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1、1 晶体结构小结 原子结构与原子结合 原子结合方式决定了其结构 基本概念和分类 晶体学基础 晶体学基本概念 晶向和晶面标定 纯金属的晶体结构 BCC FCCandHCPcharacteristics 堆垛和间隙 合金的晶体结构 solidsolutionandintermetalliccompounds 基本概念 1st 2 理想金属 实际金属材料中 由于原子 分子或离子 的热运动 晶体的形成条件 加工过程 杂质等因素的影响 使得实际晶体中原子的排列不再规则 完整 存在各种偏离理想结构的情况 BCC FCC HCP 规则排列 晶体缺陷对晶体的性能 扩散 相变等有重要的影响 3 第三章晶体缺陷C
2、rystalDefectsorImperfections 4 实际金属材料几乎都是多晶体 即由许多彼此方位不同 外形不规则的小晶体 单晶体 组成 这些小晶体称为晶粒grains 纯铁组织 晶粒示意图 5 单晶体和多晶体的区别 单晶体 是指在整个晶体内部原子都按照周期性的规则排列 单晶体 6 变形金属晶粒尺寸约1 100 m 铸造金属可达几个mm 多晶体 是指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 7 缺陷的分类 根据缺陷的几何特征 点缺陷 Pointdefects 最简单的晶体缺陷 在结点上
3、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vacancies 间隙原子interstitialatoms 杂质impurities 溶质原子solutes等 线缺陷 Lineardefects 在一个方向上的缺陷扩展很大 其它两个方向上尺寸很小 也称为一维缺陷 主要为位错dislocations 面缺陷 Planardefects 在两个方向上的缺陷扩展很大 其它一个方向上尺寸很小 也称为二维缺陷 包括晶界grainboundaries 相界phaseboundaries 孪晶界twinboundaries 堆垛层错s
4、tackingfaults等 8 3 1点缺陷Pointdefects 指空间三维尺寸都很小的缺陷 9 1 Formationsofpointdefects 晶体中点阵结点上的原子以其平衡位置为中心作热振动 当振动能足够大时 将克服周围原子的制约 跳离原来的位置 使得点阵中形成空结点 称为空位vacancies 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vacancies 空位 晶格中某些缺排原子的空结点 10 Classificationsofvacancies 迁移到晶体表面或内表面的正常结点位置
5、 使晶体内部留下空位 挤入间隙位置 在晶体中形成数目相等的空位和间隙原子 离开平衡位置的原子 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 弗兰克尔 Frenkel 缺陷 11 B 间隙原子interstitialatoms 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 12 小置换原子 大置换原子 取代原来原子位置的外来原子 C 置换原子substitutionalatoms 13 点缺陷破坏了原子的平衡状态 使晶格发生扭曲
6、称晶格畸变 从而使强度 硬度提高 塑性 韧性下降 电阻升高 密度减小等 点缺陷对晶体性能的影响 14 由于热起伏促使原子脱离点阵位置而形成的点缺陷称为热平衡缺陷 thermalequilibriumdefects 这是晶体内原子热运动的内部条件决定的 另外 可通过改变外部条件形成点缺陷 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 称为过饱和的点缺陷 supersaturatedpointdefects 15 点缺陷的存在 造成点阵畸变 系统内能升高 降低晶体的热力学稳定性 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
7、定性 Contradictory 16 恒温下 系统的自由能其中U为内能 S为总熵值 包括组态熵Sc和振动熵Sf T为绝对温度设由N个原子组成的晶体中含有n个空位 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 U n Ev 组态熵的改变为 Sc 振动熵的改变为n Sf 自由能的变化为 点缺陷的平衡浓度 17 平衡时自由能最小 即对T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 23J K或8 62x10 5eV K 类似地 间隙原子平衡浓度C 18 Example Pleasecalculatetheequilibriumnumberofva
8、canciespercubicmeterforcopper Cu at1000oC Theenergyforvacancyformation Ev is0 9eV atom theatomicweight MCu anddensity at1000oC forcopperare63 5g moland8 4g cm3 respectively Solution 根据空位平衡浓度公式C n N Aexp Ev kT 每立方米铜中的空位数 1000oC即1273K 为n Nexp Ev kT 2 2x1025vacancies m3其中k为Boltzman sconstant 1 38x10 23
