第一章第三節(jié)實(shí)際金屬的晶體結(jié)構(gòu)

第一章第三節(jié)實(shí)際金屬的晶體結(jié)構(gòu)第1頁(yè)，課件共45頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月前面討論的晶體是所謂的理想晶體，即原子或分子在空間呈絕對(duì)規(guī)則的排列。但實(shí)際上晶體的某些區(qū)域總是存在原子或分子的不規(guī)則排列，這就是晶體結(jié)構(gòu)缺陷，以下簡(jiǎn)稱晶體缺陷。

晶體缺陷對(duì)晶體的性能和物理化學(xué)變化(如強(qiáng)度、塑性、擴(kuò)散、固態(tài)相變等)都有著重大的影響。引言第2頁(yè)，課件共45頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月晶體結(jié)構(gòu)缺陷的類型缺陷的類型點(diǎn)缺陷線缺陷面缺陷其特點(diǎn)：在三維方向上的尺寸都很小，缺陷的尺寸處在一、兩個(gè)原子大小的級(jí)別，又稱零維缺陷。其特點(diǎn)：僅在一維方向上的尺寸較大，而另外二維方向上的尺寸都很小，故也稱一維缺陷，通常是指位錯(cuò)。其特點(diǎn)：僅在二維方向上的尺寸較大，而另外一維方向上的尺寸很小，故也稱二維缺陷。第3頁(yè)，課件共45頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月點(diǎn)缺陷

間隙原子、空位、置換原子面缺陷晶體表面、晶界、相界面等線缺陷位錯(cuò)（刃型、螺旋）第4頁(yè)，課件共45頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月晶體中的各種點(diǎn)缺陷1—大置換原子2—肖脫基空位3—異類間隙原子4—復(fù)合空位5—弗蘭克爾空位6—小的置換原子

點(diǎn)缺陷第5頁(yè)，課件共45頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1空位形成原因：原子的熱運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致能量起伏，使一些原子脫離原有位置遷移到別處，在原位形成空結(jié)點(diǎn)。脫離平衡位置的原子去處：移至表面——肖脫基空位間隙——弗蘭克爾空位其它空位處——使空位變換位置┕是一種熱平衡缺陷空位第6頁(yè)，課件共45頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月肖脫基空位肖脫基空位:如原子在熱起伏過程中獲得足夠能量離開平衡位置，跳躍到晶體的表面，在原位置上留下空位，這種缺陷稱為肖脫基空位。┕金屬中大部分為此空位。第7頁(yè)，課件共45頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月弗蘭克爾空位：

在晶格內(nèi)原子熱振動(dòng)時(shí)，一些能量足夠大的原子離開平衡位置后，進(jìn)入晶格點(diǎn)的間隙位置，變成間隙原子，而在原來的位置上形成一個(gè)空位，這種缺陷稱為弗蘭克爾空位。弗蘭克爾缺陷第8頁(yè)，課件共45頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月處于不斷的運(yùn)動(dòng)、消失和形成過程中遇到周圍空位換位遷移至晶體表面消失遇到間隙原子消失空位的移動(dòng)：空位的移動(dòng)abcdef第9頁(yè)，課件共45頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月空位的濃度:溫度↑，濃度↑；溫度↓，濃度↓。但空位的平衡濃度是很小的(如銅：一般為10-5數(shù)量級(jí))。濃度隨溫度變化而改變?cè)诳瘴恢車脑訒?huì)偏離平衡位置出現(xiàn)彈性畸變區(qū)。

┕晶格畸變空位引起的晶格畸變第10頁(yè)，課件共45頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2間隙原子處于晶格間隙中的原子

間隙原子可以為晶格中的原子（發(fā)生嚴(yán)重晶格畸變），也可能為異類原子(如：H、N、C、B等，晶格畸變較空位嚴(yán)重）。間隙原子也是一種熱平衡缺陷

┕平衡濃度為固溶度或溶解度┕產(chǎn)生晶格畸變第11頁(yè)，課件共45頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月如果間隙原子是其它元素就稱為異類原子

