材料科學(xué)基礎(chǔ)-3晶體缺陷

1、材料科學(xué)基礎(chǔ)第3章 晶體缺陷合肥工業(yè)大學(xué)材料學(xué)院 宣天鵬3.1 點(diǎn)缺陷3.1.1 點(diǎn)缺陷的形成3.1.2 點(diǎn)缺陷的平衡濃度晶體的組態(tài)熵增值Sc=kln(N+n)!/N!n!當(dāng)N和n非常大時(shí)，可用Stirling公式Lnx! xlnx-x所以：Sc=k(N+n)ln(N+n) NlnN-nlnnF=n(Ev-T Sv)-kT(N+n)ln(N+n) NlnN-nlnn平衡時(shí)，當(dāng)N遠(yuǎn)大于 n時(shí)，lnN/n (Ev-T Sv)/kT0TnF0ln)ln(nnNkTSTEnFvT分子分母同乘于NA，C=Aexp(-Qv/RT)Qf= NAEv，是形成1摩爾空位所需作的功，即空位形成能。氣體常數(shù)R=kN

2、A間隙原子平衡濃度C=n/N=A exp(- E v/kT)由于E v （34） E v ，所以， C要比C小得多。間隙原子平衡濃度3.1.3 點(diǎn)缺陷的運(yùn)動(dòng)3.2 位錯(cuò) 原子發(fā)生錯(cuò)排時(shí)，在某一方向是幾百到上萬(wàn)個(gè)原子間距，另外兩個(gè)方向僅有 3-5 個(gè)間距 位錯(cuò)對(duì)金屬?gòu)?qiáng)度、相變影響顯著 泰勒認(rèn)為位錯(cuò)在切應(yīng)力作用下的運(yùn)動(dòng)完成晶體塑性形變的滑移過(guò)程3.2.1位錯(cuò)的基本類型和特征1.刃型位錯(cuò)演示2. 螺型位錯(cuò)J:晶體缺陷第1章動(dòng)畫(huà)螺位錯(cuò).wmv演示演示刃型位錯(cuò)和螺型位錯(cuò)的異同點(diǎn) 刃型位錯(cuò) 螺型位錯(cuò)類型正、負(fù)左、右多余的半排原子面有無(wú)位錯(cuò)線與滑移矢量關(guān)系垂直平行位錯(cuò)線形狀直線、折線、曲線、環(huán)直線滑移面（由

3、位錯(cuò)線與滑移矢量決定）位錯(cuò)線滑移矢量構(gòu)成、唯一位錯(cuò)線滑移矢量構(gòu)成、有限多位錯(cuò)線運(yùn)動(dòng)方向與滑移矢量關(guān)系（晶體滑移方向）平行垂直應(yīng)力、應(yīng)變性質(zhì)有正應(yīng)力（變）、切應(yīng)力（變）（上半部受壓、下半部受拉）僅有切應(yīng)力（變）位錯(cuò)線滑移的結(jié)果在滑移面上沿滑移矢量方向產(chǎn)生一個(gè)原子間距的臺(tái)階3. 混合位錯(cuò)v4.位錯(cuò)的重要性質(zhì)v（1）位錯(cuò)線不能中止的晶體內(nèi)部。v（2）若中止在晶體內(nèi)部，必然與其它位錯(cuò)線相連。v（3）若不與其它位錯(cuò)線相連，則在晶體內(nèi)部形成閉合位錯(cuò)環(huán)。3.2.2 柏氏矢量1.柏氏矢量的確定刃位錯(cuò)的右手法則2.柏氏矢量的物理意義3.柏氏矢量的特性b1=b2+b34.柏氏矢量的表示方法b=a/n，n為正整數(shù)；

4、若b1=a/nu1 v1 w1， b2=a/nu2 v2 w2b=b1+b2=a/nu1 v1 w1+a/nu2 v2 w2 = a/nu1+u2 v1 +v2 w1 + w2 b =a/n (u2 + v2 + w2 )1/23.2.3 位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)1.刃位錯(cuò)的滑移和攀移刃位錯(cuò)的攀移2.螺位錯(cuò)的滑移 在切應(yīng)力作用下，異號(hào)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)方向相反，滑移效應(yīng)相同。同一滑移面上的異號(hào)位錯(cuò)如果相遇，位錯(cuò)消失，刃型、螺型位錯(cuò)都是如此。v刃型位錯(cuò)線的方向與柏氏矢量方向 垂直垂直 ，與位錯(cuò)線運(yùn)動(dòng)方向 垂直垂直，與切應(yīng)力方向垂直垂直 。最終掃出晶體，在與位錯(cuò)線垂直垂直 方向上形成一個(gè)b臺(tái)階。v螺型位錯(cuò)線的方向與柏氏矢

