材料科学基础--第八章.ppt

2020 2 3 IntroductiontoMaterialsScience 第八章 1 第八章晶体中的结构缺陷 2020 2 3 IntroductiontoMaterialsScience 第八章 2 缺陷在空间的分布情况 Guidelines 缺陷在空间的分布有如下三种情况 点缺陷 是零维缺陷 包括空位 间隙原子 置换原子等 线缺陷 是一维缺陷 即位错 面缺陷 是二维缺陷 包括晶界 相界 孪晶界 堆垛层错等 2020 2 3 IntroductiontoMaterialsScience 第八章 3 缺陷在空间的分布情况 点缺陷 是零维缺陷 包括空位 间隙原子 置换原子等 Material 2020 2 3 IntroductiontoMaterialsScience 第八章 4 缺陷在空间的分布情况 线缺陷 是一维缺陷 即位错 位错包括刃型位错和螺型位错两种 Material 2020 2 3 IntroductiontoMaterialsScience 第八章 5 缺陷在空间的分布情况 面缺陷 是二维缺陷 包括晶界 相界 孪晶界 堆垛层错等 Material a 孪晶的几何模型示意图 b 孪晶的显微结构示意图 2020 2 3 IntroductiontoMaterialsScience 第八章 6 第一节点缺陷 Material 1 1点缺陷的类型及形成 类型 点缺陷包括空位 间隙原子和置换原子等三类 其中间隙原子又可分为同类间隙原子和异类间隙原子 空位的形成 原子由于热激活而离开其平衡位置 空位的种类 肖脱基 Schottky 空位 原子迁移到晶体表面所形成的空位 弗兰克尔 Frankel 空位 原子迁移到晶体点阵的间隙中所形成的空位 2020 2 3 IntroductiontoMaterialsScience 第八章 7 第一节点缺陷 Material 1 1点缺陷的类型及形成 续 a Schottky空位形成示意图 b Frankel空位形成示意图 有动画哦 2020 2 3 IntroductiontoMaterialsScience 第八章 8 第一节点缺陷 Material 1 1点缺陷的类型及形成 续 点缺陷形成能 点缺陷形成能 电子能 畸变能 空位形成能中 电子能是主要的 间隙原子形成能 畸变能是主要的 间隙原子形成能 空位形成能Frankel空位形成能 空位形成能 间隙原子形成能 约为4ev 远大于Sckottky空位形成能 约为1ev 2020 2 3 IntroductiontoMaterialsScience 第八章 9 第一节点缺陷 Material 1 2点缺陷的平均浓度 以空位平均浓度为例 式中 C 空位的平均浓度 A k T 温度 上式说明 点缺陷的平均浓度与温度密切相关 温度越高 C以指数规律急剧增大 2020 2 3 IntroductiontoMaterialsScience 第八章 10 第一节点缺陷 Material 1 3过饱和点缺陷 定义 在某些情况下 点缺陷的浓度显著超过其平衡浓度 称其为过饱和点缺陷 产生原因 主要有以下3中情况导致过饱和点缺陷 高温淬火 塑性变形 辐照 2020 2 3 IntroductiontoMaterialsScience 第八章 11 第一节点缺陷 Material 1 4点缺陷对金属性能的影响 电阻率 点缺陷的存在导致金属的电阻率增大 密度 点缺陷的存在导致金属的密度下降 点缺陷的存在主要对金属的下列性质产生影响 2020 2 3 IntroductiontoMaterialsScience 第八章 12 第二节线缺陷 线缺陷是指各种类型的位错 它是在晶体中有一列或若干原子发生有规律的错排后形成的线形畸变区 定义 Definition 线缺陷的分类 一 刃型为错 EdgeDislocation 类型 正刃型位错 负刃型为错 刃型位错的位错线与晶体滑移方向垂直 二 螺型为错 ScrewDislocation 类型 左螺型位错 右螺型为错 螺型位错的位错线与晶体滑移方向垂直 三 混合型为错混合位错可视为刃型位错与螺型位错两种位错的合成 混合位错的位错线与晶体滑移方向成任意角度 2020 2 3 IntroductiontoMaterialsScience 第八章 