【材料科学基础课件】13不规则排列

第三节原子的不规则排列 点缺陷 在三个方向上尺寸都很小线缺陷 在二个方向上尺寸很小面缺陷 在一个方向上尺寸很小 一 点缺陷 1 形成 局部点阵畸变 原子热振动 克服约束 迁移到新的位置 空位 间隙原子 肖脱基缺陷 原子迁移到表面 仅形成空位弗兰克缺陷 原子迁移到间隙中 形成空位 间隙对杂质或溶质原子 间隙式 小原子 或置换式 大原子 2 分类 3 点缺陷的平衡浓度 Ne 平衡空位数N 原子总数 Ev 每增加一个空位的能量变化k 玻尔兹曼常数T 绝对温度 其中 A由振动熵决定的系数 取1 10 通常取1 T C 附加电子散射 电阻 4 点缺陷对晶体性能的影响 间隙原子 体积膨胀1 2个原子体积空位 体积膨胀0 5个原子体积 屈服强度 对扩散 内耗 高温形变和热处理等过程有重要影响 二 线缺陷 位错逐排依次运动 塑变 原子面整体滑移 塑变 理论强度远大于实测值 探求新理论 位错理论 计算强度值 实测值 1 刃位错 1 位错基本类型 多出 或少了 半排原子面 用 或 表示 刃位错 正 上压下拉负 上拉下压 2 螺位错 原子面部分错动一个原子间距 螺位错 不吻合过渡区 纯剪切应力区 3 混合位错 刃型位错分量 螺型位错分量 2 柏氏矢量 反映位错区畸变的方向与程度 1 柏氏矢量的求法 1 包含位错线做一封闭回路 柏氏回路 2 将同样的回路置于完整晶体中 不能闭合 3 补一矢量 终点指向起点 使回路闭合 柏氏矢量 1 包含位错线做一封闭回路 柏氏回路 2 将同样的回路置于完整晶体中 不能闭合 3 补一矢量 终点指向起点 使回路闭合 柏氏矢量 2 柏氏矢量表示法 对于立方晶系a b c 模 例 例 例 3 三种位错柏氏矢量的特点 刃位错 垂直 主要是正应力 螺位错 平行 纯剪应力 混合位错 一定角度 复杂 4 位错正 负 左 右 的确定 刃位错 有晶体图时用右手法则 中指b方向 食指位错线方向 拇指 上正下负无晶体图时用旋转法 b顺时针方向转90 与位错线方向 顺正逆负 人为规定位错线方向 螺位错 有晶体图时与螺纹判断方法一致 左手左螺 右手右螺无晶体图时用旋转法 b与位错线方向 顺右逆左 正负 左右 均为相对而言 位错线方向改变 正负 左右随之改变 3 位错密度 单位体积晶体中所有位错线的总长度 穿过单位截面积的位错线数目 穿过单位面积的位错线根数 将位错简化为直线 cm cm3 1 cm2 4 位错运动 1 滑移 1 刃位错的滑移 位错逐排依次前进 实现两原子面的相对滑移滑移量 柏氏矢量的模外力 b 位错线 位错线运动方向 一定时 正 负位错运动方向相反 但最终滑移效果相同滑移面唯一 刃位错滑移特征 2 螺位错的滑移 位错逐排依次滑移 实现原子面的滑移滑移量 柏氏矢量的模 b 位错线 位错线运动方向 一定时 左 右螺位错运动方向相反 但最终效果相同滑移面不唯一 螺位错滑移特征 3 混合位错的滑移 位错滑移特征比较 一定角度 法线 一定角度 混合位错 无限多个 法线 螺位错 唯一 垂直 法线 垂直 刃位错 2 攀移 1 方式 原子扩散离开 到 位错线 半原子面缩短 伸长 正 负 攀移 空位扩散离开 到 位错线 半原子面伸长 缩短 负 正 攀移 2 特点 a 刃位错垂直于滑移面运动 非守恒运动b 属扩散过程 需热激活 高温易出现 3 作用 原滑移面上运动受阻 攀移 新滑移面 滑移继续 攀移只能是刃位错才能发生 说明 攀移不是塑性变形的主要机制 可避开障碍物 便于滑移结论 攀移能力 影响滑移进行 进一步影响塑变能力 3 交滑移 1 方式 2 特点 3 作用 原滑移面上运动受阻 交滑移 新滑移面 滑移继续 交滑移只能是螺位错才能发生 说明 交滑移不是塑变的主要机制 可避开障碍物 便于滑移结论 交滑移能力 影响滑移进行 进一步影响塑变能力 交滑移 仍在滑移面滑移 守恒运动 5 位错的力学性质 1 位错应力场与应变能 