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1、第六章晶体的理想形状和第六章晶体的理想形状和缺陷缺陷第一页，本课件共有78页6 6.1.1单形单形一、单形的概念一、单形的概念单形单形:晶体中由对称要素联系起来晶体中由对称要素联系起来的一组晶面的组合的一组晶面的组合（即借助晶体中全部对称要素的（即借助晶体中全部对称要素的作用相互重复的一组晶面）作用相互重复的一组晶面）第二页，本课件共有78页结论：结论：（1 1）单形中所有晶面性质相同（物理性质、晶面花）单形中所有晶面性质相同（物理性质、晶面花纹、晶面大小等）纹、晶面大小等）(见图见图A)A)（2 2）晶体中，相互间不能对称重复的晶面属于不同）晶体中，相互间不能对称重复的晶面属于不同单形单形(
2、见图见图B B）AB第三页，本课件共有78页(4)(4)在同一对称型中，由于晶面与对称要素之在同一对称型中，由于晶面与对称要素之间的位置不同可以导出不同的单形间的位置不同可以导出不同的单形(3)(3)以单形中任意一个晶面作为原始晶面，通过以单形中任意一个晶面作为原始晶面，通过对称型中全部对称要素的作用，一定会导出该单对称型中全部对称要素的作用，一定会导出该单形的全部晶面。形的全部晶面。(a)立方体立方体(b)八面体八面体(c)菱形十二面体菱形十二面体(d)四角三八面四角三八面体体 第四页，本课件共有78页二、单形符号二、单形符号八面体的所有晶八面体的所有晶面的晶面符号面的晶面符号(111)(1
3、11)(111)(111)(111)(111)(111)(111)(111)(111)(111)(111)(111)(111)(111)(111)用简单数字符号形式表征单形中所有组成晶面及其在用简单数字符号形式表征单形中所有组成晶面及其在晶体上取向的一种结晶学符号。晶体上取向的一种结晶学符号。第五页，本课件共有78页 单形符号的表示单形符号的表示 按一定原则选择一代表性晶面，将该晶面的晶面指数按一定原则选择一代表性晶面，将该晶面的晶面指数顺序连写于大括号顺序连写于大括号hklhkl中，表示单形符号，简称中，表示单形符号，简称形号。形号。第六页，本课件共有78页晶面选择原则晶面选择原则 选择单形
4、中正指数为最多的晶面，至少选择单形中正指数为最多的晶面，至少l l 为正，在此前为正，在此前提下，要尽可能靠近前面，其次靠近右边，再次靠近上提下，要尽可能靠近前面，其次靠近右边，再次靠近上边，即边，即h hk kl l具体原则：具体原则：中、低级：中、低级：“先上、次前、后右先上、次前、后右”高级：高级：“先前、次右、后上先前、次右、后上”第七页，本课件共有78页A菱方双锥单形菱方双锥单形举例举例1 1：正交晶系：正交晶系mmmmmm对称型对称型ABE (321)ADE (321)BCE (321)DCE (321)ABF (321)ADF (321)BCF (321)DCF (321)XYZ
5、第八页，本课件共有78页举例举例2：六八面体单形符号：六八面体单形符号XYZ第九页，本课件共有78页A单面单面B四方柱四方柱C四方锥四方锥举例举例1：L4对称型的单形推导对称型的单形推导三、单形的推导三、单形的推导第十页，本课件共有78页 L L2 22P 2P 的空间分布的空间分布举例举例2：L22P(mm2)对称型的单形推导对称型的单形推导A B/CD/EFG第十一页，本课件共有78页四、结晶单形与几何单形四、结晶单形与几何单形结晶单形结晶单形:32:32种对称型逐一推导，如果不仅考虑形种对称型逐一推导，如果不仅考虑形态，同时考虑它的对称性，则单形共有态，同时考虑它的对称性，则单形共有14
