材料科学基础 第三章_晶体缺陷

1、2021-7-18材料科学基础CAI课件-李克1 绪论 第一章 原子结构与键合 第二章 固体结构 第三章 晶体缺陷 第四章 固体中原子及分子的运动 第五章 材料的形变与再结晶 第六章 单组元相图及纯晶体的凝固 第七章 二元相图及其合金的凝固 材料科学基础材料科学基础 2021-7-18材料科学基础CAI课件-李克2 第三章 晶体缺陷 Imperfections (defects) in Crystals It is the defects that makes materials so interesting, just like the human being. Defects are at

2、 the heart of materials science. 材料中 的缺陷 宏观缺陷：孔洞，裂纹，氧化， 微观缺陷： 晶体缺陷晶体缺陷 非晶体缺陷 腐蚀，杂质 2021-7-18材料科学基础CAI课件-李克3 实际晶体中的缺陷 晶体缺陷：晶体中各种偏离理想结构的区域 根根 据据 几几 何何 特特 征征 分分 为为 三三 类类 点缺陷 （point defect) 三维空间的各个方向均很小 零维缺陷 (zero-dimensional defect) 线缺陷 （line defect) 在二个方向尺寸均很小 面缺陷 （plane defect) 在一个方向上尺寸很小 一维缺陷 (one-d

3、imensional defect) 二维缺陷 (two-dimensional defect) 2021-7-18材料科学基础CAI课件-李克4 3.1 点缺陷 点缺陷：空位、间隙原子、溶质原子、和杂质原子、 +复合体（如：空位对、空位-溶质原子对） 1、点缺陷的形成 （production of point defects) 原因：热运动：热振动强度是温度的函数 能量起伏=原子脱离原来的平衡位置而迁移别处 =空位(vacancy) Schottky 空位，-晶体表面 Frenkel 空位，-晶体间隙 空位消失或移位 2021-7-18材料科学基础CAI课件-李克5 *点缺陷分类：点缺陷分类

4、： 2021-7-18材料科学基础CAI课件-李克6 *点缺陷的形成原因点缺陷的形成原因： 由于热起伏，形成热力学稳定的缺陷： 产生与消亡达致平衡 过饱和空位： 高温淬火、冷变形加工、高能粒子辐照 根据热力学，对空位平衡浓度进行推导-课外自学 2021-7-18材料科学基础CAI课件-李克7 1。电阻增大 2。提高机械性能，如屈服强度 3。有利于原子扩散 4。体积膨胀，密度减小 *点缺陷对性能产生的影响点缺陷对性能产生的影响： 2021-7-18材料科学基础CAI课件-李克8 3.2 位错 线缺陷 实验观察：位错的“线索”或“影子” 晶体中的生长螺旋生长螺旋二维球泡阵列中的位错变形晶体表面的滑

5、移 位错概念的提出（一） 2021-7-18材料科学基础CAI课件-李克9 单晶体强度：理论与实验之间的巨大误差 理论值：根据刚性相对滑动模型得到tc=103104MPa 实验值：tc=110 MPa，相差甚远 位错概念的提出（二） 1934年，Taylor等提出位错的概念，认为 存在着某种缺陷-位错，模型：位错的运动 （逐步传递）=晶体的逐步滑移，计算证 实理论屈服强度接近实验值。后来实验观 察到实际位错。 2021-7-18材料科学基础CAI课件-李克10 3.2.1 位错的基本类型和特征 a. 刃型位错 edge dislocation b. 螺型位错 screw dislocation

6、 根据几何结构特征： 2021-7-18材料科学基础CAI课件-李克11 特征特征： 1 1）有一额外原子面，）有一额外原子面， 刃口处的原子列称为位错线。半原刃口处的原子列称为位错线。半原 子面在上子面在上, ,正刃型位错正刃型位错 ； 下为负刃型位错下为负刃型位错 2 2）刃位错的位错线不一定是直线，）刃位错的位错线不一定是直线， 可以是折线，可以是折线， 也可以也可以 是曲线，是曲线， 但位错线必与滑移矢量垂直。但位错线必与滑移矢量垂直。 3 3）位错线垂直于）位错线垂直于滑移矢量滑移矢量，位错线与滑移矢量构成的面是，位错线与滑移矢量构成的面是 滑移面，滑移面， 刃位错的滑移面是唯一的。

