2.6 面缺陷(2)

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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