6、6146种种，称，称为结晶单形。为结晶单形。几何单形几何单形：3232种对称型逐一推导，只考虑几何形种对称型逐一推导，只考虑几何形态，共有态，共有4747种种，称为几何单形。，称为几何单形。第十二页，本课件共有78页下图为同为立方体几何单形的下图为同为立方体几何单形的5 5种不同对称型。种不同对称型。第十三页，本课件共有78页6 6.2.2 4747种几何单形种几何单形一般说来，对于一个单形的描述，要注意晶面的一般说来，对于一个单形的描述，要注意晶面的数目、形状、数目、形状、相互关系、晶面与对称要素的相对位置及单形的横切面相互关系、晶面与对称要素的相对位置及单形的横切面等。等。（1 1）整个单
7、形的形状：如柱、锥、立方体等）整个单形的形状：如柱、锥、立方体等单形命名的依据：单形命名的依据：（2 2）横切面的形状：如四方柱、八面体等）横切面的形状：如四方柱、八面体等（3 3）晶面的数目：如单面、八面体）晶面的数目：如单面、八面体（4 4）晶面的形状：如菱面体、五角十二面体）晶面的形状：如菱面体、五角十二面体第十四页，本课件共有78页l1 1低级晶族：低级晶族：共有七种。共有七种。A A、单面：、单面：晶面为一个平面。晶面为一个平面。B B、平行双面：、平行双面：晶面为一对相互平行的平面。晶面为一对相互平行的平面。C C、双面：、双面：又分反映双面及轴双面，为一对相交平面。又分反映双面及
8、轴双面，为一对相交平面。D D、斜方柱：、斜方柱：由四个两两平行的晶面组成，晶棱平行，横切面为菱由四个两两平行的晶面组成，晶棱平行，横切面为菱形。形。E E、斜方单锥：、斜方单锥：四个全等不等边三角形组成，晶面相交于一点，底面为四个全等不等边三角形组成，晶面相交于一点，底面为菱形，锥顶为菱形，锥顶为L L2 2出露点。出露点。F F、斜方四面体：、斜方四面体：由四个全等不等边三角形组成，晶面互不平行，每棱的由四个全等不等边三角形组成，晶面互不平行，每棱的中点为中点为L L2 2出露点，通过晶棱中点的横切面为菱形。出露点，通过晶棱中点的横切面为菱形。G G、斜方双锥：、斜方双锥：由两个相同的斜方
9、单锥底面对接而成。由两个相同的斜方单锥底面对接而成。第十五页，本课件共有78页l2 2中级晶族：中级晶族：有一个高次轴的单形。晶面垂直高次轴可出现单面和平有一个高次轴的单形。晶面垂直高次轴可出现单面和平行双面。此外还有行双面。此外还有2525种。种。A A、柱类、柱类由若干晶面围成柱体，它们的棱相互平行，且平行于高次由若干晶面围成柱体，它们的棱相互平行，且平行于高次轴，按切面形状分为轴，按切面形状分为6 6种：种：三方柱、复三方柱，四方柱、复四方柱，六三方柱、复三方柱，四方柱、复四方柱，六方柱、复六方柱方柱、复六方柱。（复方柱之横切面两相邻内角不等，两相间内角。（复方柱之横切面两相邻内角不等，
10、两相间内角相等）。相等）。第十六页，本课件共有78页lB B、单锥类、单锥类:若干等腰三角形晶面相交高次轴于一点，若干等腰三角形晶面相交高次轴于一点，底面垂直高次轴，形状与柱同，有底面垂直高次轴，形状与柱同，有6 6种单形：三方种单形：三方单锥、复三方锥，四方单锥、复四方单锥，六方单锥、复三方锥，四方单锥、复四方单锥，六方单锥复六方单锥。单锥复六方单锥。第十七页，本课件共有78页lC C、双锥类、双锥类:两相同的单锥底面对接而成。有六种两相同的单锥底面对接而成。有六种单形。三方双锥、复三方双锥，四方双锥、复四单形。三方双锥、复三方双锥，四方双锥、复四方双锥，六方双锥、复六方双锥。方双锥，六方双
11、锥、复六方双锥。第十八页，本课件共有78页lD、四面体类四面体类l四方四面体四方四面体由四个互不平由四个互不平行的等腰三角形组成，相行的等腰三角形组成，相间二晶面的底相交，棱的间二晶面的底相交，棱的中点为中点为L L2 2或或LiLi4 4的出露点，的出露点，通过腰中点的横切面为正通过腰中点的横切面为正方形。方形。复四方偏三角面体复四方偏三角面体将四面将四面体的晶面平分为两个不等体的晶面平分为两个不等边三角形，过中心的横切边三角形，过中心的横切面为复四边形面为复四边形。第十九页，本课件共有78页lE E、菱面体类、菱面体类l菱面体菱面体，由六个两两平行，由六个两两平行的菱形晶面组成，上下错的菱