7、刃位错的滑移面是唯一的。 4 4）刃型位错周围的晶体产生畸变，上压，）刃型位错周围的晶体产生畸变，上压， 下拉，下拉， 半原子半原子 面是对称的，面是对称的， 位错线附近畸变大，位错线附近畸变大， 远处畸变小。远处畸变小。 5 5）位错周围的畸变区一般只有几个原子宽（一般点阵畸变）位错周围的畸变区一般只有几个原子宽（一般点阵畸变 程度大于其正常原子间距的程度大于其正常原子间距的1/41/4的区域宽度，的区域宽度， 定义为位错定义为位错 宽度，宽度， 约约2525个原子间距。）个原子间距。） * * 畸变区是狭长的管道，畸变区是狭长的管道， 故位错可看成是线缺陷。故位错可看成是线缺陷。 a. 刃

8、型位错 edge dislocation 2021-7-18材料科学基础CAI课件-李克12 b. 螺型位错 screw dislocation 1 1）无额外半原子面，）无额外半原子面， 原子错排是轴对称的原子错排是轴对称的 2 2）分左螺旋位错，符合左手法则；右分左螺旋位错，符合左手法则；右螺旋位错螺旋位错 ，符合符合右手法则右手法则 3 3）位错线与位错线与滑移矢量滑移矢量平行，且为直线，位错线的运动方向与滑移矢量垂直平行，且为直线，位错线的运动方向与滑移矢量垂直 4 4）凡是以螺型位错线为晶带轴的晶带凡是以螺型位错线为晶带轴的晶带 所有晶面都可以为滑移面。所有晶面都可以为滑移面。 5)

9、 5) 点阵畸变引起平行于位错线的切应变，无正应变。点阵畸变引起平行于位错线的切应变，无正应变。 6 6）螺型位错是包含几个原子宽度的线缺陷。）螺型位错是包含几个原子宽度的线缺陷。 位错线bb：已滑移区和未滑移区的边界线 特征：特征： 2021-7-18材料科学基础CAI课件-李克13 混合位错 滑移矢量既不平行也滑移矢量既不平行也 不垂直于位错线，不垂直于位错线， 而而 是与位错线相交成任是与位错线相交成任 意角度，一般混合位意角度，一般混合位 错为曲线形式，错为曲线形式， 故每故每 一点的滑移矢量与位一点的滑移矢量与位 错线的交角不同。错线的交角不同。 位错线不能终止于晶体内位错线不能终止

10、于晶体内 部，只能露头于晶体表面部，只能露头于晶体表面 2021-7-18材料科学基础CAI课件-李克14 1。首先选定位错的正向 ； (出纸面的方向) 2。然后绕位错线周围作右旋闭合回路-柏氏回路；在 不含有位错的完整晶体中作同样步数和方向同样步数和方向的路径， 3。由终点向始点引一矢量， 即为此位错线的柏氏矢量， 记为 3.2.2 柏氏矢量（Burgers Vector ） b 1、柏氏矢量的确定 刃型位错 2021-7-18材料科学基础CAI课件-李克15 各种位错的柏氏矢量 2021-7-18材料科学基础CAI课件-李克16 1、反映位错周围点阵畸变的总积累（包括强度和方向） 2、该矢

11、量的方向表示位错运动导致晶体滑移的方向， 而该矢量的模表示畸变的程度称为位错的强度。 （strength of dislocation） 2、柏氏矢量的物理意义 2021-7-18材料科学基础CAI课件-李克17 1 1、柏氏矢量的守恒性：与柏氏回路起点的选择无关，柏氏矢量的守恒性：与柏氏回路起点的选择无关， 也与回路的具体途径无关也与回路的具体途径无关 2 2、柏氏矢量的唯一性：柏氏矢量的唯一性：一根位错线具有唯一的柏氏一根位错线具有唯一的柏氏 矢量，其各处的柏氏矢量都相同，且当位错运动时，矢量，其各处的柏氏矢量都相同，且当位错运动时， 其柏氏矢量也不变。其柏氏矢量也不变。 3 3、位错的连

