材料科學(xué)基礎(chǔ)課件4位錯(cuò)理論

晶體缺陷Crystal

Defects

or

Imperfections點(diǎn)缺陷Point

Defects:線缺陷Line

Defects:面缺陷Plane

Defects:點(diǎn)缺陷Point

Defects1、空位Vacancies2、間隙原子Interstitials：3、置換式原子Substitutionals空位

間隙原子

置換式（溶質(zhì)）原子一、空位Vacancies一種熱力學(xué)穩(wěn)定的晶體缺陷晶體熱力學(xué)：N個(gè)晶格結(jié)點(diǎn)、n個(gè)空位，空位濃度Cv=n/NDG=nUv-T(nDSv+DSc)空位:系統(tǒng)自由能增加nUv（

Uv：空位形成自由能）空位:組態(tài)熵DSc及振動(dòng)熵DSv增加系統(tǒng)自由能降低晶體的自由能DG=nUv-T(nDSv+DSc)組態(tài)熵：Configurational

EntropyDSc

=

k.ln(N!/n![N-n]!)振動(dòng)熵：Vibrational

EntropyDSv

=

3k.ln(n/n’)溫度T時(shí)晶體中的平衡空位濃度DG=nUv-T(nDSv+DSc)Cv=n/N=A.exp(-Uv/kT)Sv

=

3k.ln(n/n’)Sc

=

k.ln(N!/n![N-n]!)Cu晶體中不同溫度的平衡空位濃度空位對(duì)合金組織及性能控制的重要性物理及電子學(xué)性質(zhì)（密度、電學(xué)、電子學(xué)性能）原子擴(kuò)散的基本（最重要）方式對(duì)合金固態(tài)相變過程(形核、長(zhǎng)大；時(shí)效)及固態(tài)相變組織具有決定性影響；對(duì)合金擴(kuò)散控制的熱加工工藝(如滲金屬、燒結(jié)等)組織具有決定性影響；對(duì)合金力學(xué)性能特別是高溫力學(xué)性能具有決定性影響（強(qiáng)度、塑性、耐蝕、氧化）獲得非平衡空位(過飽和空位)的方法高溫淬火(Quenching)：通過極端手段把高溫下的平衡空位快速“冷凍”固定到室溫快速凝固；固溶處理：過飽和固溶體（固溶強(qiáng)化）、過飽和空位（固溶后時(shí)效熱處理工藝要求的原因）！強(qiáng)烈塑性變形:表面噴丸強(qiáng)化－表面納米化高能粒子輻照：中子輻照等(同時(shí)產(chǎn)生自間隙原子），材料性能嚴(yán)重脆化！二、間隙原子Interstitial

Atoms熱力學(xué)不穩(wěn)定的晶體缺陷自間隙原子(Self-Interstitials)：除經(jīng)高能粒子輻照外(如核裝備零件，同時(shí)產(chǎn)生空位空位群空洞：缺陷)、一般不存在溶質(zhì)間隙原子(Solute

Interstitials)

：C、N、B、O、H等，固溶強(qiáng)化效果極強(qiáng)！固溶強(qiáng)化（Solid

Solution

Hardeningor

Strengthening）Interstitial

Atoms

in

Solid

Solution三、置換式原子（溶質(zhì)、雜質(zhì)）Substitutional

Solute

AtomsSubstitutional

Atoms

in

Solid

Solutions影響金屬固熔體固溶強(qiáng)化的因素Main

controlling

factors

for

Solid

SolutionHardening

or

Strengthening

of

Metals1、固溶體類型2、原子尺寸差3、晶體結(jié)構(gòu)4、電化學(xué)性質(zhì)5、元素固溶度合金元素對(duì)金屬銅屈服強(qiáng)度的影響線缺陷－位錯(cuò)Line

Defects：Dislocations位錯(cuò)理論及金屬的強(qiáng)化方法Dislocation

Theoryand

Strengthening

Methods

for

Metals位錯(cuò)概念的提出：實(shí)際晶體的塑性變形不是剛性滑移，晶體內(nèi)部局部區(qū)域可能存在缺陷在很低切應(yīng)力下缺陷附近的局部原子即可協(xié)調(diào)移動(dòng)并逐步前進(jìn)通過局部原子的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)或局部滑動(dòng)導(dǎo)致晶體整體塑性變形：波的傳播；蛇的爬行！在晶體中相對(duì)滑移量不同區(qū)域“邊界”（變形與未變形區(qū)的邊界）附近的原子必然錯(cuò)排！Atoms

near

theboundaries

must

beDislocated！Dislocations位錯(cuò)2、位錯(cuò)的基本性質(zhì)：邊界宏觀上屬“線性”缺陷；在晶體內(nèi)部呈自封閉曲線或終止于晶體表面或晶界；恒定的滑移矢量位錯(cuò)的滑移矢量－柏氏矢量Burger’s