12、形晶面组成，上下错开。开。l复三方偏三角面体复三方偏三角面体，将，将菱面体晶面沿高次轴方向菱面体晶面沿高次轴方向平分成两个三角形。平分成两个三角形。第二十页，本课件共有78页lF F、偏方面体：、偏方面体：晶面为偏四方形，与双锥类似，上下晶面为偏四方形，与双锥类似，上下与高次轴各交于上一点，但错开一定角度，此类有：与高次轴各交于上一点，但错开一定角度，此类有：三方偏方面体，四方偏方面体，六方偏方面体。且分三方偏方面体，四方偏方面体，六方偏方面体。且分左右形。左右形。第二十一页，本课件共有78页lA A、四面体组：、四面体组：晶面为四个晶面为四个等边三角形或将等边三角形等边三角形或将等边三角形分
13、割成三个或六个三角形、分割成三个或六个三角形、四边形、五边形四边形、五边形.有四面体，有四面体，三角三四面体，四角三四面三角三四面体，四角三四面体，五角三四面体，六四面体，五角三四面体，六四面体。体。3.3.高级晶族单形高级晶族单形，共有共有1515个。个。第二十二页，本课件共有78页lB B、八面体组、八面体组l由八个等边三角形组成，晶面分割方式与四面体由八个等边三角形组成，晶面分割方式与四面体组完全相同。有八面体、三角三八面体、四角三组完全相同。有八面体、三角三八面体、四角三八面体、五角三八面体、六八面体。八面体、五角三八面体、六八面体。第二十三页，本课件共有78页lC C、立方体组、立方
14、体组l由六个正方形晶面组成，晶棱以直角相交。由六个正方形晶面组成，晶棱以直角相交。l有立方体及四六面体两种。有立方体及四六面体两种。第二十四页，本课件共有78页lD D、十二面体组、十二面体组五角十二面体五角十二面体1212个五边形组成，五边形有四边长相等，个五边形组成，五边形有四边长相等，另一边长不等。另一边长不等。偏方复十二面体偏方复十二面体垂直平分五角十二面体的不等长边所形成垂直平分五角十二面体的不等长边所形成的二十四面体。的二十四面体。菱形十二面体菱形十二面体，由，由1212个菱形晶面组成，两平行，相邻晶面个菱形晶面组成，两平行，相邻晶面成成120120度或度或9090度相交。度相交。
15、第二十五页，本课件共有78页1 1、一般形与特殊形、一般形与特殊形 凡凡晶面垂直或平行对称要素或与相同的对称要素等角相晶面垂直或平行对称要素或与相同的对称要素等角相交，则为特殊形交，则为特殊形。反之为一般形。反之为一般形。一个对称型中只有一个一般形，这个对称型的晶类一个对称型中只有一个一般形，这个对称型的晶类名称即以这个一般形来命名。名称即以这个一般形来命名。6 6.3.3 单形的分类单形的分类第二十六页，本课件共有78页2 2、左形与右形、左形与右形形态完全类同，在空间的取向上正好彼此相反的两形态完全类同，在空间的取向上正好彼此相反的两个形体，它们互为镜像，但不能借助于旋转或反伸个形体，它们
16、互为镜像，但不能借助于旋转或反伸操作使之重合，此二同形反向体构成了左右对映形操作使之重合，此二同形反向体构成了左右对映形其中一个为左形，另一个为右形。其中一个为左形，另一个为右形。第二十七页，本课件共有78页3 3、正形和负形、正形和负形 取向不同的两个相同单形，如果相互之取向不同的两个相同单形，如果相互之间能够借助于旋转操作彼此重合，则两者互为正、间能够借助于旋转操作彼此重合，则两者互为正、负形负形(positive(positive、negative form)negative form)。四面体四面体 第二十八页，本课件共有78页 4 4、开形与闭形、开形与闭形 依单形晶面是否可以自行闭