13 第二节线缺陷 在电子显微镜下直接观察到的位错直接证实了位错的存在 为位错的理论发展奠定了坚实的基础 位错的电子显微镜观察 Definition 单击放映 2020 2 3 IntroductiontoMaterialsScience 第八章 14 四 位错的柏氏矢量 Material 1 刃型位错的柏氏矢量 刃型位错柏氏矢量的确定利用柏氏回路确定刃型位错的柏氏矢量 利用定义刃型位错位错线与相互垂直的位错 即 有动画讲解 请单击图片观察 仔细体会 不妨联系一下 2020 2 3 IntroductiontoMaterialsScience 第八章 15 四 位错的柏氏矢量 Material 1 刃型位错的柏氏矢量 刃型位错的形成 晶体中刃型位错形成示意动画 刃型位错中包含的半原子面动画 2020 2 3 IntroductiontoMaterialsScience 第八章 16 四 位错的柏氏矢量 Material 2 螺型位错的柏氏矢量 螺型位错柏氏矢量的确定利用柏氏回路确定刃型位错的柏氏矢量 与确定刃型位错的方法相同 利用定义螺型位错位错线与相互平行的位错 即 2020 2 3 IntroductiontoMaterialsScience 第八章 17 四 位错的柏氏矢量 Material 2 螺型位错的柏氏矢量 螺型位错的形成示意动画 螺位错的组态及螺旋特征 2020 2 3 IntroductiontoMaterialsScience 第八章 18 四 位错的柏氏矢量 Material 3 混合位错的柏氏矢量 混合位错的柏氏矢量与位错线既不平行也不垂直 而是相交成一定角度 0 2 Definition 可以将分解成垂直合平行于位错线的两个分矢量 垂直分量 即刃型分量 平行分量 即螺型分量 2020 2 3 IntroductiontoMaterialsScience 第八章 19 四 位错的柏氏矢量 Material 4 柏氏矢量的特性 柏氏矢量的守恒性 一条位错线只有唯一的一个柏氏矢量 当柏氏回路中包含有几条位错线时 回路所确定的是各位错的总和 若数条位错线相交于一点 则指向结点的所有位错的之和等于离开结点的所有位错的之和 若所有位错线均指向或离开一个结点 它们的之和等于0 位错线只能终止在晶体表面或晶界上 不能中断于晶体内部在晶体内部 它只能形成封闭的环或与其他位错相遇于结点处 PROPERTIES 2020 2 3 IntroductiontoMaterialsScience 第八章 20 四 位错的柏氏矢量 Material 5 柏氏矢量的物理意义 柏氏矢量既表示位错的性质 又表示了位错区域点阵畸变总量的大小和方向 柏氏矢量的模 表示了畸变总量的大小 即位错强度 的方向 代表了畸变的方向 2020 2 3 IntroductiontoMaterialsScience 第八章 21 四 位错的柏氏矢量 Material 6 柏氏矢量的表示方法 对于立方晶系 用与同方向的晶向指数表示 即 其中n是与点阵类型有关的常数 柏氏矢量的模 2020 2 3 IntroductiontoMaterialsScience 第八章 22 四 位错的柏氏矢量 Material 7 位错密度 位错的密度包括以下两种 体密度 v 面密度 s 2020 2 3 IntroductiontoMaterialsScience 第八章 23 四 位错的柏氏矢量 Material 7 位错密度 体密度 v 单位体积中所含位错线的总长度 式中 L 位错线总长度 V 晶体的体积 单位 m 2或cm 2 2020 2 3 IntroductiontoMaterialsScience 第八章 24 四 位错的柏氏矢量 Material 7 位错密度 面密度 s 穿过单位截面积的位错线数目 式中 A 截面积 n 面积A中所见到的位错线的露头数目 单位 m 2或cm 2 2020 2 3 IntroductiontoMaterialsScience 第八章 25 四 位错的柏氏矢量 Material 7 位错密度 v与 s的比较因为并不是所有的位错线均能与观察截面相交所以 v s 2020 2 3 IntroductiontoMaterialsScience 第八章 26 五 位错的运动 位错的运动根据其运动形式分为两类 