12、续性：位错线只能、位错的连续性：位错线只能终止终止在晶体表面或界在晶体表面或界 面上，面上， 而不能中止于晶体内部（单晶和多晶）；而不能中止于晶体内部（单晶和多晶）； 在晶体内部它只能形成封闭的环线或与其他位错相在晶体内部它只能形成封闭的环线或与其他位错相 交于结点上。交于结点上。 3、柏氏矢量的特性 2021-7-18材料科学基础CAI课件-李克18 柏氏矢量的大小和方向可用它在晶轴上的分量-点阵 矢量 来表示 在立方晶体中， 可用于相同的晶向指数来表示： 4、柏氏矢量的表示法 222 wvu n a b 位错强度 位错合并 2021-7-18材料科学基础CAI课件-李克19 3.2.3 位

13、错的运动 人们为什么对位错感兴趣？人们为什么对位错感兴趣？ 大量位错在晶体中的运动大量位错在晶体中的运动 =晶体宏观塑性变形晶体宏观塑性变形 力学性能如强度、塑性、断裂都与位错运动有关力学性能如强度、塑性、断裂都与位错运动有关 位错运动的两种基本形式：滑移和攀移位错运动的两种基本形式：滑移和攀移 2021-7-18材料科学基础CAI课件-李克20 滑移面：滑移面：位错线与柏氏矢量所在平面位错线与柏氏矢量所在平面 刃位错的滑移面：位错线与滑移矢量构成的面是滑移面，刃位错的滑移面：位错线与滑移矢量构成的面是滑移面， 刃位错的滑移面是唯一的刃位错的滑移面是唯一的 螺位错的滑移面：凡是以螺型位错线为晶

14、带轴的晶带面螺位错的滑移面：凡是以螺型位错线为晶带轴的晶带面 都可以为滑移面都可以为滑移面 1、位错的滑移、位错的滑移 滑移：在外加切应力的作用下，通过位错中心附近的原子 沿柏氏矢量方向在滑移面上，不断地作少量的位移（小于 一个原子间距） 2021-7-18材料科学基础CAI课件-李克21 滑移时，刃型位错的运动方向始终垂直于位错线，滑移时，刃型位错的运动方向始终垂直于位错线， 而平行于柏氏矢量而平行于柏氏矢量 刃型位错的滑移仅限于单一的滑移面上刃型位错的滑移仅限于单一的滑移面上 2021-7-18材料科学基础CAI课件-李克22 螺型位错的滑移 螺型位错的滑移螺型位错的滑移不仅限于不仅限于单

15、一的滑移面上单一的滑移面上 滑移时，螺型位错的运动方向，垂直于位错线和滑移时，螺型位错的运动方向，垂直于位错线和 柏氏矢量柏氏矢量 板书：板书：P94 2021-7-18材料科学基础CAI课件-李克23 螺型位错的交滑移：螺型位错的交滑移：当某一螺型位错在原滑移面上运动 受阻时，从原滑移面转移到与之相交的另一滑移面上去 继续滑移的过程。是滑移的一种特殊方式。 滑移受阻后，滑移面的滑移受阻后，滑移面的 转移。转移。 涉及多个滑移面的滑移涉及多个滑移面的滑移 2021-7-18材料科学基础CAI课件-李克24 2、刃型位错的攀、刃型位错的攀 移移 攀移：刃型位错滑移面 多余半原子面的扩大或 缩小