17、合而划分。依单形晶面是否可以自行闭合而划分。凡凡单形晶面不能自形闭合者为开形单形晶面不能自形闭合者为开形，如面、柱单锥，如面、柱单锥 能自行闭合者为闭形。能自行闭合者为闭形。第二十九页，本课件共有78页 5 5、定形和变形定形和变形一种单形其晶面间的角度为恒定者，称定形（一种单形其晶面间的角度为恒定者，称定形（constant constant formform）；反之，称变形（）；反之，称变形（various formvarious form）。）。定形与变形也可根据单形符号区别：定形的单形符号中都为数定形与变形也可根据单形符号区别：定形的单形符号中都为数字，如字，如111、100、110等
18、，变形的单形符号中由等，变形的单形符号中由字母组成，如字母组成，如 hkl、hk0等。等。属于定形的单形有单面、平行双面、三方柱、四方柱、六方柱、属于定形的单形有单面、平行双面、三方柱、四方柱、六方柱、四面体、八面体、菱形十二面体和立方体九种；其余单形皆为变四面体、八面体、菱形十二面体和立方体九种；其余单形皆为变形。形。第三十页，本课件共有78页6 6.4.4聚形聚形一、概念一、概念两个或两个以上的单形聚合在一起形成的封闭空间外形两个或两个以上的单形聚合在一起形成的封闭空间外形称为聚形称为聚形(combinationform)。第三十一页，本课件共有78页这里的单形是指结晶单形，因为聚形的对称
19、型是已这里的单形是指结晶单形，因为聚形的对称型是已知的，已赋予一定的对称性，组成聚形的所有单形知的，已赋予一定的对称性，组成聚形的所有单形的对称型，都应该是该聚形所具有的对称型。的对称型，都应该是该聚形所具有的对称型。单形的相聚不是任意的，必须是具有相同对称性单形的相聚不是任意的，必须是具有相同对称性的单形才能相聚在一起；换句话说，的单形才能相聚在一起；换句话说，聚形的必要聚形的必要条件是组成聚形的各个单形都必须属于同一对称条件是组成聚形的各个单形都必须属于同一对称型。型。第三十二页，本课件共有78页二、聚形分析二、聚形分析聚形分析步骤是：聚形分析步骤是：A、找出全部对称要素，、找出全部对称要
20、素，确定对称型确定对称型。每一对称型可能出。每一对称型可能出现的单形的有限的（最多七种）。现的单形的有限的（最多七种）。B、观察聚形上有、观察聚形上有几种同形等大的晶面几种同形等大的晶面，从而确定聚形是，从而确定聚形是由几个单形组成的。由几个单形组成的。C、数一下、数一下每种同形等大的晶面的数目每种同形等大的晶面的数目，确定每单形由几个，确定每单形由几个晶面构成。晶面构成。D、根据对称型及每一单形的晶面数目、晶面与对称要素的、根据对称型及每一单形的晶面数目、晶面与对称要素的相对位置相对位置确定每一单形的名称确定每一单形的名称（或查表）。（或查表）。第三十三页，本课件共有78页6 6.5 5 缺
21、陷缺陷分类方式：分类方式：几何形态几何形态：点缺陷、线缺陷、面缺陷等点缺陷、线缺陷、面缺陷等形成原因形成原因：热缺陷、杂质缺陷、非化学计量缺陷热缺陷、杂质缺陷、非化学计量缺陷等等第三十四页，本课件共有78页一、按缺陷的几何形态分类一、按缺陷的几何形态分类1.点缺陷点缺陷2.线缺陷线缺陷3.面缺陷面缺陷4.体缺陷体缺陷第三十五页，本课件共有78页1.点缺陷（零维缺陷）点缺陷（零维缺陷）缺缺陷陷尺尺寸寸处处于于原原子子大大小小的的数数量量级级上上，即即三三维维方向上缺陷的尺寸都很小。方向上缺陷的尺寸都很小。包包 括括：空空 位位（vacancy）、间间 隙隙 质质 点点（interstitialp
22、article）、杂杂 质质 质质 点点（foreignparticle）。）。点点缺缺陷陷与与材材料料的的电电学学性性质质、光光学学性性质质、材材料料的的高温动力学过程等有关。高温动力学过程等有关。第三十六页，本课件共有78页晶体中的点缺陷晶体中的点缺陷(a)空位空位(b)杂质质点杂质质点(c)间隙质点间隙质点第三十七页，本课件共有78页2.线缺陷（一维缺陷）线缺陷（一维缺陷）指在一维方向上偏离理想晶体中的周期性、指在一维方向上偏离理想晶体中的周期性、规则性排列所产生的缺陷，即缺陷尺寸在一维规则性排列所产生的缺陷，即缺陷尺寸在一维方向较长，另外二维方向上很短。如各种方向较长，另外二维方向上很
