燃气轮机材料基础课件：结构缺陷

金属学中将实际晶体中原子组合（原子、分子、离子或原子团）的不规则性、不完整性统称为结构缺陷或晶体缺陷。原子、分子热振动，能量涨落，跳出势阱外部作用，原子、分子离开原来的平衡位置一、缺陷的类型1.点缺陷特征：三个方向上的尺寸都很小，不越过几个原子间距。溶质原子空位引起周围点阵畸变和张、压应力间隙原子2.线缺陷特征：二个方向上的尺寸很小，第三个方向上的尺寸却很大。螺型位错刃型位错混合型位错结构缺陷围绕晶体中的一条长线，在一定范围内原子都发生了有规律的错动。3.面缺陷特征：一个方向上尺寸很小，其余两个方向上的尺寸则很大。晶体的外表面各种内界面━晶界、孪晶界、亚晶界、相界、层错等。4.体缺陷特征：三个方向上的尺寸都较大。固溶体内的偏聚区分布弥散的第二相超显微颗粒超显微空洞金属晶体的规则性决定了晶体有别于非晶体的一些通性，也决定了各种材料各自所具有的基本性能，特别是非结构敏感的性能（如比重）。但对结构敏感的性能（如强度）来说，不规则性却可以扮演重要角色，变成决定材料实际性能的主要因素。结构缺陷结构缺陷二、晶体中的空位与间隙原子具有超额能量的原子摆脱其周围原子的约束，晶体表面上—肖脱基空位（空位）跳到别的位置上去点阵间隙中—弗兰克空位（空位+间隙）其它空位中—不增加新空位

点缺陷为什么会存在？

点缺陷存在，周围会产生畸变能，使体系能量升高。如果高温下加热达到热力学平衡，是否会消除点缺陷？空位拉应力

畸变应力场能量升高间隙原子压应力

一对矛盾,达到平衡体系熵值增大Gibbs自由能降低恒温恒压下体系达到平衡的判据为Gibbs自由能的变化为零，因为△G=△H-T△S，温度升高时，熵值增大对降低自由能的贡献占主导地位，点缺陷的平衡浓度增大。结构缺陷二、晶体中的空位与间隙原子

结构缺陷三、晶体中的位错位错—晶体中某处有一列或若干列原子发生了有规律的错排现象，使长度达几百至几万个原子间距、宽约几个原子间距范围内的原子离开其平衡位置，发生了有规律的错动。1.位错的几何模型①刃型位错模型

晶体中的某一原子面在晶体内部中断，这个原子面中断处的边缘就形成一个刃型位错，犹如用一把锋利的钢刀将晶体部分切开，沿切口硬插入一额外半原子面一样。刃口处的原子列称之为刃型位错线。┻结构缺陷正刃型位错的两种描述：只将晶体的上半部分用刀劈开，插入半个晶面，再粘合。给晶体上下两部分施加切应力，使其上半部硬挤入半个晶面。原子位置错动，上半部受挤压，下半部受拉伸。刃端部位原子错动最大，距中心愈远，错动愈小。正刃型位错

┻在上半部插入半个晶面负刃型位错

┳在下半部插入半个晶面结构缺陷②螺型位错模型只将晶体的前半部分用刀劈开，沿劈开面以刃端为界使劈开部分的左右两半沿上下方向发生一个原子间距的相对切变。刃端部位出现约几个原子宽的已切变和未切变之间的过渡区。右螺型位错和左螺型位错：以大姆指表示位错线，以四指表示沿原子运动方向右手右螺旋螺旋前进方向==大姆指指向左手左螺旋结构缺陷2.柏氏回路与柏氏矢量柏氏回路：人为规定位错线正向，以位错线为轴在位错线附近的原子错排区环绕位错线作右螺旋闭合回路。柏氏矢量：①环绕位错线作柏氏回路；②在没有位错的完整晶体中的相似部分作同样方向和步长的行走；③将不完全封闭的第二个回路的终点和起点相连。连接终点到始点的矢量就是位错线的柏氏矢量b。行走路线：

