第一章第三节实际金属的晶体结构

第一章第三节实际金属的晶体结构第1页，共45页，2023年，2月20日，星期三前面讨论的晶体是所谓的理想晶体，即原子或分子在空间呈绝对规则的排列。但实际上晶体的某些区域总是存在原子或分子的不规则排列，这就是晶体结构缺陷，以下简称晶体缺陷。

晶体缺陷对晶体的性能和物理化学变化(如强度、塑性、扩散、固态相变等)都有着重大的影响。引言第2页，共45页，2023年，2月20日，星期三晶体结构缺陷的类型缺陷的类型点缺陷线缺陷面缺陷其特点：在三维方向上的尺寸都很小，缺陷的尺寸处在一、两个原子大小的级别，又称零维缺陷。其特点：仅在一维方向上的尺寸较大，而另外二维方向上的尺寸都很小，故也称一维缺陷，通常是指位错。其特点：仅在二维方向上的尺寸较大，而另外一维方向上的尺寸很小，故也称二维缺陷。第3页，共45页，2023年，2月20日，星期三点缺陷

间隙原子、空位、置换原子面缺陷晶体表面、晶界、相界面等线缺陷位错（刃型、螺旋）第4页，共45页，2023年，2月20日，星期三晶体中的各种点缺陷1—大置换原子2—肖脱基空位3—异类间隙原子4—复合空位5—弗兰克尔空位6—小的置换原子点缺陷第5页，共45页，2023年，2月20日，星期三1空位形成原因：原子的热运动导致能量起伏，使一些原子脱离原有位置迁移到别处，在原位形成空结点。脱离平衡位置的原子去处：移至表面——肖脱基空位间隙——弗兰克尔空位其它空位处——使空位变换位置┕是一种热平衡缺陷空位第6页，共45页，2023年，2月20日，星期三肖脱基空位肖脱基空位:如原子在热起伏过程中获得足够能量离开平衡位置，跳跃到晶体的表面，在原位置上留下空位，这种缺陷称为肖脱基空位。┕金属中大部分为此空位。第7页，共45页，2023年，2月20日，星期三弗兰克尔空位：

在晶格内原子热振动时，一些能量足够大的原子离开平衡位置后，进入晶格点的间隙位置，变成间隙原子，而在原来的位置上形成一个空位，这种缺陷称为弗兰克尔空位。弗兰克尔缺陷第8页，共45页，2023年，2月20日，星期三处于不断的运动、消失和形成过程中遇到周围空位换位迁移至晶体表面消失遇到间隙原子消失空位的移动：空位的移动abcdef第9页，共45页，2023年，2月20日，星期三空位的浓度:温度↑，浓度↑；温度↓，浓度↓。但空位的平衡浓度是很小的(如铜：一般为10-5数量级)。浓度随温度变化而改变在空位周围的原子会偏离平衡位置出现弹性畸变区。

┕晶格畸变空位引起的晶格畸变第10页，共45页，2023年，2月20日，星期三2间隙原子处于晶格间隙中的原子

间隙原子可以为晶格中的原子（发生严重晶格畸变），也可能为异类原子(如：H、N、C、B等，晶格畸变较空位严重）。间隙原子也是一种热平衡缺陷

┕平衡浓度为固溶度或溶解度┕产生晶格畸变第11页，共45页，2023年，2月20日，星期三如果间隙原子是其它元素就称为异类原子

（杂质原子）间隙原子间隙原子引起的晶格畸变第12页，共45页，2023年，2月20日，星期三3置换原子占据原来基体原子平衡位置的异类原子产生晶格畸变是一种热平衡缺陷