16、原子或空位的扩散 特点： (1)扩散需要热激活，比滑移需要更大的能量 (2) 纯剪应力不能引起体积变化，对攀移不起作用 (3) 高温淬火等产生过饱和空位，有利于攀移进行过饱和空位，有利于攀移进行。 2021-7-18材料科学基础CAI课件-李克25 3、运动位错的相互作用、运动位错的相互作用-交割（略）交割（略） 交割：位错与穿过其滑移面的位错彼此切割 意义：有利于晶体强化及空位和间隙原子的产生。 2021-7-18材料科学基础CAI课件-李克26 割阶与扭折 Jog and Kink 所有的割阶都是刃位错；所有的割阶都是刃位错；扭折可以是刃位错也可以是扭折可以是刃位错也可以是 螺位错螺位错

17、攀移会形成割阶：已攀移段与未攀移段之间的台阶攀移会形成割阶：已攀移段与未攀移段之间的台阶 割阶与扭折的定义：割阶与扭折的定义： 板书板书 图图3.17 2021-7-18材料科学基础CAI课件-李克27 3.2.4 位错的弹性性质（略） 2021-7-18材料科学基础CAI课件-李克28 3.2.5 位错的生成和增殖 位错密度：单位体积中的位错线的总长度。 r = L/V （1/cm2）（1） r= nl/lA = n/A （2） （实际计算：面积A中所见的位错线数目） （2）（1） 金属晶体中的位错密度： 超纯金属单晶体：成分不同=晶 块点阵常数不同=位错过渡 2、温度浓度梯度、振动=生长晶

18、体偏转、弯曲= 位相差=位错过渡 3、相邻晶粒碰撞、体积变化、热应力=台阶或变 形=产生位错 快速凝固快速凝固=过饱和空位过饱和空位=聚集聚集=位错位错 热应力和组织应力热应力和组织应力=界面和微裂纹处应力集界面和微裂纹处应力集 中中=局部滑移局部滑移=位错位错 2021-7-18材料科学基础CAI课件-李克30 3、位错的增殖 事实上：密度增加，可达4-5 个数量级-位错 因此，必有增殖！ 位错滑移到表面=宏观变形 （减少？） 2021-7-18材料科学基础CAI课件-李克31 F-R源动作过程源动作过程 刃位错刃位错AB的两端的两端A和和B被位错用结点钉扎住被位错用结点钉扎住 m,n两处同

19、属纯螺型位错，但位错性质恰好相两处同属纯螺型位错，但位错性质恰好相 反，两者相遇时，彼此便会抵消，这使原来反，两者相遇时，彼此便会抵消，这使原来 整根位错线断开成两部分，外面为封闭的位整根位错线断开成两部分，外面为封闭的位 错环，里面为一段连接错环，里面为一段连接A和和B的位错线，在线的位错线，在线 张力作用下变直恢复到原始状态。张力作用下变直恢复到原始状态。 在外力的继续作用下，它将重复上述过程，每在外力的继续作用下，它将重复上述过程，每 重复一次就产生一个位错环，从而造成位错的重复一次就产生一个位错环，从而造成位错的 增殖，并使晶体产生可观的滑移量。增殖，并使晶体产生可观的滑移量。 FR位

20、错增殖机制已为实验所证实位错增殖机制已为实验所证实： Si，Al-Cu晶体中观察到晶体中观察到 主要增殖机制：主要增殖机制：Frank-Read Frank-Read 位错源位错源 其它增殖机制： 1、双交滑移增殖；2、攀移增殖 2021-7-18材料科学基础CAI课件-李克32 3.2.6 实际晶体结构中的位错（略） 简单立方晶体：柏氏矢量 = 点阵矢量 实际晶体：柏氏矢量 = ，, 点阵矢量 全位错（perfect dislocation：柏氏矢量 = n*点阵矢量 n=1时: 单位位错 不全位错（imperfect dislocation): 柏氏矢量 != n* 点阵矢量 n1时: 部

21、分位错(partial dislocation) 1、实际晶体中位错的柏氏矢量 2021-7-18材料科学基础CAI课件-李克33 3.3 表面及界面（面缺陷） 界面包括：外表面（自由表面）和内界面界面包括：外表面（自由表面）和内界面 表面：固体与气体或液体的分界面。表面：固体与气体或液体的分界面。对于低维材料很重要对于低维材料很重要 内界面：晶粒边界、晶粒内的亚晶界、孪晶界、层错、相内界面：晶粒边界、晶粒内的亚晶界、孪晶界、层错、相 界面（不同结构，如固溶体与中间相的界面）界面（不同结构，如固溶体与中间相的界面） 界面厚度为几个原子层厚，原子排列于成分不同于内部界面厚度为几个原子层厚，原子排

