《金属材料与热处理——原创金属新理论》第二章

第二章    晶体的实际结构
一、晶体缺陷的认识
前述的晶体理论，都是理想化的晶体结构，在实际应用的金属材料中，原子的排列不可能像理想的晶体那样规则和完整，就如我们知道的白玉无瑕那是不可能的，总会出现一些瑕疵；对于晶粒的晶格来说，100%会有局部存在一些原子偏离规则排列的情况，但是这些偏离规则排列的情况相对比例也是很小的，是少量的个别情况，总的来讲，晶体在结构上是大错误没有，小错误不断；金属学中将这种原子组合的不规则性，统称之为结构缺陷，或晶体缺陷。根据缺陷相对于晶体结构在三维空间存在的形式，可将它分为点缺陷、线缺陷、面缺陷和体缺陷。
实际的金属材料，就是一个晶体结构内部的局部有各种缺陷及各种杂质存在的晶体，不存在晶格完整、原子排列规则与没有杂质的晶体。
二、晶体缺陷的类型
1、点缺陷
点缺陷的特征是三个方向的尺寸都很小，不超过几个原子间距，晶体中的点缺陷主要指空位、间隙原子和置换原子，如图2.1 所示。这里所说的间隙原子是指应占据正常阵点的原子跑到了点阵间隙中。

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图 2.1 晶体中的各种点缺陷

其中：1—大的置换原子 2—肖脱基空位 3—异类间隙原子 4—复合空位 5—弗兰克空位 6—小的置换原子

      在任何温度下，金属晶体中的原子都是以其平衡位置为中心不间断地进行着热振动。原子的振幅大小与温度有关，温度越高，振幅越大。在一定的温度下，每个原子的振动能量并不完全相同，在某一瞬间，某些原子的能量可能高些，其振幅就要大些；而另一些原子的能量可能低些，振幅就要小些。对一个原子来说，这一瞬间能量可能高些，另一瞬间能量反而可能低些，这种现象称为能量起伏。根据统计规律，在某一温度下的某一瞬间，总有一些原子具有足够高的能量，以克服周围原子对它的约束，脱离开原来的平衡位置迁移到别处，其结果，即在原位置上出现了空结点，这就是空位。显然，这种脱位的原子越多，空位也就越多。脱位原子的去处大致有三：一是跑到晶体表面去，这样所产生的空位称肖脱基空位；二是跑到点阵间隙中，所产生的空位称弗兰克空位；三是跑到其他空位中，这当然不会增加新空位，但可使空位变换位置。
      产生空位后，其邻近原子由于失去了平衡，都会向着空位作一定程度的松弛，从而在其周围出现一个波及到一定范围的畸变区，或弹性应变区。所以每个空位周围都会产生一个应力场，它与小的代位原子周围出现的应力场相似，只是程度要大。同样，间隙原子周围也会出现一个与间隙式溶质原子或大的代位溶质原子相似的应力场，但程度要大得多，特别是在密集结构中。总之，无论哪一种点缺陷(空位、间隙原子或其他)的出现，都会引起晶体能量的升高，这当然会增加晶体的不稳定性。但另一方面，它们的出现会引起晶体熵值的显著增大，而熵值越大晶体应该越稳定。这两个相互矛盾的因素使得晶体中的空位或间隙原子在每一温度都有一个相应的平衡浓度。温度越高其平衡浓度也将越大。
2、线缺陷
      线缺陷的特征是缺陷在两个方向上的尺寸很小(与点缺陷相似)，而第三个方向上的尺寸却很大，甚者可以贯穿整个晶体，属于这一类的主要是位错。位错可分为刃型位错和螺型位错。
⑴刃型位错
      刃型位错的模型如图2.2 所示，设有一简单立方晶体，某一原子面在晶体内部中断，这个原子平面中断处的边缘就是一个刃型位错，犹如用一把锋利的钢刀将晶体上半部分切开，沿切口硬插入一额外半原子面一样，将刃口处的原子列称之为刃型位错线。

