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1、金属学与热处理,Metallography & Heat Treatment 第4章 金属材料结构缺陷 主讲人：潘尧坤,知识回顾：单晶体和多晶体的区别,单晶体：在整个晶体内部原子都按照一定规律周期性规则排列。,变形金属晶粒尺寸约1100m，铸造金属可达几个mm。,多晶体：在晶体内每个局部区域里原子按周期性的规则排列，但不同局部区域之间原子的排列方向并不相同，因此多晶体也可看成由许多取向不同的小单晶体（晶粒）组成。,实际金属材料几乎都是多晶体(Multicrystal)，即由许多彼此位向不同、外形不规则的小晶体(单晶体, Single Crystal)组成，这些小晶体称为晶粒 (Grain)。,
2、纯铁组织,晶粒示意图,材料缺陷的分类：（按几何形象特征）,点缺陷（Point defect）：最简单的晶体缺陷，在结点上或邻近的微观区域内偏离晶体结构的正常排列。在空间三维方向上的尺寸都很小，约为一个、几个原子间距，又称零维缺陷。 包括空位(Vacancy)、间隙原子(Interstitial atom)、杂质(Impurity)、溶质原子(Solute atom)等。 线缺陷（Linear defect）：在一个方向上的缺陷扩展很大（尺寸很大），其它两个方向上尺寸很小，也称为一维缺陷。 主要为位错(Dislocation)。 面缺陷（Planar defect）：在两个方向上的缺陷扩展很大，
3、其它一个方向上尺寸很小，也称为二维缺陷。 包括晶界(Grain boundary)、相界(Phase boundary)、孪晶界(Twin boundary)、堆垛层错(Stacking fault)等。,4.1 空位的形成与平衡浓度,晶体中点阵结点上的原子以其平衡位置为中心作热振动，当某些原子振动能量起伏高于势垒时，将克服周围原子的制约而跳离平衡位置，使得点阵中形成空结点，称为空位。,空位产生后，其周围原子相互间的作用力失去平衡，因而它们朝空位方向稍有移动，形成一个涉及几个原子间距范围的弹性畸变区，即晶格畸变。,A. 空位 (Vacancy),空位,晶格中某些缺排原子的空结点,空位的分类 (
4、Classifications of vacancies),(a) 迁移到晶体外表面或内界面（如晶界处）的正常结点位置，使晶体内部留下空位。,(b) 跳入间隙位置，在晶体中形成数目相等的空位和间隙原子。弗兰克尔（Frenkel）缺陷,离开平衡位置的离位原子:,(c) 还可以跑到其他空位中，使空位消失或者空位移位。,肖脱基（Schottky）缺陷,B. 间隙原子 (Interstitial atom),间隙原子,挤进晶格间隙中的原子，可以是基体金属原子，也可以是外来原子。,间隙原子同样会使周围点阵产生弹性畸变，而且畸变程度要比空位引起的畸变大的多，因此，形成能大，在晶体中的浓度很低。,小置换原子
5、,大置换原子,取代原来原子位置的外来原子,C. 置换原子 (Substitutional atom),点缺陷的存在：,(a) 造成点阵畸变 系统内能升高 降低晶体的热力学稳定性。,(b) 增大原子排列的混乱程度，并改变周围原子的振动频率 系统组态熵和振动熵升高 增加晶体的热力学稳定性,在一定温度下具有一定的平衡浓度,没有任何缺陷的完整晶体在热力学上是最稳定的么？,设在1个含有N个阵点的晶体点阵中引进n个空位，则体系的自由能变化为 令：形成一个空位所需能量为Ev，当含有n个空位时，其内能增加为E=nEv，振动熵的改变为nSv，体系结构熵（或称组态熵、排列熵）的改变为Sc，则自由能的变化为,4.1
