實際金屬的晶體缺陷.ppt

材料科學基礎,第三節(jié) 實際金屬的晶體結構,圖 對稱平移性,1.3 實際金屬的晶體結構,晶體結構的特點是長程有序。結構基元或者構成物體的粒子(原子、離子或分子等)完全按照空間點陣規(guī)則排列的晶體叫理想晶體。 在實際晶體中，粒子的排列不可能這樣規(guī)則和完整，而是或多或少地存在著偏離理想結構的區(qū)域，出現了不完整性。 把實際晶體中偏離理想點陣結構的區(qū)域稱為晶體缺陷。 實際晶體中雖然有晶體缺陷存在，但偏離平衡位置很大的粒子數目是很少的，從總的來看，其結構仍可以認為是接近完整的。 根據幾何形態(tài)特征，可以把晶體缺陷分為三類：點缺陷、線缺陷和面缺陷。,1.3 實際金屬的晶體結構,點缺陷的定義 點缺陷：在三維方向上尺寸都很小（遠小于晶體或晶粒的線度）的缺陷。 1.點缺陷的類型 金屬中常見的基本點缺陷有空位、間隙原子和置換原子。 空位：空位就是未被占據的原子位置； 間隙原子：間隙原子可以是晶體中正常原子離位產生，也可以是外來雜質原子；,1.3.1.1 點缺陷的類型及形成,1.3.1 點缺陷,置換原子：位于晶體點陣位置的異類原子 。,1.3.1 點缺陷,2.點缺陷的形成 原子相互作用的兩種作用力：(1)原子間的吸引力；(2)原子間的斥力 點缺陷形成最重要的環(huán)節(jié)是原子的振動 原子的熱振動 （以一定的頻率和振幅作振動） 原子被束縛在它的平衡位置上，但原子卻在做著掙脫束縛的努力 點缺陷形成的驅動力：溫度、離子轟擊、冷加工 在外界驅動力作用下，哪個原子能夠掙脫束縛，脫離平衡位置是不確定的，宏觀上說這是一種幾率分布,1.3.1 點缺陷,空位的兩種類型： 離位原子遷移到晶體的表面上，這樣形成的空位通常稱為肖脫基缺陷；可遷移到晶體點陣的間隙中，這樣的空位稱弗蘭克爾缺陷。,圖 晶體中的點缺陷(a) 肖脫基空位 (b) 弗蘭克爾空位,1.3.1 點缺陷,1.點缺陷的運動 點缺陷并非固定不動，而是處在不斷改變位置的運動過程中。 空位周圍的原子，由于熱振動能量的起伏，有可能獲得足夠的能量而跳入空位，并占據這個平衡位置，這時在這個原子的原來位置上，就形成一個空位。這一過程可以看作是空位向鄰近結點的遷移。 在運動過程中，當間隙原子與一個空位相遇時，它將落入這個空位，而使兩者都消失，這一過程稱為復合，或湮沒。,1.3.1.2 點缺陷的運動及平衡濃度,1.3.1 點缺陷,（a）原來位置； （b）中間位置； （c）遷移后位置 圖 空位從位置A遷移到B,1.3.1 點缺陷,2.點缺陷的平衡濃度 晶體中點缺陷的存在，一方面造成點陣畸變，使晶體的內能升高，增大了晶體的熱力學不穩(wěn)定性；另一方面，由于增大了原子排列的混亂程度，并改變了其周圍原子的振動頻率，又使晶體的熵值增大。熵值越大，晶體便越穩(wěn)定。 由于存在著這兩個互為矛盾的因素，晶體中的點缺陷在一定溫度下有一定的平衡數目，這時點缺陷的濃度就稱為它們在該溫度下的熱力學平衡濃度。 在一定溫度下有一定的熱力學平衡濃度，這是點缺陷區(qū)別于其它類型晶體缺陷的重要特點。