┕平衡浓度为固溶度或溶解度（比间隙原子的固溶度要大得多）三种点缺陷均为热平衡缺陷，均造成晶格畸变，对金属的性能产生影响。小原子置换引起的晶格畸变第13页，共45页，2023年，2月20日，星期三线缺陷线缺陷：即位错(分为刃型位错和螺旋位错)。它是指晶体中的原子发生了有规律的错排现象。特点：原子发生错排的范围只在一维方向上很大，直径为3～5个原子间距，长数百个原子间距以上的管状原子畸变区。第14页，共45页，2023年，2月20日，星期三1刃型位错形成及定义：晶体在大于屈服值的切应力τ作用下，以ABCD面为滑移面发生滑移。滑移后产生额外半原子面EFGH，EF是晶体已滑移部分和未滑移部分的交线，EF线犹如砍入晶体的一把刀的刀刃，即刃位错(或棱位错)。ABCDEFGH刃型位错示意图第15页，共45页，2023年，2月20日，星期三刃型位错分类:正刃位错：额外半原子面位于晶体的上半部，“┻”负刃位错：额外半原子面位于晶体的下半部，“┳”正刃位错负刃位错第16页，共45页，2023年，2月20日，星期三刃型位错的重要特征：①刃型位错有一额外半原子面②位错线是一个具有一定宽度的细长晶格畸变管道，既有切应变，又有正应变，对于正刃型位错，滑移面之上晶格受到压应力，滑移面之下受到拉应力。负刃型位错与此相反。注意：额外半原子面不一定是平面，可以是曲面。但是位错线一定是垂直于滑移方向的，这是刃型位错的特征之一。③位错线与晶体的滑移方向相垂直，位错线运动的方向垂直于位错线。第17页，共45页，2023年，2月20日，星期三ABCDττDADDAD位错线形成及定义：晶体在外加切应力τ作用下，沿ABCD面滑移，由于位错线EF周围的一组原子面形成了一个连续的螺旋形坡面，故称为螺型位错。图中EF线为已滑移区与未滑移区的分界处。2螺型位错EF第18页，共45页，2023年，2月20日，星期三分类：有左螺旋和右螺旋。根据螺旋面旋转方向，符合右手法则（即以右手拇指代表螺旋面前进方向，其他四指代表螺旋面的旋转方向）的称为右旋螺型位错。符合左手法则的称为左旋螺型位错.MQPON左旋螺型位错ABCDττDADDAD右旋螺型位错第19页，共45页，2023年，2月20日，星期三螺型位错的重要特征：①螺型位错没有额外半原子面。②位错线是一个具有一定宽度的细长晶格畸变管道，其中只有切应变，没有正应变。③位错线EF与晶体的滑移方向相平行。位错线运动的方向垂直于位错线。位错线运动方向位错线FE第20页，共45页，2023年，2月20日，星期三刃型位错与螺型位错的区别：—螺型位错没有额外半原子面，而刃型位错有；—螺型位错只有切应变，没有正应变，而刃型位错均有；—螺型位错的位错线与晶体的滑移方向相平行，而刃型位错则垂直。—刃型位错的滑移面是唯一的，而螺型位错可以从一个滑移面滑移到另一个滑移面。第21页，共45页，2023年，2月20日，星期三⑴在实际晶体中，从距离位错一定距离的任一原子M出发，以到相邻原子为一步，沿逆时针方向环绕位错线作一闭合回路，称之为柏氏回路。⑵在完整晶体中以同样方向和步数作回路，但未封闭。⑶由完整晶体的回路终点Q到始点M引一矢量b，使该回路闭合，矢量b即为柏氏矢量。3柏氏矢量柏氏矢量的确定方法：P24图1-36柏氏矢量：既可表示位错的性质，也可表示晶格畸变的大小和方向。第22页，共45页，2023年，2月20日，星期三从柏氏回路可知：刃型位错的柏氏矢量与其位错线相垂直

—刃位错的重要特征刃型位错柏氏矢量的确定第23页，共45页，2023年，2月20日，星期三从柏氏回路可知：螺型位错的柏氏矢量与其位错线相平行

—螺位错的重要特征位错线柏氏矢量螺旋位错柏氏矢量的确定第24页，共45页，2023年，2月20日，星期三柏氏矢量的特征：⑴可判定位错性质：位错线⊥柏氏矢量—刃型位错线∥柏氏矢量—螺旋型⑵描述了晶格畸变总量的大小b与晶体滑移的方向，即指出了滑移后晶体上下部相对位移的大小与方向。⑶一条位错线的柏氏矢量是恒定不变的。⑷对于一个位错来说，同时包含位错线和柏氏矢量的晶面是潜在的滑移面。第25页，共45页，2023年，2月20日，星期三在外力τ作用下，晶体两部分之间发生相对滑移，在晶体内部已滑移和未滑移部分的交线既不垂直也不平行滑移方向，而是一条曲线，它是刃型位错与螺旋位错的混合型，这样的位错称为混合位错。位错线上任意一点，经矢量分解后，可分解为刃位错和螺位错分量。晶体中位错线的形状可以是任意的，但位错线上各点的伯氏矢量相同，只是各点的刃型、螺型分量不同而已。4混合位错（实际晶体中常见）第26页，共45页，2023年，2月20日，星期三A处为螺型位错（位错线与b平行）C处为刃型位错（位错线与b垂直）AC之间为混合位错CbθA（a）混合位错τABCb（b）混合位错分解为刃位错和螺位错示意图θb螺位错线b混b刃第27页，共45页，2023年，2月20日，星期三5位错的性质—已滑移区与未滑移区的边界线就是位错线。—位错线不能终止于晶体内部，只能露头于晶体表面或晶界上，或与其它位错线相连接、或自成封闭线.→位错线的连续性。—柏氏矢量与位错线垂直的位错是刃型位错，分为正、负刃型位错。—柏氏矢量与位错线平行的位错是螺型位错，分为左、右旋螺位错。第28页，共45页，2023年，2月20日，星期三定义：单位体积内位错线包含的总长度（或穿过单位截面积的位错线数目）

