第四部分 晶体缺陷.docx
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第四部分晶体缺陷
第四部分晶体缺陷
4.1-4.2点缺陷和位错的结构
∙晶体缺陷(crystaldefect;crystallineimperfection):
通常把原子规则排列受到破坏的区域或原子排列偏离理想的点阵结构的区域称为晶体缺陷。
理想晶体结构:
①原子排列完全规则、整齐;
②原子在结点上静止不动。
实际晶体结构:
①原子排列不可能完全规则、不完整性;
②原子热运动。
★晶体缺陷产生的原因
外因:
①与晶体的生成条件有关如液-固
②晶体中原子的热运动T
③对晶体进行的加工过程载荷、冷压、冷拉
内因:
多晶体,存在大量晶界
实际晶体是原子的规则排列和不规则排列构成的统一体。
★研究晶体缺陷的意义
对材料的性能有重要影响
★晶体缺陷分类及特征:
[1]点缺陷(pointdefect):
又称零维缺陷,包括空位、间隙原子、置换原子和杂质原子。
[2]线缺陷(linedefect):
又称一维缺陷,如各类位错。
[3]面缺陷(planardefect):
又称二维缺陷,包括表面、晶界、亚晶界、相界、孪晶界等。
★缺陷的运动
随条件改变而变动,可产生、发展、运动和交互作用,并且能合并和消失。
4.1点缺陷
一、点缺陷的形成及类型
离开平衡位置的原子有三个去处:
(1)形成肖脱基(Schottky)空位(vacancy)——迁移到晶界、晶体表面或其它空位处
(2)形成弗兰克尔(Frankely)缺陷,同时产生间隙原子——挤入晶体的间隙位置
(3)跑到其它空位上
点缺陷的类型:
(1)空位
(2)间隙原子(异类)(interstitalatom):
(3)自间隙原子(同类)(self-interstitalatom)
(4)外来杂质原子:
(5)置换原子(substitutionalatom):
二、点缺陷的平衡浓度
∙空位形成能(HYPERLINK"file:
///D:
/My%20Documents/材料科学基础多媒体课件20050604/第三章/FMS/Ch03/Flash/fla03-04.swf"vacancyformationenergyHYPERLINK"file:
///D:
/My%20Documents/材料科学基础多媒体课件20050604/第三章/FMS/Ch03/Flash/fla03-04.swf"):
点缺陷的平衡浓度(equilibriumconsistence):
经热力学推导:
Ce=n/N=exp[-(Ev-T△Sf)/Kt]
=Aexp(-Ev/kT)
Ce与T、Ev之间呈指数关系。
T一定时,Ev高,则Ce低;Ev一定时,T上升,则Ce升高。
间隙原子形成能较大,同一T时,间隙原子比空位平衡浓度小得多,通常忽略不计。
点缺陷是热力学稳定存在的缺陷。
三、点缺陷的运动
点缺陷的运动方式:
(1)空位运动
(2)间隙原子迁移
(3)空位和间隙原子相遇,两缺陷同时消失。
(4)逸出晶体到表面,或移到晶界,点缺陷消失。
四、点缺陷对结构和性能的影响
∙点缺陷引起晶格畸变(distortionoflattice),能量升高,结构不稳定,易发生转变。
∙点缺陷的存在会引起性能的变化
(1)物理性质、如R增大、V膨胀、ρ下降等;
(2)力学性能:
采用高温急冷(如淬火HYPERLINK"file:
///D:
/My%20Documents/材料科学基础多媒体课件20050604/第三章/FMS/Ch03/Flash/fla03-05.swf"quenchingHYPERLINK"file:
///D:
/My%20Documents/材料科学基础多媒体课件20050604/第三章/FMS/Ch03/Flash/fla03-05.swf"),大量的冷变形(coldworking),高能粒子辐照(HYPERLINK"file:
///D:
/My%20Documents/材料科学基础多媒体课件20050604/第三章/FMS/Ch03/Flash/fla03-07.swf"radiationHYPERLINK"file:
///D:
/My%20Documents/材料科学基础多媒体课件20050604/第三章/FMS/Ch03/Flash/fla03-07.swf")等方法可获得过饱和点缺陷,如使σS提高;
(3)影响固态相变,化学热处理等。
4.2位错(dislocation)
∙位错理论的提出:
位错理论是上个世纪材料科学最杰出的成就之一。
∙位错理论假设:
①实际晶体结构并非理想完整的,存在偏离正常排列的原子结构——某中缺陷,并能在较小的应力下运动;
②实际晶体的滑移并非同步、刚性的,滑移首先从缺陷处开始,滑移的继续靠缺陷的逐步传递而实现;毛毛虫的运动视频
③这种特殊的原子排列组态称为位错。
一、位错的基本类型和特征
位错的类型:
刃型位错、螺型位错、混合位错
1.刃型位错(edgedislocation)
(1)刃型位错图示
(2)刃型位错特征:
①刃型位错有一个额外的(多余)半原子面。
②刃型位错可以是直线、折线或曲线。
它与滑移方向、柏氏矢量垂直。
③滑移面是位错线和滑移矢量确定的平面。
滑移面唯一。
④晶体中存在刃位错后,位错周围的点阵发生弹性畸变。
⑤在位错线周围的畸变区每个原子具有较大的平均能量。
畸变区是一个狭长的管道。
2.螺型位错(screwdislocation)
(1)螺型位错的图示
(2)螺型位错的特点:
①螺型位错无额外半原子面,原子错排是呈轴对称的。
②根据位错线附近呈螺旋形排列的原子的旋转方向不同,螺型位错可分为右旋和左旋螺型位错。
③螺型位错线与滑移矢量平行,因此一定是直线,而且位错线的移动方向与晶体滑移方向互相垂直。
④纯螺型位错的滑移面不是唯一的。
⑤螺型位错线周围的点阵也发生了弹性畸变。
⑥螺型位错周围的点阵畸变随离位错线距离的增加而急剧减少。
故它也是包含几个原子宽度的线缺陷。
3.混合位错(mixeddislocation)
(1)混合位错的图示
(2) 混合位错特征:
位错线与滑移矢量有一定夹角。
混合位错可分为刃型分量和螺型分量。
位错环(dislocationloop)是一种典型的混合位错。
二、柏氏矢量(Burgersvector)
1.柏氏矢量的确定
(1) 选定位错线正向,一般选定出纸面的方向为位错线的正向。
(2)在实际晶体中作柏氏回路(Burgerscircuit)
(3) 在完整晶体中按
(2)中相同方向和步数作回路。
回路不封闭,由终点向起点作矢量,即为柏氏矢量。
2.用柏氏矢量判断位错类型
(1) 刃型位错ξe⊥be
右手法则:
食指指向位错线方向,中指指向柏氏矢量方向,拇指指向代表多余半原子面位向,向上为正,向下为负。
(2) 螺型位错ξs∥bs
正向(方向相同)为右螺旋位错,负向(方向相反)为左螺旋位错。
(3) 混合位错柏氏矢量与位错线方向成夹角φ
3.柏氏矢量的特性
∙柏氏矢量的物理意义:
是一个反映位错性质以及由位错引起的晶格畸变大小的物理量。
∙柏氏矢量特性:
(1) 用柏氏矢量可以表示位错区域晶格畸变总量的大小。
(2) 柏氏矢量具有守恒性。
即一条位错线的柏氏矢量恒定不变。
(3) 柏氏矢量的唯一性。
即一根位错线具有唯一的柏氏矢量。
(4) 柏氏矢量守恒定律。
4. 柏氏矢量表示法