23、短。如各种位错位错（dislocation）。线缺陷的产生及运动与材料的韧性、脆性线缺陷的产生及运动与材料的韧性、脆性密切相关。密切相关。第三十八页，本课件共有78页图图3-2 (a)刃位错刃位错(b)螺位错螺位错(a)(b)第三十九页，本课件共有78页刃型位错刃型位错（1 1）刃型位错（）刃型位错（edge dislocationedge dislocation）的产生）的产生 完完整整晶晶体体滑滑移移的的理理论论剪剪切切强强度度要要远远高高于于实实际际晶晶体体滑滑移移的的对对应应强度，从而促进了位错理论的产生和发展。强度，从而促进了位错理论的产生和发展。（2 2）刃型位错图示：刃型位错图示
24、：刃型位错线：多余半原子面与滑移面的交线。刃型位错线：多余半原子面与滑移面的交线。（3 3）刃型位错特征：）刃型位错特征：刃刃型型位位错错有有一一个个额额外外的的（多多余余）半半原原子子面面。正正刃刃型型位位错错用用“”“”表表示示，负负刃刃型型位位错错用用“”“”表表示示；其其正正负负只只是是相相对对而而言言。判判断断用用右右手手定定则则：食食指指指指向向位位错错线线方方向向，中中指指指指向向柏氏矢量方向，拇指指向多余半原子面方向。柏氏矢量方向，拇指指向多余半原子面方向。刃刃型型位位错错是是直直线线、折折线线或或曲曲线线。它它与与滑滑移移方方向向、柏柏氏氏矢矢量垂直。量垂直。第四十页，本课件
25、共有78页刃型位错立体示意图刃型位错立体示意图第四十一页，本课件共有78页刃型位错的分类刃型位错的分类 动画动画第四十二页，本课件共有78页 滑滑移移面面必必须须是是同同时时包包含含有有位位错错线线和和滑滑移移矢矢量量的的平平面面。位位错错线线与与滑滑移移矢矢量量互互相相垂垂直直,它它们们构构成成平平面只有一个。面只有一个。晶晶体体中中存存在在刃刃位位错错后后,位位错错周周围围的的点点阵阵发发生生弹弹性性畸畸变变,既既有有正正应应变变,也也有有负负应应变变。点点阵阵畸畸变变相相对对于于多多余余半半原原子子面面是是左左右右对对称称的的，其其程程度度随随距距位位错错线线距距离离增增大大而而减减小小
26、。就就正正刃刃型型位位错错而而言言,上上方方受受压压,下方受拉。下方受拉。在在位位错错线线周周围围的的畸畸变变区区每每个个原原子子具具有有较较大大的的平平均能量。畸变区是一个狭长的管道。均能量。畸变区是一个狭长的管道。第四十三页，本课件共有78页晶体局部滑移造成的刃型位错晶体局部滑移造成的刃型位错第四十四页，本课件共有78页螺型位错螺型位错(1)(1)螺型位错（螺型位错（screw dislocationscrew dislocation）的图示的图示第四十五页，本课件共有78页螺型位错示意图螺型位错示意图第四十六页，本课件共有78页晶体局部滑移造成的螺型位错晶体局部滑移造成的螺型位错第四十七
27、页，本课件共有78页3.面缺陷面缺陷面缺陷又称为二维缺陷，是指在二维方向上面缺陷又称为二维缺陷，是指在二维方向上偏离理想晶体中的周期性、规则性排列而产生偏离理想晶体中的周期性、规则性排列而产生的缺陷，即缺陷尺寸在二维方向上延伸，在第的缺陷，即缺陷尺寸在二维方向上延伸，在第三维方向上很小。如晶界、表面、堆积层错、三维方向上很小。如晶界、表面、堆积层错、镶嵌结构等。镶嵌结构等。面缺陷的取向及分布与材料的断裂韧性有关。面缺陷的取向及分布与材料的断裂韧性有关。第四十八页，本课件共有78页面缺陷晶界面缺陷晶界第四十九页，本课件共有78页面缺陷堆积层错面缺陷堆积层错面心立方晶体中的抽出型层错面心立方晶体中
