ch.5晶体缺陷.ppt

1、第五章 晶体缺陷,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,5.1 点缺陷, 包括空位、间隙原子、杂质或溶质原子,一、点缺陷的种类及产生,局部点阵畸变,原子热振动,克服约束，迁移到新的位置,空位、间隙原子,Formation of point defects movement1 moveement2,point defect点缺陷,Counteract of point defects,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、,二、平衡点缺陷与过饱和点缺陷,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,附加电子散射电阻,三、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。,位错逐排依次运动塑变,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,5.2 位错,（一）位错的类型,edge dislocation screw dislocation mixed dislocation,

3、一、位错的基本概念,（b）螺位错滑移面两侧晶面上原子的滑移情况,（a）与螺位错垂直的晶面的形状,（a）混合位错的形成,（b）混合位错分解为刃位错和螺位错示意图,（c）混合位错线附近原子滑移透视图,（二）柏氏矢量,（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,柏氏矢量特性,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,（三）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（

4、穿过单位面积的位错线根数，将位错简化为直线）,cm/cm3,1/cm2,二、位错的运动,（一）作用在位错线上的力,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：,二、位错的运动,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,（a）正刃位错滑移方向与外力方向相同,（b）负刃位错滑移方向与外力方向相反,Edge dislocation:slip(glide),clime Screw dislocation:slip only,螺位错的运动,混合位错的运动,刃位错攀移示意图,（a）正攀移（半原子面缩短）

5、,(b)未攀移,（c）负攀移（半原子面伸长）,三、位错的能量及其交互作用,1、应力场,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,螺位错: Strain:,Stresses:,刃位错,if y=0 ,For either edge or screw dislocation shear stress on slip plane along S.D.,位错在晶体表面的露头 抛光后的试样在侵蚀时，由于易侵蚀而出现侵蚀坑，其特点是坑为规则的多边型且排列有一定规律。只能在晶粒较大，位错较少时才有明显效果。,薄膜透射电镜观

6、察 将试样减薄到几十到数百个原子层(500nm以下)，利用透射电镜进行观察，可见到位错线。,实例照片,透射电子显微镜下观察到不锈钢316L (00Cr17Ni14Mo2)的位错线与位错缠结,钛合金中 的位错线,（二）位错应变能与位错线张力,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：,（a）比较,wE wS,（b）一般公式,其中：为几何因素系数，约0.51.0,小结,位错点阵畸变应变能,bw位错能量越稳定,（三）位错与晶体缺陷的交互作用,相互平行的位错之间的交互作用,同号位错相斥,体系能量下降,（a）同号位错：,异号位错相吸,（b）异号位错：,体系能量下降,

7、异号位错合并，抵消或 b 减小,四、位错的产生与增殖,1）问题的提出：,位错数量减少,位错划出晶体 位错相互抵消,一定温度,位错数量一定 （热力学平衡条件）,变形,变形,位错数量,增殖机制,猜想：,实际：,弯曲,卷曲,分裂增殖,变直,2）弗兰克-瑞德源（F-R源）,3）双交滑移增殖机制,5.3 晶体的界面,晶 界,孪晶界,相 界,小角度晶界,大角度晶界,倾斜晶界与扭转晶界示意图,简单立方晶体中的对称倾斜晶界,晶界特点,1） 晶界畸变晶界能向低能量状态转化晶粒长大、晶界变直晶界面积减小 2） 阻碍位错运动 b 细晶强化 3） 位错、空位等缺陷多晶界扩散速度高 4） 晶界能量高、结构复杂容易满足固

8、态相变的条件固态相变首先发生地 5） 化学稳定性差晶界容易受腐蚀 6） 微量元素、杂质富集,面心立方晶体中的抽出型层错(a) 和插入型层错(b),孪晶,三个晶界相交于一条直线,半共格,第二相处于晶界时，一方面界面能不相等，另一方面为减小总界面能，形成图示的透镜状，其中二切线的夹角，且调整到满足,第二相处于三晶粒交会处时，依接触角不同其形状也不同。,夹角则称为接触角(也称润湿角)。,多晶体材料的晶界均属于大角晶界，界面能大致相等，尽管在交汇处应互成120o，但晶粒大小不同，邻近晶粒数也不等，晶界不成直线，而形成不同方向的曲线(曲面)。,晶粒内部的第二相，为了减少界面能，将尽量成球状(点状)；在有