Vector：大?。何诲e(cuò)的最小滑移量方向：位錯(cuò)滑移方向守恒性:一條位錯(cuò)線，無(wú)論其形狀如何，其柏氏矢量唯一、恒定！3、位錯(cuò)的基本類型及其基本特征與運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)刃型位錯(cuò)（刃位錯(cuò)Edge

Dislocation）螺型位錯(cuò)（螺位錯(cuò)Screw

Dislocation）混合位錯(cuò)（Mixed

Dislocation）刃型位錯(cuò)模型Formation

of

an

Edge

Dislocation刃型位錯(cuò)的原子模型Atomic

Model

of

an

Edge

Dislocation刃位錯(cuò)的基本特征：柏氏矢量與位錯(cuò)線垂直滑移面唯一bx

line運(yùn)動(dòng)滑移(glide)攀移(climb)形狀：直線、平面曲線平面折線、環(huán)狀刃位錯(cuò)的形狀:直線\平面折線\任何平面曲線滑移面Slip

Plane刃位錯(cuò)攀移的條件：需要原子（空位）的長(zhǎng)程擴(kuò)散正攀移（Positive

climb）：半原子面縮小副攀移（Negative

Climb）：半原子面增大Signs

of

Edge

Dislocation確定刃位錯(cuò)的正負(fù)的法則－－右手法則Glide

Mobility

ofan

EdgeDislocation刃位錯(cuò)滑移的易動(dòng)性位錯(cuò)割階－Jogs

on

Dislocation刃位錯(cuò)環(huán)－Edge

Dislocation

Loopb螺位錯(cuò)的物理模型Dislocation

Line螺位錯(cuò)的正負(fù)號(hào)：左旋與右旋螺位錯(cuò)的基本特征：柏氏矢量與位錯(cuò)線平行?。兟菸诲e(cuò)只能是直線）滑移面不固定：[uvw]晶帶內(nèi)的全部晶面易發(fā)生交滑移(cross-slip)不能攀移螺位錯(cuò)[uvw]的交滑移Cross-Slip

of

a

Screw

Dislocation

[uvw]bbbb[uvw]螺位錯(cuò)[uvw]的雙交滑移DoubleCross-Slip

ofa

ScrewDislocation

[uvw]bbbbb螺位錯(cuò)的交滑移與雙交滑移Cross

SLip

and

DoubleCross-Slipof

a

Screw

Dislocation[uvw]晶帶晶帶晶帶軸

[uvw]晶面

(hkl)晶帶定理：hu

+

kv

+lw=0[uvw](hkl)位錯(cuò)扭折－Kink

on a

Screw

Dislocation3）混合位錯(cuò)－Mixed

Dislocation混合位錯(cuò)－Mixed

Dislocation確定位錯(cuò)正負(fù)號(hào)的法則：先任意確定位錯(cuò)線的方向：刃位錯(cuò)右手定則螺位錯(cuò)看是否同向位錯(cuò)環(huán)的運(yùn)動(dòng)：不斷擴(kuò)大、移出晶體割階強(qiáng)烈阻礙位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)！帶割階位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)：需要大量原子的擴(kuò)散（空位的運(yùn)動(dòng)）！實(shí)際晶體(FCC)中的位錯(cuò)Dislocations

in

Real

Crystals（FCC）全位錯(cuò)與分位錯(cuò)全位錯(cuò)與分位錯(cuò)Perfect

Dislocations

andPartial

Dislocations全位錯(cuò)：滑移矢量等于密排面上密排方向原

子間距的位錯(cuò):e.g., (a/2)<110>

in

FCC;(a/2)<111>

in

BCC;

(a/3)<1120>,

etc.分位錯(cuò)或不全位錯(cuò)：滑移矢量不等于密排面上密排方向原子間距的位錯(cuò):

e.g.,(a/6)<112>

and (a/3)<111>

in

FCC,

etc.分位錯(cuò)不可能單獨(dú)存在，總與層錯(cuò)相連！！FCC晶體中的全位錯(cuò)Perfect

Dislocations

in

FCCb

=

(a/2)<110>滑移方向:

<110>;

滑移大小:BCC晶體中的全位錯(cuò)--Perfect

Dislocations

in

BCCb=(a/2)<111>;方向:<111>;大小:分位錯(cuò)或不全位錯(cuò)或部分位錯(cuò)Partial

Dislocations分位錯(cuò)或不全位錯(cuò)：滑移矢量不等

于密排面上密排方向原子間距的位錯(cuò):

e.g.,(a/6)<112>

and(a/3)<111>

in

FCC,

etc.分位錯(cuò)不可能單獨(dú)存在，總與層錯(cuò)（Stacking

Fault)相連！！Shockley分位錯(cuò)：可滑移位錯(cuò)其柏氏矢量位于層錯(cuò)面內(nèi)平面曲線、混合位錯(cuò)可滑移位錯(cuò)StackingFaultShockley分位錯(cuò)的形成機(jī)制全位錯(cuò)的分解反應(yīng)全位錯(cuò)之間的反應(yīng)分位錯(cuò)之間的反應(yīng)Frank分位錯(cuò)純?nèi)形诲e(cuò)柏氏矢量垂直于位錯(cuò)線，純?nèi)形诲e(cuò)滑移面為非密排面，不能滑移只能攀移，是位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的主要障礙位錯(cuò)的反應(yīng)Reactions