1 应力分量与应变分量 完全弹性体 服从虎克定律各向同性连续介质 可以用连续函数表示 对位错线周围r0以内部分不适用 畸变严重 不符合上述基本假设 a 单元体应力分量 正应力 xx yy zz切应力 xy yx xz zx yz zy xy 作用面垂直于x 方向为y b 单元体应变分量 正应变 xx yy zz切应变 xy yx xz zx c 柱坐标下分量 正应力 zz rr 切应力 z z zr rz r r 与直角坐标的关系 2 位错应力场 a 螺位错应力场 模型建立 结果 厚壁圆桶 沿径向切开 沿z方向错动b 胶合 b 刃位错应力场 模型建立 结果 厚壁圆桶 沿径向切开 沿x轴错动 b 胶合 3 位错应变能 单位长度螺位错应变能 单位长度刃位错应变能 单位长度混合位错应变能 其中 a 比较 wE wS b 一般公式 其中 为几何因素系数 约0 5 1 0 d 螺位错应变能公式的推导 柱坐标下单位体积应变能为 对于螺位错仅有 z不为零 故 对体积为V 长为L 的螺位错有 即 积分 得 2 作用在位错线上的力与位错线张力 1 作用在位错线上的力 a 公式推导 外力 使长为l的位错移动了ds 作功dw1 假想有一力F作用于位错上 则F作功dw2 有 单位长度位错线上的力 b 说明 Fd Fd bFd 位错线 指向未滑移区Fd为假象力 其方向与 不一定一致 如螺位错Fd 2 位错线张力 位错受力 弯曲 伸长 线张力 位错变直 能量 能量 a 线张力的概念 b 作用 使位错变直 降低位错能量相当于物质弹性 称之为位错弹性性质类似于液体的表面张力 c 公式 C 曲线形状因子 d 实例 两端固定位错在 下弯曲的问题 使位错弯曲 即r T使位错变直 即r 当二者平衡时 3 位错间的交互作用与位错塞积 1 相互平行的位错之间的交互作用 同号位错相斥 体系能量下降 a 同号位错 异号位错相吸 b 异号位错 体系能量下降 异号位错合并 抵消或b减小 2 相互垂直的位错之间的交互作用 形成大小 方向等于对方b的割阶或扭折 割阶 不在原滑移面上的拐折 扭折 在原滑移面上的拐折 不稳定 易消失 不影响滑移 位错交割 3 位错塞积 位错与面缺陷的交互作用 位错滑移 障碍物 位错塞积 前端应力高度集中 交滑移 攀移 越过障碍物继续滑移 应力松弛 破裂 障碍物另侧塑变 弯曲 卷曲 分裂增殖 变直 弗兰克 瑞德源 F R源 增殖过程 6 位错的增殖 7 实际晶体中的位错 1 全位错与不全位错 1 实际晶体中的位错类型 简单立方 b 点阵矢量 只有全位错 实际晶体 b 点阵矢量 b 点阵矢量整数倍 全位错 其中b 点阵矢量 单位位错 b 点阵矢量整数倍 不全位错 其中b 点阵矢量 部分位错 2 形成单位位错的条件 结构条件 柏氏矢量为两原子平衡位置连线 能量条件 b越小 位错能量越小 稳定性越高 柏氏矢量 最短点阵矢量 bcc fcc hcp 2 堆垛层错 1 形成 密排堆垛次序有误 层错 面缺陷 fcc晶体的层错类型 抽出型 插入型 2 特点 畸变很小 但仍有畸变能 材料的层错能越低 层错数量越多 3 不全位错 以面心立方为例 局部区域层错 边界 b不等于点阵矢量 不全位错 肖克莱位错 柏氏矢量在滑移面上 可以滑移位错运动 相当于层错面的扩大或缩小肖克莱位错类型 刃位错 螺位错 混合位错位错线 柏氏矢量 滑移面共面 肖克莱位错线为平面曲线 弗兰克位错 柏氏矢量垂直于滑移面 不可滑移 只能攀移位错运动 相当于层错面的扩大或缩小弗兰克位错类型 纯刃位错可以是空间曲线 三 面缺陷 晶界 孪晶界 相界 小角度晶界 大角度晶界 1 小角度晶界 1 类型 1 对称倾侧晶界 相邻晶粒各转 2 同号刃位错垂直排列 2 不对称倾侧晶界 相互垂直的两组刃位错垂直排列 3 扭转晶界 两组螺位错构成 2 小角度晶界特点 10 由位错构成位错密度 位向差 晶格畸变 晶界能 位错密度 决定位向差