[科普中國(guó)]-孿晶

概述

孿晶是指兩個(gè)晶體(或一個(gè)晶體的兩部分)沿一個(gè)公共晶面構(gòu)成鏡面對(duì)稱的位向關(guān)系，這兩個(gè)晶體就稱為“孿晶”，此公共晶面就稱孿晶面。

孿晶的形成與堆垛層錯(cuò)有密切關(guān)系。例如，面心立方晶體是以{111}，面按ABCABC…的順序堆垛而成的，可用…表示。如果從某一層開(kāi)始，其堆垛順序發(fā)生顛倒，就成為ABCACBACBA…，即…，則上下兩部分晶體就構(gòu)成了鏡面對(duì)稱的孿晶關(guān)系?？梢钥闯觥瑿AC…處相當(dāng)于堆垛層錯(cuò)，接著就按倒過(guò)來(lái)的順序堆垛，仍屬正常的fcc堆垛順序，但與出現(xiàn)層錯(cuò)之前的那部分晶體順序正好相反，故形成了對(duì)稱關(guān)系。

孿晶界可分為兩類，共格孿晶界和非共格孿晶界，如右圖所示。

共格孿晶界就是孿晶面。在孿晶面上的原子同時(shí)位于兩個(gè)晶體點(diǎn)陣的結(jié)點(diǎn)上，為兩個(gè)晶體所共有，屬于自然地完全匹配，是無(wú)畸變的完全共格晶面，它的界面能很低，約為普通晶界界面能的1/10，很穩(wěn)定，在顯微鏡下呈直線，這種孿晶界較為常見(jiàn)。

如果孿晶界相對(duì)于孿晶面旋轉(zhuǎn)一角度，即可得到另一種孿晶界——非共格孿晶界。此時(shí)，孿晶界上只有部分原子為兩部分晶體所共有，因而原子錯(cuò)排較嚴(yán)重，這種孿晶界的能量相對(duì)較高，約為普通晶界的1/2。

依形成原因的不同，孿晶可分為形變孿晶、生長(zhǎng)孿晶和退火孿晶等。正因?yàn)閷\晶與層錯(cuò)密切相關(guān)，一般層錯(cuò)能高的晶體不易產(chǎn)生孿晶。

孿晶界面在晶體生長(zhǎng)和制備過(guò)程中，晶體會(huì)沿某種對(duì)稱操作共生，形成孿品。孿晶界面所分隔開(kāi)的兩部分晶體間以特定的取向關(guān)系相交接，從而構(gòu)成新的附加對(duì)稱元素。如反映面、旋轉(zhuǎn)軸或?qū)ΨQ中心。但這些對(duì)稱操作一定是獨(dú)立的，不能與晶體結(jié)構(gòu)所屬空問(wèn)群中的任何對(duì)稱操作相關(guān)聯(lián)。同時(shí)，這些新加入的對(duì)稱操作也必須是結(jié)晶學(xué)允許的。如右圖（b）所示為單斜晶系晶體中反映孿晶界面示意圖。對(duì)于單斜晶系來(lái)說(shuō)，其對(duì)稱特征是在b軸方向上存在著一個(gè)二次旋轉(zhuǎn)軸或反映對(duì)稱面。而右圖中在單斜品系品體中加入了沿晶體(001)方向的反映而對(duì)稱性。該反映面是獨(dú)立的，其反映對(duì)稱操作使晶體的兩個(gè)部分進(jìn)一步關(guān)聯(lián)，得到如右圖（b）所示的孿晶。

孿晶中兩部分晶體相互接合的公共界面為孿晶面，在孿晶面上的原子為孿晶的兩部分晶體所共有。如右圖所示為文石中的孿品面，界面處的原子為兩側(cè)晶體所共有。雖然文石為正交晶系，但由于基團(tuán)的鍵角為，其孿晶看起來(lái)類似六方晶系。

孿晶的形成與品面的堆垛層錯(cuò)有密切關(guān)系。如下圖所示，fcc晶體(111)晶面為孿晶面，如果從某一層開(kāi)始，其堆垛順序發(fā)生顛倒，即成為ABC ABC ACB ACB ... ，這樣上下兩部分晶體就形成了鏡面對(duì)稱的孿晶關(guān)系，在…CAC…處形成了孿晶界。孿晶界必須是低能量的錯(cuò)排界面。

