材料科学基础课件--河北工大

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1、河北工业大学材料学院,1,理想晶体：原子完全规则地排列的晶体。 晶体缺陷：晶体中部分原子排列偏离理想状态， 局部产生不规则、不完整的原子排列。 晶体缺陷产生的原因：原子的热振动、晶体形成条件限制、施加的外部条件等。,河北工业大学材料学院,2,晶体缺陷的分类,实际晶体存在晶体缺陷，按照几何特点这些缺陷可以分为三大类 点缺陷缺陷在各方向的延伸都很小,亦称零维缺陷。如空位、间隙原子、杂质原子等。 线缺陷缺陷只在一个方向延伸或称一维缺陷。如位错。 面缺陷缺陷在二个方向延伸,或称二维缺陷。如表面、晶界、相界等。,根据对理想晶体偏离的几何位置来分，有三类,空 位,间 隙 原 子,杂 质 原 子,正常结点位

2、置没有被质点占据，称为 空位。 同类质点进入间隙位置成为间隙原子。,进入,间隙位置间隙杂质原子 正常结点取代（置换）杂质原子。,固溶体,2.1 点缺陷(1) 点缺陷类型,河北工业大学材料学院,4,(2)热运动与点缺陷,晶格原子围绕平衡位置作热振动，频率在1012 - 1013赫兹（德拜频率） 原子的能量不是平均的，也不恒定，原子动能近似服从Maxwell-Boltzman分布，即能量高于E原子所占比例 exp(-E/kt) 少数高能原子离开自己的平衡位置，在晶格节点出现空位。,河北工业大学材料学院,5,晶体中空位,河北工业大学材料学院,6,(3)点缺陷的运动,河北工业大学材料学院,7,点缺陷运

3、动方式,迁移 空位或间隙原子由一个位置运动到另一个位置的过程。 复合 间隙原子与空位相遇时，将落入空位，两者同时消失，这一过程称为复合。,河北工业大学材料学院,8,点缺陷的运动,点缺陷从一个平衡位置移动到相邻位置，也要克服能量障碍 只有周围原子具有足够能量才可能实现移动,河北工业大学材料学院,9,点缺陷的运动是一个热激活的过程 运动频率与温度有关。例如Cu中的空位，300K 10-5/s, 1300K 108/s 空位移动所造成的粒子迁移，即晶体中的自扩散。（以后会学到）自扩散激活能相当于空位形成能与移动能的总和。,河北工业大学材料学院,10,点缺陷的动态平衡,点缺陷并不是固定不动的，而是处于

4、不断的产生和消失过程中 在一定温度下，晶体中点缺陷的数目是一定的，保持动态平衡。,河北工业大学材料学院,11,(4)空位的热力学分析,空位形成引起点阵畸变，亦会割断键力，故空位形成需能量，空位形成能（EV）为形成一个空位所需能量； 形成空位又使晶体中混乱度增加，使熵增加。而熵的变化包括两部分： 空位改变它周围原子的振动引起振动熵，SV 空位在晶体点阵中的排列可有许多不同的几何组态，使排列熵SC增加。,河北工业大学材料学院,12,设在温度T时，含有N个结点的晶体中形成n个空位，与无空位晶体相比 F=nEV-TS S=SC+nSV n个空位引入，可能的原子排列方式 利用玻尔兹曼关系，SC=klnW

5、C，并利用Stiring公式 令：,河北工业大学材料学院,13,振动熵,根据统计热力学的爱因斯坦模型，振动熵 形成空位后，原子振动频率降低到 所以 式中A=exp(SV/k)，约为1-10,河北工业大学材料学院,14,若已知EV和SV，则可由上式计算出任一温度T下的浓度C. 由上式可得： 1）晶体中空位在热力学上是稳定的，一定温度T对应一平衡浓度C 2）C与T呈指数关系，温度升高，空位浓度增大 3）空位形成能EV大，空位浓度小 例如：已知铜中EV=1.710-19J，A取为1，则,河北工业大学材料学院,15,点缺陷的平衡浓度,点缺陷是平衡缺陷，点缺陷与线、面缺陷的区别之一是后者为热力学不稳定的

