材料科学基础-第2章

1、河南理工大学材料科学与工程学院材料科学基础Foundations of Materials ScienceSchool of Material Science and Engineering Henan Polytechnic University 任课教师：崔红保维纳斯维纳斯“无臂无臂”之美更深入人心之美更深入人心苹果电脑公司标志123点缺陷Point defect 第2章 晶体缺陷(crystal defects)线缺陷line defect面缺陷planar 点缺陷（point defects空位（vacancy）间隙原子（interstitial atom)置换原子（substitut

2、ional atom）(c) 2003 Brooks/Cole Publishing / Thomson L1.热力学第三定律热力学第三定律 Nernst 提出，0 K 时一切完美晶体的熵值为零：0lim0完美晶体SKTS 称为熵（1865年，由Clausius 首次提出）1.热力学中表征物质状态的参量之一，通常用符号S表示2.从微观上说，熵是组成系统的大量微观粒子无序度的量度，系统越无序、越混乱，熵就越大一一 点缺陷点缺陷2 点缺陷的平衡浓度点缺陷的平衡浓度 （1）点缺陷是热力学平衡的缺陷点缺陷是热力学平衡的缺陷在一定温度下，在一定温度下，晶体中总是存在着一定数量的点缺陷（空位），这时体系晶

3、体中总是存在着一定数量的点缺陷（空位），这时体系的能量最低具有平衡点缺陷的晶体比理想晶体在热力学的能量最低具有平衡点缺陷的晶体比理想晶体在热力学上更为稳定。（原因：晶体中形成点缺陷时，体系内能的上更为稳定。（原因：晶体中形成点缺陷时，体系内能的增加将使自由能升高，但体系熵值也增加了增加将使自由能升高，但体系熵值也增加了. .） （2）点缺陷的平衡浓度）点缺陷的平衡浓度 C=Aexp(-Ev/kT)表面的化学热处理成分均匀化处理退火和正火实效硬化表面烧结和氧化点缺陷的应用4 4 点缺陷与材料行为点缺陷与材料行为 （1 1）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）结构

4、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。）子可引起收缩或膨胀。） （2 2）性能变化：物理性能（如电阻率增大，密度减小。）性能变化：物理性能（如电阻率增大，密度减小。） 2003 Brooks/Cole Publishing / Thomson LearningWhen voltage is applied to a metal, the electrons in the electron sea can easily move and carry a 感应线圈石墨隔板抽拉杆冷却水试样Cu-Cr 二二 线缺陷（位错）线缺陷（位错）dislocatio

5、n 位错：位错：晶体中某处一列或若干列原子有规律的错排。晶体中某处一列或若干列原子有规律的错排。 意义：意义：（对材料的力学行为如塑性变形、强度、断裂等起着决定性的（对材料的力学行为如塑性变形、强度、断裂等起着决定性的作用，对材料的扩散、相变过程有较大影响。）作用，对材料的扩散、相变过程有较大影响。） 位错的提出：位错的提出： 1926年，弗兰克尔发现理论晶体模型刚性切变强度年，弗兰克尔发现理论晶体模型刚性切变强度 与实测临界切应力的巨大差异（与实测临界切应力的巨大差异（24个数量级）。个数量级）。 1934年，泰勒、波朗依、奥罗万几乎同时提出位错的概念。年，泰勒、波朗依、奥罗万几乎同时提出位

6、错的概念。 1939年，柏格斯提出用柏氏矢量表征位错。年，柏格斯提出用柏氏矢量表征位错。 1947年，柯垂耳提出溶质原子与位错的交互作用。年，柯垂耳提出溶质原子与位错的交互作用。 1950年，弗兰克和瑞德同时提出位错增殖机制。年，弗兰克和瑞德同时提出位错增殖机制。 之后，用之后，用TEM直接观察到了晶体中的位错。直接观察到了晶体中的位错。二二 线缺陷（位错）线缺陷（位错） 1 1 位错的基本类型位错的基本类型（1 1）刃型位错）刃型位错 edge dislocation模型：滑移面模型：滑移面/ /半原子面半原子面/ /位错线位错线 （位错线（位错线晶体滑移方向，位晶体滑移方向，位错线错线位错

7、运动方向，晶体滑移方向位错运动方向，晶体滑移方向/位错运动方向。）位错运动方向。）分类：正刃型位错（分类：正刃型位错（）；负刃型位错（）；负刃型位错（）。）。D二二 线缺陷（位错）线缺陷（位错） 1 1 位错的基本类型位错的基本类型（1 1）刃型位错）刃型位错产生：空位塌陷；局部滑移。产生：空位塌陷；局部滑移。 1.位错滑移的机理位错滑移的机理 位错在滑移时是通过位错线或位错附近的原子位错在滑移时是通过位错线或位错附近的原子逐个移动很小的距离完成的。逐个移动很小的距离完成的。 （a）正刃位错滑移方向与）正刃位错滑移方向与外力方向相图外力方向相图（b）负刃位错滑移方）负刃位错滑移方向与外力方向相

8、反向与外力方向相反刃位错的运动刃位错的运动刃型位错的特征：刃型位错有一个额外的半原子面位错线是一个具有一定宽度的细长晶格畸变管道。既有正应变，又有切应变。对于正刃型位错，滑移面之上晶格受到压应力，滑移面之下是拉应力。1. 3. 位错线与晶体滑移的方向垂直，即位错线运动的方向垂直于位错线。二二 线缺陷（位错）线缺陷（位错） 1 1 位错的基本类型位错的基本类型 （2 2）螺型位错）螺型位错 screw dislocation模型：滑移面模型：滑移面/ /位错线。（位错线位错线。（位错线/晶体滑移方向，位错线晶体滑移方向，位错线位错运动方向，晶体滑移方向位错运动方向，晶体滑移方向位错运动方向。）位