位错的滑移刃型位错的滑移螺型位错的滑移位错的攀移正攀移负攀移 Guidelines 2020 2 3 IntroductiontoMaterialsScience 第八章 27 刃型位错的滑移 刃型位错滑移的性质一条刃型位错线滑移出整个晶体晶体后 晶体滑移上 下部分的相对滑移量为一个b 在晶体表面形成一个宽度为b的台阶 若有n条位错线扫过滑移面 则晶体产生nb的滑移量 刃型位错的滑移面式位错线与其所组成的平面 由于二者相互垂直 因此刃型位错的滑移面唯一 Material Material 刃型位错滑移演示 单击观察影片 2020 2 3 IntroductiontoMaterialsScience 第八章 28 螺型位错的滑移 螺型位错滑移的性质螺型位错的位错线与相互平行 螺型位错的滑移面不唯一 螺型位错可在通过位错线的任何晶面上滑移 Material 2020 2 3 IntroductiontoMaterialsScience 第八章 29 位错的攀移 攀移基本概念攀移 通过空位或原子的扩散使刃型位错线离开原滑移面做上下移动 攀移的分类正攀移 半原子面下端的原子扩散出去 即空位迁移到半原子面下端 半原子面缩小 位错线向上移动 负攀移 原子迁移到多余半原子面下端 半原子面扩大 位错线向下移动 Material Material 2020 2 3 IntroductiontoMaterialsScience 第八章 30 位错的攀移 位错攀移的演示 Material Material 注意螺型位错不存在多余半原子面 不能发生攀移运动 即刃型位错既可滑移又可攀移 而螺型位错只能滑移而不能攀移 位错正攀移示意动画 请单击图片观察 2020 2 3 IntroductiontoMaterialsScience 第八章 31 六 位错的弹性性质 理解位错的弹性性质 主要从以下两个方面着手 位错的应力场 位错的应变能 Guidelines 2020 2 3 IntroductiontoMaterialsScience 第八章 32 位错的应力场 1 螺型位错的应力场 Material 2020 2 3 IntroductiontoMaterialsScience 第八章 33 位错的应力场 2 刃型位错的应力场 Material 2020 2 3 IntroductiontoMaterialsScience 第八章 34 位错的应力场 2 刃型位错的应力场 续 Material 2020 2 3 IntroductiontoMaterialsScience 第八章 35 位错的应变能 单位长度螺型位错的应变能单位长度刃型位错的应变能 式中 r0 位错中心区的半径 r1 位错应力场的作用半径 式中 v 泊松比 Material Material 2020 2 3 IntroductiontoMaterialsScience 第八章 36 位错的应变能 螺型位错应变能与刃型位错应变能的关系单位长度位错的总应变能单位长度位错的总应变能可简化为 式中 与几何形状有关的系数 约在0 5 1之间 所以位错的应变能与柏氏矢量的平方成正比 W b2 Material Material 2020 2 3 IntroductiontoMaterialsScience 第八章 37 七 作用在位错上的力 单位长度位错所受的力 推动位错运动的力 的方向永远垂直于位错线 并且沿滑移面指向未滑移区 由于同一位错线上各点的相同 所以只要作用在晶体上的切应力是均匀的 则位错线上各处所受的力f的大小也相同 式中 外加切应力 b 位错强度 2020 2 3 IntroductiontoMaterialsScience 第八章 38 八 位错之间的作用力 主要内容两平行螺型位错间的作用力两平行刃型位错间的作用力相互平行的螺型位错与刃型位错之间 由于二者的相互垂直 各自的应力场均没有使对方受应力分量作用 故彼此不发生作用 Guidelines 2020 2 3 IntroductiontoMaterialsScience 第八章 39 八 位错之间的作用力 Material 1 两平行螺型位错间的作用力 设两互相平行的位错b1和b2 坐标原点设在b1上 使b1 x y 和b2 x y 的位错线沿z轴 如图 考虑b2在b1应力场作用下的情况 