（雜質(zhì)原子）間隙原子間隙原子引起的晶格畸變第12頁(yè)，課件共45頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3置換原子占據(jù)原來基體原子平衡位置的異類原子產(chǎn)生晶格畸變是一種熱平衡缺陷

┕平衡濃度為固溶度或溶解度（比間隙原子的固溶度要大得多）三種點(diǎn)缺陷均為熱平衡缺陷，均造成晶格畸變，對(duì)金屬的性能產(chǎn)生影響。小原子置換引起的晶格畸變第13頁(yè)，課件共45頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

線缺陷線缺陷：即位錯(cuò)(分為刃型位錯(cuò)和螺旋位錯(cuò))。它是指晶體中的原子發(fā)生了有規(guī)律的錯(cuò)排現(xiàn)象。特點(diǎn)：原子發(fā)生錯(cuò)排的范圍只在一維方向上很大，直徑為3～5個(gè)原子間距，長(zhǎng)數(shù)百個(gè)原子間距以上的管狀原子畸變區(qū)。第14頁(yè)，課件共45頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1刃型位錯(cuò)形成及定義：晶體在大于屈服值的切應(yīng)力τ作用下，以ABCD面為滑移面發(fā)生滑移?；坪螽a(chǎn)生額外半原子面EFGH，EF是晶體已滑移部分和未滑移部分的交線，EF線猶如砍入晶體的一把刀的刀刃，即刃位錯(cuò)(或棱位錯(cuò))。ABCDEFGH刃型位錯(cuò)示意圖第15頁(yè)，課件共45頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月刃型位錯(cuò)分類:正刃位錯(cuò)：額外半原子面位于晶體的上半部，“┻”負(fù)刃位錯(cuò)：額外半原子面位于晶體的下半部，“┳”正刃位錯(cuò)負(fù)刃位錯(cuò)第16頁(yè)，課件共45頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月刃型位錯(cuò)的重要特征：①刃型位錯(cuò)有一額外半原子面②位錯(cuò)線是一個(gè)具有一定寬度的細(xì)長(zhǎng)晶格畸變管道，既有切應(yīng)變，又有正應(yīng)變，對(duì)于正刃型位錯(cuò)，滑移面之上晶格受到壓應(yīng)力，滑移面之下受到拉應(yīng)力。負(fù)刃型位錯(cuò)與此相反。注意：額外半原子面不一定是平面，可以是曲面。但是位錯(cuò)線一定是垂直于滑移方向的，這是刃型位錯(cuò)的特征之一。③位錯(cuò)線與晶體的滑移方向相垂直，位錯(cuò)線運(yùn)動(dòng)的方向垂直于位錯(cuò)線。第17頁(yè)，課件共45頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月ABCDττDADDAD位錯(cuò)線形成及定義：晶體在外加切應(yīng)力τ作用下，沿ABCD面滑移，由于位錯(cuò)線EF周圍的一組原子面形成了一個(gè)連續(xù)的螺旋形坡面，故稱為螺型位錯(cuò)。圖中EF線為已滑移區(qū)與未滑移區(qū)的分界處。2螺型位錯(cuò)EF第18頁(yè)，課件共45頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月分類：有左螺旋和右螺旋。根據(jù)螺旋面旋轉(zhuǎn)方向，符合右手法則（即以右手拇指代表螺旋面前進(jìn)方向，其他四指代表螺旋面的旋轉(zhuǎn)方向）的稱為右旋螺型位錯(cuò)。符合左手法則的稱為左旋螺型位錯(cuò).MQPON左旋螺型位錯(cuò)ABCDττDADDAD右旋螺型位錯(cuò)第19頁(yè)，課件共45頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月螺型位錯(cuò)的重要特征：①螺型位錯(cuò)沒有額外半原子面。②位錯(cuò)線是一個(gè)具有一定寬度的細(xì)長(zhǎng)晶格畸變管道，其中只有切應(yīng)變，沒有正應(yīng)變。③位錯(cuò)線EF與晶體的滑移方向相平行。位錯(cuò)線運(yùn)動(dòng)的方向垂直于位錯(cuò)線。位錯(cuò)線運(yùn)動(dòng)方向位錯(cuò)線FE第20頁(yè)，課件共45頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月刃型位錯(cuò)與螺型位錯(cuò)的區(qū)別：—螺型位錯(cuò)沒有額外半原子面，而刃型位錯(cuò)有；—螺型位錯(cuò)只有切應(yīng)變，沒有正應(yīng)變，而刃型位錯(cuò)均有；—螺型位錯(cuò)的位錯(cuò)線與晶體的滑移方向相平行，而刃型位錯(cuò)則垂直?！行臀诲e(cuò)的滑移面是唯一的，而螺型位錯(cuò)可以從一個(gè)滑移面滑移到另一個(gè)滑移面。第21頁(yè)，課件共45頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月⑴在實(shí)際晶體中，從距離位錯(cuò)一定距離的任一原子M出發(fā)，以到相鄰原子為一步，沿逆時(shí)針方向環(huán)繞位錯(cuò)線作一閉合回路，稱之為柏氏回路。⑵在完整晶體中以同樣方向和步數(shù)作回路，但未封閉。⑶由完整晶體的回路終點(diǎn)Q到始點(diǎn)M引一矢量b，使該回路閉合，矢量b即為柏氏矢量。3柏氏矢量柏氏矢量的確定方法：P24圖1-36柏氏矢量：既可表示位錯(cuò)的性質(zhì)，也可表示晶格畸變的大小和方向。第22頁(yè)，課件共45頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月從柏氏回路可知：刃型位錯(cuò)的柏氏矢量與其位錯(cuò)線相垂直