9、J K或8 62x10 5eV K 按A 1考虑 19 一般 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 7 10 19J 间隙原子的形成能为4 8 10 19J 在1273K时 空位的平衡浓度C 10 4 间隙原子的C 10 14 C C 1010 所以间隙原子可忽略不计 1eV 100kJ mol 20 3 点缺陷的运动 必然性 在一定温度下 点缺陷数目 浓度 一定 并处于不断的运动过程中 是一个动态平衡 迁移 晶格上的原子由于热运动 跳入空位中 形成另一个空位 原来空位消失 这一过程可以看作空位的移动 即空位迁移 同样 间隙
10、原子可从一个位置移动到另一个位置 形成间隙原子迁移 复合 间隙原子落入空位 使两者都消失 由于要求一定温度下的点缺陷平衡浓度保持一定 因此 又会产生新的间隙原子 空位 21 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 晶体性能的变化 体积 光学 磁性 导电性等改变 如体积膨胀 密度降低等 22 3 2线缺陷Lineardefects 晶体中的位错dislocations 当晶格中一部分晶体相对于另一部分晶体发生局部滑移时 滑移面上滑移区与未滑移区的
11、交界线称作位错 23 位错Dislocations 线缺陷就是各种类型的位错 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3 5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 位错包括两种基本类型 刃型位错和螺型位错 DislocationsinTitaniumalloyTEM51450 x 24 位错 Dislocation 理论的发展 起源 塑性变形 plasticdeformation 滑移 slip 滑移线最初模型 刚性相对滑动模型 计算临界切应力tm
12、G 30 G 切变模量 纯Fe的切变模量约为 100GPa纯Fe的理论临界切应力 约3000MPa纯Fe的实际屈服强度 1 10MPa1934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 25 3 2 1 位错的基本类型和特征 刃型位错edgedislocation 螺型位错screwdislocation 位错是原子排列的一种特殊组态 根据几何结构 混合位错mixeddislocation
13、26 A 刃型位错edgedislocation 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 27 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 28 C 滑移面是同时包括位错线和滑移矢量的平面 刃型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
14、错周围的点阵发生弹性畸变 即有切应变 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 29 电子显微镜下的位错 30 点缺陷 在一定温度下具有一定的平衡浓度C n N e Ev kT 刃型位错 螺型位错 点缺陷的运动 自扩散 线缺陷 2nd 31 刃型位错的特点 A 若额外半原子面位于晶体的上半部 则称为正刃型位错 反之 为负刃型位错 两者没有本质区别 B 刃型位错线不一定是直线 C 一个刃型位错所构成的滑移面只有
15、一个 由于刃型位错线与滑移矢量垂直 D 位错的存在使得位错周围的点阵发生弹性畸变 即有切应变 又有正应变 E 位错线周围的畸变区只有几个原子间距宽 是狭长的管道 故线缺陷 32 B 螺型位错screwdislocation 螺型位错 位错附近的原子是按螺旋形排列的 位错线 bb 已滑移区和未滑移区的分界线 畸变区 aa b b 约几个原子间距宽 上下层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 b b a a 33 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 34 C 螺型位
16、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 位错在原子密排面上进行 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 所以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 故也是几个原子宽度的线缺陷 螺型位错的特点 35 C 混合位错mixeddislocation 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 36 A 混合位错线是一条曲线 B 位错线不能终止于晶体内部 而只能露头于晶体表面 晶界 C 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 混合位错的特点 37 位错环 Edge Edge Screw Screw 38 3 2 2 伯氏矢量Burgersvector 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 Burger