6、.1 空位的平衡浓度,结构熵（组态熵） 几个空位在点阵中可以有许多种不同的几何排列方式， Sc可由S=kln确定。为构成某种宏观状态中微观可以存在的组态数目。 在N个点阵上，n个空位的引入，可能的原子排列方式有Wn个：,在N个阵点的晶体系统中，有n个空位，其结构熵变 Sc=S(n个空位)-S(0个空位)=klnn-kln0=klnn，n=Wn,N和n的值非常大，用斯特林近似 得：,可得Sc0，表明，增加空位过程，结构熵增加，有利于过程进行。为什么？,振动熵 据统计力学，增加1个空位所引起的周围原子振动熵的改变值的近似式为 为空位周围的原子的最终频率，为这些原子的初始频率。空位有增加其周围原子的
7、振动振幅和减少振动频率的趋势。故/1，S0，表明，增加空位过程，振动熵增加，亦有利于过程进行。为什么？ 实验研究表明，对不同材料的各种晶体结构S值相差不大。,据G=nE-T(nS+Sc)绘图,ne,平衡时自由能最小，求导，即 则空位在T温度时的空位平衡浓度C为： 其中， k为波尔兹曼常数（1.38x10-23 J/K或8.62x10-5 eV/K) 类似地，间隙原子平衡浓度C ：,G,一些常见金属的熔点和空位形成能（EV/eV）,金属熔点越高，空位形成能越大，空位数越少,一般地，晶体中间隙原子的形成能比空位的形成能大3-4倍，间隙原子的量与空位相比可以忽略。 例如： Cu的空位形成能为1.71
8、0-19J，间隙原子的形成能为4.810-19J，A取1。在1273K时，空位的平衡浓度C10-4，间隙原子的C10-14， C/C 1010。 所以间隙原子可忽略不计。 形成1个空位的形成能1eV形成1mol空位的形成能约100 kJ/mol,由于热振动中的能量起伏促使原子脱离点阵位置而形成的点缺陷。 这是晶体内原子热运动的内部条件决定的。,改变外部条件形成的点缺陷，包括高温淬火、冷变形加工、高能粒子辐照等，这时的点缺陷浓度超过了平衡浓度，称为过饱和点缺陷 。,平衡点缺陷 (Thermal equilibrium point defect),过饱和点缺陷 (Supersaturated po
9、int defect),点缺陷的产生,点缺陷的运动产生的影响： 晶体中的原子正是由于空位和间隙原子不断的产生和复合，才不停地由一处向另一处作无规则的布朗运动，这就是晶体中原子的自扩散。它是固态相变、表面化学热处理、蠕变、烧结的基础。 晶体结构的变化：晶格畸变（如空位引起晶格收缩，间隙原子引起晶格膨胀，置换原子可引起收缩或膨胀。） 晶体性能的变化：物理性能（如电阻率增大，密度减小） 力学性能（屈服强度提高） 原子自扩散激活能相当于空位形成能与迁移能的总和。,4.1.2 空位的力学行为,空位迁移能Em,4.2 位错 Dislocation,线缺陷各种类型的位错。它是指晶体中的原子发生了有规律的错排
10、现象。 其特点是原子发生错排的范围只在一维方向上很大，是一个直径为35个原子间距，长数百个原子间距以上的管状原子畸变区。 位错是一种极为重要的晶体缺陷，对金属强度、塑性变形、扩散和相变等有显著影响。 位错基本类型：刃型位错、螺型位错和混合位错。,Dislocations in Titanium alloy TEM 51450 x,4.2.1 位错（Dislocation）理论的提出,起源：塑性变形(plastic deformation)滑移痕迹 滑移线-滑移(slip) 最初模型：“刚性相对滑动模型” 近似计算临界切应力 tm = G/2 (G 晶体切变模量） 一般工程用金属的切变模量约为：
11、104105MPa 金属的理论临界切应力： 103104MPa 金属的实际屈服强度： 110MPa 1934年，Taylor、Orowan、Polanyi提出“位错模型”， 滑移是通过称为位错的运动而进行的。 1950年代后，位错模型为实验所验证 现在，位错是晶体性能研究中最重要的概念 被广泛用来研究固态相变、晶体光、电、声、磁、热力学，表面及催化等。,相差3-4个数量级 即1千至1万倍,4.2.2 位错的基本类型和特征,刃型位错 (Edge dislocation),螺型位错 (Screw dislocation),位错是原子排列的一种特殊组态。,根据几何结构,混合位错 (Mixed dis