—刃位錯(cuò)的重要特征刃型位錯(cuò)柏氏矢量的確定第23頁(yè)，課件共45頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月從柏氏回路可知：螺型位錯(cuò)的柏氏矢量與其位錯(cuò)線相平行

—螺位錯(cuò)的重要特征位錯(cuò)線柏氏矢量螺旋位錯(cuò)柏氏矢量的確定第24頁(yè)，課件共45頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月柏氏矢量的特征：⑴可判定位錯(cuò)性質(zhì)：位錯(cuò)線⊥柏氏矢量—刃型位錯(cuò)線∥柏氏矢量—螺旋型⑵描述了晶格畸變總量的大小b與晶體滑移的方向，即指出了滑移后晶體上下部相對(duì)位移的大小與方向。⑶一條位錯(cuò)線的柏氏矢量是恒定不變的。⑷對(duì)于一個(gè)位錯(cuò)來說，同時(shí)包含位錯(cuò)線和柏氏矢量的晶面是潛在的滑移面。第25頁(yè)，課件共45頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月在外力τ作用下，晶體兩部分之間發(fā)生相對(duì)滑移，在晶體內(nèi)部已滑移和未滑移部分的交線既不垂直也不平行滑移方向，而是一條曲線，它是刃型位錯(cuò)與螺旋位錯(cuò)的混合型，這樣的位錯(cuò)稱為混合位錯(cuò)。位錯(cuò)線上任意一點(diǎn)，經(jīng)矢量分解后，可分解為刃位錯(cuò)和螺位錯(cuò)分量。晶體中位錯(cuò)線的形狀可以是任意的，但位錯(cuò)線上各點(diǎn)的伯氏矢量相同，只是各點(diǎn)的刃型、螺型分量不同而已。4混合位錯(cuò)（實(shí)際晶體中常見）第26頁(yè)，課件共45頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月A處為螺型位錯(cuò)（位錯(cuò)線與b平行）C處為刃型位錯(cuò)（位錯(cuò)線與b垂直）AC之間為混合位錯(cuò)CbθA（a）混合位錯(cuò)τABCb（b）混合位錯(cuò)分解為刃位錯(cuò)和螺位錯(cuò)示意圖θb螺位錯(cuò)線b混b刃第27頁(yè)，課件共45頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月5位錯(cuò)的性質(zhì)—已滑移區(qū)與未滑移區(qū)的邊界線就是位錯(cuò)線。—位錯(cuò)線不能終止于晶體內(nèi)部，只能露頭于晶體表面或晶界上，或與其它位錯(cuò)線相連接、或自成封閉線.→位錯(cuò)線的連續(xù)性?！厥鲜噶颗c位錯(cuò)線垂直的位錯(cuò)是刃型位錯(cuò)，分為正、負(fù)刃型位錯(cuò)?！厥鲜噶颗c位錯(cuò)線平行的位錯(cuò)是螺型位錯(cuò)，分為左、右旋螺位錯(cuò)。第28頁(yè)，課件共45頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月定義：?jiǎn)挝惑w積內(nèi)位錯(cuò)線包含的總長(zhǎng)度（或穿過單位截面積的位錯(cuò)線數(shù)目）

