第一章第三节实际金属的晶体结构..ppt

1、第三节 实际金属的晶体结构,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，这便是晶体结构缺陷，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,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

2、陷。,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）,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,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,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。,弗

3、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,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,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

4、、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,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,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, 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35个原子间距，长数百个原子

5、间距以上的管状原子畸变区。,1 刃型位错,形成及定义：晶体在大于屈服值的切应力 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）。,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,刃型位错的重要特征：, 刃型位错有一额外半原子面 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。 位错线与晶体的滑移方向

6、（柏氏矢量）相垂直，位错线运动的方向垂直于位错线。,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。,形成及定义：晶体在外加切应力作用下，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,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.,螺型位错的重要特征：, 螺型位错没有额外半原子面。 位错线是一个具有一定宽度的细长晶

7、格畸变管道，其中只有切应变，没有正应变。 位错线EF与晶体的滑移方向（柏氏矢量）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,柏氏矢量,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（柏氏矢量）相平 行，而刃型位错则垂直。 刃型位错的滑移面是唯一的（刃型位错与柏氏矢量在一个平面），而螺型位错可以从一个滑移面滑移到另一个滑移面。,在外力作用下，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（伯氏矢量b），而是一条曲线，他是刃型位错与

8、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。,3 混合位错（实际晶体中常见）,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,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。 在完整晶体中以同样方向和步数作回路，但未封闭。 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。,4 柏氏矢量,柏氏矢量的确定

9、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。,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,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,螺旋位错柏氏矢量的确定,柏氏矢量的特征：, 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 描述了晶格畸变的大小与方向，指出了滑移后晶体上下部相对位移的方向与大小。 柏氏矢量方向代表滑移方向。 一条位错线的柏氏矢量是恒定不变的 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。,5 位错的性质, 已滑移区与未滑移区的边界线

10、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(包括晶界)，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。,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） =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10101012cm-2数量级，经剧烈冷加工的金属晶体中，为10151016cm-2,6 位错密度,金属强度和位错的关系,1理论强度 2晶须强度 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

11、的合金强度,金属铁须晶(直径1.6m)：13400MPa， 退火工业纯铁：300MPa， 强化处理合金钢：2000MPa。,(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，则，如：晶须 无工业实际意义 位错密度较高时，则 工业意义：形变强化、马氏体相变强化,位错的产生：金属结晶、塑性变形、相变过程中。 位错的观察：透射电镜等。,金属强度和位错的关系：, 面缺陷,影响表面能的因素有： （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 曲率大，表面能大,1 晶体表面,表

12、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。,2 晶界,小角度晶界 晶界的结构和性质与相邻晶粒的取向差有关，当取向差小于10o时，称为小角度晶界。它由两个晶粒各倾斜/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。,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。,倾斜晶界,扭转晶界,晶界上的原子排列由相

13、互交叉的螺旋位错组成,大角度晶界 相邻晶粒的位向差大于10的晶界。 大约23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。,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,亚晶界通常由位错构成,亚晶界模型,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：是指晶面堆垛顺序发生局部差错而产生的一种晶体缺陷(在实际晶体中）。,4 堆垛层错,面心立方易发生：正常顺序为ABC ABC ABC 异常顺序可能为ABC AB ABC ABC 引起能量（层错能）

14、升高,奥氏体和黄铜中存在大量层错，而铝中则看不到层错。,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,不同结构晶粒之间的界面,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、非共格。,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,非共格能量最高，畸变最大, 晶界有界面能。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。,

15、 相变时新相晶核往往优先在界面上形成。,6 晶界特性,为什么？ 晶界原子偏离平衡位置, 晶界内的吸附现象。 即杂质原子向晶界的偏聚。 晶界对材料的塑性变形起阻碍作用，晶粒越细，界面积越大，材料的强度越高。 晶界强化或细晶强化 晶界由于有界面能，且低熔点杂质含量较高，故熔点低于晶内； 晶界容易被腐蚀和氧化。,小结,1 晶体缺陷的分类：点缺陷、线缺陷、面缺陷 2 点缺陷的分类：空位（肖脱基和弗兰克尔）、间隙原子、置换原子 3 线缺陷（位错）：刃型位错 螺型位错 柏氏矢量 4 面缺陷：晶体表面 晶界 亚晶界 相界 堆垛层错,作业,1、刃型和螺型位错的重要特征有哪些？ 2实际金属晶体中存在哪些晶体缺陷，它们对金属的性能有什么影响?,判断： 1 晶体中原