材料科学基础 晶体缺陷PPT课件

1、.,1,1,二、金属晶体结构及几何特征,1.常见的三种晶体结构,面心立方,体心立方,密排六方,仅是晶体结构，不是点阵,简单六方,.,2,2,配位数：,1)面心立方（fcc或A1）,晶胞原子数：,1/88,1/26,4,点阵常数：,最近原子间距：,方向,12,致密度：,.,3,3,2)体心立方（bcc或A2）,晶胞原子数：,1/88,1,2,点阵常数：,最近原子间距：,方向,配位数：,8,致密度：,.,4,4,3)密排六方（hcp或A3）,晶胞原子数：,1/612,1/22,点阵常数：,最近原子间距：,配位数：,66,致密度：,3,6,方向,.,5,5,2晶体结构中的间隙,八面体间隙尺寸：,1）

2、面心立方,八面体间隙数目：1/412+1=4,.,6,6,四面体间隙尺寸：,四面体间隙数目：18=8,.,7,7,八面体间隙尺寸：,2）体心立方,八面体间隙数目：1/26+1/412=6扁八面体,.,8,8,四面体间隙尺寸：,四面体间隙数目：1/246=12,.,9,9,四面体间隙数目：1/312+1610,3）密排六方,八面体间隙数目：16=6,.,10,10,4）综合比较,fcc与hcp相比，间隙尺寸相同，分布位置不同。fcc与bcc相比，间隙数量少，致密度大。,注：bcc晶体的八面体间隙是扁八面体，故虽然其间隙数量多，但溶解异类小原子的能力远远不及fcc晶体。,.,11,11,1.离子晶

3、体结构,负离子配位多面体规则鲍林第一规则电价规则鲍林第二规则关于负离子多面体共用点、棱的规则鲍林第三规则,.,12,12,NaCl型CsCl型立方ZnS型（闪锌矿）六方ZnS型（纤锌矿）CaF2型（萤石）TiO2型（金红石）,二元离子晶体不等径刚球密堆理论,.,13,13,2.共价晶体结构（原子晶体）,金刚石型（单质型）ZnS型（AB型）SiO2型（AB2型）,.,14,14,第三节原子的不规则排列,晶体中的缺陷原子排列偏离完整性的区域,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,.,15,15,一、点缺陷,包括空位、间隙原子、杂质或溶质原子,1.形成,局

4、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,.,16,16,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,.,17,17,3.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110，通常取1。T-C,.,18,18,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12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。,.,19,19,位错逐排依次运

5、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,二、线缺陷,.,20,20,1)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,.,21,21,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,2)螺位错,.,22,22,3)混合位错,刃型位错分量螺型位错分量,.,23,23,.,24,2004-7-18,西北工业大学材料科学基础CAI课件王永欣主编,24,2.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

6、,不能闭合,（3）补一矢量（终点指向起点）使回路闭合,柏氏矢量,.,25,25,（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,.,26,2004-7-18,西北工业大学材料科学基础CAI课件王永欣主编,26,（1）满足右螺旋规则时，柏氏矢量与柏氏回路路径无关唯一性（2）用柏氏回路求得的柏氏矢量为回路中包围的所有位错柏氏矢量的总和（矢量和）可加性（3）同一位错，柏氏矢量处处相同同一性,2）柏氏矢量特性,.,27,27,3）柏氏矢量表示法,对于立方晶系a=b=c,模：,例：,.,28,28,例：,例：,.,29,29,

7、4）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,.,30,30,5）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,.,31,31,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。,.,32,32,3.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

8、，将位错简化为直线）,cm/cm3,1/cm2,.,33,33,.,34,34,.,35,35,a）位错逐排依次前进，实现两原子面的相对滑移；b）滑移量=柏氏矢量的模；c）外力/b，位错线，位错线运动方向/d）一定时，正、负位错运动方向相反，但最终滑移效果相同；e)滑移面唯一。,.,36,36,正刃,负刃,左螺,右螺,.,37,37,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,/,法线,刃位错,.,38,38,2）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