28、的抽出型层错(a)和插入型层错和插入型层错(b)第五十页，本课件共有78页图图3面缺陷共格晶面面缺陷共格晶面面心立方晶体中面心立方晶体中111面反映孪晶面反映孪晶第五十一页，本课件共有78页 外外 表表 面面 l表面表面(crystal surfacecrystal surface)l表表面面能能(）：晶晶体体表表面面单单位位面面积积自自由由能能的的增增加加，定定义义为为形形成成单位面积的新表面所需做的功。单位面积的新表面所需做的功。表示法：表示法：=dw/ds =T/L=dw/ds =T/L=被被割割断断的的结结合合键键数数/形形成成单单位位新新表表面面能能量量/每每个个键键 影响影响的因素
29、：的因素：(1)(1)与与晶晶体体表表面面原原子子排排列列的的致致密密程程度度有有关关。原原子子密密排排的的表表面具有最小的表面能。面具有最小的表面能。(2)(2)还还与与晶晶体体表表面面曲曲率率有有关关。曲曲率率半半径径小小,曲曲率率大大,愈愈大。大。(3)(3)外部质的性质。介质不同外部质的性质。介质不同,则则不同。不同。(4)(4)还与晶体性质有关。晶体本身结合能高，则还与晶体性质有关。晶体本身结合能高，则大。大。第五十二页，本课件共有78页第五十三页，本课件共有78页晶界和亚晶界晶界和亚晶界 l晶晶界界(grain grain boundaryboundary)：两两个个空空间间位位向
30、向不同的相邻晶粒之间的界面。不同的相邻晶粒之间的界面。第五十四页，本课件共有78页l确定晶界位置用确定晶界位置用：(1)(1)两晶粒的位向差两晶粒的位向差 (2)(2)晶界相对于一个点阵某一平面的夹角晶界相对于一个点阵某一平面的夹角。l 按按的大小分类：的大小分类：小小角角度度晶晶界界101010：晶粒位向差大于晶粒位向差大于10度的晶界。度的晶界。其结构为几个原子范围内的原子的混乱排列，可视其结构为几个原子范围内的原子的混乱排列，可视为一个过渡区。为一个过渡区。第五十五页，本课件共有78页第五十六页，本课件共有78页第五十七页，本课件共有78页小角度晶界小角度晶界 小小角角度度晶晶界界（lo
31、w low angle angle grain grain boundariesboundaries ）：由由一一系列相隔一定距离的刃型位错所组成。系列相隔一定距离的刃型位错所组成。分类：分类：(1)(1)对对称称倾倾斜斜界界面面（tilt tilt boundaryboundary）：晶晶界界平平面面为为两两个相邻晶粒的对称面。是由一列平行的刃型位错所组成。个相邻晶粒的对称面。是由一列平行的刃型位错所组成。(2)(2)不不对对称称倾倾斜斜界界面面：两两晶晶粒粒不不以以二二者者晶晶界界为为对对称称的的晶晶界界看成两组看成两组 互相垂直的刃型位错排列而成的。互相垂直的刃型位错排列而成的。(3)(
32、3)扭扭转转晶晶界界（twist twist boundaryboundary）：将将一一块块晶晶体体沿沿横横断断面面切切开开,并并使使上上下下部部分分晶晶体体绕绕轴轴转转动动角角,再再与与下下部部分分惊惊天天动动晶晶体体粘粘在在一一起起形形成成。可可看看成成是是由由互互相相交交叉叉的的螺螺位位错所组成。错所组成。第五十八页，本课件共有78页对称倾侧晶界对称倾侧晶界第五十九页，本课件共有78页2.2.大角度晶大角度晶界界 l大大角角度度晶晶界界（high high angle angle grain grain boundariesboundaries ）为为原原子子呈呈不不规规则则排排列列的
33、的一一过过渡渡层层。大大多多数数晶晶粒粒之之间间的的晶晶界界都都属属于于大大角角度度晶晶界。界。第六十页，本课件共有78页大角度晶界大角度晶界第六十一页，本课件共有78页亚晶界：亚晶界：位向差小于位向差小于1度的亚晶粒之间的边界。度的亚晶粒之间的边界。第六十二页，本课件共有78页3.3.晶界能晶界能 晶界能：形成单位面时，系统的自由能变化。晶界能：形成单位面时，系统的自由能变化。J/J/。l晶晶界界能能量量与与 有有关关：=0 0(A(Aln)ln)，式式中中0 0=Gb/4Gb/4(1(1)l大大角角度度晶晶界界能能量量与与无无关关，基基本本上上为为一一恒恒定定值值,0.251.0J/,0.