6、缺陷。在一定温度下，晶体中有一定平衡数量的空位和间隙原子 出现缺陷时，提高内能，但是也引起较大的熵增。,河北工业大学材料学院,16,(5) 点缺陷及对性能的影响,高能射线辐射、严重变形、高温淬火等可以获得过饱和缺陷 空位引起点阵畸变，使传导电子受到散射，存在过饱和缺陷提高电阻; 存在过饱和缺陷降低密度 对室温力学性能影响“不大” 空位对材料的高温蠕变、沉淀、回复、表面氧化、烧结有重要影响,河北工业大学材料学院,17,2.2位错的基本概念(1)位错理论产生背景,上世纪初，塑性变形已经成为制造金属制品和强化材料的重要手段，但是对于变形的微观过程、加工硬化等尚不能解释。 滑移带现象。当时，普遍认为金

7、属塑性变形是晶体刚性滑移的结果，滑移面两侧的晶体借助于刚性滑动实现变形。 1926年弗兰克尔从刚性模型出发，估计了晶体的理论强度。,河北工业大学材料学院,18,(2)理论强度,根据晶体的性质,阻力应是周期函数； 当x=0,=0;x=b, =0 取 当x很小时，,河北工业大学材料学院,19,由于切变量x/a, 根据虎克定律 两式比较得 因ab,所以 进一步修正,河北工业大学材料学院,20,晶体的理论切应力与实验值的比较（MN/m2）,河北工业大学材料学院,21,dislocation,一般金属的G=104105MPa,理论剪切强度应为103104MPa，实际只有110MPa 理论强度比实测值大1

8、000倍以上！ 1934年Taylor, Polanyi和Orowan几乎同时提出晶体中存在易动的缺陷位错，借助于位错运动实现塑性变形,河北工业大学材料学院,22,拖动地毯、昆虫的移动,河北工业大学材料学院,23,位错属于一种线缺陷,位错是一个直径35个原子间距，长几千几万个原子间距的管状原子畸变区 从几何上看，它是一个方向尺寸较大，而另外两个方向上尺寸较小的线缺陷。 位错对晶体生长、相变、塑性变形、扩散、再结晶等一系列行为及材料的物理、化学性质都有十分重要的影响。,河北工业大学材料学院,24,(3)刃型位错模型,位错：一列或相邻的几列原子发生有规律的错排,河北工业大学材料学院,25,刃型位错

9、的产生,河北工业大学材料学院,26,刃型位错特征,1)刃型位错有一额外半原子面 多出的半原子面在滑移面上边(严格说来，半原子面与坐标轴正方向一致)的称为正刃型位错，记为“”； 多出半原子面在下边的称为负刃型位错，记为“ 。 2)刃型位错线可理解为晶体中已滑移区与未滑移区的边界线。 3)位错线不一定是直线，可以是平面折线或曲线;刃型位错线必与滑移矢量垂直， 4)滑移面是包含位错线和滑移矢量的唯一平面。 5)位错周围的点阵发生弹性畸变，既有正应变，又有切应变,河北工业大学材料学院,27,刃型位错环,河北工业大学材料学院,28,(4)螺型位错空间形态,假设外力使晶体作另一种局部滑移（撕裂），滑移面上

10、下两部分晶体作切滑移 滑移区与未滑移区的边界就是螺型位错。 滑移方向与位错线平行。,河北工业大学材料学院,29,螺型位错模型,河北工业大学材料学院,30,螺型位错附近两层原子面,河北工业大学材料学院,31,垂直于位错线的晶面形状,河北工业大学材料学院,32,螺型位错的特征,1）螺型位错无额外半原子面，但是一些晶面变成了螺旋面，原子错排呈轴对称 2）位错线与滑移矢量平行，故一定是直线 3）包含螺位错线的面必然包含滑移矢量，故螺位错的滑移面不是唯一的； 4）螺位错周围的点阵也发生了弹性畸变，但只有平行于位错线的切应变，无正应变（在垂直于位错线的平面投影上，看不出缺陷） 5)分左右螺旋,河北工业大学

11、材料学院,33,(5) 混合位错,如果滑移方向与位错线两者方向夹角呈任意角度，就是混合位错,河北工业大学材料学院,34,滑移面附近的原子面,河北工业大学材料学院,35,位错线的一些性质,（1）位错线是已滑移区和未滑移区的边界; （2）位错及其畸变区是一条管道, 位错线附近的原子偏离了平衡位置。 （3）位错线具有连续性，即位错线不能中断于晶体内部。只可在表面露头，或终止于晶界和相界，或与其它位错相交，或自行封闭成环。,河北工业大学材料学院,36,Slip,Motion of the dislocation,位错的滑移,河北工业大学材料学院,37,Slip,Mixed dislocation,Mo