9、）攀移,.,39,39,（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,.,40,40,3）交滑移,（1）方式,.,41,41,（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,.,42,42,攀移与交滑移比较,攀移：

10、,只能刃位错,非守恒运动,避开障碍物的方式,交滑移：,只能螺位错,守恒运动,.,43,43,5.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,.,44,44,（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,.,45,45,（b）单元体应变分量,正应变：xx，yy，zz切应变：xy=yx，xz=zx,.,46,46,（c）柱坐标下分量,正应力：zz，rr，切应力：z=z，zr=rz，r

11、=r,与直角坐标的关系：,.,47,47,（2）位错应力场,（a）螺位错应力场,模型建立：,结果：,说明：,仅有z方向的切应力，无正应力。切应力与无关，随r增大而减小。化为直角坐标时，仅存在与z有关的切应力。,厚壁圆桶沿径向切开沿z方向错动b胶合,.,48,48,（b）刃位错应力场,模型建立：,结果：,说明：,既有正应力，也有切应力。与z轴有关的切应力均为零。,厚壁圆桶沿径向切开沿x轴错动|b|胶合,.,49,49,（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：,.,50,50,（a）比较,wEwS,（b）一般公式,其中：为几何因素系数，约0

12、.51.0,.,51,51,（c）小结,位错点阵畸变应变能,bw位错能量越稳定,.,52,52,（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,.,53,53,即：,积分,得：,.,54,54,2）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,.,55,55,（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：,.,56,56,（b）说明,Fd，FdbFd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）,.,57,57

13、,（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。,.,58,58,（c）公式,C曲线形状因子,.,59,59,（d）实例两端固定位错在下弯曲的问题,使位错弯曲，即rT使位错变直，即r,当二者平衡时,.,60,60,重要公式,.,61,61,3）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,位错运动点阵摩擦力和障碍物阻力,当外力作用在两端不能自由运动的位错上时，位错将发生弯曲。由位错线张力与外力平衡关系：,即，弯曲半径r与外力成反比。,当位错弯曲成

14、半圆时，r最小，最大。,.,74,74,3）其它增殖方式,（1）螺位错的双交滑移增殖,.,75,75,7.实际晶体中的位错,由简单立方，深化到面心立方、体心立方和密排六方晶体中的位错。,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,.,76,76,.,77,77,（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：

15、,.,78,78,2）堆垛层错,（1）形成,密排堆垛次序有误,层错,面缺陷,.,79,79,复习：fcc、bcc、hcp的堆垛次序,.,80,80,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。,.,81,81,3）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,.,82,82,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,.,83,83,弗兰克位错：柏氏矢量垂直于滑移面不可滑移，只能攀移

16、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,.,84,84,8.位错反应,位错的合并与分解,几何条件：,能量条件：,反应前后柏氏矢量和相等（方向、大小）,反应后能量降低,判断方法：,几何条件判断方法：求反应前后各个位错柏氏矢量的矢量和,能量条件判断方法：,求反应前后各位错|b|2的和,.,85,85,例：,几何条件：,即：,能量条件：,满足几何条件和能量条件，反应可以发生（自发进行）,即：,.,86,86,例：,几何条件：,即：,能量条件：,满足几何条件和能量条件，反应可以发生（自发进行）,即：,.,87,87,三、面缺陷,晶界,孪晶界,相界,小角度晶界,大角度晶界,.,88,88,1.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,.,89,89,（3）扭转晶界,两组螺位错构成,.,90,90,2)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与晶界能位错类型与排列方式决定小角晶界的类型,注：,.,91,91,2.大角度晶界,10以上，一般在3040,重合点阵模型重合点阵+台阶模型重合点阵+台阶+小角晶界模型,.,92,92,1）