M→N→O→P→Q→(M)结构缺陷位错的通性：具有一定的柏氏矢量。一条位错线只能有一个柏氏矢量。刃型位错的柏氏矢量垂直于位错线；螺型位错的柏氏矢量平行于位错线；混合型位错柏氏矢量与位错线斜交，分解为平行(螺型)与垂直(刃型)分量。位错线方向与柏氏矢量相同右螺位错线方向与柏氏矢量相反

左螺面对位错线正向作右旋回路，柏氏矢量向右为正刃位错（上半部插入半个晶面）；柏氏矢量向左为负刃位错（下半部插入半个晶面）。结构缺陷3.晶体中位错线的组态和位错密度①一条单一的位错线必须横贯整个晶体，直至穿透表面而形成位错露头，很难中止在晶体内部。晶体内部不同类型的位错相互连接时：②组成一个三维网络各段位错类型不同，柏氏矢量也不一样，但走向任一节点的各位错线的柏氏矢量和必须等于离开这个节点的各位错线的柏氏矢量和。绕b1的位错的柏氏回路扩大，移动到包围其它2个位错的区域，这个回路所确定的柏氏矢量和不变，仍为b1。结构缺陷位错密度增加，组态变得更为复杂。③自成一个封闭环线各段位错类型不同，柏氏矢量必须恒定。位错密度：通过单位面积上的位错线的根数（根/cm2）正常退火情况下，金属和合金中位错密度为104～107根/cm2；冷加工后，位错密度增至1012～1013根/cm2。位错的组态、复杂性增加，有时好象乱发似地纠结在一起，成为位错发团。面对位错线正向作右旋回路，柏氏矢量向右为正刃位错（上半部插入半个晶面）面对位错线正向作右旋回路，柏氏矢量向左为负刃位错（下半部插入半个晶面）结构缺陷4.位错的应力场和应变能应力场：位错内部的每个原子都或多或少地离开了其原来的平衡位置，形成一个以位错线为中心的应力场。┻上半部，压应力；下半部，拉应力。┳上半部，拉应力；下半部，压应力。部分原子还相互间受到剪切作用，表现出切应力。螺型位错中原子只受到剪切，无压应力和张应力，仅表现为纯切应力问题。位错能：每种位错都有一个应力场，形成时必然需要做功，这种功即储存于位错中，而称为位错能（张力）。当位错为直线时，单位长度的能量为：W=Gb2

当位错为曲线时，单位长度的能量为：W=½Gb2G━切变模量，b━柏氏矢量的模数。结构缺陷5.位错之间及位错与其它点缺陷之间的交互作用①两平行螺型位错间的交互作用同号相斥；异号相吸。②两平行刃型位错间的作用

滑移方向受力、且柏氏矢量相同（同号刃型位错）时：

θ=½π

稳定平衡，具有垂直排列的自发性。

θ=0相互排斥，距离越小，排斥力越大。

θ>¼π时，吸引

θ=¼π

不稳定平衡离开¼π位置

θ<¼π时，排斥

结构缺陷滑移方向受力、且柏氏矢量相反（反号刃型位错）时：

θ=½π

不稳定平衡θ略大于或小于½π都相互排斥。

θ=0相互吸引，距离越小，吸引力越大。

θ>¼π时，排斥

θ=¼π

稳定平衡回到¼π位置

θ<¼π时，吸引

攀移方向受力时:同号相斥,异号相吸。异号位错的距离越小，吸引力越大，直到完全靠拢，相互消失。结构缺陷③任意两平行位错间的相互作用若刃位错与螺位错平行，它们的柏氏矢量相互垂直，两者不会产生相互作用。任意柏氏矢量的两平行位错，可将每根位错的柏氏矢量分解为平行于和垂直于位错的两个分量，分别计算刃型部分和螺型部分的相互作用力，然后求出两部分作用力的矢量和。④位错与点缺陷的作用晶体中的点缺陷大多近似球面对称，处于三向拉伸或压缩状态，无切应力，与仅具有切应力场的螺型位错没有相互作用。压应力拉应力结构缺陷间隙原子周围原子受到的应力场为压应力，大尺寸代位原子正下与刃位错的半部应力相反，相互吸引。负上点阵空位周围原子受到的应力场为拉应力，小尺寸代位原子正上与刃位错的半部应力相反，相互吸引。负下溶质原子刃型位错往往总是携带大量的，形成“柯氏气团”。点缺陷应力场非球面对称的点缺陷集聚到螺型位错中形成“史氏气团”。结构缺陷四、金属晶体中的内外界面1.外表面受内部自身原子的作用力界面上的原子