5、量方向 平行平行，與位錯(cuò)線運(yùn)動(dòng)方向垂直垂直，與切應(yīng)力方向 垂直垂直。最終掃出晶體，在與位錯(cuò)線 平行平行 方向上形成一個(gè)b臺(tái)階。v刃型位錯(cuò)線的攀移是半排原子面向上移或下移一個(gè) 前者稱為 ，后者稱為 ，是在 應(yīng)力作用下進(jìn)行的。 3.混合位錯(cuò)的滑移4.位錯(cuò)環(huán)的運(yùn)動(dòng)6.運(yùn)動(dòng)位錯(cuò)的交截割階：垂直于原滑移面上的折線。扭折：位于原滑移面上的折線。割階及扭折的大小大小和方向方向均與對(duì)方的b相同，一般扭折可動(dòng)，割階不可動(dòng)。6.1兩個(gè)柏氏矢量相互垂直刃位錯(cuò)的交截柏氏矢量相互垂直刃位錯(cuò)交截XY對(duì)AB作用AB對(duì)XY作用產(chǎn)生臺(tái)階PPXYb2，2根位錯(cuò)交截后，在位錯(cuò)XY上不會(huì)產(chǎn)生割階。臺(tái)階方向b1臺(tái)階大小b1臺(tái)階柏氏矢量

6、b2臺(tái)階所在面與原滑移面關(guān)系不同類型PPb2；刃型、割階臺(tái)階的可動(dòng)性一般不可動(dòng)6.2兩根柏氏矢量相互平行刃位錯(cuò)的交截柏氏矢量相互平行刃位錯(cuò)交截XY對(duì)AB作用AB對(duì)XY作用產(chǎn)生臺(tái)階PPQQ臺(tái)階方向b1b2臺(tái)階大小b1b2臺(tái)階柏氏矢量b2b1臺(tái)階所在面與原滑移面關(guān)系相同相同類型PPb2；螺型、扭折QQb1；螺型、扭折臺(tái)階的可動(dòng)性可動(dòng)，最終拉直消失可動(dòng)，最終拉直消失6.3柏氏矢量相互垂直刃、螺位錯(cuò)交截柏氏矢量相互垂直刃、螺位錯(cuò)交截BB(螺)對(duì)AA(刃)作用AA(刃) 對(duì)BB(螺) 作用產(chǎn)生臺(tái)階MMNN臺(tái)階方向b2b1臺(tái)階大小b2b1臺(tái)階柏氏矢量b1b2臺(tái)階所在面與原滑移面關(guān)系不同相同類型MMb1；刃

7、型、割階NNb2；刃型、扭折臺(tái)階的可動(dòng)性不可動(dòng)可動(dòng)，最終拉直消失6.4柏氏矢量相互垂直兩根螺位錯(cuò)交截柏氏矢量相互垂直兩根螺位錯(cuò)交截BB對(duì)AA作用AA 對(duì)BB作用產(chǎn)生臺(tái)階MMNN臺(tái)階方向b2b1臺(tái)階大小b2b1臺(tái)階柏氏矢量b1b2臺(tái)階所在面與原滑移面關(guān)系不同不同類型MMb1；刃型、割階NNb2；刃型、割階臺(tái)階的可動(dòng)性不可動(dòng)不可動(dòng)4.扭轉(zhuǎn)、割階的大小和方向取決于另一根位錯(cuò)的柏氏矢量。3.2.3 位錯(cuò)的彈性性質(zhì) 1.位錯(cuò)的應(yīng)力場(chǎng)正應(yīng)力：xx ，yy ， zz切應(yīng)力：xy =yx ； xz=zx ；yz=zya.螺位錯(cuò)應(yīng)力場(chǎng)G ：切變彈性模量。 除Z方向外，其余方向無(wú)位移，應(yīng)力為零；應(yīng)力場(chǎng)只與半徑有關(guān)

8、，是徑向?qū)ΨQ的； r 0 ，應(yīng)力無(wú)窮大不適用于位錯(cuò)中心的嚴(yán)重畸變區(qū)。由于螺位錯(cuò)的正應(yīng)變等于零，所以其體膨脹率等于零，即形成螺位錯(cuò)時(shí)體積不發(fā)生變化。 b.刃位錯(cuò)應(yīng)力場(chǎng)正應(yīng)力分量與切應(yīng)力分量同時(shí)存在，與 Z 無(wú)關(guān)，即與刃位錯(cuò)平行的直線各點(diǎn)應(yīng)力狀態(tài)相同 y0, 滑移面以上， xx0 是壓應(yīng)力 y0 是拉應(yīng)力 y=0, 無(wú)正應(yīng)力，切應(yīng)力最大 任一點(diǎn) |xx | |yy | 以上關(guān)系不適用于刃位錯(cuò)中心區(qū)2.位錯(cuò)的應(yīng)變能We/Ws=一般金屬材料的1/3，所以 We/Ws1.5K10.753.位錯(cuò)的線張力 為了降低能量，位錯(cuò)有盡可能縮短其長(zhǎng)度的傾向，這時(shí)產(chǎn)生了一種稱為線張力的組態(tài)力。因此，位錯(cuò)力求變直。線張

