2.2_晶体缺陷.2_ppt.ppt

2 2晶体的缺陷 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 冷热加工过程和其它辐射 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 磁导率等有很大的影响 另外晶体缺陷还与扩散 相变 塑性变形 再结晶 氧化 烧结等有着密切关系 因此 研究晶体缺陷具有重要的理论与实际意义 缺陷的分类 按纯几何的特征对点阵缺陷进行分类 1 点缺陷 零维缺陷 2 线缺陷 一维缺陷 3 面缺陷 二维缺陷 4 体缺陷 三维缺陷 2 2 1点缺陷 点缺陷是指发生在晶格中一个原子尺寸范围内的一类缺陷 Schottky缺陷 肖特基缺陷 点缺陷 Frenkel缺陷 弗仑克尔缺陷 有序合金中的错位 化学缺陷 置换式 填隙式 1 点缺陷的类型 本征缺陷 1 1弗仑克尔缺陷 Frenkeldefect 金属和离子晶体中都会由于热运动的能量涨落 使原子或离子脱离格点进入晶体中的间隙位置 从而同时出现空位和填隙原子 离子 这种成对的空位和填隙原子称为弗仑克尔缺陷 在离子晶体中 正 负离子都可以各自形成 空穴 填隙离子对 弗仑克尔缺陷 Frenkel缺陷 空位 间隙缺陷 1 2肖特基缺陷 Schottkydefect 在一定温度 晶体中原子由于热涨落获得足够能量 离开格点位置 迁移至晶体表面 于是在晶体中出现不被原子占据的空格点 称为空位 也称肖特基缺陷 肖特基缺陷是最表面的原子位移到一个新的位置 晶体内不伴随填隙原子产生 因此产生肖特基缺陷时 伴随表面原子的增多 晶体的质量密度会有所减小 形成填隙原子时 原子挤入间隙位置所需要的能量比产生肖特基空位所需能量大 因此当温度不太高时 肖特基缺陷的数目要比弗仑克尔缺陷的数目大得多 Schottky缺陷 空位缺陷 有序合金中的错位 化学缺陷 置换式 填隙式 正离子 负离子 离子晶体中的点缺陷 1 大的置换原子4 复合空位2 肖脱基空位5 弗兰克尔空位3 异类间隙原子6 小的置换原子 2 点缺陷与材料行为 结构变化 晶格畸变 如空位引起晶格收缩 间隙原子引起晶格膨胀 置换原子可引起收缩或膨胀 性能变化 点缺陷可以使材料的物理性质与力学性质产生变化 1 引起金属材料电阻的增加 晶体中存在点缺陷时 破坏了原子排列的规律性 使电子迁移时的散射增加 从而增加了电阻 2 晶体密度下降 空位的存在使晶体的密度下降 3 高温蠕变 空位的存在及其运动是晶体高温下发生蠕变的重要原因 热振动产生的点缺陷属于热力学平衡缺陷 即在一定的温度下 晶体中一定存在一定数量的点缺陷 平衡浓度的点缺陷对材料的力学性能的影响并不大 但在高温下空位的浓度很高 空位在材料变形时的作用就不能忽略了 4 原子或分子的扩散就是依靠点缺陷的运动实现的 晶体中的点缺陷处于不断的运动状态 当空位周围原子的热运动动能超过激活能时 就可能脱离原来的结点位置而跳跃到空位 正是依据这一机制 空位发生不断的迁移 同时伴随原子的反向迁移 间隙原子也在晶格的间隙中不断运动 空位和间隙原子的运动是晶体内原子扩散的内部原因 原子的扩散就是依靠点缺陷的运动而实现的 2 2 2线缺陷 位错 位错是晶体中已滑移区和未滑移区的交线 位错线并不是几何学所定义的线 从微观看来 它是有一定宽度的管道 人们是从研究晶体的塑性变形中才认识到晶体中存在着位错 位错对晶体的强度与断裂等力学性能起着决定性的作用 同时 位错对晶体的扩散与相变等过程也有一定的影响 1 位错的类型 位错 刃位错 螺位错 当晶体内沿着某一条线附近的原子排列发生畸变 破坏了晶格周期性时就形成了线缺陷 线缺陷就是 位错 晶体中已滑移区与未滑移区的边界线 即位错线 若垂直于滑移方向 则会存在一多余半排原子面 它象一把刀刃插入晶体中 使此处上下两部分晶体产生原子错排 这种晶体缺陷称为刃位错 