《材料科学基础-课件FH4-2-5.6.7节 晶体缺陷-位错作用增殖与实际位错》由会员分享，可在线阅读，更多相关《材料科学基础-课件FH4-2-5.6.7节 晶体缺陷-位错作用增殖与实际位错（74页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、110:56材料科学基础材料科学基础Fundamentals of Materials Science 授课教师：班级：u本课程配套教材：材料科学基础北京大学出版社 主编：付华 张光磊u丛书名：高等院校材料专业互联网+创新规划教材n 0 绪论 n第第1章章原子结构与结合键原子结构与结合键AtomicStructureandbindingbondn第第2章章晶体学基础晶体学基础BasisofCrystallographyn第第3章章晶体结构晶体结构CrystalStructuren第第4章章晶体缺陷晶体缺陷Crystaldefectsn第第5章章非晶体与准晶结构非晶体与准晶结构Amorphous
2、andQuasicrystalStructuren第第6章章相图相图PhaseDiagramn第第7章章固体扩散固体扩散SolidDiffusionn第第8章章凝固与结晶凝固与结晶SolidificationandCrystallizationn第第9章章烧结与聚合烧结与聚合SinteringandPolymerizationn第第10章章固态固态相变相变SolidPhaseTransformation 材料科学与工艺 的基础理论 第4章 晶体缺陷 Chapter 4 Crystal Defect4.1 点缺陷 （Point defect）4.1.1 点缺陷的类型4.1.2 点缺陷的浓度4.1
3、.3 点缺陷对材料性能的影响4.2 线缺陷（Line defects）4.2.1 4.2.1 位错的类型位错的类型4.2.2 4.2.2 柏氏矢量柏氏矢量4.2.3 4.2.3 位错的运动位错的运动4.2.4 4.2.4 位错的应力场位错的应力场 4.2.5 4.2.5 位错与晶体缺陷间的交互作用位错与晶体缺陷间的交互作用4.2.6 4.2.6 位错的增殖与塞积位错的增殖与塞积4.2.7 4.2.7 实际晶体中的位错实际晶体中的位错4.3 面缺陷 (Surface defects)4.3.1 晶体表面4.3.2 晶界结构与能量4.3.3 单相多晶体中的晶粒形貌4.3.4 晶界偏析与晶界迁移4.
4、3.5 相界一、位错间的交互作用 2 2. .一对平行螺位错的交互作用一对平行螺位错的交互作用1 1. .一对平行刃位错的交互作用一对平行刃位错的交互作用二、位错与点缺陷的交互作用 3.3.一对平行刃位错和螺位错的交互作用一对平行刃位错和螺位错的交互作用4.4.混合位错间的交互作用混合位错间的交互作用5.5.非平行位错间的交互作用非平行位错间的交互作用原则？原则？第五节 位错与晶体缺陷间的交互作用Interactionsbetweendislocationsandcrystaldefects 8一、位错间的交互作用Interactionsbetweendislocations 每条位错线周围存
5、在每条位错线周围存在应力场应力场，对附近其它位错有复杂，对附近其它位错有复杂的的作用作用和影响。和影响。 （简单情况的讨论（简单情况的讨论平行位错）平行位错）1.一对平行刃位错的交互作用位错墙位错墙 102.一对平行螺位错的交互作用一对平行螺位错的交互作用左左左左左左右右F沿r方向。共有面可作为滑移面。同号同号螺位螺位错错，互相，互相排斥排斥； 异号异号螺位螺位错错，互相，互相吸引吸引/ /中和中和而而消失消失。 （降低位降低位错错能能！）！） 3.一对平行刃位错和螺位错的交互作用：无相同的应力分量，无相互作用。无相同的应力分量，无相互作用。4.混合位错间的交互作用：5.非平行位错间的交互作用
6、：非平行位错间的交互作用：短程交互作用（位错的交割，第六节）。短程交互作用（位错的交割，第六节）。分解为2个刃位错和2个螺位错间的相互作用，叠加。二、位错与点缺陷的交互作用 点缺陷的应力场与位错点缺陷的应力场与位错应力场交互应力场交互作用作用使点缺陷与位错特定分布，降低自由能。使点缺陷与位错特定分布，降低自由能。 (一） Controll气团：刃位错（二）Snoeck气团：螺位错（三）铃木气团：层错附近溶质原子在溶质原子在刃刃位错附近位错附近聚集，形成原子集团。聚集，形成原子集团。(一）Controll气团大大/小小置换置换原子？间隙间隙原子原子？2. 大大置换置换原子：？大溶质原子大溶质原子
7、位于滑移面下方下方（正刃位错受拉部分受拉部分）是稳定的状态。3. 小小置换置换原子：?小溶质小溶质原子位于滑移面上方上方 （刃位错受压缩部分受压缩部分）比较稳定。4. 间隙间隙原子原子？溶质原子云集在位错线附近溶质原子云集在位错线附近,形成小原子集团，称为形成小原子集团，称为Cottrell气团。气团。（柯氏气团）（柯氏气团） Cottrell气团的作用：对运动的位错起钉扎作用， 固溶强化固溶强化。20n钢中的钢中的C和和N在位错周围在位错周围形成形成Cottrell气团气团,影响钢的性能。影响钢的性能。 固溶强化固溶强化。 b b b b b b b b 0HHeLiBeBCN OFNeNa