34、251.0J/l在在平平衡衡状状态态时时，三三叉叉晶晶界界的的各各面面角角均均趋趋与与稳稳定定状状态态，此此时时1=2=3=1201=2=3=120。第六十三页，本课件共有78页4.4.晶界特征晶界特征 （1 1）晶界处点畸变大，存在晶界能。）晶界处点畸变大，存在晶界能。（2 2）常常温温下下晶晶界界的的存存在在会会对对位位错错的的运运动动起起阻阻碍碍运运动动，使使塑塑型变形抗力提高，使晶体（材料）的硬度和强度提高。型变形抗力提高，使晶体（材料）的硬度和强度提高。（3 3）晶晶界界处处原原子子具具有有较较高高的的动动能能，且且晶晶界界处处存存在在大大量量缺缺陷陷。原原子在晶界处扩散比晶内快得多
35、。子在晶界处扩散比晶内快得多。（4 4）固态相变时易在晶界处形成新核。）固态相变时易在晶界处形成新核。（5 5）晶界上富集杂质原子多，熔点低，加热时容易过烧。）晶界上富集杂质原子多，熔点低，加热时容易过烧。（6 6）晶界腐蚀速度比晶内快。）晶界腐蚀速度比晶内快。（7 7）晶界具有不同与晶内的物理性质。）晶界具有不同与晶内的物理性质。l亚亚晶晶界界属属与与小小角角度度晶晶界界，为为各各种种亚亚结结构构的的交交界界，大大小小和和尺尺寸寸与热加工条件有关。与热加工条件有关。第六十四页，本课件共有78页孪晶界孪晶界 孪孪晶晶（twin twin）的的定定义义：指指两两个个晶晶体体（或或一一个个晶晶体体
36、的的两两部部分分）沿沿一一个个公公共共晶晶面面构构成成对对称称的的位位相相关关系系，这这两两个个晶晶体体就就称称为为孪孪晶晶，这这个个公公共共的的晶面即成为孪晶面晶面即成为孪晶面 孪晶分类孪晶分类：共共格格孪孪晶晶面面（coherent coherent twin twin boundaryboundary）：即即孪孪晶晶面面，其其上上的的原原子子同同时时位位于于两两侧侧晶晶体体点点阵阵的的节节点点上上，为为两两者者共共有有。无无畸畸变变的的完完全全共共格格界面，界面能（约为普通晶界能界面，界面能（约为普通晶界能1/10）很低很稳定）很低很稳定 非非共共格格孪孪晶晶面面(non-coheren
37、t(non-coherent twin twin boundaryboundary）：孪孪晶晶界界相相对对于于孪孪晶晶面面旋旋转转一一角角度度，其其上上的的原原子子只只有有部部分分为为两两者者共共有有，原原子子错错排排校校严严重重，孪孪晶晶能量相对较高，约为普通晶界的能量相对较高，约为普通晶界的1/2 依照形成原因不同分为：依照形成原因不同分为：变形孪晶变形孪晶、生长孪晶、退火孪晶、生长孪晶、退火孪晶第六十五页，本课件共有78页第六十六页，本课件共有78页 相界相界 l相相界界（phase phase boundaryboundary)：具具有有不不同同结结构构的的两两相相之之间的分界面称为相
38、界间的分界面称为相界 。l按相界面上原子间匹配程度分为按相界面上原子间匹配程度分为：共格界面、半共格界面、非共格界面共格界面、半共格界面、非共格界面1.1.共格界面（共格界面（coherent phase boundary coherent phase boundary）：）：特特 征征：界界 面面 两两 侧侧 的的 保保 持持 一一 定定 的的 位位 向向 关关 系系，沿沿 界界 面面 两两 相相 具具 有有 相相 同同 或或 近近 似似 的的 原原 子子 排排 列列，两相在界面上原子匹配得好，界面上能量高。两相在界面上原子匹配得好，界面上能量高。理想的完全共格界面只有在孪晶面（界）。理想的
