實(shí)際金屬的晶體缺陷.ppt

材料科學(xué)基礎(chǔ),第三節(jié) 實(shí)際金屬的晶體結(jié)構(gòu),圖 對稱平移性,1.3 實(shí)際金屬的晶體結(jié)構(gòu),晶體結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是長程有序。結(jié)構(gòu)基元或者構(gòu)成物體的粒子(原子、離子或分子等)完全按照空間點(diǎn)陣規(guī)則排列的晶體叫理想晶體。 在實(shí)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(jié)構(gòu)的區(qū)域，出現(xiàn)了不完整性。 把實(shí)際晶體中偏離理想點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的區(qū)域稱為晶體缺陷。 實(shí)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(shù)目是很少的，從總的來看，其結(jié)構(gòu)仍可以認(rèn)為是接近完整的。 根據(jù)幾何形態(tài)特征，可以把晶體缺陷分為三類：點(diǎn)缺陷、線缺陷和面缺陷。,1.3 實(shí)際金屬的晶體結(jié)構(gòu),點(diǎn)缺陷的定義 點(diǎn)缺陷：在三維方向上尺寸都很?。ㄟh(yuǎn)小于晶體或晶粒的線度）的缺陷。 1.點(diǎn)缺陷的類型 金屬中常見的基本點(diǎn)缺陷有空位、間隙原子和置換原子。 空位：空位就是未被占據(jù)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(chǎn)生，也可以是外來雜質(zhì)原子；,1.3.1.1 點(diǎn)缺陷的類型及形成,1.3.1 點(diǎn)缺陷,置換原子：位于晶體點(diǎn)陣位置的異類原子 。,1.3.1 點(diǎn)缺陷,2.點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)缺陷形成的驅(qū)動力：溫度、離子轟擊、冷加工 在外界驅(qū)動力作用下，哪個(gè)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(diǎn)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(diǎn)陣的間隙中，這樣的空位稱弗蘭克爾缺陷。,圖 晶體中的點(diǎn)缺陷(a) 肖脫基空位 (b) 弗蘭克爾空位,1.3.1 點(diǎn)缺陷,1.點(diǎn)缺陷的運(yùn)動 點(diǎn)缺陷并非固定不動，而是處在不斷改變位置的運(yùn)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(jù)這個(gè)平衡位置，這時(shí)在這個(gè)原子的原來位置上，就形成一個(gè)空位。這一過程可以看作是空位向鄰近結(jié)點(diǎn)的遷移。 在運(yùn)動過程中，當(dāng)間隙原子與一個(gè)空位相遇時(shí)，它將落入這個(gè)空位，而使兩者都消失，這一過程稱為復(fù)合，或湮沒。,1.3.1.2 點(diǎn)缺陷的運(yùn)動及平衡濃度,1.3.1 點(diǎn)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(diǎn)缺陷,2.點(diǎn)缺陷的平衡濃度 晶體中點(diǎn)缺陷的存在，一方面造成點(diǎn)陣畸變，使晶體的內(nèi)能升高，增大了晶體的熱力學(xué)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(gè)互為矛盾的因素，晶體中的點(diǎn)缺陷在一定溫度下有一定的平衡數(shù)目，這時(shí)點(diǎn)缺陷的濃度就稱為它們在該溫度下的熱力學(xué)平衡濃度。 在一定溫度下有一定的熱力學(xué)平衡濃度，這是點(diǎn)缺陷區(qū)別于其它類型晶體缺陷的重要特點(diǎn)。,1.3.1 點(diǎn)缺陷,1.3.1.3 點(diǎn)缺陷對性能的影響,點(diǎn)缺陷的存在使晶體體積膨脹，密度減小。 