22、列于成分不同于内部 二维面缺陷二维面缺陷 2021-7-18材料科学基础CAI课件-李克34 3.3.1 外表面 表面特征：表面特征： * * *晶体中的表面张力是各向异性的晶体中的表面张力是各向异性的 * * *表面能与晶体表面原子排列致密度有关，一表面能与晶体表面原子排列致密度有关，一 般为原子密度最大的面般为原子密度最大的面 密排面密排面 * * *表面能还与曲率有关：曲率越大，表面能越表面能还与曲率有关：曲率越大，表面能越 大大（比如纳米粉体）（比如纳米粉体） 2021-7-18材料科学基础CAI课件-李克35 3.3.2 晶界和亚晶界 晶界定义：组成晶体的多晶界定义：组成晶体的多 个

23、晶粒中，属于同一固相个晶粒中，属于同一固相 （具有相同结构）、但位（具有相同结构）、但位 向不同的晶粒之间的界面。向不同的晶粒之间的界面。 大角度晶界和小角度晶界 的区别。10o为界 2021-7-18材料科学基础CAI课件-李克36 亚晶界定义：亚晶界定义：每个晶粒有时由位向稍有差异的亚每个晶粒有时由位向稍有差异的亚 晶粒组成，相邻亚晶粒间的界面。晶粒组成，相邻亚晶粒间的界面。 事实上，每个晶粒中还可分成若干个更为细小的事实上，每个晶粒中还可分成若干个更为细小的 亚晶粒亚晶粒（0.001mm0.001mm），亚晶粒之间存在着），亚晶粒之间存在着小的位小的位 相差相差，相邻亚晶粒之间的界面成为

24、，相邻亚晶粒之间的界面成为亚晶界亚晶界。亚晶。亚晶 粒粒更接近于理想更接近于理想的单晶体。的单晶体。 位相差一般小于位相差一般小于2 2o o，属于小角度晶界，具有晶界，属于小角度晶界，具有晶界 的一般特征。的一般特征。 2021-7-18材料科学基础CAI课件-李克37 1、小角度晶界的结构 2021-7-18材料科学基础CAI课件-李克38 A、对称倾斜晶界 2021-7-18材料科学基础CAI课件-李克39 B、不对称倾斜晶界 两 个 自 由 度 2021-7-18材料科学基础CAI课件-李克40 C、扭转晶界 * * * * 一般小角度晶界都可看成两部分晶体绕某一轴旋转一角一般小角度晶

25、界都可看成两部分晶体绕某一轴旋转一角 度而形成，不过该转轴即不平行也不垂直晶界，故可看成度而形成，不过该转轴即不平行也不垂直晶界，故可看成 一系列刃位错，螺位错或混合位错的网络组成。一系列刃位错，螺位错或混合位错的网络组成。 b D 2021-7-18材料科学基础CAI课件-李克41 2、大角度晶界的结构 台阶模型（左图） *相邻晶粒在交界处的形状不是光滑的曲 面，而是由不规则台阶组成的，A,B,C,D 特征区域 重合位置点阵模型（右图） *晶界能较低 *特殊位向 *晶界可看成是好 区与坏区交替相间 组合而成的。 *一般大角度晶界 的宽度一般不超过 三个原子间距。 2021-7-18材料科学基

26、础CAI课件-李克42 3、晶界能 晶界能：晶界能：等于接口区单位面积的能量减去无界面等于接口区单位面积的能量减去无界面 时该区单位面积的能量。也可看成由于晶界上点时该区单位面积的能量。也可看成由于晶界上点 阵畸变增加的那部分额外自由能。阵畸变增加的那部分额外自由能。 dAdFr i i i dA dn udAdFr 在纯金属中 在合金中 晶介面积A改变而 引起的晶粒内i组元 原子数的改变 2021-7-18材料科学基础CAI课件-李克43 小角度晶界的界面能：小角度晶界的界面能：P127 单位长度刃型位错的能量：单位长度刃型位错的能量： c E r R v Gb E 0 ln )1 (4 刃