ρ=l/V

式中l(wèi)為晶體長(zhǎng)度，n為位錯(cuò)線數(shù)目，s晶體截面積。一般退火金屬晶體中

為1010~1012cm-2數(shù)量級(jí)，經(jīng)劇烈冷加工的金屬晶體中，

為1015~1016cm-2，即在cm3的金屬內(nèi)含有千百萬公里長(zhǎng)的位錯(cuò)線！6位錯(cuò)密度位錯(cuò)的存在對(duì)金屬的力學(xué)性能、擴(kuò)散和相變有重要影響。第29頁(yè)，課件共45頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月金屬?gòu)?qiáng)度和位錯(cuò)的關(guān)系1—理論強(qiáng)度(不含位錯(cuò))2—晶須強(qiáng)度(幾乎不含位錯(cuò)的小晶體，變形抗力極高)3—未強(qiáng)化純金屬?gòu)?qiáng)度（或退火狀態(tài)）4—合金化、加工硬化或熱處理的合金強(qiáng)度晶體塑性變形抗力與位錯(cuò)密度的關(guān)系位錯(cuò)密度強(qiáng)度ρm1234晶須中：ρ=10m/cm3——位錯(cuò)密度很小金屬鐵須晶(直徑1.6μm)：13400MPa，退火工業(yè)純鐵：300MPa，強(qiáng)化處理合金鋼：2000MPa。第30頁(yè)，課件共45頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月(1)理論上：位錯(cuò)的存在是材料具有良好塑性變形的前提；——低密度位錯(cuò)利于強(qiáng)度的提高。(2)實(shí)際中：位錯(cuò)密度較低時(shí)，↑ρ則σ↓，如：晶須

——無工業(yè)實(shí)際意義

位錯(cuò)密度較高時(shí)，↑ρ則σ↑

——工業(yè)意義：形變強(qiáng)化、馬氏體相變強(qiáng)化位錯(cuò)的產(chǎn)生：在金屬結(jié)晶、塑性變形和相變過程中。位錯(cuò)的觀察：X透射電鏡等。金屬?gòu)?qiáng)度和位錯(cuò)的關(guān)系：第31頁(yè)，課件共45頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

面缺陷影響表面能的主要因素有：（1）外部介質(zhì)的性質(zhì)介質(zhì)不同，表面能不同（2）裸露晶面的原子密度密排晶面，表面能?。?）晶體表面的曲率曲率半徑越小，表面能越大1晶體表面表現(xiàn)形式：處于晶體表面層原子受力不均，偏離平衡位置，并牽連鄰近幾層原子產(chǎn)生畸變，表面能升高。主要包括晶體外表面和內(nèi)界面(晶界、亞晶界、相界、堆垛層錯(cuò))。指金屬與真空或氣體、液體等外部介質(zhì)相接觸的界面。第32頁(yè)，課件共45頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2晶界⑴小角度晶界