點(diǎn)缺陷引起電阻的增加，這是由于晶體中存在點(diǎn)缺陷時(shí)，對傳導(dǎo)電子產(chǎn)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(jìn)行的過程起著重要的作用。 金屬的擴(kuò)散、高溫塑性變形的斷裂、退火、沉淀、表面化學(xué)熱處理、表面氧化、燒結(jié)等過程都與空位的存在和運(yùn)動有著密切的聯(lián)系。 過飽和點(diǎn)缺陷（如淬火空位、輻照缺陷）還提高了金屬的屈服強(qiáng)度。,1.3.1 點(diǎn)缺陷,1.3.2 線缺陷,線缺陷就是在兩個(gè)方向上尺寸很小，在一個(gè)方向上尺寸很大的缺陷。 線缺陷是各種類型的位錯(cuò)。 位錯(cuò)是晶體內(nèi)部一種有規(guī)律的管狀畸變區(qū)。原子發(fā)生錯(cuò)排的范圍，在一個(gè)方向上尺寸較大，而另外兩個(gè)方向上尺寸較小，是一個(gè)直徑為35個(gè)原子間距，長幾百到幾萬個(gè)原子間距的管狀原子畸變區(qū)。 最簡單的位錯(cuò)是刃型位錯(cuò)和螺型位錯(cuò)。,1.3.2 線缺陷,1.3.2.1 位錯(cuò)的基本概念,1.位錯(cuò)學(xué)說的產(chǎn)生 1926年弗蘭克爾利用理想晶體的模型估算了理論切變強(qiáng)度，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相比相差34個(gè)數(shù)量級。 1934年泰勒，波朗依和奧羅萬三人幾乎同時(shí)提出晶體中位錯(cuò)的概念。 泰勒把位錯(cuò)與晶體塑變的滑移聯(lián)系起來，認(rèn)為位錯(cuò)在切應(yīng)力作用下發(fā)生運(yùn)動，依靠位錯(cuò)的逐步傳遞完成了滑移。 與剛性滑移不同，位錯(cuò)的移動只需鄰近原子作很小距離的彈性偏移就能實(shí)現(xiàn)，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(yīng)力大為減小。,1939年柏格斯提出用柏氏矢量來表征位錯(cuò)的特性，同時(shí)引入螺型位錯(cuò)。 1947年柯垂耳利用溶質(zhì)原子與位錯(cuò)的交互作用解釋了低碳鋼的屈服現(xiàn)象。 1950年弗蘭克與瑞德同時(shí)提出了位錯(cuò)增殖機(jī)制FR位錯(cuò)源。 50年代后，透射電鏡直接觀測到了晶體中位錯(cuò)的存在、運(yùn)動、增殖。,1.3.2 線缺陷,圖 理想晶體的滑移模型和刃型位錯(cuò)的滑移過程,1.3.2 線缺陷,圖 刃型位錯(cuò)與螺型位錯(cuò),2.位錯(cuò)的基本類型 位錯(cuò)可分為刃性位錯(cuò)和螺型位錯(cuò)。,1.3.2 線缺陷,（1）刃型位錯(cuò),圖 含有刃型位錯(cuò)的晶體,1.3.2 線缺陷,刃型位錯(cuò)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(cuò)線。位錯(cuò)線附近區(qū)域發(fā)生了原子錯(cuò)排，因此稱為“刃型位錯(cuò)” 。 把多余半原子面在滑移面以上的位錯(cuò)稱為正刃型位錯(cuò)，用符號“”表示，反之為負(fù)刃型位錯(cuò)，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(diǎn)陣常數(shù)；不含多余半原子面的晶體受張力，原子間距大于正常點(diǎn)陣常數(shù)。 位錯(cuò)在晶體中引起的畸變在位錯(cuò)線中心處最大，隨著離位錯(cuò)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(cuò)的特點(diǎn)： 1).刃型位錯(cuò)有一個(gè)額外的半原子面。其實(shí)正、負(fù)之分只具相對意義而無本質(zhì)的區(qū)別。 2).刃型位錯(cuò)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(cuò),1.3.2 線缺陷,3).