材料科学基础-晶体缺陷PPT课件.ppt

,材料科学基础,学,用,习,机电工程学院,材料成型与控制工程专业,材料科学基础,1,材料科学基础,第二章晶体缺陷,第一节点缺陷,第二节线缺陷,第三节面缺陷,2,材料科学基础,第一节点缺陷,一、点缺陷的类型及形成,二、点缺陷的运动及平衡浓度,三、点缺陷对性能的影响,3,材料科学基础,置换原子,一、点缺陷的类型及形成,空位,间隙原子,1、点缺陷的类型,2、点缺陷的形成过程,点缺陷的形成条件是能量起伏,晶体内所有的原子总是以平衡位置为中心进行热振动，当温度一定时，原子热运动的平均能量是一定的，但是各原子在同一瞬间的热振动能量并不相同，而且同一原子在不同瞬间的能量也不相同。各原子的能量总是处于不断起伏变化之中，这种现象叫能量起伏,空位,置换原子,间隙原子,4,材料科学基础,离位原子跃迁到晶体点阵的间隙中而形成的空位。形成弗兰克尔空位的同时，将形成等量的间隙原子。,2、点缺陷的形成过程,一、点缺陷的类型及形成,肖脱基空位,离位原子跃迁到晶体表面或晶界面而形成的空位。,弗兰克尔空位,5,材料科学基础,二、点缺陷的运动及平衡浓度,晶体中由于原子的热运动，空位和间隙原子将不断产生、不断地由一处向另一处迁移，同时也发生点缺陷的复合。用热力学和统计学可以计算出晶体在一定温度下空位或间隙原子的平衡浓度为：式中：n为平衡空位数；N为点阵总数；为每增加一个空位的能量变化；k为波尔兹曼常数；A为与振动熵有关的常数，一般取值在110之间,6,材料科学基础,三、点缺陷对性能的影响,1、物理性能,使晶体内运动着的电子发生散射而使电阻增大；空位数目增加使密度减小。,2、力学性能,晶体中出现点缺陷以后，破坏了原来原子排列的规律性，使晶格发生畸变；同时对高温蠕变、回复、表面氧化有影响。,形成过饱和空位的方法：高T淬火把空位保留到室温；塑性变形；高能粒子辐射；形成金属间化合物。,7,材料科学基础,第二节线缺陷,一、位错的基本概念,二、位错的运动,四、实际晶体中的位错,三、位错的弹性性质,8,材料科学基础,一、位错的基本概念,1、位错,位错是晶体中原子发生有规律的错排现象,晶体受到外力作用后，一部分晶面相对另一部分晶面发生滑移而形成的线状缺陷,已滑移面与未滑移面的交界线叫位错线,2、位错的基本类型,（1）、刃型位错：柏氏矢量与位错线垂直,（2）、螺型位错：柏氏矢量与位错线平行,（3）、混和位错：位错线是一个曲线,9,材料科学基础,10,材料科学基础,中指代表柏氏矢量方向，食指代表位错线方向，拇指为多余半原子面方向，当拇指方向为从纸面垂直穿出时，为正刃型位错。当拇指方向为垂直进入纸面时，为负刃型位错,2、位错的基本类型,一、位错的基本概念,a、刃型位错判断,柏氏矢量与位错线垂直,11,材料科学基础,一、位错的基本概念,2、位错的基本类型,柏氏矢量与位错线平行,b、螺型位错判断,12,材料科学基础,由位错线与柏氏矢量的关系可以确定D、B两点处为刃型位错，A、C两点处为螺型位错；且B点处为负刃型位错，D点处为正刃型位错，A点处为右螺型位错，C点处为左螺型位错。,一、位错的基本概念,2、位错的基本类型,试判断如图所示位错的类型,举例,13,材料科学基础,3、柏氏矢量,（1）确定位错线的正方向：以位错线从纸面穿出的方向为正方向,（2）作柏氏回路：从实际晶体中的任意一个原子出发，围绕位错线作一个闭合回路，即柏氏回路.要求回路与位错线符合右手螺旋关系，且回路的每一步都联结相邻的原子，并避开位错线附近原子严重错排的区域,（3）确定柏氏矢量：在完整的晶体中作相应的参考回路。该参考回路的终点与起点不重合。从终点向起点引一个矢量即为柏氏矢量。