晶界與界面能：晶界是成分結(jié)構(gòu)相同的同種晶粒間的界面。界面上的原子處在斷鍵狀態(tài)，具有超額能量。在界面單位面積上平均的超額能量叫界面能。θ對(duì)稱傾斜晶界晶界的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)與相鄰晶粒的取向差有關(guān)，當(dāng)取向差θ小于10o時(shí)，稱為小角度晶界。它由兩個(gè)晶粒各傾斜θ/2構(gòu)成的一系列位錯(cuò)組成(或稱為位錯(cuò)墻)。根據(jù)形成晶界時(shí)的行為不同，晶界分為對(duì)稱傾斜晶界和扭轉(zhuǎn)晶界。第33頁(yè)，課件共45頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月傾斜晶界扭轉(zhuǎn)晶界晶界上的原子排列由相互交叉的螺旋位錯(cuò)組成第34頁(yè)，課件共45頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月ABDC大角晶界模型⑵大角度晶界

相鄰晶粒間的位向差大于10°的晶界。大約2~3個(gè)原子厚，原子排列較混亂，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，由原子排列紊亂區(qū)域與原子排列較整齊區(qū)域交替相間而成。

即在界面上既包含不屬于任意晶粒度原子A，也包含同時(shí)屬于兩個(gè)晶粒度原子D；既包含有壓縮區(qū)B，也包含有擴(kuò)張區(qū)C。第35頁(yè)，課件共45頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月晶粒內(nèi)部位向差小于2°的亞結(jié)構(gòu)，也稱亞晶粒，亞晶之間的界面，稱為亞晶界。

通常由位錯(cuò)構(gòu)成，為小角度晶界。3亞晶界金屬中的亞晶組織金屬晶粒內(nèi)的結(jié)構(gòu)示意圖第36頁(yè)，課件共45頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月亞晶界通常由位錯(cuò)構(gòu)成

亞晶界模型第37頁(yè)，課件共45頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月晶體結(jié)構(gòu)可以看成由許許多多密排晶面按一定順序堆垛而成。堆垛層錯(cuò)：是指在實(shí)際晶體中晶面堆垛順序發(fā)生局部差錯(cuò)而產(chǎn)生的一種晶體缺陷。4堆垛層錯(cuò)面心立方易發(fā)生：正常順序?yàn)锳BCABCABC異常順序可能為ABCABABCABC

┕引起能量（層錯(cuò)能）升高原因是：晶體的周期性完整性被破壞，從而引起能量升高。奧氏體和α黃銅中存在大量層錯(cuò)，而鋁中則看不到層錯(cuò)。原因是：鋁的層錯(cuò)能大，不易產(chǎn)生層錯(cuò)。第38頁(yè)，課件共45頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月金屬材料內(nèi)部的晶粒(a)固溶處理的1Cr18Ni9Ti不銹鋼中同一類的等軸晶粒（600×）(b)黃銅H62（62%Cu,38%Zn)的兩種晶粒（120×）相界晶界5相界不同晶體結(jié)構(gòu)的兩相之間的分界面第39頁(yè)，課件共45頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月完全共格關(guān)系的相界半共格界面示意圖非共格界面示意圖相界面結(jié)構(gòu)類型:共格界面、半共格界面、非共格界面。共格界面:

界面上的原子同時(shí)位于兩相晶格的結(jié)點(diǎn)上，為兩種晶格所共有。完全共格能量最低，畸變最小，但此相界很少。或多或少都存在差異，存在彈性畸變。非共格界面：界面兩邊原子排列差異很大，彈性畸變大，界面能很高，畸變能高至無法維持共格關(guān)系。第40頁(yè)，課件共45頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月⑴晶界有界面能。原因是晶界原子或多或少地偏離平衡位置。晶粒越細(xì)晶界越多，能量越高，越不穩(wěn)定。在一定的溫度下，為降低能量、減少晶界長(zhǎng)度，晶粒有長(zhǎng)大的趨勢(shì)。⑵相變時(shí)新相晶核往往優(yōu)先在界面上形成。原因是晶界上空位、位錯(cuò)等缺陷較多，原子擴(kuò)散速度較快。αγ6晶界特性第41頁(yè)，課件共45頁(yè)，創(chuàng)作于2023