,1.3.1 點缺陷,1.3.1.3 點缺陷對性能的影響,點缺陷的存在使晶體體積膨脹，密度減小。 點缺陷引起電阻的增加，這是由于晶體中存在點缺陷時，對傳導電子產生了附加的電子散射，使電阻增大。 空位對金屬的許多過程有著影響，特別是對高溫下進行的過程起著重要的作用。 金屬的擴散、高溫塑性變形的斷裂、退火、沉淀、表面化學熱處理、表面氧化、燒結等過程都與空位的存在和運動有著密切的聯系。 過飽和點缺陷（如淬火空位、輻照缺陷）還提高了金屬的屈服強度。,1.3.1 點缺陷,1.3.2 線缺陷,線缺陷就是在兩個方向上尺寸很小，在一個方向上尺寸很大的缺陷。 線缺陷是各種類型的位錯。 位錯是晶體內部一種有規(guī)律的管狀畸變區(qū)。原子發(fā)生錯排的范圍，在一個方向上尺寸較大，而另外兩個方向上尺寸較小，是一個直徑為35個原子間距，長幾百到幾萬個原子間距的管狀原子畸變區(qū)。 最簡單的位錯是刃型位錯和螺型位錯。,1.3.2 線缺陷,1.3.2.1 位錯的基本概念,1.位錯學說的產生 1926年弗蘭克爾利用理想晶體的模型估算了理論切變強度，與實驗結果相比相差34個數量級。 1934年泰勒，波朗依和奧羅萬三人幾乎同時提出晶體中位錯的概念。 泰勒把位錯與晶體塑變的滑移聯系起來，認為位錯在切應力作用下發(fā)生運動，依靠位錯的逐步傳遞完成了滑移。 與剛性滑移不同，位錯的移動只需鄰近原子作很小距離的彈性偏移就能實現，而晶體其他區(qū)域的原子仍處在正常位置，因此滑移所需的臨界切應力大為減小。,1939年柏格斯提出用柏氏矢量來表征位錯的特性，同時引入螺型位錯。 1947年柯垂耳利用溶質原子與位錯的交互作用解釋了低碳鋼的屈服現象。 1950年弗蘭克與瑞德同時提出了位錯增殖機制FR位錯源。 50年代后，透射電鏡直接觀測到了晶體中位錯的存在、運動、增殖。,1.3.2 線缺陷,圖 理想晶體的滑移模型和刃型位錯的滑移過程,1.3.2 線缺陷,圖 刃型位錯與螺型位錯,2.位錯的基本類型 位錯可分為刃性位錯和螺型位錯。,1.3.2 線缺陷,（1）刃型位錯,圖 含有刃型位錯的晶體,1.3.2 線缺陷,刃型位錯的概念： 在某一水平面以上多出了垂直方向的原子面，猶如插入的刀刃一樣，EF稱為刃型位錯線。位錯線附近區(qū)域發(fā)生了原子錯排，因此稱為“刃型位錯” 。 把多余半原子面在滑移面以上的位錯稱為正刃型位錯，用符號“”表示，反之為負刃型位錯，用“”表示。 含有多余半原子面的晶體受壓，原子間距小于正常點陣常數；不含多余半原子面的晶體受張力，原子間距大于正常點陣常數。 位錯在晶體中引起的畸變在位錯線中心處最大，隨著離位錯中心距離的增大，晶體的畸變逐漸減小 。,1.3.2 線缺陷,刃型位錯的特點： 1).刃型位錯有一個額外的半原子面。其實正、負之分只具相對意義而無本質的區(qū)別。 2).刃型位錯線可理解為晶體中已滑移區(qū)與未滑移區(qū)的邊界線。它不一定是直線，也可以是折線或曲線，但它必與滑移方向相垂直，也垂直于滑移矢量。,圖 不同形狀的刃型位錯,1.3.2 線缺陷,3).滑移面必定是同時包含有位錯線和滑移矢量的平面，在其他面上不能滑移。