,14,材料科学基础,15,材料科学基础,柏氏矢量的物理意义,（1）根据柏氏矢量与位错线的关系可以确定位错类型；二者垂直时为刃型位错、平行时为螺型位错,（2）柏氏矢量表示位错线周围总畸变量的大小和方向，越大，点阵畸变越严重,（3）柏氏矢量具有守恒性，一定的位错，不论柏氏回路的大小，形状如何变化，只要该位错不与其它位错相交，则所测得的柏氏矢量是一定的，即柏氏矢量的守恒性。a、一条位错线只有唯一的柏氏矢量；b、几根位错线相交于一点，则其中任意一根位错线的柏氏矢量等于其它各位错的柏氏矢量之和；c、位错线不能在晶体内部中断，只能穿出晶体终止在晶界或晶体表面或在晶体内部自成闭合回路（形成位错环）或与其它位错相连接,16,材料科学基础,4、位错密度,晶体中位错线的总长度占晶体体积的百分比为位错密度，用公式表示为：,或,S位错线的总长度(cm)；V晶体的体积(cm3)n晶体截面上位错线条数A晶体的截面积(cm2)l单条位错线的长度(cm),17,材料科学基础,二、位错的运动,位错沿着滑移面的移动,1、位错运动的基本形式,A、滑移,B、攀移,2、位错运动的条件,在平行于柏氏矢量的切应力作用下才能运动,18,材料科学基础,3、位错运动的距离,小于一个原子间距/次,4、滑移方向,刃型位错的滑移方向与柏氏矢量b方向一致，与位错线垂直。螺型位错的滑移方向与柏氏矢量b方向垂直。,5、刃型位错的滑移面,由柏氏矢量与位错线确定的平面,二、位错的运动,19,材料科学基础,6、刃型位错的攀移,刃型位错沿着垂直滑移面方向上的运动为攀移,二、位错的运动,攀移的实质是多余半原子面的伸长或缩短。多余半原子面向上移动（空位扩散到位错的下刃部）叫正攀移；多余半原子面向下移动（下刃部的空位离开多余半原子面）叫负攀移,攀移与滑移不同，伴随物质的迁移，需要空位的扩散，需要热激活，因此比滑移需要更大的能量。故通常情况下，位错先发生滑移，当滑移受阻无法进行时。才有可能产生攀移,20,材料科学基础,三、位错的弹性性质,1、外力场中位错所受的力,在切应力作用下，晶体中的位错将发生运动，由于位错移动的方向总是与位错线垂直，故可设想有一个垂直于位错线的力，造成了位错的移动。这就是“作用在位错线上的力”，即,Fdb,作用在单位长度位错线上的力与外加切应力和柏氏矢量b成正比,21,材料科学基础,2、位错线张力,由于位错线具有应变能，所以位错线具有缩短的趋势以减小应变能，这就产生了线张力T，线张力在数值上等于单位长度位错的应变能。,其中a1为直线位错；a1/2为弯曲位错,三、位错的弹性性质,22,材料科学基础,T,1、外力场中位错所受的力,2、位错线张力,三、位错的弹性性质,Fdb,23,材料科学基础,三、位错的弹性性质,3、派-纳力Peierls-Nabarro,实际晶体中，位错的滑移要遇到多种阻力，其中最基本的固有阻力是晶格阻力派纳力。当柏氏矢量为b的位错在晶体中移动时，将由某一个对称位置图中1位置移动到图中2位置。在这些位置，位错处在平衡状态，能量较低。而在对称位置之间能量增高，造成位错移动的阻力。因此，位错移动时需要一个力克服晶格阻力，越过势垒，此力称派-纳力(Peierls-Nabarro)，,24,材料科学基础,G切变模量；v泊桑比：a晶面间距b滑移方向上的原子间距,三、位错的弹性性质,3、派-纳力Peierls-Nabarro,由公式可知，a最大，b最小时派-纳力最小，故滑移面应是晶面间距最大的最密排面，滑移方向应是原子最密排方向，此方向b一定最小。除点阵阻力外晶体中各种缺陷如点缺陷、其他位错、晶界和第二相粒子等对位错运动均会产生阻力，使金属抵抗塑性变形能力增强。,25,材料科学基础,四、实际晶体中的位错,实际金属晶体中主要存在两种组态的位错；即完全位错和不完全位错,1、完全位错（单位位错）,柏氏矢量b等于点阵矢量的位错。,2、不完全位错,b大于点阵矢量。,柏氏矢量b不等于点阵矢量的位错。,2.1、部分位错,2.2、不全位错,b小于点阵矢量。