立方晶系中b=(a/n)[uvw],其大小为位错强度,用b模表示,模的大小表示该晶向上原子间的距离。
六方晶系中:
b=(a/n)[uvtw]
三、位错的组态和密度
位错的组态:
位错环、位错网络、位错塞积
位错密度(dislocationdensity):
单位体积内位错线的总长度。
通常用穿过单位面积晶面的位错数目表示。
表达式:
ρ=l/v或ρ=n/A单位:
1/c㎡
4.3位错的运动
运动基本形式:
滑移和攀移
滑移(slip):
位错在切应力作用下沿着滑移面所进行的运动。
攀移(climb):
位错在垂直于滑移面的方向上所进行的运动。
除滑移和攀移外还有交割(cross/interaction)和扭折(kink)
1.位错的滑移(slippingofdisloction)
任何类型的位错均可进行滑移.滑移动画
(1)刃位错的滑移过程(教材图3-12)∥b、b⊥、滑移方向⊥、滑移方向∥b,单一滑移面。
(2)螺型位错的滑移过程(教材图3-12)∥b、b∥、滑移方向⊥、滑移方向⊥b,非单一滑移面。
可发生交滑移、双交滑移。
(3)混合位错的滑移过程(教材图3-13)沿位错线各点的法线方向在滑移面上扩展,滑动方向垂直于位错线方向。
但滑动方向与柏氏矢量有夹角。
列表总结各类位错的滑移特征
2.位错的攀移(climbingofdisloction)
∙位错的攀移:
在垂直于滑移面方向上运动。
∙攀移的实质:
刃位错多余半原子面向上或向下运动。
刃位错的攀移过程:
正攀移,向上运动;负攀移,向下运动
∙影响攀移的因素:
①温度:
常温下难以攀移,高温下对位错的攀移影响重大。
②与外加应力有关:
只有正应力有助于位错实现攀移。
压(拉)促进正(负)攀移
∙注意:
只有刃型位错才能发生攀移。
滑移不涉及原子扩散,而攀移必须借助空位或原子的扩散。
4.4位错的应力场
1. 位错的应力场(stressfield)
广泛采用弹性连续介质(elastic-continousmedia)模型;三个假说:
晶体是完全弹性体、是各向同性的、是由连续介质组成的。
可以认为,位错是晶体中的一种内应力源。
位错所引起的内应力从中心到四周逐渐减小,中心处的畸变最大,内应力也最大,这种内应力分布就构成了位错的应力场。
2.位错的应变能(dislocationstrainenergy)
晶体中位错的存在引起点阵畸变,导致能量的增高,此增量称为位错的弹性应变能。
位错的能量包括两部分:
a.位错中心畸变能(distortionenergyofdislocationcore)(常被忽略)
b.位错周围的弹性应变能(elasticstrainenergy)
E=Ee+Eo
据估算,位错中心区的弹性应变能约占位错总能量的10%,常常忽略不计,而以中心区外的弹性应变能代表位错的能量。
E=Ee
单位长度位错的能量为:
W=αGb2
α为0.5~1G——切变模量W∝b2b越小,位错越稳定
此外,位错的能量与位错线的长度成正比,因此位错有尽量缩短的趋势。
位错是热力学不稳定的晶体缺陷。
3.位错的线张力
位错的线张力(HYPERLINK"file:
///D:
/My%20Documents/材料科学基础多媒体课件20050604/第三章/FMS/Ch03/Flash/fla03-38.swf"tensionofdislocationlineHYPERLINK"file:
///D:
/My%20Documents/材料科学基础多媒体课件20050604/第三章/FMS/Ch03/Flash/fla03-38.swf"):
T=αGb²α=0.5
4.作用于位错上的力HYPERLINK"file:
///D:
/My%20Documents/材料科学基础多媒体课件20050604/第三章/FMS/Ch03/Flash/fla03-35.swf"
∙利用虚功原理,可求出Fd=τb
∙Fd为作用在单位长度位错线上的力,其方向与位错垂直并指向滑移面未滑移部分。
∙注意:
(1)Fd是一个假想力
(2)Fd被看成是引起位错运动的原因。
Fd必然与位错线运动方向一致,永远垂直于位错线。
(3)引起位错线运动的外切应力τ必须作用在滑移面上。
在纯刃位错中τ∥Fd,螺位错中τ⊥Fd
∙引起位错攀移的力(climbforce):
dy=-σb
4.5位错与晶体缺陷间的交互作用
1.位错间的交互作用
(1)两平行螺位错间的交互作用(HYPERLINK"file:
///D:
/My%20Documents/材料科学基础多媒体课件20050604/第三章/FMS/Ch03/Flash/fla03-39.swf"interactionHYPERLINK"file:
///D:
/My%20Documents/材料科学基础多媒体课件20050604/第三章/FMS/Ch03/Flash/fla03-39.swf"):
同号相斥,异号相吸
(2)两平行刃位错间交互作用,
同号相斥,异号相吸
位错交互作用的结果使体系处于较低的能量状态。
如位错墙
(3)相互平行的刃位错和螺位错间不发生交互作用,即交互作用力为0。
(4)两个相互垂直的螺位错间的交互作用以及两个相互垂直的刃位错和螺位错间的交互作用比较复杂。
2.位错与点缺陷的交互作用
(1)热力学条件:
作用后能量降低
(2)动力学条件:
溶质原子的扩散能力强
间隙原子小扩散容易,与刃位错交互作用十分强烈。
交互作用的结果使体系处于较低的能量状态。
如钢中固溶的C、N小原子常分布于刃位错周围,使位错周围的C、N浓度明显高于平均值。
通常把溶质原子(间隙原子)与位错交互作用,在位错周围偏聚形成的小原子集团称为柯垂尔气团或柯氏气团。
气团的存在,对位错有钉扎作用,使位错难以运动,是固溶强化原因之一。
用柯氏气团解释屈服现象的物理本质
低碳钢的屈服现象通常认为溶质原子C、N与位错交互作用而形成柯氏气团,使位错的弹性应变能降低,位错趋向稳定不易运动,即对位错有着“钉扎作用”。
位错要运动,必须在更大的应力作用下才能挣脱气团的钉扎而移动,这就形成了上屈服点;而位错一旦从气团中挣脱之后,运动就比较容易,因此有应力降落,出现下屈服点和水平台。
这就是屈服现象的物理本质。
4.6位错的增殖、塞积与交割
1.位错的生成
位错来源(位错源:
source/originofdislocation)主要有:
(1)晶体生长过程中产生。
如杂质粒子、热应力作用产生塑性变形
(2)晶体中过饱和空位的聚集。
(3)应力集中,产生局部区域滑移产生位错
2.位错的增殖(dislocationmultiplication)
①F-R源增殖(图3-23)
②HYPERLINK"file:
///D:
/My%20Documents/材料科学基础多媒体课件20050604/第三章/FMS/Ch03/Flash/fla03-50.swf"双交滑移增殖模型(图3-24)
3.位错的塞积和缠结
位错的塞积(dislocationpile-upgroup):
在切应力作用下由同一个位错源放出的位错在障碍前受阻,这个位错源放出的位错在障碍前排列起来,这一位错组态称为位错的塞积。
位错的缠结(dislocationtangle):
4.位错的交割(cross)
位错的交割:
相互运动的位错发生互相切割的现象。
(1)割阶与扭折(jogandkink)
割阶:
曲折段垂直于位错的滑移面时
