面能

尽管两晶粒间有很多位向出现重合位置点阵，但毕竟是特殊位向，为适应一般位向，人们认为在界面上，可以引入一组重合位置点阵的位错，即该晶界为重合位置点阵的小角度晶界，这样两晶粒的位向可由特殊位向向一定范围扩展。

3 孪晶界

孪晶是指两个晶体（或一个晶体的两部分）沿一个公共晶面构成镜面对称的位向关系，这两个晶体就称为\孪晶\，此公共晶面就称孪晶面。

孪晶界是晶界中最简单的一种，如图8。孪晶关系指相邻两晶粒或一个晶粒内部相邻两部分沿一个公共晶面(孪晶界)构成镜面对称的位向关系。孪晶界上的原子同时位于两个晶体点阵的结点上，为孪晶的两部分晶体所共有，这种形式的界面称为共格界面。

图8 面心立方晶体的孪晶关系

孪晶的形成与堆垛层错有密切关系。面心立方按ABCABCABC?顺序堆垛起来，如果从某一层开始其堆垛顺序发生颠倒，如图8。按ABCABCACBACBA?堆垛，则上下两部分晶体形成了镜面对称的孪晶关系。共格孪晶界即孪晶面上原子没有发生错排，不会引起弹性应变，故界面能很低，如图7。例如Cu的共格孪晶界的界面能仅为0.025J/m2。但非共格孪晶界的能量较高，接近大角度晶界的1/2。

图9 孪晶显微组织照片

4 相界

合金的组织往往由多个相组成。不同的相具有不同的晶体结构和化学成分。具有不同晶体结构的两相之间的分界叫相界。相界结构有三种：共格界面、半共格界面和非共格界面。三种类型的相界如图10。

图10 各种相界结构示意图

1）共格相界

所谓\共格\是指界面上的原子同时位于两相晶格的结点上，即两相的晶格是彼此衔接的，界面上的原子为两者共有。但是理想的完全共格界面，只有在孪晶界，且孪晶界即为孪晶面时才可能存在。 2）半共格相界

若两相邻晶体在相界面处的晶面间距相差较大，则在相界面上不可能做到完全的一一对应，于是在界面上将产生一些位错，以降低界面的弹性应变能，这时界面上两相原子部分地保持匹配，这样的界面称为半共格界面或部分共格界面。 3）非共格相界

当两相在相界面处的原子排列相差很大时,只能形成非共格界面。

如果两相的界面上，原子成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，为相邻两晶体所共有，这种相界称为共格界面，如图10(a)。显然此时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。然而大多情况必定产生弹性应变和应力，使界面原子达到匹配。

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应的关系，则形成半共格界面，如图10(b)整个界面由图示的位错和共格区所组成，存在一定失配度，以?表示。??a??a?a?，失配度??0.05为完全共格。??0.05?0.25为半共

格界面，失配度越大，界面位错间距D越小。

当失配度??0.25，完全失去匹配能力，成为非共格界面，如图10(c)。

从理论上来讲，相界能包括两部分，即弹性畸变能和化学交互作用能。弹性畸变能大小取决于错配度的大小；而化学交互作用能取决于界面上原子与周围原子的化学键结合状况。相界面结构不同，这两部分能量所占的比例不同。如对共格相界，由于界面上原子保持着匹配关系，故界面上原子结合键数目不变，因此这里应变能是主要的；而对于非共格相界，由于界面上原子的化学键数目和强度与晶内相比发生了很大变化，故其界面能以化学能为主，而且总的界面能较高。从相界能的角度来看，从共格至半共格到非共格依次递增。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。 5 晶界特性

由于晶界的结构与晶内不同，使晶界具有一系列不同于晶粒内部的特性。

(1)由于界面能的存在，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，这种现象叫内吸附。

(2)晶界上原子具有较高的能量，且存在较多的晶体缺陷，使原子的扩散速度比晶粒内部快得多。

(3)常温下，晶界对位错运动起阻碍作用，故金属材料的晶粒越细，则单位体积晶界面积越多，其强度，硬度越高。

(4)晶界比晶内更易氧化和优先腐蚀。

(5)大角度晶界界面能最高，故其晶界迁移速率最大。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，故晶粒长大是能量降低过程，由于晶界迁移靠原子扩散，故只有在较高温度下才能进行。

(6)由于晶界具有较高能量，固态相变时优先在母相晶界上形核。

例题1 在铝试样中，测得晶粒内部密度为5?109/cm2。假定位错全部集中在亚晶界上，每个亚晶粒的截面均为正六边形。亚晶间倾斜角为5°，若位错全部为刃型位错，b?a]，2[101柏氏矢量的大小等于2?10-10m，试求亚晶界上的位错间距和亚晶的平均尺寸。

bb2?10?10???23?10?10 答案 D?2sin?/2?0.087正六边形面积 ，总边长为6a，单位面积中亚晶数目

求得a=1?10-5（m）。

内容提要

晶界、亚晶界、相界等属于晶体的面缺陷。根据界面两侧晶粒的位向差，晶界分为小角度晶界和大角度晶界。小角度晶界又可分为倾侧晶界、扭转晶界等，它们的结构可用相应的模型来描述。多晶材料中大量存在的是大角度晶界。大角度晶界的结构较复杂，其中原子排列不规则，不能用位错模型来描述。有人提出用\重合位置点阵\模型来描述，但它仅适用特殊位向，尚不能解释两晶粒处于任意位向差的晶界结构。多相合金中同一相中的界面也是晶界和亚晶界，不同相之间的界面是相界。相界的结构有共格、半共格和非共格三类，单相合金或多相合金中的层错和孪晶界都是共格界。共格界面的界面能最低。 重点与难点

小角度和大角度晶界模型；晶界能与晶界特性；孪晶界与相界。

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