《材料科学基础 第２版 教学课件 ppt 作者 石德珂 西安交通大学 主编 大学材料科学基础第四章晶体缺陷》由会员分享，可在线阅读，更多相关《材料科学基础 第２版 教学课件 ppt 作者 石德珂 西安交通大学 主编 大学材料科学基础第四章晶体缺陷（95页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第四章 晶体缺陷,定义：晶体中原子排列偏离理想点阵结构的局部区域。,实际晶体组成：由原子长程有序排列区域加短程无序排列局部区域组成。,分类：根据局部区域的尺寸，可将晶体缺陷分成三类: 点缺陷 point defects; 线缺陷（位错）linear defects; 面缺陷（界面）planar defects。,对材料性能的影响： 从体积上看，尽管晶体缺陷在晶体中所占比例很小，仅为千分之几，但对材料的物理、化学、力学性能影响很大，有时甚至是决定的影响。如没有点缺陷的存在，扩散就无法进行；位错与材料的塑性变形、强度、断裂行为密不可分。 因而对晶体缺陷的研究是材料研究中十分活跃的一个热门课题，如何
2、控制缺陷在很多材料制备工艺也是十分重要的。,一、点缺陷的类型,1点缺陷的概念 指在三维方向上尺寸都很小的原子错排区域，不能理解为一个几何点。,第一节 点缺陷,(1) vacancy; (2) selfinterstitial; (3) interstitial impurity; (4), (5) substitutional impurities. The arrows show the local stresses introduced by the point defects.,Schematic representation of different point defects in
3、a crystal.,2点缺陷的空间形态,空位形成后，必然会破坏周围节点上原子间原本平衡的作用力，引起这些原子重新调整它们的位置，导致它们偏离原来的平衡位置，通常是向空位方向作微量的位移。结果在空位周围出现一个原子错排区，这一现象称为点阵畸变，间隙原子形成后也有同样的现象，只不过是原子位移方向不同。所以说，点缺陷并不是一个几何点，而是空间一个区域，或着说是一个零维的点阵畸变区。从这个意义上看，固溶体中的溶质（异类）原子或杂质原子 (foreign atom) 也是一种点缺陷。,Point defects: (a) vacancy, (b) interstitial atom, small su
4、bstitutional atom, (d) large substitutional atom, (e) Frenkel defect-ionic cystals (f) Schottky defect- ionic crystals. All of these defects disrupt the perfect arrangement of the surrounding atoms.,空位 (vacancy)：,晶格点阵节点上的原子跳出后留下的空节点。,间隙原子 (interstitial atom)：,位于晶格点阵间隙中的原子(外来和自间隙)。,置换原子(substitutonia
5、l atom )：,杂质或合金元素。,3点缺陷的分类,Schottky空位：原子跳出后迁移到晶界、界面或是临近的空位所留下的空位。 Frenkel空位：原子跳出后迁移（挤入）到晶格点阵的间隙处所留下的空位，很显然，在形成Frenkel空位的同时还生成自间隙原子。 间隙原子除了通过Frenkel空位的形式生成外，界面上的原子也能跳入晶格点阵间隙处形成外来间隙原子。,空位分类,思考题：哪种空位数量多？,二、点缺陷的产生,1产生原因 原子热运动（振动）； 冷变形加工； 高能粒子（高速电子、中子、粒子等）轰击（幅照）。 它们为原子摆脱周围点阵上原子对它的束缚提供了额外的能量。 原子热运动（振动）是点缺