直角坐标系下 螺位错b1只有两个不为零的应力分量 xz和 yz xz Gb1 2 y x2 y2 和 yz Gb1 2 x x2 y2 位错线b2的三个分量b2x b2y b2z中只有b2z不为零 且b2z b2 位错线线矢量 2的三个分量 2x 2y 2z中 只有 2z不为零 取单位长度 2z 1 2020 2 3 IntroductiontoMaterialsScience 第八章 40 八 位错之间的作用力 Material 2 两平行刃型位错间的作用力 两平行刃型位错间的作用力示意图 设有两个沿z轴同号的刃位错 其滑移面平行 且平行于xoz平面 如图 柏矢量b1 b2沿x方向 位错b1在 x y 处的应力分量为 xx yx xy yy和 zz 位错b2的柏矢量分量中b2x b2 其余为零 位错b2的位错线矢量分量中 2z 1 其余为零 2020 2 3 IntroductiontoMaterialsScience 第八章 41 九 实际晶体中的位错 实际晶体中的位错包括 全位错堆垛层错不全位错肖克莱 Shockley 不全位错 弗兰克 Frank 不全位错 Guidelines 2020 2 3 IntroductiontoMaterialsScience 第八章 42 全位错 规定 单位点阵矢量 单位位错和 单位点阵矢量整数倍 全位错统称为全位错 几种晶体单位位错的sc afcc a 2bcc a 2bcp a 3 2020 2 3 IntroductiontoMaterialsScience 第八章 43 堆垛层错 在fcc中形成堆垛层错的三种途径 滑移 抽去一层 抽出型层错 插入一层 插入型层错 层错能形成层错能时破坏了晶体点阵排列的正常周期性 故能使能量有些增加 这部分能量称为堆垛层错能 简称层错能 通常用 表示 一般说来 越小 越容易出现层错 Definition 如果原子面的正常堆垛秩序发生了错排 就产生了 堆垛层错 简称 层错 2020 2 3 IntroductiontoMaterialsScience 第八章 44 不全位错 规定 单位点阵矢量 部分位错和 单位点阵矢量整数倍 不全位错统称为不全位错 也可以认为堆垛层错区的边界线就是不全位错 fcc中存在着两种不全位错 肖克莱 Shockley 不全位错 弗兰克 Frank 不全位错 2020 2 3 IntroductiontoMaterialsScience 第八章 45 肖克莱 Shockley 不全位错 肖克莱 Shockley 不全位错具有如下特点 与层错面 滑移面 平行 可以是刃型 螺型或混合型位错 只能在层错面上滑移 Material 2020 2 3 IntroductiontoMaterialsScience 第八章 46 肖克莱 Shockley 不全位错 肖克莱 Shockley 不全位错形成示意图 Material b1 b2 b3 2020 2 3 IntroductiontoMaterialsScience 第八章 47 弗兰克 Frank 位错 弗兰克位错具有如下特点 垂直于层错面 只能是刃型位错 柏氏矢量不在层错面上 位错不能滑移 Material 2020 2 3 IntroductiontoMaterialsScience 第八章 48 弗兰克 Frank 位错 弗兰克不全位错形成示意图 Material 注意 图示的弗兰克不全位错是插入半个原子面形成的 弗兰克不全位错攀移演示 Material 请单击演示 2020 2 3 IntroductiontoMaterialsScience 第八章 49 位错反应 位错的合并或分解统称为位错反应 位错反应的条件 几何条件 结构条件 根据柏氏矢量的守恒性 反应前后各位错的之和应相等 即 前 后能量条件反应后的各位错的总能量 反应前后各位错的总能量位错反应的实质全位错的运动可以由两个不全位错运动代替 2020 2 3 IntroductiontoMaterialsScience 第八章 50 扩展位错 一个全位错分解为两个不全位错 且其间夹有层错的整个位错组态称为扩展位错 通常用其全位错的柏氏矢量标定 扩展位错宽度 两个不全位错间的平衡宽度 越大 d越小 就越难形成扩展位错 单位面积层错能 2020 2 3 Introducti