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图 2.2 刃型位错模型

⑵螺型位错
      螺型位错模型如图2.3 所示。举简单立方晶体为例，设将晶体的前半部用刀劈开，然后沿劈开面，并以刃端为界使劈开部分的左右两半沿上下方向发生一个原子间距的相对切变，这样，虽在晶体切变部分的上下表面各出现一个台阶AB 和DC，但在晶体内部大部分原子仍相吻合，就像未切变时一样，只是沿BC 附近，出现了一个约相当于几个原子宽的切变和未切变之间的过渡区。在这个过渡区域内，原子正常位置都发生了错动，它表示切变面左右两边相邻的两层晶面中原子的相对位置。可以看出，沿BC 线左边有三列原子是左右错开的，在这个错开区，若环绕其中心线，由B 按顺时针方向沿各原子逐一走去，最后将达到C，这就犹如沿一个右螺旋螺纹旋转前进一样，所以这样的一个宽仅几个原子间距，长则穿透晶体上下表面的线性缺陷，叫右螺型位错。

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(a)立体图       (b)沿ABCD 面上下两面上原子的相对位置

图 2.3 螺型位错模型

      若在图2.3 中，使晶体左右两半沿劈开面上下切变的方向相反，或者劈开面在晶体的后半部，其结果完全相似，只是交界区中原子按左螺旋排列，这样一种位错称左螺型位错。
3、面缺陷
      面缺陷的特征是缺陷在一个方向上的尺寸很小（同点缺陷），而其余两个方向上的尺寸则很大，晶体的外表面及各种内界面，例如，一般晶界、孪晶界、亚晶界、相界及层错等属于这一类。
⑴ 晶体表面
      金属或合金的晶体表面是指其与真空或各种外部介质，如空气、氢气、氮气等相接触的界面。处于这种界面上的原子受内部自身原子的作用力和受外部介质分子(或原子)的作用力显然是不相平衡的，若外部为真空，则更不平衡。这样，表面原子就会偏离正常的平衡位置，并牵连到邻近的几层原子，这就造成表层的畸变，它们的能量比内部原子高，将它们高出的能量合起来，平均在单位表面积上的超额能量称为比表面能，或简称表面能，它与表面张力同数值、同量纲。表面能既随接触介质的不同而变，也随裸露出的晶面不同而异。此外，表面能还和表面曲率有关，曲率越大表面能也越大。
⑵ 同种晶粒间的界面——晶界
      纯金属或单相合金的组织是由同成分、同结构的许多晶粒组成的。各晶粒之间由于相对取向(即各晶轴在空间的方位)不同而出现了接触界面，一般称为晶界。相邻晶粒的位向差小于10°的晶界称为小角度晶界，相邻晶粒的位向差大于10°的晶界称为大角度晶界。晶粒的位向差不同，则其晶界的结构和性质也不同。现已查明，小角度晶界基本上由位错构成，大角度晶界的结构却十分复杂，目前还不十分清楚，而多晶体金属材料中的晶界大部分属于大角度晶界。
⑶ 异种晶粒间的界面——相界面
      具有不同晶体结构的两相之间的分界面称为相界面。相界的结构有三类，即共格界面、半共格界面和非共格界面。所谓共格界面是指界面上的原子同时位于两相晶格的结点上，为两种晶格所共有。界面上原子的排列规律既符合这个相晶粒内原子排列的规律，又符合另一个相晶粒内原子排列的规律。
⑷ 其它界面
①孪晶界：它是纯金属或合金中，同成分同结构的两个晶粒之间的一种特殊界面，其特点是完全共格的，并且两晶粒内部的原子都以界面为对称面而处于镜面对称位置，这样一对晶粒称之为孪晶。
②晶粒内的界面。如前所述，一个晶粒内部并不是完全一致的，而是由一些取向略有差异的小块所组成的，称之为亚晶，其尺寸一般为10-5cm～10-3cm，特殊情况下为10-6cm～10-2cm，有时将10-6cm～10-4cm的亚晶叫嵌镶块，它们之间的界面叫亚晶界，或嵌镶块界，其结构相当于小角度晶界。
③层错界：它与孪晶界很相似，但无对称关系，它是由于晶面的堆砌序列发生差错而产生的。
4、体缺陷
      体缺陷的特征是缺陷在三个方向的尺寸都较大，但不是很大，例如固溶体内的偏聚区、分布极弥散的第二相超显微微粒以及一些超显微空洞等。当体缺陷较大时，即可归属于面缺陷来讨论。