滑移面必定是同時(shí)包含有位錯(cuò)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(cuò)中，位錯(cuò)線與滑移矢量互相垂直，因此，由它們所構(gòu)成的平面只有一個(gè)。 4).晶體中存在刃型位錯(cuò)之后，位錯(cuò)周圍的點(diǎn)陣發(fā)生彈性畸變，既有切應(yīng)變，又有正應(yīng)變。就正刃型位錯(cuò)而言，滑移面上方點(diǎn)陣受到壓應(yīng)力，下方點(diǎn)陣受到拉應(yīng)力;負(fù)刃型位錯(cuò)與此相反。 5).在位錯(cuò)線周圍的過渡區(qū)（畸變區(qū)）每個(gè)原子具有較大的平均能量。但該區(qū)只有幾個(gè)原子間距寬，畸變區(qū)是狹長的管道，所以刃型位錯(cuò)是線缺陷。,1.3.2 線缺陷,（a）立體圖； （b）頂視圖 圖 螺型位錯(cuò)的原子組態(tài),（2）螺型位錯(cuò),1.3.2 線缺陷,圖 螺型位錯(cuò)原子模型及其形成示意,1.3.2 線缺陷,螺型位錯(cuò)的結(jié)構(gòu)特征 無額外的半原子面，原子錯(cuò)排程軸對稱，分右旋和左旋螺型位錯(cuò)； 一定是直線，與滑移矢量平行，位錯(cuò)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(cuò)線的平面都可以作為它的滑移面； 位錯(cuò)周圍點(diǎn)陣也發(fā)生彈性畸變，但只有平行于位錯(cuò)線的切應(yīng)變而無正應(yīng)變，即不引起體積的膨脹和收縮； 位錯(cuò)畸變區(qū)也是幾個(gè)原子間距寬度，同樣是線位錯(cuò)。,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(cuò)線的方向(一般規(guī)定位錯(cuò)線垂直紙面時(shí)，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(cuò)線正向，回路方向按右手螺旋方向確定。 從實(shí)際晶體中任一原子出發(fā)，避開位錯(cuò)附近的嚴(yán)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(shù)、方向與上述回路一致，這時(shí)終點(diǎn)和起點(diǎn)不重合，由終點(diǎn)到起點(diǎn)引一矢量即為柏氏矢量b。,1.3.2 線缺陷,圖 刃型位錯(cuò)柏氏矢量的確定,1.3.2 線缺陷,圖 螺型位錯(cuò)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(cuò)，并表示其特征（強(qiáng)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(cuò)所引起點(diǎn)陣畸變的總積累。 通常將柏氏矢量稱為位錯(cuò)強(qiáng)度，該矢量的模|b|表示了畸變的程度，稱為位錯(cuò)的強(qiáng)度。 位錯(cuò)的許多性質(zhì)如位錯(cuò)的能量，所受的力，應(yīng)力場，位錯(cuò)反應(yīng)等均與其有關(guān)。它也表示出晶體滑移時(shí)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(cuò)的類型。 用柏氏矢量可以表示晶體滑移的方向和大小。位錯(cuò)運(yùn)動導(dǎo)致晶體滑移時(shí)，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(cuò)線具有唯一的柏氏矢量。若位錯(cuò)可分解，則分解后各分位錯(cuò)的柏氏矢量之和等于原位錯(cuò)的柏氏矢量。 位錯(cuò)具有連續(xù)性，不能中斷于晶體內(nèi)部。其存在形態(tài)可形成一個(gè)閉合的位錯(cuò)環(huán)，或連接于其他位錯(cuò)，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(cuò)的矢量圖解法,1.3.2 線缺陷,（3）混合位錯(cuò) 晶體中已滑移區(qū)與未滑移區(qū)的邊界線（即位錯(cuò)線）既不平行也不垂直于滑移方向，即滑移矢量與位錯(cuò)線成任意角度，這種晶體缺陷稱為混合型位錯(cuò)。 