孿晶界可分為共格孿晶界與非共格孿晶界兩類。

如果兩部分晶體的孿晶面平行于孿晶界，且界面上的原子完全坐落在界面兩側(cè)晶體的點(diǎn)陣位置上，與兩側(cè)晶體的點(diǎn)陣完全匹配，這種界面就稱為共格孿晶界。如右圖所示。兩側(cè)晶體以此面為對(duì)稱面，構(gòu)成鏡面對(duì)稱關(guān)系。共格孿晶界一般是晶體中特定的晶面，如立方面心結(jié)構(gòu)中的{111}面。沿著孿晶界面，孿晶的兩部分完全密合，最近鄰關(guān)系不發(fā)生任何改變，只有次近鄰關(guān)系才有變化，引入的原子錯(cuò)排很小，界面能量很低，約為普通晶界界面能的1/10，因而很穩(wěn)定。

如果孿晶界相對(duì)于孿晶面旋轉(zhuǎn)一角度，則得到非共格孿晶界，如右圖所示。此時(shí)，孿晶界上只有部分原子為兩部分品體所共有，因而原子錯(cuò)排較嚴(yán)重。這種孿品界而的能量相對(duì)較高，約為普通品界的1/2。

在鐵電晶體中，將自發(fā)極化方向相同的區(qū)域稱作鐵電疇。附加的對(duì)稱關(guān)系造成了兩部分晶體極化方向的差異，不同極化方向的鐵電疇之間的界面稱為鐵電疇界。鐵電體由具有對(duì)稱中心的順電相轉(zhuǎn)變?yōu)椴痪邔?duì)稱中心的鐵電相時(shí)，伴隨著晶體對(duì)稱性的降低。如鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的、等由立方相轉(zhuǎn)化為四方相，失去垂直于四次軸的反映面；鎢青銅型結(jié)構(gòu)的、等由的四方相轉(zhuǎn)變?yōu)?img src="https://img-xml.kepuchina.cn/images/newsWire/9bK3s6bWHbmFxR0SvBLAsotSiVfiibfQp5iG.jpg" alt="" />的低對(duì)稱性四方相，同時(shí)失去垂直于四次軸的反映面；而、等類鈣鈦礦型晶體，則由三方相轉(zhuǎn)變?yōu)?img src="https://img-xml.kepuchina.cn/images/newsWire/LUN03bfsg9ROqgEcWap98EcegTtvz5WWZJba.jpg" alt="" />方相，也失去反映面。然而，鐵電相里，較低對(duì)稱性的鐵電疇之間可以通過(guò)結(jié)晶學(xué)允許的對(duì)稱操作而完全重合，因而從結(jié)晶學(xué)來(lái)講。鐵電疇之間具有孿晶關(guān)系。

但是，鐵電疇界與一般的孿晶界面之間存在一個(gè)重要區(qū)別：由于鐵電疇內(nèi)電偶極矩方向都一致，必然存在一個(gè)空間電荷分布。鐵電疇界的取向和相鄰鐵電疇極化方向問(wèn)的關(guān)系將決定其表面有無(wú)電荷分布，只有當(dāng)極化矢量在疇界面處頭尾相接，且法向分量相連續(xù)時(shí)，無(wú)電荷積累而有最低的靜電能量。所以，在考慮鐵電晶體中可能存在的低能量疇界面時(shí)．除了滿足孿晶界面的結(jié)晶學(xué)關(guān)系外，還必須考慮其為無(wú)電荷積累的最低能量取向。

雖然鐵電疇間的關(guān)系毫無(wú)例外地是孿晶關(guān)系。但鐵電晶體中并非所有孿晶都構(gòu)成鐵電疇。只有那些孿晶化伴有極化方向改變的孿晶才同時(shí)是鐵電疇。2