扭折:
曲折段在位错的滑移面上时
注:
①刃型位错的割阶仍为刃型位错,扭折为螺型位错。
螺型位错的割阶和扭折均为刃型位错。
②刃型位错的扭折是一可动螺位错,割阶也是一可动的刃位错。
螺型位错的扭折是可动的刃型位错,割阶是不可动的刃型位错。
(2)几种典型的位错交割
交割后要遵循柏氏矢量的一些特征。
①两柏氏矢量相互垂直的刃型位错交割PP′为割阶,b2⊥PP′,PP′大小和方向取决于b1,为刃型位错。
②两柏氏矢量相互平行的刃型位错交割:
PP′为扭折,b2∥PP′,QQ′为扭折,b1∥QQ′,PP′和QQ′都是螺位错。
③两柏氏矢量相互垂直的刃型位错和螺型位错交割:
MM′为割阶,b1⊥MM′,MM′大小和方向取决于b2,为刃型位错。
NN′为扭折,b2⊥NN′,NN′大小和方向取决于b1,为刃型位错。
④两柏氏矢量相互垂直的螺型位错交割(图3.20):
MM′和NN′均为刃型割阶。
结论:
①任意两种类型运动交割时,可以产生扭折或割阶,其大小和方向取决与另一位错的柏氏矢量,但具有原位错的柏氏矢量。
如果另一位错的柏氏矢量与该位错线平行,则交割后该位错线不出现曲折。
②所有割阶都是刃位错,而扭折可以是刃位错,也可以是螺位错。
交割后曲折段的方向取决与位错相对滑移过后引起晶体的相对位移情况。
③扭折与原位错在同一滑面上,可随主位错线一起运动,几乎不产生阻力,且扭折在线张力作用下易与消失。
割阶与原位错线不在同一滑移面上,除攀移外割阶一般不能随主位错一起运动,成为位错运动的障碍。
4.7实际晶体结构中的位错
1.实际晶体中位错的柏氏矢量
几个基本概念
单位位错(dislocation):
柏氏矢量等于单位点阵矢量的位错
全位错(perfectdislocation):
柏氏矢量等于点阵矢量的位错
不全位错(部分位错partialdislocation):
柏氏矢量不等于点阵矢量的位错。
实际晶体中位错的柏氏矢量必须符合以下两个条件:
(1)结构条件:
柏氏矢量大小与方向,必须连接一个原子平衡位置到另一个原子平衡位置
(2)能量条件:
位错能量E∝b2,柏氏矢量越小越稳定
列表归纳典型晶体中单位位错的柏氏矢量
2.堆垛层错(stackingfault)
正常堆垛顺序fcc:
ABCABC……hcp:
ABABAB……
堆垛层错:
正常堆垛顺序遭到破坏或错排,有两类:
(1)抽出型层错
(2)插入型层错
堆垛层错能:
形成层错时几乎不产生点阵畸变,但它破坏了晶体的完整性和正常的周期性,使晶体的能量有所增加。
3.不全位错
(1)Shockley不全位错(Shockleypartialdislocation):
柏氏矢量:
b=a/6[1-21]
特点:
可以是刃型位错、螺型位错、混合型位错;可滑移,滑移的结果使层错面扩大或缩小。
但不能攀移。
(2)Frank不全位错(Frankpartialdislocation):
负Frank不全位错—抽出型
正Frank不全位错—插入型
柏氏矢量:
b=a/3<111>
特点:
纯刃型,柏氏矢量垂直于层错面不能滑移,只能通过点缺陷的运动沿层错面进行攀移,使层错面扩大或缩小。
所以弗兰克不全位错又称不滑动位错或固定位错,而肖克莱不全位错则属于可动位错。
4.位错反应(dislocationreaction)
位错反应满足条件:
(1)几何条件柏氏矢量守恒性
即:
∑bs=∑bh
(2)能量条件反应过程能量降低
即:
∑︱bs︱²﹥∑︱bh︱²
5.扩展位错(extended/splitdislocation)
扩展位错:
两个不全位错加上中间一片堆垛层错区的组态。
fcc中的扩展位错为两个Shockley不全位错加上中间的堆垛层错.
