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

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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。

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