不相平衡受外部介质分子/原子的作用力

表面及近邻原子偏离正常平衡位置表面层畸变表面层原子能量高于内部原子比表面能

表面张力表面能

将表面层原子高出内部原子的能量合起来，平均在单位面积上的超额能量称为比表面能，简称表面能，也叫表面张力。金属真空各空气种外部介质结构缺陷

随接触介质不同而变表面能的影响因素裸露出的晶面表面能低的晶面最易裸露表面曲率曲率越大，表面能也越大大小低受周围环境的作用力越，原子的活动能力越，能量越。小大高2.同种晶粒间的界面━晶界晶界━同成分、同结构的晶粒间由于相对取向（即各晶轴在空间的方位）不同，而出现的接触界面。结构缺陷晶界的五个自由度：①两相邻晶粒之间的取向关系确定一个晶界需要指明：②晶界相对于一个晶粒的取向关系从一个晶粒的某一晶向旋转至另一个晶粒的同一晶向，需要在球坐标系中旋转两个角度，或者说，在直角坐标系中要将矢量OA1（x1,y1,z1）旋转至OA2（x2,y2,z2），这时存在关系(x12+y12+z12)=(x22+y22+z22)上式的x2、y2、z2中只有两个可变参数。因而有两个自由度。相对一个晶粒的坐标系，晶界（面）的位置可由平面方程确定X/A+Y/B+Z/C=1上式的A、B、C为三个可变参数。因而有三个自由度。结构缺陷（1）倾转晶界和扭转晶界倾转晶界━在所选平面内以任一直线为轴，使晶粒两部分相对转动任意角度θ。扭转晶界━在所选平面内以其法线为轴使晶粒两部分相对扭转任意角度η。倾转晶界扭转晶界结构缺陷（2）小角度晶界倾转位错小角度晶界━取向差小于15°的晶界，由位错组成扭转位错扭转晶界对称倾转晶界不对称倾转晶界由平行的同号刃位错垂直堆砌由柏氏矢量相互垂直的刃位错交叉堆集晶界必需包含两组交叉的螺位错才可以松弛接合面的畸变结构缺陷（3）大角度晶界大角度晶界━取向差大于15°的晶界≠晶界的位错模型

失去实际意义过渡结构模型：晶界原子处于两晶粒之间取向的折中位置。小岛结构模型：晶界区一部分原子是与两晶粒严格配合好的，称为好区；另一部分原子则与晶粒内部不相配合，称为坏区。坏区可以如小岛似地分布在好区中，或好区小岛分布在坏区的基体中。重合点阵模型：两晶粒之间将有较多的阵点在空间相互重合起来，这些重合阵点组成一个新的特殊点阵。晶界上有尽可能多的原子为两晶粒所共有，晶界能也最低。结构缺陷3.异种晶粒之间的界面━相界面相界━成分或结构不同的、或成分和结构都不同的晶粒之间的接触界面。

共格界面：界面上原子所占据的位置相当于两个晶粒点阵的共有阵点。半共格界面：每隔一定距离有位错出现，以此来调节或维持共格关系。非共格界面：随着界面两边原子间距差异的增大，共格界面产生的弹性应变能也增大，当大到一定程度后，共格界面被破坏，而变为非共格界面。结构缺陷4.其它界面（晶粒内的界面）

孪晶及孪晶界：两晶粒同成分、同结构、界面完全共格，两晶粒内部的原子都以界面为对称面呈镜面对称。该对称面称为孪晶界。

亚晶及亚晶界：晶粒内部一些取向略有差异的小块，其结构相当于小角度晶界，但主体为一个晶粒，局部有差异。也称嵌镶块。

层错及层错界：晶面的堆砌序列发生差错。

孪晶及孪晶界亚晶及亚晶界结构缺陷孪晶及孪晶界高分辨像结构缺陷层错及层错界…ABCABCAB┇ABCABCABC…堆垛层中抽出一层C，其中…ABCABCABABCABCABC…

均为孪晶界。…ABCABCAB┇A┇CABCABC…堆垛层中插入一层A，其中…ABCAB