第材料科学基础第3章_ppt课件

单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版副标题样式* 1第 三 章 晶 体 缺 陷 本章要求掌握的主要内容1、点缺陷、 Schottky空位、 Frankel空位、 间 隙原子、置 换 原子2、 线 缺陷、刃型位 错 、螺型位 错 、混合型位 错 、柏氏矢量、位 错 运 动 、滑移、 (双 )交滑移、多滑移、攀移、交割、割价、扭折、塞 积 ；位 错应 力 场 、应变 能、 线张 力、作用在位 错 上的力、位 错 密度、位 错 源、位 错 生成、位 错 增殖、位 错 分解与合成、位 错 反 应 、全位 错 、不全位 错 、堆 垛层错3、面缺陷、表面、界面、界面能、晶界、相界4、关于位 错 的 应 力 场 、位 错 的 应变 能、 线张 力等可作 为 一般了解5、晶界的特性 (大、小角度晶界 )、 孪 晶界、相界的类 型6、点缺陷的平衡 浓 度公式7、位 错类 型的判断及其特征、柏氏矢量 的特征，8、位 错 源、位 错 的增殖 (F-R源、双交滑移机制等 )和运动 、交割9、关于位 错 的 应 力 场 、位 错 的 应变 能、 线张 力等可作为 一般了解10、晶界的特性 (大、小角度晶界 )、 孪 晶界、相界的 类型在 实际 晶体中，由于原子（或离子、分子）的热 运 动 ，以及晶体的形成条件、冷 热 加工 过 程和其他 辐 射、 杂质 等因素的影响， 实际 晶体中原子的排列不可能那 样规则 、完整，常存在各种偏离理想 结 构的情况，即晶体缺陷。晶体缺陷 对 晶体的性能，特 别 是 对 那些 结 构敏感的性能，如屈服 强 度、断裂 强 度、塑性、 电 阻率、磁 导 率等有很大影响。另外晶体缺陷 还 与 扩 散、相 变 、塑性 变 形、再 结 晶、氧化、 烧结 等有密切关系。因此，研究晶体缺陷具有重要的理论 与 实际 意 义 。概述离开平衡位置的原子有三个去 处 :(1)形成 Schottky空位(2)形成 Frankely缺陷(3)跑到其它空位上使空位消失或移位。点缺陷的 类 型：（ 1）空位（ 2） 间 隙原子（异 类 ）（ interstital atom）：（ 3） 自 间 隙原子 (同 类 ) （ self- interstital atom ）（ 4） 外来 杂质 原子：（ 5）置 换 原子 (substitutional atom) ：3.1 点 缺 陷3.1.1点缺陷的形成及类型3.1.2 点缺陷的平衡浓度晶体中点缺陷的存在一方面造成点 阵 畸 变 ，使晶体的内能升高，降低了晶体的 热 力学 稳 定性，另一方面由于增大了原子排列的混乱程度，并改 变 了其周 围 原子的振 动频 率，引起 组态熵 和振 动熵 的改 变 ，使晶体 熵值 增大，增加了晶体的 热 力学 稳 定性。 这 两个相互矛盾的因素使得晶体中的点缺陷在一定的温度下有一定的平衡 浓 度。 这 个 浓 度称 为该 温度下晶体中点缺陷的平衡 浓 度 。 经热 力学推 导 ：C = n/N = Aexp（ Ev/kT）C与 T、 Ev之 间 呈指数关系。 T上升、 C升高。在一般的晶体中 间 隙原子的形成能 Ev较 大（约为 空位形成能 Ev的 3 4倍）。因此，在同一温度下，晶体中 间 隙原子的平衡 浓 度 C要比空位的平衡 浓 度 C低得多。因此，在通常情况下，相 对 于空位， 间 隙原子可以忽略不 计 ；但是在高能粒子 辐 照后， 产 生大量的弗 兰 克 尔 缺陷， 间 隙原子数就不能忽略了。 对 离子晶体，和 纯 金属相比，点缺陷形成能都很大，故一般离子晶体中，在平衡状 态 下存在的点缺陷 浓 度是极小的。 Ev对 C的影响金属种 类 Pb Al Mg Au Cu Pt W Ev10-8J0.08 0.12 0.14 0.15 0.17 0.24 0.56C 9.210-6 2.810-8 1.510-9 3.610-10 2.010-11 7.810-16 5.710-363.1.3 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 。3.1.4 点缺陷对结构和性能的影响 点缺陷引起晶格畸 变 ,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、 V、 等；(2)力学性能：采用 高温急冷 (如淬火 ,大量的冷 变 形 ） ,高能粒子 辐 照 等方法可 获 得 过饱 和点缺陷，如使 S提高；(3)影响固 态 相 变 ,化学 热处 理等。