材料科學基礎-3晶體缺陷

1、材料科學基礎第3章 晶體缺陷合肥工業(yè)大學材料學院 宣天鵬3.1 點缺陷3.1.1 點缺陷的形成3.1.2 點缺陷的平衡濃度晶體的組態(tài)熵增值Sc=kln(N+n)!/N!n!當N和n非常大時，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，當N遠大于 n時，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 點缺陷的運動3.2 位錯 原子發(fā)生錯排時，在某一方向是幾百到上萬個原子間距，另外兩個方向僅有 3-5 個間距 位錯對金屬強度、相變影響顯著 泰勒認為位錯在切應力作用下的運動完成晶體塑性形變的滑移過程3.2.1位錯的基本類型和特征1.刃型位錯演示2. 螺型位錯J:晶體缺陷第1章動畫螺位錯.wmv演示演示刃型位錯和螺型位錯的異同點 刃型位錯 螺型位錯類型正、負左、右多余的半排原子面有無位錯線與滑移矢量關系垂直平行位錯線形狀直線、折線、曲線、環(huán)直線滑移面（由

3、位錯線與滑移矢量決定）位錯線滑移矢量構(gòu)成、唯一位錯線滑移矢量構(gòu)成、有限多位錯線運動方向與滑移矢量關系（晶體滑移方向）平行垂直應力、應變性質(zhì)有正應力（變）、切應力（變）（上半部受壓、下半部受拉）僅有切應力（變）位錯線滑移的結(jié)果在滑移面上沿滑移矢量方向產(chǎn)生一個原子間距的臺階3. 混合位錯v4.位錯的重要性質(zhì)v（1）位錯線不能中止的晶體內(nèi)部。v（2）若中止在晶體內(nèi)部，必然與其它位錯線相連。v（3）若不與其它位錯線相連，則在晶體內(nèi)部形成閉合位錯環(huán)。3.2.2 柏氏矢量1.柏氏矢量的確定刃位錯的右手法則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 位錯的運動1.刃位錯的滑移和攀移刃位錯的攀移2.螺位錯的滑移 在切應力作用下，異號位錯運動方向相反，滑移效應相同。同一滑移面上的異號位錯如果相遇，位錯消失，刃型、螺型位錯都是如此。v刃型位錯線的方向與柏氏矢量方向 垂直垂直 ，與位錯線運動方向 垂直垂直，與切應力方向垂直垂直 。最終掃出晶體，在與位錯線垂直垂直 方向上形成一個b臺階。v螺型位錯線的方向與柏氏矢

5、量方向 平行平行，與位錯線運動方向垂直垂直，與切應力方向 垂直垂直。最終掃出晶體，在與位錯線 平行平行 方向上形成一個b臺階。v刃型位錯線的攀移是半排原子面向上移或下移一個 前者稱為 ，后者稱為 ，是在 應力作用下進行的。 3.混合位錯的滑移4.位錯環(huán)的運動6.運動位錯的交截割階：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方的b相同，一般扭折可動，割階不可動。6.1兩個柏氏矢量相互垂直刃位錯的交截柏氏矢量相互垂直刃位錯交截XY對AB作用AB對XY作用產(chǎn)生臺階PPXYb2，2根位錯交截后，在位錯XY上不會產(chǎn)生割階。臺階方向b1臺階大小b1臺階柏氏矢量

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

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

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

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

10、數(shù)少于晶體內(nèi)部，表面幾層原子點陣畸變，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，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 ) ，化學吸附 ( 離子鍵、共價鍵 ) 3.3.2 晶界和亞晶界 多晶體中，每一個晶粒就相當于一個小單晶 相鄰晶粒的位向不同，交界面叫 晶粒界 ，簡稱晶界 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。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晶界中原子過于密集的區(qū)域為壓應力區(qū)，原子過于松散的區(qū)域為拉應力區(qū) v大角度晶界晶界能較高，在 0.5-0.6J/m2，與相鄰位向無關 v某些特殊位向的大角度晶界界面能很低重合位置點陣模型，兩晶粒有 1/n 原子處在重合位置，構(gòu)成 1/n 重合位置點陣 v兩個晶粒有 1/5 的原子是在另一晶粒點陣的延伸位置；重合位置構(gòu)成重合位置點陣 v晶界與重合位置點陣的密排面重合或以臺階方式與重合位置點陣的幾個密排面重合時，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粒或晶粒內(nèi)部相鄰部分沿同一個公共晶面 ( 孿晶界 ) ，構(gòu)成鏡面對稱的位向關系 孿晶界是最簡單的一種晶界 孿晶界與堆垛層錯有密切關系 共格孿晶界原子沒有錯排，不會引起彈性應變能，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)生彈性應變 和應力，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應 。v失配度 ( - )/ v失配度越大，界面位錯間距 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當晶體中存在能降低界面能的異類原子時，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