晶体缺陷 - 表面及界面


外表面

  由于成分偏聚和表面吸附的作用,往往导致表面成分与体内不一。这些均将导致表面原子间结合键与晶体内部并不相等。故表面原子就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 \(\gamma\;(J/m^2)\)
  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。若以原子密排面做表面时,晶体的能量最低、最稳定,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。

  


  

晶界和亚晶界

  属于同一固相但位相不同的晶粒之间的界面称为晶界,它是一种内界面;而每个晶粒有时又由若干个位向稍有差异的亚晶粒所组成,相邻亚晶粒间的界面称为亚晶界

1. 小角度晶界的结构

a. 对称倾斜晶界
  对称倾斜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相差 \(\theta\) 角很小,其晶界可看成由一列平行的刃型位错所构成,位错的间距 \(D\) 与伯氏矢量 \(b\) 之间的关系为:

\[D=\frac{b}{2sin\frac{\theta}{2}}\;。 \]

b. 不对称倾斜晶界
  如果对称倾斜晶界的界面绕 \(x\) 轴转了一个角度 \(\phi\) ,此时两晶粒之间的位相差仍为 \(\theta\) 角,但此时晶界的界面对于两个晶粒是不对成的,因此,称为不对称倾斜晶界。
c. 扭转晶界
  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 \(\theta\) 角所构成的,扭转轴垂直于这一共同的晶面。

2. 大角度晶界的结构

  多晶体材料中各晶粒之间的晶界通常为大角度晶界。
  在二维正方点阵中,当两个相邻晶粒的位向差为 37° 时,若设想两晶粒的点阵彼此通过晶界向对方延伸,其中一些原子将出现有规律的相互重合。由于这些原子重合位置所组成比原来晶体点阵大的新点阵,通常称为重合位置点阵

3. 晶界能

  晶界能定义为形成单位面积界面时,系统的自由能变化 \((\frac{dF}{dA})\) ,它等于界面区单位面积的能量减去无界面时该区单位面积的能量。

4. 晶界的特性

  (1) 晶界处点阵畸变大,存在着晶界能。因此,晶粒的长大和晶界的平直化都能减少晶界面积,从而降低晶界的总能量,这是一个自发过程。然面晶粒的长大和晶界的平直化均需通过原子的扩散来实现,因此,随着温度升高和保温时间的增长,均有利于这两过程的进行。
  (2) 晶界处原子排列不规则,因此在常温下晶界的存在会对位错的运动起阻碍作用,致使塑性变形抗力提高,宏观表现为晶界较晶内具有较高的强度和硬度。晶粒愈细,材料的强度愈高,这就是细晶强化;而高温下则相反,因高温下晶界存在一定的粘滞性,易使相邻晶粒产生相对滑动。
  (3) 晶界处原子偏离平衡位置,具有较高的动能,并且晶界处存在较多的缺陷如空穴、杂质原子和位错等,故晶界处原子的扩散速度比在晶内快得多。
  (4) 在固态相变过程中,由于晶界能量较高且原子活动能力较大,所以新相易于在晶界处优先形核。显然,原始晶粒愈细,晶界愈多,则新相形核率也相应愈高。
  (5) 由于成分偏析和内吸附现象,特别是晶界富集杂质原子情况下,往往晶界熔点较低,故在加热过程中,因温度过高将引起晶界熔化和氧化,导致“过热”现象产生。
  (6) 由于晶界能量较高、原子处于不稳定状态,以及晶界富集杂质原子的缘故.与晶内相比,晶界的腐蚀速度一般较快。这就是用腐蚀剂显示全相样品组织的依据,也是某些金属材料在使用中发生晶间腐蚀破坏的原因。

  


  

孪晶界

  孪晶是指两个晶体沿一个公共晶面构成晶面对称的位向关系,这两个几个题就称为“孪晶”,此公共晶面就称孪晶面
  孪晶界可分为两类,即共格孪晶界非共格孪晶界
  共格孪晶界:在孪晶面上的原子同时位于两个晶体点阵的结点上,为两个晶体所共有,属于自然的完全匹配,是无畸变的完全共格晶面,因此它的界面能很低
  非共格孪晶界:孪晶界上只有部分原子为两部分晶体所共有,因而原子错排较严重,这种孪晶界的能量相对较高

  


  

相界

  具有不同结构的两相之间的分界面称为“相界”。
  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。
  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。
  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。这种相界与大角度晶界类似,可看成是由原子不规则排列很薄的过渡层构成的。


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