3.2 位错位 错 的起源：刚 性相 对 滑 动 模型： m = G/30纯铁 ： G 100GPa纯铁 的理 论临 界切 应 力： 约 3000MPa纯铁 的 实际 屈服 强 度： 10MPa 1934年Taylor、 Orowan、 Polanyi提出位 错 模型，滑移是通 过 称 为 位 错 的运 动 而 进 行的1950年代位 错 模型 为试验 所 验证现 在，位 错 是晶体的性能研究中最重要的概念。3.2.1位错的基本类型和特征 1. 刃型位错（ 1）刃型位 错 的 产 生完整晶体滑移 的理 论 剪切 强 度要 远 高于 实际 晶体滑移 的 对应 强 度，从而促 进 了位 错 理 论 的 产 生和 发 展。（ 2） 刃型位 错图 示：刃型位 错线 ：多余半原子面与滑移面的交 线 。（ 3）刃型位 错 特征： 刃型位 错 有一个 额 外的（多余）半原子面。正刃型位 错用 “ ”表示， 负 刃型位 错 用 “”表示；其正 负 只是相 对 而言。判断用右手定 则 ：食指指向位 错线 方向，中指指向柏氏矢量方向，拇指指向多余半原子面方向。 刃型位 错 是 直 线 、 折 线 或 曲 线 。它与滑移方向、柏氏矢量垂直。 、滑移面必 须 是同 时 包含有位 错线 和滑移矢量的平面。位 错线 与滑移矢量互相垂直 ,它 们构成平面只有一个。 、晶体中存在刃位 错 后 ,位 错 周 围 的点 阵发 生弹 性畸 变 ,既有正 应变 ,也有 负应变 。点 阵 畸变 相 对 于多余半原子面是左右 对 称的，其程度随距位 错线 距离增大而减小。就正刃型位 错 而言 ,上方受 压 ,下方受拉。 、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。刃型位错立体示意图刃型位错的分类晶体局部滑移造成的刃型位错2.螺型位错螺型位错具有以下特征：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。凡是包含螺型位 错线 的平面都可以作 为 它的滑移面。但 实际 上，滑移通常是在那些原子密排面上 进 行。 5).螺型位 错线 周 围 的点 阵 也 发 生了 弹 性畸 变 ，但是，只有平行于位 错线 的切 应变 而无正 应变 ，即不会引起体 积 膨 胀 和收 缩 ，且在垂直于位 错线 的平面投影上，看不到原子的位移，看不出有缺陷。 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。螺型位错示意图晶体局部滑移造成的螺型位错3.混合位错混合位 错 特征 :混合位 错 可分 为 刃型分量和螺型分量 ,它 们 分 别 具有刃位 错 和螺位 错 的特征。 刃 : b ; 螺 : b ;位 错环 是一种典型的混合位 错 。 3.2.2 柏氏矢量1. 柏氏矢量的确定：(1) 选 定位 错线 的正方向 ()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(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。刃型位错的柏氏回路示意图刃型位错完整的柏氏回路刃位错的柏氏回路螺型位错的柏氏回路示意图螺型位错完整的柏氏回路2.用柏氏矢量判断位错类型用柏氏矢量判断位 错类 型 :n (1) 刃型位 错 b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面子面位向，向上 为 正，向下 为负 。n (2) 螺型位 错 b正向（方向相同） 为 右螺旋位 错 ， 负 向（方向相反） 为 左螺旋位 错 。n (3) 混合位 错 柏氏矢量与位 错线 方向成 夹 角刃型分量 be螺型分量 bs用 矢量 图 解法表示位 错 :数量 积 、向量 积 等3. 柏氏矢量的特性 A 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。柏氏矢量可表示位 错 性 质 和取向 ,即晶体滑移方向。 柏氏矢量越大 ,位 错 周 围 晶体畸 变 越 严 重。(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。 位 错 分解 位 错 交于一点柏氏矢量的物理意 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。3. 柏氏矢量的特性 B(5) 位 错 的 连续 性 :可以形成位 错环 、 连 接于其他位 错 、 终止于晶界或露 头 于表面 ,