39、完全共格界面只有在孪晶面（界）。第六十七页，本课件共有78页2.2.半共格界面（半共格界面（semi-semi-coherent phase boundary coherent phase boundary)特特征征：沿沿相相界界面面每每隔隔一一定定距距离离产产生生一一个个刃刃型型位位错错，除除刃刃型型位位错错线线上上的的原原子子外外，其其余余原原子子都都是是共共格格的的。所所以以半半共共格格界界面面是是由由共共格格区区和和非非共共格格区区相相间组成。间组成。半半共共格格界界面面上上的的位位错错间间距距取取决决于于相相界界处处两相匹配晶面的错配度（两相匹配晶面的错配度（）（）/3.3.非非 共
40、共 格格 界界 面面（noncoherent noncoherent phase phase boundaryboundary）特征：原子不规则排列的薄层为两相的过渡层。特征：原子不规则排列的薄层为两相的过渡层。第六十八页，本课件共有78页第六十九页，本课件共有78页具有完善共格关系的界面具有完善共格关系的界面第七十页，本课件共有78页具有弹性畸变的共格界面具有弹性畸变的共格界面第七十一页，本课件共有78页半共格界面半共格界面第七十二页，本课件共有78页非共格界面非共格界面第七十三页，本课件共有78页二、按缺陷产生的原因分类二、按缺陷产生的原因分类1.热缺陷热缺陷2.杂质缺陷杂质缺陷3.非化学
41、计量缺陷非化学计量缺陷4.其它原因，如电荷缺陷，辐照缺陷等其它原因，如电荷缺陷，辐照缺陷等第七十四页，本课件共有78页1.热缺陷热缺陷定义定义:热缺陷亦称为热缺陷亦称为本征缺陷本征缺陷，是指由热起伏的，是指由热起伏的原因所产生的空位或间隙质点（原子或离子）。原因所产生的空位或间隙质点（原子或离子）。类型类型:弗仑克尔缺陷（弗仑克尔缺陷（Frenkeldefect）和肖特基）和肖特基缺陷（缺陷（Schottkydefect）热缺陷浓度与温度的关系热缺陷浓度与温度的关系:温度升高时，热缺陷温度升高时，热缺陷浓度增加浓度增加第七十五页，本课件共有78页图图3-6热缺陷产生示意图热缺陷产生示意图（a）
42、弗仑克尔缺陷的形成（空）弗仑克尔缺陷的形成（空位与间隙质点成对出现）位与间隙质点成对出现）（b）单质中的肖特基缺陷的）单质中的肖特基缺陷的形成形成第七十六页，本课件共有78页2.杂质缺陷杂质缺陷定义定义:亦称为组成缺陷，是由外加杂质的引入亦称为组成缺陷，是由外加杂质的引入所产生的缺陷。所产生的缺陷。特征特征:如果杂质的含量在固溶体的溶解度范围如果杂质的含量在固溶体的溶解度范围内，则杂质缺陷的浓度与温度无关。内，则杂质缺陷的浓度与温度无关。杂质缺陷对材料性能的影响杂质缺陷对材料性能的影响第七十七页，本课件共有78页3.非化学计量缺陷非化学计量缺陷定义定义:指组成上偏离化学中的定比定律所形成的指组成上偏离化学中的定比定律所形成的缺陷。它是由基质晶体与介质中的某些组分发缺陷。它是由基质晶体与介质中的某些组分发生交换而产生。如生交换而产生。如Fe1xO、Zn1+xO等晶体中等晶体中的缺陷。的缺陷。特点特点:其化学组成随周围其化学组成随周围气氛的性质气氛的性质及其及其分压大分压大小小而变化。是一种半导体材料。而变化。是一种半导体材料。4.其它原因，如电荷缺陷，辐照缺其它原因，如电荷缺陷，辐照缺陷等陷等第七十八页，本课件共有78页