9、错运动方向。）分类：左螺型位错；右螺型位错。分类：左螺型位错；右螺型位错。螺位错的运动螺位错的运动螺型位错的特征：螺型位错没有额外的半原子面位错线是一个具有一定宽度的细长晶格畸变管道，只有切应变，没有正应变。1. 3. 位错线与晶体滑移的方向平行，即位错线运动的方向垂直于位错线。二二 线缺陷（位错）线缺陷（位错） 1 1 位错的基本类型位错的基本类型 （3 3）混合位错）混合位错二二 线缺陷（位错）线缺陷（位错） 1 1 位错的基本类型位错的基本类型 （3 3）混合位错）混合位错 模型：滑移面模型：滑移面/ /位错线。位错线。3 3 柏氏矢量柏氏矢量 Burgers vector（1 1）确定

10、方法）确定方法 ( (避开严重畸变区避开严重畸变区) )a a 在位错周围沿着点阵结点形成封闭回路。在位错周围沿着点阵结点形成封闭回路。b b 在理想晶体中按同样顺序作同样大小的回路。在理想晶体中按同样顺序作同样大小的回路。c c 在理想晶体中从终点到起点的矢量即为在理想晶体中从终点到起点的矢量即为。3 3 柏氏矢量柏氏矢量（1 1）确定方法）确定方法 ( (避开严重畸变区避开严重畸变区) )3 3 柏氏矢量柏氏矢量（1 1）确定方法）确定方法 ( (避开严重畸变区避开严重畸变区) ) （3 3）柏氏矢量的物理意义）柏氏矢量的物理意义d 柏氏矢量的守恒性（唯一性）：一条位错线具有唯一的柏氏矢量

11、的守恒性（唯一性）：一条位错线具有唯一的 柏氏矢量。柏氏矢量。e 若若b分支为分支为b1, b2.bn, 在在b= 柏氏矢量与位错类型的关系1.如果位错线的正向 t与柏氏矢量b平行，即为螺型位错。并且t与b平行同向为右螺旋，反向为左螺旋。2.如果位错线的正向 t与柏氏矢量b垂直，即为刃型位错。右手法则，食指朝向位错线正向，中指屈向柏氏矢量方向拇指指向半原子面方向。位错的萌生SiC结晶萌生位错的萌生冷却萌生VL式中，式中，为位错密度（为位错密度（m-2）；）；L为位错线的总长为位错线的总长度（度（m）；）；V为体积为体积（m3）。）。位错密度位错密度可用单位体积中位错线总长度来表示，即可用单位体

12、积中位错线总长度来表示，即 5 5 位错的运动位错的运动（1 1）位错的易动性）位错的易动性 原子的微小移动导致晶体产生一个原子间距的位移。原子的微小移动导致晶体产生一个原子间距的位移。 多个位错的运动导致晶体的宏观变形。多个位错的运动导致晶体的宏观变形。 比喻：地毯的挪动、蛇的爬行等。比喻：地毯的挪动、蛇的爬行等。 5 5 位错的运动位错的运动（1 1）位错的易动性）位错的易动性 位错滑移模型1 位错滑移模型2地毯式移动 （2 2）位错运动的方式）位错运动的方式 b b 攀移：刃型位错在垂直于滑移面方向上的运动。攀移：刃型位错在垂直于滑移面方向上的运动。 机制：原子面下端原子的扩散机制：原子

13、面下端原子的扩散位错随半原子面的上下移动位错随半原子面的上下移动而上下运动。而上下运动。 分类：正攀移（原子面上移、空位加入）分类：正攀移（原子面上移、空位加入）/ /负攀移（原子面下移、负攀移（原子面下移、原子加入）。原子加入）。 应力的作用：（半原子面侧）压应力有利于正攀移，拉应力有应力的作用：（半原子面侧）压应力有利于正攀移，拉应力有利于负攀移。利于负攀移。刃位错攀移示意图刃位错攀移示意图（a）正攀移（半原子）正攀移（半原子面缩短）面缩短）(b)未攀移未攀移（c）负攀移（半）负攀移（半原子面伸长）原子面伸长）(c) 2003 Brooks/Cole Publishing / Thomso

14、n Learning （3 3）位错观察：浸蚀法、电境法。）位错观察：浸蚀法、电境法。 4 4 位错密度位错密度（3 3）位错观察：浸蚀法、电境法。）位错观察：浸蚀法、电境法。 三三 面缺陷面缺陷(planar defects)(planar defects) 面缺陷主要包括晶界、相界和表面，它们对材料的力面缺陷主要包括晶界、相界和表面，它们对材料的力学和物理化学性能具有重要影响。学和物理化学性能具有重要影响。 三三 面缺陷面缺陷1 1 晶界（晶界（grain boundary)grain boundary)（1 1）晶界：两个空间位向不同的相邻晶粒之间的界面。）晶界：两个空间位向不同的相邻晶粒之间的界面。 三三 面缺陷面缺陷1 1 晶界晶界小角度晶界小角度晶界：晶粒位向差小于：晶粒位向差小于1010度