6、陷产生的主要原因。,晶体中形成点缺陷是自发过程吗？根据热力学，一个过程要自发进行，必定是向自由能减小的方向进行，点缺陷的形成也不例外。以空位为例，晶体中形成n个空位后的Homholz自由能变化(恒温恒容)为： F = U TS = nu TS,2点缺陷的平衡浓度,将此式对n作图，得到自由能n曲线。在ne时存在一最小值，表明这时晶体的自由能最低。根据此式可求出在某一温度下点缺陷平衡浓度表达式为：,Q 1摩尔空位（间隙原子）形成能； 也称点缺陷激活能， R 气体常数，8.314J/Kmol,三、讨论,1点缺陷是一种热力学稳定缺陷 晶体中会自发形成点缺陷，没有点缺陷的晶体在热力学上是不稳定的。温度一
7、定时，晶体中只有存在一定数量的点缺陷才能处于稳定状态， “金无足赤”这句成语就是说的这个道理。,2点缺陷的形成是热激活过程，平衡浓度是温度的函数。 同一种晶体点缺陷浓度随温度升高迅速升高，这是一个典型的热激活过程，凡是热激活过程都有(4-1)形式的表达式，见Arhennius方程（1-10）。如铜晶体，300K时，空位平衡浓度为1019，1000K时，平衡浓度达到106，增加了1013倍。,3点缺陷平衡浓度与Q的大小有关 间隙原子的形成能远大于空位形成能（约为34倍），所以在同一温度下，间隙原子的平衡浓度远低于空位平衡浓度。还以铜为例，空位Q10.2KJ/mol，间隙原子Q29KJ/mol，1
8、273K下，空位C104，间隙原子C1014。因而通常在室温下，间隙原子可以忽略不计。,4点缺陷在晶体中所占比例非常小 上述计算表明，即使是在高温下，点缺陷在晶体中所占比例是非常小的，仅为万分之几，说明晶体中绝大部分原子都是处于有序排列状态。,5过饱和点缺陷的产生 晶体中点缺陷浓度超过平衡浓度的现象称为过饱和，是一种热力学不稳定现象，不能自发形成，必须借助一定的外力才能实现，如高温淬火，高能粒子幅照，冷加工变形等等。生产中有时可以利用这一现象来改善材料性能，如固溶处理。,讨论题：影响点缺陷浓度的因素？,1 温度,2 点缺陷形成能,3 制备工艺,1点缺陷的三种运动方式 空位运动：空位与周围节点上
9、原子不断地交换位置。 间隙原子运动：间隙原子由一个间隙位置跳入另一间隙位置。 复合运动：间隙原子跳入空位，两者同时消失。,四、点缺陷与材料行为,点缺陷运动与扩散的关系 点缺陷在晶体中的这些运动是无规的布朗运动，正是由于点缺陷的运动，才使金属中的扩散得以实现。,2点缺陷对金属物理性能的影响 电阻升高。 3点缺陷对金属机械性能的影响 固溶强化，金属塑性降低。,要点：,1 什么是点缺陷？ 2 点缺陷的形态和分类； 3 点缺陷的形成； 4 点缺陷是热力学平衡缺陷； 5 平衡浓度和影响因素。,位错(dislocation)是最重要的一种晶体缺陷（线缺陷），位错理论现已成为金属塑性变形、强度和断裂的理论基
10、础。,第二节 位错的基本概念,1 塑性变形的整体滑移理论模型,图4 理想晶体的滑移模型,一位错学说的提出和发展,金属在切应力作用下，上下两部分晶体沿某一晶面和晶向做刚性整体相对滑移，计算得到的金属理论剪切强度为： = G/30,表1 金属理论剪切强度和试验值,2位错学说的提出,图5 位错滑动模型,位错理论发展进程 1934年，Talay和Orowan几乎同时提出金属中存在位错的假设，成功的解释了金属实际强度低于理论强度的现象。 1939年，Burgers提出用柏氏矢量来表征位错类型，为用数学方法处理位错奠定了基础。 1947年，Cottrell提出柯氏气团钉扎模型，成功地解释了低碳钢的屈服现象
11、。 1950年，Frank和Read提出金属塑性变形中位错增殖机制，即FrankRead位错源学说。,钨晶体中位错的电镜观察,50年代后期，在电镜下直接观察到位错的存在。,位错理论是60年代研究的热点，金属的塑性变形、强度和断裂行为都和位错有着密切的关系，目前，位错理论已成为金属塑性变形和力学性能的理论基础。,1. 位错模型 位错是晶体中原子紊乱排列的一维区域，对其周围的原子排列方式提出过许多假设，目前普遍为大家接受的有两种：刃型位错和螺型位错。,二位错模型和位错的易动性,1.1 刃型位错,（edge dislocation）,几何图像：,图7 刃型位错几何图像,图8 刃型位错形成模型,e)