多余半排原子面在滑移面上方的称正刃型位错 记为 相反 半排原子面在滑移面下方的称负刃型位错 记为 刃位错 edgedislocation 刃位错 刃位错的运动 刃位错攀移示意图 a 正攀移 半原子面缩短 b 未攀移 c 负攀移 半原子面伸长 位错攀移在低温下是难以进行的 只有在高温下才可能发生 B C 下图 螺位错 screwdislocation 假定在一块简单立方晶体中 沿某一晶面切一刀至BC处 然后在晶体的右侧上部施加一切应力 使右端上下两部分晶体相对滑移一个原子间距 由于BC线左边晶体未发生滑移 于是出现了已滑移区与未滑移区的边界BC 从俯视角度看 在滑移区上下两层原子发生了错动 晶体点阵畸变最严重的区域内的两层原子平面变成螺旋面 畸变区的尺寸与长度相比小得多 在这畸变区范围内称为螺型位错 已滑移区和未滑移区的交线BC称之为螺型位错线 螺位错的运动 螺位错与刃位错的主要区别 螺型位错线与晶体滑移方向平行 且位错线的移动方向与晶体滑移方向互相垂直 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 刃型位错线与晶体滑移方向垂直 位错线的移动方向与晶体滑移方向互相平行 刃型位错滑移面只有一个 实际的位错常常是混合型的 介于刃型和螺型之间 混合位错 混合位错的滑移 2 线缺陷与材料的行为 由于晶体中位错的滑移 使得实际材料的屈服强度较理想晶体的屈服强度低2 4个数量级 按位错滑移方式发生塑性变形要比两个相邻原子面整体相对滑移容易得多 因此晶体的实际强度比理论强度低得多 去除外力的作用后 能恢复的变形称之为弹性变形 不能恢复的变形称之为塑性变形 无论是何种材料 在载荷的作用下 都要产生一些变化 我们管它叫变形 对材料力学性能的影响 位错不能中断于晶体内部 可在表面露头 或终止于晶界或相界 或与其它位错相交 或自行封闭成环 屈服强度 yieldstrength 屈服强度是试样在拉伸过程中 开始产生塑性变形所须的应力 强度 strength 是材料或物件经得起变形的能力 实际金属发生塑性变形是通过位错的运动来实现的 实际晶体的强度 主要取决于位错运动的阻力 位错的存在对金属的强度有着重要的影响 从图中可见 增加或降低位错密度 都能有效地提高金属强度 理想晶体的强度很高 位错的存在可降低强度 当位错大量产生后 强度又提高 由于没有缺陷的晶体很难得到 所以生产中一般依靠增加位错密度来提高金属强度 但塑性随之降低 塑性 plasticity 塑性是指材料断裂前发生塑性变形的能力 对材料化学性能的影响 位错区域能量高 有利于化学反应的成核 从微观来看 位错线是有一定宽度的管道 它们可以组成列管式的小角度晶界 或者发生交互作用形成四通八达的三维网络 加快粒子的扩散及化学反应 金属淬火后为什么变硬 螺位错区别于刃位错的主要特征是什么 晶体的一般特点是什么 点阵和晶体结构有何关系 点缺陷Schottky缺陷Frenkel缺陷刃位错螺位错变形弹性变形塑性变形强度屈服强度塑性晶体非晶体准晶体结构驰豫晶化 在位错滑移时 刃位错上原子受的力和螺位错上原子受的力各有什么特点 2 2 3面缺陷 面缺陷是发生在晶格二维平面上的缺陷 其特征是在一个方向上的尺寸很小 而另两个方向上的尺寸很大 也可称二维缺陷 面缺陷 晶界 亚晶界 孪晶界 相界 堆垛层错 1 面缺陷的分类 材料的表面是最显而易见的面缺陷 在垂直于表面方向上 平移对称性被破坏了 由于材料是通过表面与环境及它其材料发生相互作用 所以表面的存在对材料的物理化学性能有重要的影响 常见的氧化 腐蚀 磨损等自然现象都与表面状态有关 晶界是不同取向的晶粒之间的界面 由于晶界原子需要同时适应相邻两个晶粒的位向 就必须从一种晶粒位向逐步过渡到另一种晶粒位向 成为不同晶粒之间的过渡层 因而晶界上的原子多处于无规则状态或两种晶粒位向的折衷位置上 晶界 grainboundaries 