混合型位錯(cuò)可分解為刃型位錯(cuò)分量和螺型位錯(cuò)分量。,圖 晶體局部滑移形成混合位錯(cuò),1.3.2 線缺陷,圖 混合位錯(cuò)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(cuò) 柏矢量的模 柏矢量的模的計(jì)算就是矢量模的計(jì)算，同第一章中介紹的晶向長度計(jì)算。對于立方晶系： 位錯(cuò)的加法按照矢量加法規(guī)則進(jìn)行。,1.3.2 線缺陷,4.位錯(cuò)密度 晶體中所含位錯(cuò)的多少可用位錯(cuò)密度來表示。位錯(cuò)密度定義為單位體積晶體中所含位錯(cuò)線的總長度，其表達(dá)式為 若為了簡便起見，可把晶體中的位錯(cuò)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(cuò)密度就可被視為垂直于位錯(cuò)線的單位截面中所穿過的位錯(cuò)線數(shù)目，即,1.3.2 線缺陷,圖 晶體位錯(cuò)密度和強(qiáng)度關(guān)系示意圖,1.3.2 線缺陷,1.位錯(cuò)的滑移 位錯(cuò)沿滑移面的移動稱為滑移。,圖 位錯(cuò)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(cuò) （b）負(fù)刃型位錯(cuò) 圖 刃位錯(cuò)的滑移,1.3.2 線缺陷,當(dāng)一個(gè)刃型位錯(cuò)沿滑移面滑過整個(gè)晶體，就會在晶體表面產(chǎn)生寬度為一個(gè)柏氏矢量b的臺階，造成晶體的塑性變形。 在滑移時(shí)，刃型位錯(cuò)的移動方向一定是與位錯(cuò)線相垂直，即與其柏氏矢量相一致。 位錯(cuò)線沿著滑移面移動時(shí)，它所掃過的區(qū)域是已滑移區(qū)，而位錯(cuò)線未掃過的區(qū)域?yàn)槲椿茀^(qū)。,圖 刃型位錯(cuò)滑移導(dǎo)致晶體塑性變形的過程,1.3.2 線缺陷,（a）原始位置； （b）位錯(cuò)向左移動一個(gè)原子間距 圖 螺型位錯(cuò)滑移,1.3.2 線缺陷,圖 螺型位錯(cuò)滑移導(dǎo)致晶體塑性變形的過程,在切應(yīng)力作用下，螺型位錯(cuò)的移動方向是與其柏氏矢量相垂直。對于螺型位錯(cuò)，由于位錯(cuò)線與柏氏矢量平行，所以它不象刃型位錯(cuò)那樣具有確定的滑移面，而可在通過位錯(cuò)線的任何原子平面上滑移。如果螺型位錯(cuò)在某一滑移面滑移后轉(zhuǎn)到另一通過位錯(cuò)線的臨近滑移面上滑移的現(xiàn)象稱為交滑移。,1.3.2 線缺陷,圖 刃型位錯(cuò)與螺型位錯(cuò),1.3.2 線缺陷,由于混合位錯(cuò)可以分解為刃型和螺型兩部分，因此，不難理解，混合位錯(cuò)在切應(yīng)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(chǎn)生與其柏氏矢量相等的滑移量。,（a）位錯(cuò)環(huán) （b）位錯(cuò)環(huán)運(yùn)動后產(chǎn)生的滑移 圖 位錯(cuò)環(huán)的滑移,1.3.2 線缺陷,位錯(cuò)的滑移特征,（1）可以通過柏氏矢量和位錯(cuò)線的關(guān)系來判斷位錯(cuò)特征。bt時(shí)為刃型位錯(cuò)，bt為螺型位錯(cuò)，對于混合型位錯(cuò)，b和t的角度在0和90。 （2）位錯(cuò)的滑移面包含柏氏矢量和位錯(cuò)線。 （3）對于一根位錯(cuò)線而言，柏氏矢量是固定不變的。 （4）位錯(cuò)線不能終止于完整晶體之中。,1.3.2 線缺陷,2.位錯(cuò)的攀移 刃型位錯(cuò)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(dāng)半原子面下端的原子跳離，即空位遷移到半原子面下端時(shí)，半原子面將縮短，表現(xiàn)為位錯(cuò)向上移動，這種移動叫做正攀移。反之叫做負(fù)攀移。 