扩展位错的宽度为3.32式(P103)
扩展位错的束集:
外力作用下收缩为原来全位错的过程。
6.Thompson四面体
Thompson四面体把FCC中所有重要的位错和位错反应清晰而直观地表示出来,利用Thompson四面体可确定fcc结构中的位错反应。
7.其它晶体中的位错
(1)bcc滑移面有{111}{112}{113}
单位位错b=a/2〈111〉
bcc中易发生交滑移,没有扩展位错,没有位错分解。
(2)hcp全位错
(3)关于离子晶体的位错、共价晶体中的位错、高分子晶体中的位错请参考教材及有关资料。
4.8晶体中的界面
∙面缺陷的特征:
∙面缺陷类型:
表面(surface)
内界面(interface):
晶界、亚晶界、孪晶界、相界、层错
1.晶界的结构与晶界能
∙晶界(grainboundary):
∙亚晶界(subgrainboundary):
∙确定晶界位置用:
(1)两晶粒的位向差θ
(2)晶界相对于一个点阵某一平面的夹角φ。
∙按θ的大小分类:
小角度晶界θ<10º
大角度晶界θ>10º
(1)小角度晶界
小角度晶界(lowanglegrainboundaries):
由一系列相隔一定距离的刃型位错所组成。
分类:
(1)对称倾斜界面(tiltboundary):
晶界平面为两个相邻晶粒的对称面。
是由一列平行的刃型位错所组成。
相邻位错距离D与b、θ之间关系:
4-11式
(HYPERLINK"file:
///D:
/My%20Documents/新建文件夹/FMS/Ch03/Flash/fla03-65.swf"2)HYPERLINK"file:
///D:
/My%20Documents/新建文件夹/FMS/Ch03/Flash/fla03-65.swf"扭转晶界(HYPERLINK"file:
///D:
/My%20Documents/新建文件夹/FMS/Ch03/Flash/fla03-65.swf"twistboundaryHYPERLINK"file:
///D:
/My%20Documents/新建文件夹/FMS/Ch03/Flash/fla03-65.swf")HYPERLINK"file:
///D:
/My%20Documents/新建文件夹/FMS/Ch03/Flash/fla03-65.swf":
将一块晶体沿横断面切开,并使上下部分晶体绕轴转动θ角,再与下部分晶体粘在一起形成。
可看成是由互相交叉的螺位错所组成。
(2)大角度晶界
大角度晶界(highanglegrainboundaries)为原子呈不规则排列的一过渡层,仅有2-3个原子厚度的薄层。
大多数晶粒之间的晶界都属于大角度晶界。
(3)晶界能
晶界能:
形成单位面积时,系统的自由能变化。
J/㎡。
∙晶界能量与θ有关:
γ=γ0θ(A-lnθ),
式中γ0=Gb/4п(1-ν)
∙大角度晶界能量与θ无关,基本上为一恒定值,0.25-1.0J/㎡
∙在平衡状态时,三叉晶界的各面角均趋于稳定状态,此时
φ1=φ2=φ3=120º。
∙由于界面能的存在,晶粒长大和晶界的平直化过程是自发过程
(4)晶界特征
①晶界处点阵畸变大,存在晶界能。
②常温下晶界会对位错的运动起阻碍运动,使塑性变形抗力提高,使晶体(材料)的硬度和强度提高。
(常温下晶界强度高,高温下晶界强度低)
③晶界处原子具有较高的动能,且存在大量缺陷。
原子在晶界处扩散比晶内快得多.(短路扩散)
④固态相变时易在晶界处形核。
⑤晶界上富集杂质原子多,熔点低,加热时容易过烧。
⑥晶界腐蚀速度比晶内快。
⑦晶界具有不同于晶内的物理性质。
2.表面及表面能
∙表面(crystalsurface)
∙表面能(γ):
晶体表面单位面积自由能的增加
表示法:
γ
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- 第四部分 晶体缺陷 第四 部分