由于在刃型位錯中，位錯線與滑移矢量互相垂直，因此，由它們所構成的平面只有一個。 4).晶體中存在刃型位錯之后，位錯周圍的點陣發(fā)生彈性畸變，既有切應變，又有正應變。就正刃型位錯而言，滑移面上方點陣受到壓應力，下方點陣受到拉應力;負刃型位錯與此相反。 5).在位錯線周圍的過渡區(qū)（畸變區(qū)）每個原子具有較大的平均能量。但該區(qū)只有幾個原子間距寬，畸變區(qū)是狹長的管道，所以刃型位錯是線缺陷。,1.3.2 線缺陷,（a）立體圖； （b）頂視圖 圖 螺型位錯的原子組態(tài),（2）螺型位錯,1.3.2 線缺陷,圖 螺型位錯原子模型及其形成示意,1.3.2 線缺陷,螺型位錯的結構特征 無額外的半原子面，原子錯排程軸對稱，分右旋和左旋螺型位錯； 一定是直線，與滑移矢量平行，位錯線移動方向與晶體滑移方向垂直； 滑移面不是唯一的，包含螺型位錯線的平面都可以作為它的滑移面； 位錯周圍點陣也發(fā)生彈性畸變，但只有平行于位錯線的切應變而無正應變，即不引起體積的膨脹和收縮； 位錯畸變區(qū)也是幾個原子間距寬度，同樣是線位錯。,1.3.2 線缺陷,3.柏氏矢量 （1）柏氏矢量的確定方法 先確定位錯線的方向(一般規(guī)定位錯線垂直紙面時，由紙面向外為正向)，按右手法則做柏氏回路，右手大拇指指位錯線正向，回路方向按右手螺旋方向確定。 從實際晶體中任一原子出發(fā)，避開位錯附近的嚴重畸變區(qū)作一閉合回路，回路每一步連接相鄰原子。按同樣方法在完整晶體中做同樣回路，步數、方向與上述回路一致，這時終點和起點不重合，由終點到起點引一矢量即為柏氏矢量b。,1.3.2 線缺陷,圖 刃型位錯柏氏矢量的確定,1.3.2 線缺陷,圖 螺型位錯柏氏矢量的確定,1.3.2 線缺陷,（2）柏氏矢量的物理意義及特征 物理意義： 代表位錯，并表示其特征（強度、畸變量）；表示晶體滑移的方向和大小。 反映出柏氏回路包含的位錯所引起點陣畸變的總積累。 通常將柏氏矢量稱為位錯強度，該矢量的模|b|表示了畸變的程度，稱為位錯的強度。 位錯的許多性質如位錯的能量，所受的力，應力場，位錯反應等均與其有關。它也表示出晶體滑移時原子移動的大小和方向。,1.3.2 線缺陷,柏氏矢量的特征 用柏氏矢量可判斷位錯的類型。 用柏氏矢量可以表示晶體滑移的方向和大小。位錯運動導致晶體滑移時，滑移量大小即柏氏矢量b，滑移方向即為柏氏矢量的方向。 一條位錯線具有唯一的柏氏矢量。若位錯可分解，則分解后各分位錯的柏氏矢量之和等于原位錯的柏氏矢量。 位錯具有連續(xù)性，不能中斷于晶體內部。其存在形態(tài)可形成一個閉合的位錯環(huán)，或連接于其他位錯，或終止在晶界，或露頭于晶體表面。,1.3.2 線缺陷,圖 三種類型位錯的矢量圖解法,1.3.2 線缺陷,（3）混合位錯 晶體中已滑移區(qū)與未滑移區(qū)的邊界線（即位錯線）既不平行也不垂直于滑移方向，即滑移矢量與位錯線成任意角度，這種晶體缺陷稱為混合型位錯。 混合型位錯可分解為刃型位錯分量和螺型位錯分量。