12、tion of the dislocation,混合位错滑移,河北工业大学材料学院,38,混合位错滑移,河北工业大学材料学院,39,（6）柏氏矢量 Burgers vector,1939年柏格斯（J. M. Burgers）提出了采用柏氏回路来定义位错，借助一个规定的矢量即柏氏矢量来揭示位错的本质。 位错从晶体移出，滑移台阶的大小方向用滑移矢量 表示，滑移矢量也称柏氏矢量 柏氏矢量反应了位错中心区点阵畸变的程度和方向 柏氏矢量=位错运动时的原子位移,河北工业大学材料学院,40,柏氏矢量确定,1)首先选定位错线的正向，例如出纸面的方向 2)在实际晶体中，从任一原子出发，围绕位错（避开位错线附近的

13、严重畸变区）以一定的步数作一右旋闭合回路（称为柏氏回路）。 3)在完整晶体中按同样的方向和步数作相同的回路，该回路并不封闭，由终点F向起点S引一矢量，使该回路闭合，这个矢量b就是实际晶体中位错的柏氏矢量。 （以上为Frank取向）,河北工业大学材料学院,41,刃型位错柏氏矢量,b与位错线垂直,河北工业大学材料学院,42,螺型位错柏氏矢量,b与位错线平行,河北工业大学材料学院,43,简单位错的柏氏矢量,刃型位错bt（位错线单位向量），半原子面方向n=tb。刃型位错可以是直线或平面曲线（刀刃曲线） 螺型位错b/t（位错线单位向量），一定是直线。 二者同向为右旋螺型位错；bt0 二者反向为左旋螺型位

14、错；bt0 混合位错的b、t任一角度,河北工业大学材料学院,44,简便方法,在与位错线垂直的平面上，沿相互垂直的四个方向各移动n步（旋转方向按左旋），此时回路应该不封闭。 从终点起点的封闭矢量即为b。 其实，只要相对的两面距离相同即可。,河北工业大学材料学院,45,Read系统举例,河北工业大学材料学院,46,柏氏矢量的守恒性,b代表位错周围点阵畸变程度以及错排方向，与选择的柏氏回路无关。 即柏氏回路任意扩大、移动，只要回路不与任何位错线相交，那么回路中的总畸变不会改变，b也不变 b具有守恒性,河北工业大学材料学院,47,推论,位错线不能终止于晶体内部； 一条不分叉的位错线无论形状如何，b处处

15、相等。 汇集于一点的位错线，所有位错b之和等于零。,河北工业大学材料学院,48,柏氏矢量表示法,b=a /n uvw （可以用矢量加法进行运算） 柏氏矢量方向同晶向指数，但是有一定长度 符号表示矢量的缩写形式，上式等价于 求模：|b|=a u2+v2+w21/2 /n 。,河北工业大学材料学院,49,（7） 位错密度,晶体中位错的多少可用位错密度来描述 用单位体积中位错线的总长度L/V表示 近似用单位面积位错根数n/A表示。如果位错线不与测试面垂直，则偏小。 位错密度影响材料性能，如强度。,河北工业大学材料学院,50,位错的应力场,位错周围的点阵发生不同程度的畸变。 位错中心部分畸变程度最为严

16、重，这部分超出了弹性应变范围。 位错中心区以外为弹性畸变区，借助弹性连续介质模型可讨论位错的弹性性质。,河北工业大学材料学院,51,2-3 位错的弹性性质,应力和应变分量 螺型位错的应力场 刃型位错的应力场 位错的应变能和线张力,河北工业大学材料学院,52,Stress fractions,szz,sxx, syy, szz, txy, txz, tyx, tyz, tzx, tzy,sxx,tyx,tyz,tzx,tzy,txz,txy,Stress field of the dislocation,srr,trq,trz,szz,tzq,tzr,sqq,tqz,tqr,sqq, srr, szz, tqz, tqr, trz, tr, trq, tzq,syy,（1）应力分量和应变分量,河北工业大学材料学院,53,符号规定,ij表示作用在垂直于i轴的面上，指向j轴方向的应力分量； ij表示作用在垂直于i轴的面上，指向j轴方向的应变分量； 正面（右、前、上面）上的应力，与座标轴正向一直为正，负面（左、后、