12、location),A. 刃型位错 （Edge dislocation）,刃型位错：当一个完整晶体某晶面以上的某处多出半个原子面，该晶面象刀刃一样切入晶体，这个多余原子面的边缘就是刃型位错。 半原子面在滑移面以上的称正位错，用“”表示。 半原子面在滑移面以下的称负位错，用“”表示。,刃型位错,刃型位错的特点,A. 若额外半原子面位于晶体的上半部，则此处的位错线称为正刃型位错（ ），反之，则称为负刃型位错（ ）。两者没有本质区别。 B. 刃型位错线可以理解为已滑移区和未滑移区的分界线，它不一定是直线。,刃形位错平面示意图 正刃型位错；负刃型位错,C. 滑移面是同时包括位错线和滑移矢量的平面，刃型
13、位错的位错线和滑移矢量互相垂直，一个刃型位错所构成的滑移面只有一个； D. 位错的存在使得位错周围的点阵发生弹性畸变，既有切应变，又有正应变。对正刃型位错而言，位错线上、下部临近范围内原子受到压应力、拉应力, 离位错线较远处原子排列恢复正常； E. 在位错线周围的畸变区内，每个原子具有较大的平均能量。这个区域只有几个原子间距宽，是狭长的管道，所以刃型位错是线缺陷。,电子显微镜下的位错,b,b,a,a,B. 螺型位错 (Screw dislocation),螺型位错：位错附近的原子是按螺旋形排列的。 位错线（bb、BC）：已滑移区和未滑移区的分界线。 畸变区（aabb）：约几个原子间距宽、上下层
14、原子位置不相吻合的过渡区，原子的正常排列遭破坏。螺型位错也是线缺陷。,螺型位错的特点：,A.螺型位错无额外半原子面，原子错排呈轴对称。 B.根据位错线附近呈螺旋形排列的原子的旋转方向不同，可分为右旋和左旋螺型位错。,C.螺型位错的位错线与滑移矢量平行，因此一定是直线；位错线的移动方向与晶体滑移方向互相垂直。 D.纯螺型位错的滑移面不是唯一的；凡包含位错线的平面都可作为滑移面；一般，滑移通常在原子密排面上进行，故也有限。,螺型位错的特点：,E.螺型位错周围的点阵发生弹性畸变，只有平行于位错线的切应变，无正应变，故不会引起体积膨胀和收缩。 F.螺型位错周围的点阵畸变随离位错线距离的增加而急剧减少，
15、故也是几个原子宽度的线缺陷。,C. 混合位错 (Mixed dislocation),混合位错：一种更为普遍的位错形式，其滑移矢量既不平行也不垂直于位错线，而与位错线相交成任意角度。可看作是刃型位错和螺型位错的混合形式。,混合位错线是一条曲线； 在A处，位错线与滑移矢量 平行，故为螺型位错； 在C处，位错线与滑移矢量垂直，因此是刃型位错； 在A与C间位错线：既不垂直也不平行于滑移矢量，其中每一小段位错线都可分解为刃型和螺型两个分量。,混合位错的特点：,Edge,Edge,Screw,Screw,因位错线是已滑移区和未滑移区的边界线，因此，位错具有一个很重要的性质，即位错线不能终止于晶体内部，而
16、只能露头于晶体表面（或晶界）；,位错线若终止于晶体内部，则必与其他位错线相连接，或形成封闭的位错环。,晶体中的位错环,4.2.3 位错的伯氏矢量 Burgers vector,柏氏矢量 b: 用于表征不同类型位错特征的一个物理参量，是决定晶格偏离方向与大小的向量，可揭示位错的本质，是1939年柏格斯(J.M. Burgers）提出采用柏氏回路来定义的。,1. 柏氏矢量的确定：伯氏回路P128,1）选定位错线的正向：由里向外、由右向左、由下向上。 2）在实际晶体中，从任一原子出发，围绕位错以一定的步数作一右旋闭合回路，称为柏氏回路；选取时要避开严重的位错畸变区 ，用右手螺旋定则。 3) 在完整晶体中按同样方法和步数作相应的回路，该回路不闭合，由终点向起点引一矢量b，使该回路闭合。矢量b就是该位错的柏氏矢量。,柏氏回路MNOPQ,M,N,O,P,Q,N,O,P,Q,M,b垂直于位错线,b,M,N,O,P,Q,