ρ=l/V

式中l为晶体长度，n为位错线数目，s晶体截面积。一般退火金属晶体中为1010~1012cm-2数量级，经剧烈冷加工的金属晶体中，为1015~1016cm-2，即在cm3的金属内含有千百万公里长的位错线！6位错密度位错的存在对金属的力学性能、扩散和相变有重要影响。第29页，共45页，2023年，2月20日，星期三金属强度和位错的关系1—理论强度(不含位错)2—晶须强度(几乎不含位错的小晶体，变形抗力极高)3—未强化纯金属强度（或退火状态）4—合金化、加工硬化或热处理的合金强度晶体塑性变形抗力与位错密度的关系位错密度强度ρm1234晶须中：ρ=10m/cm3——位错密度很小金属铁须晶(直径1.6μm)：13400MPa，退火工业纯铁：300MPa，强化处理合金钢：2000MPa。第30页，共45页，2023年，2月20日，星期三(1)理论上：位错的存在是材料具有良好塑性变形的前提；——低密度位错利于强度的提高。(2)实际中：位错密度较低时，↑ρ则σ↓，如：晶须

——无工业实际意义

位错密度较高时，↑ρ则σ↑

——工业意义：形变强化、马氏体相变强化位错的产生：在金属结晶、塑性变形和相变过程中。位错的观察：X透射电镜等。金属强度和位错的关系：第31页，共45页，2023年，2月20日，星期三面缺陷影响表面能的主要因素有：（1）外部介质的性质介质不同，表面能不同（2）裸露晶面的原子密度密排晶面，表面能小（3）晶体表面的曲率曲率半径越小，表面能越大1晶体表面表现形式：处于晶体表面层原子受力不均，偏离平衡位置，并牵连邻近几层原子产生畸变，表面能升高。主要包括晶体外表面和内界面(晶界、亚晶界、相界、堆垛层错)。指金属与真空或气体、液体等外部介质相接触的界面。第32页，共45页，2023年，2月20日，星期三2晶界⑴小角度晶界

晶界与界面能：晶界是成分结构相同的同种晶粒间的界面。界面上的原子处在断键状态，具有超额能量。在界面单位面积上平均的超额能量叫界面能。θ对称倾斜晶界晶界的结构和性质与相邻晶粒的取向差有关，当取向差θ小于10o时，称为小角度晶界。它由两个晶粒各倾斜θ/2构成的一系列位错组成(或称为位错墙)。根据形成晶界时的行为不同，晶界分为对称倾斜晶界和扭转晶界。第33页，共45页，2023年，2月20日，星期三倾斜晶界扭转晶界晶界上的原子排列由相互交叉的螺旋位错组成第34页，共45页，2023年，2月20日，星期三ABDC大角晶界模型⑵大角度晶界

相邻晶粒间的位向差大于10°的晶界。大约2~3个原子厚，原子排列较混乱，结构较复杂，由原子排列紊乱区域与原子排列较整齐区域交替相间而成。

即在界面上既包含不属于任意晶粒度原子A，也包含同时属于两个晶粒度原子D；既包含有压缩区B，也包含有扩张区C。第35页，共45页，2023年，2月20日，星期三晶粒内部位向差小于2°的亚结构，也称亚晶粒，亚晶之间的界面，称为亚晶界。

通常由位错构成，为小角度晶界。3亚晶界金属中的亚晶组织金属晶粒内的结构示意图第36页，共45页，2023年，2月20日，星期三亚晶界通常由位错构成

亚晶界模型第37页，共45页，2023年，2月20日，星期三晶体结构可以看成由许许多多密排晶面按一定顺序堆垛而成。堆垛层错：是指在实际晶体中晶面堆垛顺序发生局部差错而产生的一种晶体缺陷。4堆垛层错面心立方易发生：正常顺序为ABCABCABC异常顺序可能为ABCABABCABC

┕引起能量（层错能）升高原因是：晶体的周期性完整性被破坏，从而引起能量升高。奥氏体和α黄铜中存在大量层错，而铝中则看不到层错。原因是：铝的层错能大，不易产生层错。第38页，共45页，2023年，2月20日，星期三金属材料内部的晶粒(a)固溶处理的1Cr18Ni9Ti不锈钢中同一类的等轴晶粒（600×）(b)黄铜H62（62%Cu,38%Zn)的两种晶粒（120×）相界晶界5相界不同晶体结构的两相之间的分界面第39页，共45页，2023年，2月20日，星期三完全共格关系的相界半共格界面示意图非共格界面示意图相界面结构类型:共格界面、半共格界面、非共格界面。共格界面:

界面上的原子同时位于两相晶格的结点上，为两种晶格所共有。完全共格能量最低，畸变最小，但此相界很少。或多或少都存在差异，存在弹性畸变。非共格界面：界面两边原子排列差异很大，弹性畸变大，界面能很高，畸变能高至无法维持共格关系。第40页，共45页，2023年，2月20日，星期三⑴晶界有界面能。原因是晶界原子或多或少地偏离平衡位置。晶粒越细晶界越多，能量越高，越不稳定。在一定的温度下，为降低能量、减少晶界长度，晶粒有长大的趋势。⑵相变时新相晶核往往优先在界面上形成。原因是晶界上空位、位错等缺陷较多，原子扩散速度较快。αγ6晶界特性第41页，共45页，2023年，2月20