,26,材料科学基础,3、位错反应,两个位错合并为一个位错。,3.1、位错反应的条件,2)、反应后各位错的总能量小于反应前各位错的总能量。,1)、反应前后各位错的柏氏矢量和相等,4、位错的增殖,随塑性变形的增加，位错数目不断增加。,a、弗兰克-瑞德（F-R）源增殖机制b、双交滑移增值机制c、攀移增殖机制等,四、实际晶体中的位错,27,材料科学基础,四、实际晶体中的位错,4、位错的增殖,28,材料科学基础,四、实际晶体中的位错,4、位错的增殖,29,材料科学基础,障碍物,滑移面,位错源,L,5、位错的塞积,四、实际晶体中的位错,式中：k是系数，k螺=1、k刃=1-、k混介于二者之间；为外加分切应力；L为位错源到障碍物的距离；G是切变弹性模量；b为位错的柏氏矢量。,30,材料科学基础,障碍物前受到了较大的切应力；大小为：（为外加切应力）；这是晶体受外力作用后产生裂纹的重要机制。,5、位错的塞积,四、实际晶体中的位错,障碍物,滑移面,位错源,L,31,材料科学基础,实际生产中，一般采用增加位错的方法提高强度（如加工硬化），但同时也使材料的塑性和韧性下降!,6、金属强度与位错的关系,四、实际晶体中的位错,32,材料科学基础,第三节面缺陷,一、面缺陷的概述,二、表面与晶界,三、晶界特性,33,材料科学基础,空间二维尺寸很大，第三维尺寸很小,一、面缺陷的概述,晶体外表面：晶界面（晶界、亚晶界、相界）,1面缺陷的种类,2面缺陷的特点,面缺陷对材料的固态相变、塑性变形与断裂、物理性能、化学性能、力学性能都有显著的影响。,3面缺陷对性能的影响,第三节面缺陷,34,材料科学基础,外表面会吸附外来杂质与之形成各种化学键。,二、表面与晶界,1晶体外表面的原子排列,第三节面缺陷,偏离平衡位置，配位数减少，造成点阵畸变？,晶体外表面原子的能量高于晶体内部,比表面能晶体表面单位面积能量的增加,比表面能在数值上与表面张力相等,比表面能具有各向异性？,35,材料科学基础,1）晶界：晶粒之间的交界面叫晶界，晶界的宽度约为510个原子间距。晶界处原子排列呈不规则状态，晶格畸变很大。,2）亚晶界：亚晶粒的交界面叫亚晶界。相邻两晶粒的取向差小于100时叫小角度晶界；取向差大于100时叫大角度晶界。大角度晶界的晶格点阵畸变大。,2晶界与亚晶界,二、表面与晶界,第三节面缺陷,36,材料科学基础,2晶界与亚晶界,二、表面与晶界,第三节面缺陷,相邻两个晶粒（或晶粒内部相邻两部分）沿一个公共晶面（孪晶界）构成镜面对称的位向关系。孪晶界上的原子位于点阵的结点上，属于孪晶的两部分所共有，为共格界面。故孪晶界上的原子没有发生错排，则界面能很低。,面心立方晶体的孪晶关系,3）孪晶界：,37,材料科学基础,4）相界：,2晶界与亚晶界,二、表面与晶界,第三节面缺陷,相界结构,共格相界,半共格相界,非共格相界,不同晶体结构的两相之间的分界面。,38,材料科学基础,三、晶界特性,第三节面缺陷,1、晶界具有内吸附的特性,由于晶界能的存在，当晶体中存在能降低界面能的异类原子时，这些原子将向晶界偏聚以降低界面能.,2、晶界可以提高原子的扩散速度,晶界上原子具有较高的能量，且存在较多的晶体缺陷，使原子的扩散速度比晶粒内部快得多。,39,材料科学基础,3、常温下，晶界对位错运动具有阻碍作用,4、晶界比晶内更易氧化和优先腐蚀,三、晶界特性,第三节面缺陷,金属材料的晶粒越细，单位体积晶界面积越多，其强度、硬度越高,40,材料科学基础,三、晶界特性,第三节面缺陷,6、固态相变时优先在母相晶界上形核,5、晶粒长大是一种自发过程,晶粒的长大使晶界能下降，故晶粒长大过程是自发进行。晶界迁移靠原子扩散，故只有在较高温度下才能进行,晶界具有较高能量且原子排列紊乱，优先满足形核条件。,41,材料科学基础,三、晶界特性,第三节面缺陷,面缺陷能提高金