,圖 晶體局部滑移形成混合位錯,1.3.2 線缺陷,圖 混合位錯的原子組態(tài),1.3.2 線缺陷,（4）柏氏矢量的表示方法 柏矢量 對于柏矢量b沿晶向uvw的位錯 柏矢量的模 柏矢量的模的計算就是矢量模的計算，同第一章中介紹的晶向長度計算。對于立方晶系： 位錯的加法按照矢量加法規(guī)則進行。,1.3.2 線缺陷,4.位錯密度 晶體中所含位錯的多少可用位錯密度來表示。位錯密度定義為單位體積晶體中所含位錯線的總長度，其表達式為 若為了簡便起見，可把晶體中的位錯線視為一些直線，而且是平行地從晶體的一端延伸到另一端，于是位錯密度就可被視為垂直于位錯線的單位截面中所穿過的位錯線數目，即,1.3.2 線缺陷,圖 晶體位錯密度和強度關系示意圖,1.3.2 線缺陷,1.位錯的滑移 位錯沿滑移面的移動稱為滑移。,圖 位錯的滑移,1.3.2.2 線缺陷的類型及形成,1.3.2 線缺陷,（a）正刃型位錯 （b）負刃型位錯 圖 刃位錯的滑移,1.3.2 線缺陷,當一個刃型位錯沿滑移面滑過整個晶體，就會在晶體表面產生寬度為一個柏氏矢量b的臺階，造成晶體的塑性變形。 在滑移時，刃型位錯的移動方向一定是與位錯線相垂直，即與其柏氏矢量相一致。 位錯線沿著滑移面移動時，它所掃過的區(qū)域是已滑移區(qū)，而位錯線未掃過的區(qū)域為未滑移區(qū)。,圖 刃型位錯滑移導致晶體塑性變形的過程,1.3.2 線缺陷,（a）原始位置； （b）位錯向左移動一個原子間距 圖 螺型位錯滑移,1.3.2 線缺陷,圖 螺型位錯滑移導致晶體塑性變形的過程,在切應力作用下，螺型位錯的移動方向是與其柏氏矢量相垂直。對于螺型位錯，由于位錯線與柏氏矢量平行，所以它不象刃型位錯那樣具有確定的滑移面，而可在通過位錯線的任何原子平面上滑移。如果螺型位錯在某一滑移面滑移后轉到另一通過位錯線的臨近滑移面上滑移的現象稱為交滑移。,1.3.2 線缺陷,圖 刃型位錯與螺型位錯,1.3.2 線缺陷,由于混合位錯可以分解為刃型和螺型兩部分，因此，不難理解，混合位錯在切應力作用下，也是沿其各線段的法線方向滑移，并同樣可使晶體產生與其柏氏矢量相等的滑移量。,（a）位錯環(huán) （b）位錯環(huán)運動后產生的滑移 圖 位錯環(huán)的滑移,1.3.2 線缺陷,位錯的滑移特征,（1）可以通過柏氏矢量和位錯線的關系來判斷位錯特征。bt時為刃型位錯，bt為螺型位錯，對于混合型位錯，b和t的角度在0和90。 （2）位錯的滑移面包含柏氏矢量和位錯線。 （3）對于一根位錯線而言，柏氏矢量是固定不變的。 （4）位錯線不能終止于完整晶體之中。,1.3.2 線缺陷,2.位錯的攀移 刃型位錯除了可以在滑移面上滑移外，還可垂直于滑移面發(fā)生攀移。 當半原子面下端的原子跳離，即空位遷移到半原子面下端時，半原子面將縮短，表現為位錯向上移動，這種移動叫做正攀移。反之叫做負攀移。 位錯攀移時伴隨著物質的遷移，需要擴散才能實現。因為攀移需要原子擴散，所以較之滑移所需的能量更大。對于大多數金屬，這種運動在室溫下很難進行。因此，位錯攀移時需要熱激活，也就是比滑移需要更大的能量。 通常稱攀移為“非守恒運動”，滑移則稱為“守恒運動”。