27、 b D D E 1D 1E 而 c 0 E b ln )1 (4 r R v Gb br0DR )(lnA 0 令 则 ， 2 c Gb v-14E A ）（ 刃 2 Gb v-14）（ 0 故小角度晶界能故小角度晶界能 是相邻两晶粒之间位相差是相邻两晶粒之间位相差 的函数，的函数， 随位向差增加而增大。随位向差增加而增大。 （3.42） 2021-7-18材料科学基础CAI课件-李克44 大角度晶界的界面能大角度晶界的界面能 31 31 23 23 12 12 sinsinsin 大角度晶界能与晶粒间的位向差无关，以界面张力形式 表现。可通过测定界面交角求出其相对值： 如图3.69，三个晶

28、粒相遇，在达到平衡时，在o点处接口 张力必须达到力学平衡 故测得 在平衡状态下，三叉晶界的各面在平衡状态下，三叉晶界的各面 角均趋于最稳定的角均趋于最稳定的120120。 图3.69 2021-7-18材料科学基础CAI课件-李克45 4、晶界的特性（Important） 1 1）晶界处点阵畸变变大，存在晶界能，故晶粒长）晶界处点阵畸变变大，存在晶界能，故晶粒长 大和晶界平直化是一个大和晶界平直化是一个自发自发过程过程 2 2）晶界处原子排列不规则）晶界处原子排列不规则阻碍塑性变形阻碍塑性变形HHb b， s sb b（细晶（细晶强化强化） 3 3）晶界处存在较多缺陷（位错、空位等）晶界处存在

29、较多缺陷（位错、空位等）有利有利 原子原子扩散扩散 4 4）晶界能量高）晶界能量高固态固态相变相变先发生，先发生，dd形核率形核率 5 5）成分偏析和内吸附，又富集杂质原子）成分偏析和内吸附，又富集杂质原子晶界熔晶界熔 点低点低“过烧过烧”现象现象 6 6）晶界能高）晶界能高晶界晶界腐蚀腐蚀速度速度 2021-7-18材料科学基础CAI课件-李克46 3.3.3 孪晶界 Twin boundary 孪晶孪晶指两个晶体（或一个晶体的两部分）沿一个公指两个晶体（或一个晶体的两部分）沿一个公 共晶面构成对称的位相关系，这两个晶体就称为孪晶，这共晶面构成对称的位相关系，这两个晶体就称为孪晶，这 个公共

30、的晶面即成为孪晶面个公共的晶面即成为孪晶面 共格孪晶界：共格孪晶界：即孪晶面，其上的原子即孪晶面，其上的原子同时位于同时位于两侧晶两侧晶 体点阵的节点上，体点阵的节点上，为两者共有为两者共有。无畸变的完全共格界。无畸变的完全共格界 面，面，界面能界面能（约为普通晶界能（约为普通晶界能1/101/10）很低很稳定很低很稳定 非共格孪晶界：非共格孪晶界：孪晶界相对于孪晶面旋转一角度，孪晶界相对于孪晶面旋转一角度， 其上的原子只有部分为两者共有，其上的原子只有部分为两者共有，原子错排较严原子错排较严 重重，孪晶能量相对较高孪晶能量相对较高，约为普通晶界的，约为普通晶界的1/21/2 孪孪 晶晶 界界 图见讲义图见讲义 2021-7-18材料科学基础CAI课件-李克47 孪晶的形成 孪晶的形成与堆垛层错堆垛层错密度相关，如fcc的111面发生堆 垛层错时为ABCACBACBA CAC处为堆垛层错 孪晶与层错密切相关孪晶与层错密切相关一般层错能高的晶体不易产生孪晶 生长孪晶生长孪晶 退火孪晶退火孪晶 孪孪 晶晶 的的 形形 成成