位錯(cuò)攀移時(shí)伴隨著物質(zhì)的遷移，需要擴(kuò)散才能實(shí)現(xiàn)。因?yàn)榕室菩枰訑U(kuò)散，所以較之滑移所需的能量更大。對于大多數(shù)金屬，這種運(yùn)動在室溫下很難進(jìn)行。因此，位錯(cuò)攀移時(shí)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(yùn)動”，滑移則稱為“守恒運(yùn)動”。,1.3.2 線缺陷,3.位錯(cuò)運(yùn)動的交割 對于在滑移面上運(yùn)動的位錯(cuò)來說，穿過此滑移面的其它位錯(cuò)稱為林位錯(cuò)。林位錯(cuò)會阻礙位錯(cuò)的運(yùn)動，但是若應(yīng)力足夠大，滑動的位錯(cuò)將切過林位錯(cuò)繼續(xù)前進(jìn)。位錯(cuò)互相切割的過程稱為位錯(cuò)交割或位錯(cuò)交截。 一般情況下，兩個(gè)位錯(cuò)交割時(shí)，每個(gè)位錯(cuò)上都要新產(chǎn)生一小段位錯(cuò)，它們的柏氏矢量與攜帶它們的位錯(cuò)相同，它們的大小與方向決定于另一位錯(cuò)的柏氏矢量。 當(dāng)交割產(chǎn)生的小段位錯(cuò)不在所屬位錯(cuò)的滑移面上時(shí)，則成為位錯(cuò)割階，如果小段位錯(cuò)位于所屬位錯(cuò)的滑移面上，則相當(dāng)于位錯(cuò)扭折。,1.3.2 線缺陷,思考題,怎樣判斷位錯(cuò)線的移動方向？,1.3.3 面缺陷,面缺陷的定義 面缺陷：在兩個(gè)方向上尺寸很大，在一個(gè)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(jié)合的角度看，表面原子的結(jié)合鍵數(shù)也減少，因此表面原子有強(qiáng)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(nèi)部，但是正、負(fù)離子(或正、負(fù)電荷)偏離的程度不同，結(jié)果在晶體表面產(chǎn)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(nèi)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(shù)值不同，這是由于表面能的本質(zhì)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(shù)最少，故以密排面作為表面時(shí)不飽和鍵數(shù)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(yīng)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(gè)晶粒有時(shí)又由若干個(gè)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(cuò)所構(gòu)成。,圖 對稱傾斜晶界,1.3.3 面缺陷,扭轉(zhuǎn)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(gè)共同的晶面上相對扭轉(zhuǎn)一個(gè)角所構(gòu)成的，扭轉(zhuǎn)軸垂直于這一共同的晶面。 扭轉(zhuǎn)晶界的結(jié)構(gòu)可看成是由互相交叉的螺型位錯(cuò)所組成。,圖 扭轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)較復(fù)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(diǎn)陣”模型。在二維正方點(diǎn)陣中，當(dāng)兩個(gè)相鄰晶粒的位向差為37時(shí)，設(shè)想兩晶粒的點(diǎn)陣彼此通過晶界向?qū)Ψ窖由?，其中一些原子將出現(xiàn)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(diǎn)陣大的新點(diǎn)陣，通常稱為重合位置點(diǎn)陣。,圖 重合位置點(diǎn)陣模型,1.3