多晶体结构示意图 钢中的晶粒 其中黑线为晶界 图2 50纯铁的微观结构照片 亚晶界 sub boundaries 晶粒内部也不是理想晶体 而是由位向差很小的称为嵌镶块的小块所组成 称为亚晶粒 亚晶粒的交界称为亚晶界 晶粒之间位向差较大 亚晶粒之间位向差较小 大于10 15 的晶界称为大角度晶界 各晶粒之间的界面属于大角度晶界 亚晶界是小角度晶界 位向差小于1 其结构可以看成是位错的规则排列 小角倾侧晶界 由一列刃型位错构成 孪晶是指两个晶体 或一个晶体的两部分 沿一个公共晶面构成镜面对称的位向关系 这两个晶体就称为 孪晶 twin 此公共晶面就称孪晶面 孪晶界 twinboundaries 共格孪晶界 半共格孪晶界 界面共有原子 共格孪晶界就是在孪晶面上的原子同时位于两个晶体点阵的结点上 为两个晶体所共有 属于自然地完全匹配是无畸变的完全共格晶面 它的界面能很低 约为普通晶界界面能的1 10 很稳定 在显微镜下呈直线 这种孪晶界较为常见 半共格界面 若两相的点阵常数差别较大 界面就难于保持完全的共格 即界面两侧的晶面不能一一对应 于是界面上便形成了一组刃型位错来弥补原子间距的差别 这样可以使界面的弹性应变能降低 并使共格性得以尽量维持 由于这种界面是由共格区和非共格区相间组成的 因此称半共格界面或部分共格界面 这种孪晶界的能量相对较高 约为普通晶界的1 2 孪晶界 相界 phaseboundaries 具有不同结构的两相之间的分界面称为 相界 phaseboundary 按结构特点 相界面可分为共格相界 半共格相界和非共格相界三种类型 共格相界 coherentphaseboundary 所谓 共格 是指界面上的原子同时位于两相晶格的结点上 即两相的晶格是彼此衔接的 界面上的原子为两者共有 半共格相界 Simi coherentphaseboundary 两相邻晶体在相界面处的晶面间距相差较大 则在相界面上不可能做到完全的一一对应 于是在界面上将产生一些位错 以降低界面的弹性应变能 这时界面上两相原子部分地保持匹配 这样的界面称为半共格界面或部分共格界面 非共格相界 incoherentphaseboundary 当两相在相界面处的原子排列相差很大时 只能形成非共格界面 这种相界与大角度晶界相似 可看成是由原子不规则排列的很薄的过渡层构成 具有完善共格关系的相界 具有弹性畸变的共格相界 半共格界面 非共格界面 由于不同的相在晶体结构或原子间距上总会有些差异 为了保持界面上的共格 除了两相之间应具有特殊的取向关系外 界面周围的原子还必须产生一定的弹性畸变 晶面间距较小者发生伸长 较大者产生压缩 以互相协调 使界面上原子达到匹配 共格界面 其界面能很低 这种共格相界的能量相对于具有完善共格关系的界面 如孪晶界 的能量要高 密堆积中的层错 堆垛层错 stackingfaults 2 面缺陷与材料行为 1 对位错运动有阻碍作用 所以细化晶粒 增加晶界含量 可以改善材料的力学性能 既提高强度又增加韧性 韧性 材料变形和破坏过程中吸收能量的能力 它是强度和塑性的综合表现 2 原子的混乱排列成为扩散的快速通道和固态相变成核的优先位置 3 易被氧化和腐蚀 体缺陷就是原子偏离周期排列的三维缺陷 一般指材料中的空洞 夹杂物等 这种体缺陷对材料性能的影响一方面与它的几何尺寸大小有关 另一方面也与其数量 分布有关 它们的存在常常是有害的 体缺陷 当前 为进一步发挥钢铁材料的潜力 我国与国际上日 法等国家都在研制新一代钢铁材料 这新一代的含义就是要求材料更纯 晶粒更细 这意味着要尽量减少体缺陷 尽量增加面缺陷和线缺陷 晶体中的缺陷 点缺陷 SchottkyFrekel有序合金中的错位化学缺陷 线缺陷 螺位错刃位错 面缺陷 晶界亚晶界孪晶界相界堆垛层错 体缺陷 空洞 气孔 裂缝等 单晶体 多晶体与微晶体 若一块固体基本上为一个空间点阵所贯穿 称为单晶体 双晶又称孪晶 是指