孿晶的成核與長(zhǎng)大在機(jī)械孿晶的發(fā)展期間，孿晶薄層出四得極為迅速，其生成的速率接近于聲速。由于孿晶界面的穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)，孿晶薄層隨著應(yīng)力的增大面增厚。新的孿晶經(jīng)常以猝發(fā)的方式形成，有時(shí)伴隨著明顯可聞的“卡嚓”的聲音。這種情況與右圖所示的應(yīng)力—應(yīng)變曲線的無(wú)規(guī)則的形狀相對(duì)應(yīng)。 ‘卡嚓”聲的迅速發(fā)生造成了所謂的孿生鳴響，例如在錫中就能夠發(fā)生這種現(xiàn)象。

雖然絕大多數(shù)金屬一般來(lái)說(shuō)并沒(méi)有形成孿晶的趨勢(shì)，但是在適當(dāng)?shù)膶?shí)驗(yàn)條件下它們卻經(jīng)?？梢孕纬蓪\晶。孿生過(guò)程中包括的切變過(guò)程可以由不完全位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)而出現(xiàn)。引起孿生的應(yīng)力不僅取決于源位錯(cuò)的線張力——如同滑栘的情形那樣，而且取決于孿晶晶界的表面張力。所以引起孿生的應(yīng)力通常比滑移所需的應(yīng)力更大一些。在室溫下，形變幾乎總是通過(guò)滑移過(guò)程而出現(xiàn)，滑移要在孿生之前發(fā)生。隨著形變溫度的降低，滑移的臨界切應(yīng)力要增加，因此一般來(lái)說(shuō)應(yīng)力水平很同，更加可能出現(xiàn)形變孿生過(guò)程。

密集六角結(jié)構(gòu)的金屬最容易發(fā)生孿生過(guò)程。這是因?yàn)樵谶@類晶體中，滑移系的數(shù)目較少，因此孿生是它們的多晶體試樣中基本的必不可少的形變機(jī)制。但是在它們的單晶中，樣品的取向，應(yīng)力水平、形變溫度等都是影響孿生過(guò)程的重要的因素。在體心立方結(jié)構(gòu)的金屬中，在室溫下孿生可以通過(guò)沖擊而產(chǎn)生，在低溫下由于滑移的臨界切應(yīng)力十分離，所以孿生可以由更大的恒反變速率而引起。反之，甚至在低溫下也只有很少幾種面心立方結(jié)構(gòu)的金屬可以形成孿晶。

貝耳(Bell)和佩(Cahn)研究了六角結(jié)構(gòu)的金屬中應(yīng)力引起的孿晶成核過(guò)程。他們指出：至少是在鋅單晶中，孿生過(guò)程與滑移過(guò)程的情形不同，它并沒(méi)有明確的打切應(yīng)力，而且為了使孿晶成核，的確需要十分高的應(yīng)力。在大多數(shù)金屬中，通常首先出現(xiàn)滑稱，然后借助于在位錯(cuò)塞積群處存在的極高的應(yīng)力英中而產(chǎn)生孿晶核。由于使孿晶傳播所需的應(yīng)力比使它成核所需的應(yīng)力要低得多，所以孿晶一旦形成，則只要分切應(yīng)力高于某一臨界值，孿晶便可以傳播。通過(guò)其取向能夠使基面滑移不出現(xiàn)的晶體(即其界面近似地平行于樣品釉的晶體)的形變過(guò)程，便可以證明這一點(diǎn)。即使在具有這種取向方式的晶體中，也可以發(fā)現(xiàn)引起孿生所需的應(yīng)力比在非基面上滑移所需的應(yīng)力更高。由此可見(jiàn)，在這種情況下首先產(chǎn)生非基面滑移，當(dāng)產(chǎn)生位錯(cuò)塞積并且形成孿晶的時(shí)候，外加應(yīng)力如此之高，結(jié)果就產(chǎn)生了孿晶雪崩或者孿晶猝發(fā)。引人注意的是，在用尖釘進(jìn)行試驗(yàn)的時(shí)候，通過(guò)樣品壓痕的方法，可以在較低的應(yīng)力下使得孿晶人工成核。如果外加應(yīng)力超過(guò)了攣晶傳播的應(yīng)力，那么這種孿晶將長(zhǎng)大，