of

Dislocations位錯(cuò)反應(yīng)的條件b1

+

b2

b3

+

b4幾何條件（必要條件）：矢量守恒能量條件（充分條件）：能量降低位錯(cuò)的分解與擴(kuò)展位錯(cuò)Decomposition

of

a

Dislocation

and

Extended

Dislocation擴(kuò)展位錯(cuò)與層錯(cuò)能Extended

Dislocations

and

Stacking

Fault

Energy擴(kuò)展位錯(cuò)兩個(gè)Shockley分位錯(cuò)夾一片層錯(cuò)的組態(tài)b1

b2

+

b3

+

SF擴(kuò)展位錯(cuò)擴(kuò)展位錯(cuò)的寬度取決于層錯(cuò)能的高低b1

b2

+

b3

+

SF擴(kuò)展位錯(cuò)的束集與交滑移Contraction

of an

ExtendedDislocationand

Cross-Slip層錯(cuò)能越高擴(kuò)展位錯(cuò)寬度越窄越易束集越易發(fā)生交滑移變形容易、加工硬化弱！全位錯(cuò)與分位錯(cuò)FCC晶體中的主要位錯(cuò)反應(yīng)Thompson四面體<110><111><112><110><110><111><112><110>Lomer位錯(cuò)鎖Lomer

DislocationLockSlip

Plane

(001)

Sessile

DislocationLomer-Cotrell

Dislocation

LockA

Supersessile

Dislocation金屬材料的強(qiáng)化方法

StrengtheningMethods

for

Metals提高金屬材料強(qiáng)度的途徑(1)一、獲得無(wú)位錯(cuò)無(wú)缺陷的理想晶體（晶體的理論強(qiáng)度）除尺寸很小的晶須外，迄今無(wú)法制備；一旦屈服，幾乎沒有強(qiáng)度！提高金屬材料強(qiáng)度的途徑(2)二、獲得完全均勻無(wú)序的非晶態(tài)合金：沒有塑性、沒有加工硬化！一旦屈服，幾乎沒有強(qiáng)度！變形集中（絕熱剪切）提高金屬材料強(qiáng)度的途徑(3)三、通過控制各種制備加工工藝過程、在晶體中引入盡可能高的各種晶體缺陷，盡最大可能增加位錯(cuò)移動(dòng)的阻力：固溶強(qiáng)化！加工硬化！晶界強(qiáng)化！粒子強(qiáng)化！固溶強(qiáng)化Solid

Solution

Hardening機(jī)制：位錯(cuò)與溶質(zhì)原子的交互作用：溶質(zhì)原子向位錯(cuò)偏聚，形成溶質(zhì)氣團(tuán)(Solute

Atmosphere)，降低位錯(cuò)的應(yīng)變能（和系統(tǒng)能量），使位錯(cuò)難于移動(dòng)！偏聚于刃位錯(cuò)線Cottrell

氣團(tuán)偏聚于擴(kuò)展位錯(cuò)層錯(cuò)區(qū)Suzuki氣團(tuán)偏聚于螺位錯(cuò)附近Snoek氣團(tuán)SubstitutionalsInterstitialsCottrel氣團(tuán)SubstitutionalsInterstitialsCottrell氣團(tuán)加工硬化或應(yīng)變強(qiáng)化Work

Hardening

or

Strain

Hardening機(jī)制：位錯(cuò)之間的交互作用位錯(cuò)增殖、位錯(cuò)密度急劇增加、位錯(cuò)難于移動(dòng)位錯(cuò)交割形成大量割階、釘扎位錯(cuò)位錯(cuò)交割形成位錯(cuò)網(wǎng)、釘扎位錯(cuò)位錯(cuò)反應(yīng)形成Lomer或Cottrell－Lomer位錯(cuò)鎖粒子強(qiáng)化Particle-Strengthening彌散強(qiáng)化dispersion

hardening沉淀強(qiáng)化precipitation

hardening沉淀強(qiáng)化：位錯(cuò)切割粒子Precipitation

Strengthening:

Particle-Cutting強(qiáng)化效果取決于粒子的本性！(界面共格錯(cuò)配度、界面能、彈性模量差、層錯(cuò)能差、有序度等）彌散強(qiáng)化：位錯(cuò)繞過粒子Dispersion

Hardening：

Particle-bypassing強(qiáng)化效果只取決于粒子尺寸及粒子間距！與粒子本性無(wú)關(guān)！t=

Gb2/d位錯(cuò)的線張力T＝Gb2/2t=

Gb2/2RDispersion

StrengtheningParticle

Size

(d)Yield

Strength

(