,1.3.2 線缺陷,3.位錯運動的交割 對于在滑移面上運動的位錯來說，穿過此滑移面的其它位錯稱為林位錯。林位錯會阻礙位錯的運動，但是若應力足夠大，滑動的位錯將切過林位錯繼續(xù)前進。位錯互相切割的過程稱為位錯交割或位錯交截。 一般情況下，兩個位錯交割時，每個位錯上都要新產生一小段位錯，它們的柏氏矢量與攜帶它們的位錯相同，它們的大小與方向決定于另一位錯的柏氏矢量。 當交割產生的小段位錯不在所屬位錯的滑移面上時，則成為位錯割階，如果小段位錯位于所屬位錯的滑移面上，則相當于位錯扭折。,1.3.2 線缺陷,思考題,怎樣判斷位錯線的移動方向？,1.3.3 面缺陷,面缺陷的定義 面缺陷：在兩個方向上尺寸很大，在一個方向上尺寸很小的缺陷。 面缺陷的類型 金屬中常見的面缺陷有表面、晶界、亞晶界和相界。,從原子結合的角度看，表面原子的結合鍵數也減少，因此表面原子有強烈的傾向與環(huán)境中的原子或分子相互作用。 晶體表層原子在不均勻力場作用下會偏離其平衡位置而移向晶體內部，但是正、負離子(或正、負電荷)偏離的程度不同，結果在晶體表面產生了雙電層。,圖 離子晶體表面的雙電層,外表面,1.3.3 面缺陷,晶體內部的原子處于其他原子的包圍中，處于均勻的力場中，總合力為零，處于能量最低的狀態(tài)。而表面原子卻不同，它與氣相(或液相)接觸，處于不均勻的力場之中，其能量較高，高出的能量稱為表面自由能。 晶體中不同晶面的表面能數值不同，這是由于表面能的本質是表面原子的不飽和鍵，而不同晶面上的原子密度不同，密排面的原子密度最大，則該面上任一原子與相鄰晶面原子的作用鍵數最少，故以密排面作為表面時不飽和鍵數最少，表面能量低。晶體總是力圖處于最低的自由能狀態(tài)，所以一定體積的晶體的平衡幾何外形應滿足表面能總和為最小。,1.3.3 面缺陷,屬于同一固相但位向不同的晶粒之間的界面稱為晶界；而每個晶粒有時又由若干個位向稍有差異的亞晶粒所組成，相鄰亞晶粒間的界面稱為亞晶界。,圖 晶界與亞晶界示意圖,1.3.3 面缺陷,1.小角度晶界 相鄰晶粒的位向差小于10的晶界稱為小角度晶界。 最簡單的小角度晶界是對稱傾斜晶界，其晶界可看成是由一列平行的刃型位錯所構成。,圖 對稱傾斜晶界,1.3.3 面缺陷,扭轉晶界是小角度晶界的一種類型，它可看成是兩部分晶體繞某一軸在一個共同的晶面上相對扭轉一個角所構成的，扭轉軸垂直于這一共同的晶面。 扭轉晶界的結構可看成是由互相交叉的螺型位錯所組成。,圖 扭轉晶界的形成,1.3.3 面缺陷,2.大角度晶界 相鄰晶粒的位向差大于10的晶界稱為大角度晶界。 大角度晶界的結構較復雜，原子排列很不規(guī)則，由不規(guī)則的臺階組成的。晶界可看成壞區(qū)與好區(qū)交替相間組合而成。,圖 大角度晶界模型,1.3.3 面缺陷,大角度晶界的“重合位置點陣”模型。在二維正方點陣中，當兩個相鄰晶粒的位向差為37時，設想兩晶粒的點陣彼此通過晶界向對方延伸，其中一些原子將出現有規(guī)律的相互重合，由這些原子重合位置所組成比原來晶體點陣大的新點陣，通常稱為重合位置點陣。,圖 重合位置點陣模型,1.3