9、条件时，这些质点可能聚集长大粗化。,润湿角,润湿方式,晶体表面,表面能减少,NaCl晶体,离子晶体表面的电子云变形和离子重排,表面离子受内部离子作用电子云变形,NaCl表面层中Na+向里；Cl-向外移动并形成双电层,晶体内部,晶体表面,粉体表面结构 粉体在制备过程中，由于反复地破碎，不断形成新的表面。表面层离子的极化变形和重排使表面晶格畸变，有序性降低。因此，随着粒子的微细化，比表面增大，表面结构的有序程度受到愈来愈强烈的扰乱并不断向颗粒深部扩展，最后使份体表面结构趋于无定形化。 基于X射线、热分析和其它物理化学方法对粉体表面结构所作的研究测定，提出两种不同的模型。一种认为粉体表面层是无定形结

10、构；另一种认为粉体表面层是粒度极小的微晶结构。,粉体表面层是无定形结构 的实验验证： 石英的相变吸热峰面积随SiO2粒度的变化； 石英密度值随粒度的变化。,粉体表面层是微晶结构的实验验证： 对粉体进行更精确的X射线和电子衍射研究发现，其X射线谱线不仅强度减弱而且宽度明显变宽。因此认为粉体表面并非无定形态，而是覆盖了一层尺寸极小的微晶体，即表面是呈微晶化状态。由于微晶体的晶格是严重畸变的，晶格常数不同于正常值而且十分分散，这才使其X射线谱线明显变宽。 对鳞石英粉体表面的易溶层进行的X射线测定表明，它并不是无定形质；从润湿热测定中也发现其表面层存在有硅醇基团。,玻璃表面结构 表面张力的存在，使玻璃

11、表面组成与内部显著不同 在熔体转变为玻璃体的过程中，为了保持最小表面能，各成分将按其对表面自由能的贡献能力自发地转移和扩散。 在玻璃成型和退火过程中，碱、氟等易挥发组分自表面挥发损失。 因此，即使是新鲜的玻璃表面，其化学成分、结构也会不同于内部。这种差异可以从表面折射率、化学稳定性、结晶倾向以及强度等性质的观测结果得到证实。,玻璃中的极化离子会对表面结构和性质产生影响。 对于含有较高极化性能的离子如Pb2+、Sn2+、Sb3+、Cd2+等的玻璃，其表面结构和性质会明显受到这些离子在表面的排列取向状况的影响。这种作用本质上也是极化问题。 例如铅玻璃，由于铅原子最外层有4个价电子（6S26P2），

12、当形成Pb2+时，因最外层尚有两个电子，对接近于它的O2-产生斥力，致使Pb2+的作用电场不对称，Pb2+以2Pb2+ Pb4+ + Pb0方式被极化变形。,在常温时，表面极化离子的电矩通常是朝内部取向以降低其表面能。因此常温下铅玻璃具有特别低的吸湿性。但随温度升高，热运动破坏了表面极化离子的定向排列，故铅玻璃呈现正的表面张力温度系数。 不同极化性能的离子进入玻璃表面层后，对表面结构和性质会产生不同的影响。,固体表面的几何结构 实验观测表明，固体实际表面是不规则而粗糙的，存在着无数台阶、裂缝和凹凸不平的峰谷。这些不同的几何状态同样会对表面性质产生影响，其中最重要的是表面粗糙度和微裂纹。,表面粗糙度会引起表面力场变化，进而影响其表面性质。 从色散力的本质可见，位于凹谷深处的质点，其色散力最大，凹谷面上和平面上次之，位于峰顶处则最小；反之，对于静电力，则位于孤立峰顶处应最大，而凹谷深处最小。 由于固体表面的不平坦结构，使表面力场变得不均匀，其活性和其它表面性质也随之发生变化。其次，粗糙度还直接影响到固体比表面积、内、外表面积比值以及与之相关的属性，如强度、密度、润湿、孔隙率和孔隙结构、透气性和浸透性等。此外，粗糙度还关系到两种材料间的封接和结合界面间的吻合和结合强度。,表面微裂纹是由于