12、刃位错线可以是任意形状。,a) 有多余的半个原子面。,b) 刃型位错有正负之分，两者是相对的， 分别用 和 表示。,c) 刃位错线是晶体中已滑移区和未滑移 区的分界线。,d) 位错线并不是一条几何线而是一条管道， 管道长度远大于直径。,刃型位错特征：,图9 几种形状的刃位错线,几何图像和形成方式,1.2 螺型位错（screw dislocation）,螺型位错几何图像,a) 没有多余的半个原子面。,b) 按螺旋方向分成左螺和右螺，顺时针旋转为右螺，逆时针旋转为左螺。,c) 螺位错线是晶体中已滑移区和未滑移区的分界线。,d) 螺位错线也是一条管道，但管道不是螺旋的，原子畸变区中的原子面排列呈螺旋
13、状。,e) 螺位错线只能是一条直线。,螺型位错特征：,实际晶体中大部分位错是介于刃位错和螺位错两者之间，称为混合位错。,1.3 混合位错(Mixed Dislocation),2位错的易动性,位错学说是为了解决晶体实际剪切强度远低于理论剪切强度而提出的，即晶体中由于位错的存在强度大大降低，说明位错滑动阻力很小，这就是位错的易动性，因为位错滑动时只需位错线附近少量原子位移，晶体中大部分原子保持不动。,图13 a 刃型位错在切应力作用下的滑动模型,图13 b 刃型位错在切应力作用下的滑动模型,要点回顾（讨论）： 1 位错的定义。 2 位错分类。 3位错线的共性：一根位错线不能终止于晶体内部，或露头
14、于晶体表面或晶界上，或在晶体内部形成一封闭的位错环。 4 位错是热力学不稳定缺陷。,思考题：一根位错环可以处处都是刃位错，但不能处处都是螺位错。,三 柏氏矢量 （Burggers Vector）,（1）如何描述位错线周围点阵畸变的大小和方向 ？ （2）如何定义刃位错、螺位错和混合位错 ?,1 柏氏矢量的确定方法,无论是哪种位错，柏氏矢量都是通过做柏氏回路的方法来确定。 （1）规定位错线正方向，按右手螺旋法则确定柏氏回路方向； （2）绕位错线做一封闭回路； （3）在完整晶体中做同样的回路，该回路不封闭； （4）由终点向起点做矢量使回路封闭，该矢量就是该位错的柏氏矢量，用b表示。,刃型位错柏氏矢量
15、确定,螺型位错柏氏矢量确定,2 柏氏矢量的物理意义,（1）反映了位错在点阵中引起的总畸变量的大小和方向，大小等于b的模。,（2）代表了位错在晶体滑移后引起的晶体变形量，变形大小等于b的模，变形方向是b的方向。,（3）柏氏矢量具有守恒性：一根位错线的柏氏矢量与柏氏回路的形状、起点、位置和大小无关，但与柏氏回路的方向有关，所以必须统一柏氏回路的方向。由柏氏矢量的守恒性可得到以下推论：一根位错线无论形状、类型如何变化，只有唯一的柏氏矢量。,（4）用柏氏矢量与位错线的夹角定义位错类型； 两者垂直为刃位错， 两者平行为螺位错， 两者呈任意角为混合位错,可分解成刃位错分量和螺位错分量。,3 柏氏矢量的表示
16、方法,与晶向指数表示方法类似，但还应有大小的概念，对立方晶系而言： b = a/nuvw 它的模为:,(4 2),四 位错的运动,有两种运动方式： 滑移和攀移。,4.1 位错的滑移,螺型位错在切应力作用下的滑动模型,螺型位错滑移,混合型位错在切应力作用下的滑动模型,滑移特点：,1 位错滑移时是沿着滑移面进行的，滑移面由柏氏矢量和位错线方向两个矢量决定，刃、混合位错的滑移面唯一确定，螺位错的滑移面无数。,2 位错必须是在切应力作用下才能发生滑移，切应力与b同向。,3 位错线滑动方向是位于滑移面上位错线的法线方向， 刃型位错的滑动方向与b同向； 螺型位错的滑动方向与b垂直； 混合位错的滑动方向与b的夹角不断变化。,4 无论哪种类型的位错，滑出晶体后，都会在晶体表面留下高度为b的台阶，,5 位错线滑动距离不等于该位错滑出晶体后引起的晶体宏观变形量，宏观变形量等于的b模，位错线滑动距离与晶粒大小有关。,