人們一般都認(rèn)為，在體心立方結(jié)構(gòu)的金屬中，孿晶成核比孿晶傳播更為困難。一種可能的機(jī)制是：由于開(kāi)動(dòng)弗蘭克-瑞德源的結(jié)果，引起滑移猝發(fā)而產(chǎn)生位錯(cuò)的塞積群，在塞積群的頂部，通過(guò)應(yīng)力集中可以產(chǎn)生孿晶核。利用沖擊加載的方法有利于產(chǎn)生孿晶的這種性能。眾所周知，利用這中方法，室溫下鐵中可以產(chǎn)生稱之為紐曼帶的的華孿晶薄層。然而在正常的應(yīng)變速率下，在具有強(qiáng)釘扎位錯(cuò)的物質(zhì)中，比在位錯(cuò)釘扎相對(duì)較弱(值較低)的物質(zhì)中更易于產(chǎn)生有利于孿晶成核的滑栘猝發(fā)。令人感興趣的是，鈮和鈕都有很小的疽，所以雖然它們也能形成孿晶，但是若與鐵之類的物質(zhì)相比較，它們形成孿晶是十分困難的。

在一切體心立方結(jié)構(gòu)的金屬中，流變應(yīng)力都施著溫度的降低而迅速增加(。因此即使在中等的應(yīng)變速率下，鐵在溫度77K時(shí)就能形成孿晶，而值較小的鈮卻在溫度20K時(shí)才能形成孿晶，上圖（a）展示了鈮的應(yīng)力—應(yīng)變曲線的形狀。根據(jù)曲線圖可以劃分出三個(gè)明顯的階段，它們的特點(diǎn)是：

(1)在形變的早期階段中，在孿晶的廣泛猝發(fā)之間散布著少量的滑移；

(2)隨著形變繼續(xù)進(jìn)行，滑栘是占優(yōu)勢(shì)的，而只有偶然性的一些孿生；

(3)在滑栘形變時(shí)，鈮具有產(chǎn)生加工硬化的能力，這與在溫度77K時(shí)測(cè)試出的結(jié)果完全相同。

這些實(shí)驗(yàn)觀測(cè)恰好與上面討論過(guò)的孿生模型相符合。孿晶一旦形成，它本身便可以起著障礙物的作用，進(jìn)一步使得位錯(cuò)塞積并且使孿晶成核。但是經(jīng)過(guò)一段時(shí)間之后，絕大部分弗蘭克-瑞德源都已經(jīng)從它們的雜質(zhì)氣團(tuán)中釋放出來(lái)，滑移位錯(cuò)不再以明顯的猝發(fā)方式米出現(xiàn)，因此抑制了孿晶的成核。大概是由于孿晶對(duì)于滑移位諸的障礙作用，所以在溫度20K時(shí)可以觀測(cè)到迅速帶的加工硬化現(xiàn)象。

在不久以前人們還認(rèn)為，面心立方結(jié)構(gòu)的金屬不能通過(guò)孿生過(guò)程而形變。但是，布萊威特(Blewitt)等人指出，在低溫下(即溫度由4K~-78K)，在某種取向的銅、銀、金等61晶體中可以形成孿晶，最近，竹木(Suzuki)和巴英特(Barrett)證明，在有利取向的銀晶體中，甚至在0度時(shí)也能夠發(fā)生孿晶過(guò)程，而且發(fā)生孿晶的程度上隨著金的加入量的增加而絳低，在室溫下，在銅-鋁合金的單晶中也觀測(cè)到了形變孿晶。

為什么只有在一定的取向和低溫的條件下才能夠形成孿晶呢？這是由于產(chǎn)生孿生所需的應(yīng)力是很高的，而只是具有有利取向的晶體在試驗(yàn)時(shí)才能達(dá)到很高的切應(yīng)力。這種孿生必須通過(guò)不完全位錯(cuò)的傳播而產(chǎn)生，與之有關(guān)的堆垛層錯(cuò)則要越過(guò)一組平行的(111)面。除此之外，我們對(duì)這種孿生的精確機(jī)制尚不清楚。但是，由于堆垛層錯(cuò)比不完全位錯(cuò)的平衡間距更寬，所以孿晶過(guò)程必定包括一條不完全位錯(cuò)被釘扎，另一條不完全位錯(cuò)分離開(kāi)去。這個(gè)過(guò)程產(chǎn)生了一個(gè)很寬的單層孿晶。所以為了使孿晶增厚，不完全位錯(cuò)還必須在相繼的孿晶面上攀移。3