9、力是一種組態(tài)的作用力，與位錯(cuò)線附近的個(gè)別原子所受的作用力不同。位錯(cuò)線有應(yīng)變能=位錯(cuò)線有縮短趨勢(shì)以減少應(yīng)變能=位錯(cuò)線張力 線張力等于單位長(zhǎng)度位錯(cuò)的應(yīng)變能 4.作用在位錯(cuò)上的力攀移作用力xx xx xx 5.位錯(cuò)間的交互作用力a.兩平行螺位錯(cuò)b.兩平行刃位錯(cuò)v同號(hào)位錯(cuò)vy0,fy 0,正攀移vy0,fy 0,負(fù)攀移v即沿y軸方向相互排斥v異號(hào)位錯(cuò)vy0,fy0,負(fù)攀移vy0,fy 0,正攀移v即沿y軸方向相互吸引，最終位錯(cuò)可能合并消失3.2.5位錯(cuò)的生成和增殖1.位錯(cuò)的密度2.位錯(cuò)的生成3.位錯(cuò)的增殖見(jiàn)雙交滑移swf3.2.6堆垛層錯(cuò)3.3 表面及界面 3.3.1 外表面 v由于另一側(cè)無(wú)原子，配位

10、數(shù)少于晶體內(nèi)部，表面幾層原子點(diǎn)陣畸變，能量高于晶體內(nèi)部 v表面能 晶體表面單位面積能量的增加，與表面張力 相等 ， dW/dS（J/m2）v不同的晶面為外表面時(shí)，被破壞的結(jié)合鍵的數(shù)目不同表面能各向異性 v密排面的表面能低：體心立方 110 ，面心立方 111 表面能最低 v外表面雜質(zhì)的吸附顯著影響表面能 ， 雜質(zhì)在外表面的物理吸附 ( 分子鍵 ) ，化學(xué)吸附 ( 離子鍵、共價(jià)鍵 ) 3.3.2 晶界和亞晶界 多晶體中，每一個(gè)晶粒就相當(dāng)于一個(gè)小單晶 相鄰晶粒的位向不同，交界面叫 晶粒界 ，簡(jiǎn)稱晶界 晶粒內(nèi)部位向差極小的亞結(jié)構(gòu)，交界為 亞晶界 晶界的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)與相鄰晶粒的位向差有關(guān)。位向差小于10

11、o， 小角度晶界 ； 10o以上， 大度角晶界 晶界處原子排列紊亂，能量增高=晶界能 1.小角度晶界的結(jié)構(gòu)D= b /sin, D = b /cos v2. 大角度晶界的結(jié)構(gòu) v晶界中原子過(guò)于密集的區(qū)域?yàn)閴簯?yīng)力區(qū)，原子過(guò)于松散的區(qū)域?yàn)槔瓚?yīng)力區(qū) v大角度晶界晶界能較高，在 0.5-0.6J/m2，與相鄰位向無(wú)關(guān) v某些特殊位向的大角度晶界界面能很低重合位置點(diǎn)陣模型，兩晶粒有 1/n 原子處在重合位置，構(gòu)成 1/n 重合位置點(diǎn)陣 v兩個(gè)晶粒有 1/5 的原子是在另一晶粒點(diǎn)陣的延伸位置；重合位置構(gòu)成重合位置點(diǎn)陣 v晶界與重合位置點(diǎn)陣的密排面重合或以臺(tái)階方式與重合位置點(diǎn)陣的幾個(gè)密排面重合時(shí)，晶界上的重

12、合位置多，晶界的畸變下降，晶界能降低 3.3 .3孿晶界孿晶相鄰兩晶?；蚓Я?nèi)部相鄰部分沿同一個(gè)公共晶面 ( 孿晶界 ) ，構(gòu)成鏡面對(duì)稱的位向關(guān)系 孿晶界是最簡(jiǎn)單的一種晶界 孿晶界與堆垛層錯(cuò)有密切關(guān)系 共格孿晶界原子沒(méi)有錯(cuò)排，不會(huì)引起彈性應(yīng)變能，界面能很低， Cu 的共格孿晶界界面能 0.025J/m23.3.4 相界 三種相界結(jié)構(gòu)：共格界面、半共格界面、非共格界面 v共格界面：兩相必須有特殊的位向關(guān)系，而且原子的排列、晶面間距相差不大，大多數(shù)情況下共格界面產(chǎn)生彈性應(yīng)變 和應(yīng)力，使界面原子匹配。 v半共格界面：相鄰晶面間距相差較大，界面上原子不能完全對(duì)應(yīng) 。v失配度 ( - )/ v失配度越大，界面位錯(cuò)間距 D 越小。 0.25 ，完全失去匹配能力，成為非共格界面。v共格界面界面能最低，非共格界面界面能最高，半共格界面界面能居中。v非共格孿晶界界面能約為大角度晶界的 1/2 3.3.5晶界能和晶界特性 1晶界能 = 0(A-ln) 0 =Gb/4(1-) 上述公式只適用于小角度晶界大角度晶界 2.晶界特性 v當(dāng)晶體中存在能降低界面能的異類原子時(shí)，這些原子將向晶界偏聚內(nèi)吸附 v晶界上原子具有較高的能量，且存在較多的晶體缺陷，使原子