[所有分类]材料科学基础-第2章晶体缺陷.pptVIP

* 2.3.1 晶体表面 外表面是非常粗糙的，比材料内部活性更大。 纳米结构材料（超细粉体与纳米材料、多孔材料和凝胶类似）是表面能很高的一类材料。 对于日常广泛应用的大块材料来说，它们的比表面(单位体积晶体的表面积)很小，因此表面对晶体性能的影响不如晶界重要。但是对于多孔物质或粉末材料，它们的比表面很大，此时表面能就成为不可忽略的重要因素，甚至是关键因素。 粉末的表面能数值相当可观，成为不少过程的驱动力，例如粉末在高温下可烧结为整体，其驱动力就来自于高的表面能。 * 2.3.2 晶界(Grain boundary) 晶界就是空间取向(或位向)不同的相邻晶粒之间的界面。晶粒内又可分为位向差只有几分到几度的若干小晶块、这些小晶块可称为亚晶粒，相邻亚晶粒之间的界面称为亚晶界。 1．小角度晶界( θ＜10°) 多晶体各晶粒之间的晶界 对称倾转型 (title boundary)：它是由一列竖直排列的刃型位错构成，亦称“位错墙”。 扭转型：它可以看成两个简单立方晶粒之间的扭转晶界。扭转型小角度晶界，是由相交的螺位错网络所构成。 由于小角度晶界的界面能低于规则晶粒的晶界能，所以小角度晶界对滑移几乎没有什么阻碍作用。 2. 大角度晶界(θ＞10°) 亚晶界 相当于两晶粒之间的过渡层，是仅有2-3个原子厚度的薄层，总体来说，原子排列相对无序，也比较稀疏些。 * Figure (a) The atoms near the boundaries of the three grains do not have an equilibrium spacing or arrangement. (b) Grains and grain boundaries in a stainless steel sample. * Figure 2.22 The small angle grain boundary is produced by an array of dislocations, causing an angular mismatch θ between lattices on either side of the boundary. 图2-22 对称倾转型小角度晶界 * 2.3.3 晶界特性 晶粒长大和晶界的平直化都可减少晶界的总面积，从而降低晶界的总能量。大角度晶界的界面能远高于小角度晶界的界面能。所以，大角度晶界的迁移速率较小角度晶界大。 由于界面能的存在，当金属中存在能降低界面能的异类原子时，这些原子就将向晶界偏聚，这种现象称为内吸附。凡是提高界面能的原子，将会在晶粒内部偏聚，这种现象叫做反内吸附。 晶粒越细，金属材料的强度和硬度越高。 由于界面能的存在，使晶界的熔点低于晶粒内，且易于腐蚀和氧化。 晶界上的空位、位错等缺陷较多，因此，原子的扩散速度较快，在发生相变时，新相晶核往往首先在晶界形成。 * Figure The effect of grain size on the yield strength of steel at room temperature. * 2.3.4 晶界的观察 光学显微镜分析是一种可以观察2000倍以下的显微组织（包括晶界）的技术。金相学(Metallography)就是金属样品的制备和显微组织的观察分析的过程。 金相样品的制备包括使用砂纸进行粗磨和细磨，抛光成镜面。样品表面用化学浸蚀剂浸蚀，晶界比晶内更易于腐蚀。根据样品表面腐蚀的程度，反射或散射来自光学显微镜的光线。晶界处腐蚀得很深，光线大部分被散射，因此晶界看上去为黑色的线。 在陶瓷材料样品中，可以采用热腐蚀或热刻蚀（thermal grooving）的技术来观察晶界。这个过程主要包括抛光和低于烧结温度的短时加热过程。 图像分析程序不仅可以确定晶粒度，还可以得到平均晶粒尺寸、晶粒分布，孔隙率和第二相等定量数据。光学显微镜和扫描电镜都可以配备图像分析系统。 * Figure Microstructure of palladium (x 100). * 2.3.5 堆垛层错（Stacking Faults） 堆垛层错（层错），就是晶体中的原子按正常堆垛次序发生了差错而出现的面缺陷。 堆垛层错破坏了晶体的正常周期，从而增加了晶体的能量。通常把产生单位面积层错所需的能量称为层错能。它主要是在电子学方面的影响，晶体中并不产生点阵畸变，畸变能可以不计。因此，层错能的能量比晶界能量要低得多。堆垛层错对滑移有阻碍作用。 金属的层错能越小，则层错出现的几率越大，如在奥氏体不锈钢中，可以看到大量的层锗，而在铝中则根本看不到层错。 金属 Ag Au Cu Al Ni 不锈钢 层错能 20 45 75 200 240 13 表2-4　部分面心立方金属的层错能