8、MgAlSiPSCiArKCaScTiVCr Mn FeCoNiCuZnGaGeAsSeBrKrRbSrYZr Nb Mo TcRuRhPdAgCdInSnSbTeIXeCsBaLaHfTaWReOsIrPtAuHgTlPbBiPoAtRnFrRaAcRf22位错切过粒子位错切过粒子位错绕过粒子位错绕过粒子23第三章 晶体结构缺陷第一节 点缺陷 第二节第二节 位错的结构位错的结构 第三节第三节 位错的运动位错的运动 第四节第四节位错的应力场位错的应力场第五节第五节位错与晶体缺陷间的交互作用位错与晶体缺陷间的交互作用第六节第六节位错的增殖、塞积与交割位错的增殖、塞积与交割第七节第七节实际晶体中的
9、位错实际晶体中的位错Interactionsbetweendislocationsandcrystaldefects Proliferation,pile-upandintersectionofdislocationsDislocationsinactualcrystals一、位错的增殖一、位错的增殖Proliferation动画动画晶体每滑移一个晶体每滑移一个b，就应该有一个位错消失，就应该有一个位错消失，金属塑变后位错金属塑变后位错应减小。应减小。而金属塑变后位错而金属塑变后位错增加了增加了。第六节 位错的增殖、塞积与交割 Proliferation,pile-upandintersect
10、ionofdislocations1)Frank-Read源增殖机制2)双双交滑移交滑移增殖机制增殖机制 晶体塑性变形过程中位错位错发生了增殖增殖。目前被普遍接受的位错增殖机制位错增殖机制是Frank-Read提出的机制。3)空位聚集形成位错空位聚集形成位错位错运动位错运动126（一）一）Frank-Read源增殖机制源增殖机制27（一）一）Frank-Read源增殖机制源增殖机制Frank-Read源源动画动画（一）一）Frank-Read源增殖机制源增殖机制m、n处为异号位错相消，产生一位错环，内部DD段还存在。动画Si单晶中的单晶中的F-R源源位错绕过动画动画-位错切过（二）双交滑移增殖
11、机制（二）双交滑移增殖机制 （动画）（动画）交滑移：螺位错螺位错在某一滑移面的滑移受阻时，位错离开 原滑移面到与其相交的其他滑移面继续滑移。双交滑移：已交滑移的螺位双交滑移：已交滑移的螺位错错再一次交滑移再一次交滑移到到 与原滑移面平行的滑移面与原滑移面平行的滑移面继续继续滑移。滑移。33SiC中的螺位错生长：中的螺位错生长：螺旋长大台阶，提供原子附着的有利位置。螺旋长大台阶，提供原子附着的有利位置。34(三）空位聚集形成位错 位错滑移时，在滑移面上位错滑移时，在滑移面上遇到遇到障碍物障碍物(如晶界、硬质点)，将将塞积塞积在障碍物的前面在障碍物的前面。 若同一位错源不断产生一若同一位错源不断产
12、生一系列位错，产生系列位错，产生塞积群塞积群。二、位错的塞积 Pile-up，blocking 位错塞积的后果位错塞积的后果位错塞积位错塞积应力集中应力集中形成裂纹形成裂纹(断裂力学中裂断裂力学中裂纹的萌生机理纹的萌生机理之一）之一）N ？减轻位错塞积的后果位错塞积的后果减小应力集中：减小应力集中：螺位错可改变滑移面而发生交滑移交滑移；位错塞积在晶界处的应力集中可开动开动相邻晶粒的位错位错滑移滑移来松弛应力集中松弛应力集中。三、位错的交割位错的交割 intersection of dislocations两刃位错 交割1. 2个垂直刃位错交割CD上产生上产生pp割阶，割阶，长度长度b1，柏氏矢
13、量仍是柏氏矢量仍是b2。短程交互作用短程交互作用Fpp 的滑移面是，不是原滑移面。F不位于原滑移面上的位错台阶不位于原滑移面上的位错台阶割阶割阶。F割阶成为位错运动的阻碍。 Fb2AB，位错CD的滑移不在AB产生割阶。J两个位错交割后，会产生位错台阶，两个位错交割后，会产生位错台阶，自身柏氏矢量不变，自身柏氏矢量不变，台阶大小取决于另一位错的台阶大小取决于另一位错的b值。值。J 仍在原滑移面上的位错台阶为仍在原滑移面上的位错台阶为扭折扭折。( PP和QQ)J在线张力作用下，在线张力作用下，扭折扭折会自动消失，会自动消失，CD,AB恢复直线恢复直线,J或以相同滑移方向一起滑移。或以相同滑移方向一
14、起滑移。2. 2个b平行刃位错交割PP/QQ螺位错螺位错小结：2.不位于原滑移面上的位错台阶不位于原滑移面上的位错台阶-割阶。割阶。 仍在原滑移面上的位错台阶仍在原滑移面上的位错台阶-扭折。扭折。1.两位错交割，会产生台阶，自身柏氏矢量自身柏氏矢量b不变不变， 台阶大小取决于另一位错的台阶大小取决于另一位错的b值。值。3. 割阶和扭折割阶和扭折使位错线长度位错线长度增加，能量能量增加。 交割Intersection过程成为位错运动的阻碍阻碍。43离散位错动力学模拟，离散位错动力学模拟，位错的产生，湮灭，交互作用。位错的产生，湮灭，交互作用。实际晶体（fcc，bcc，hcp）中的位错更复杂。位错
15、的柏氏矢量b要满足：（1）晶体结构条件：连接原子的平衡位置。）晶体结构条件：连接原子的平衡位置。（2）能量条件：）能量条件：E b2，b要小。要小。第七节 实际晶体中的位错一、全位错与不全位错全位全位错错-柏氏矢量等于柏氏矢量等于点点阵阵矢量矢量的位的位错错。部分位错柏氏矢量小于点阵矢量的。部分位错柏氏矢量小于点阵矢量的。不全位不全位错错-柏氏矢量不等于点柏氏矢量不等于点阵阵矢量的位矢量的位错错。单位位错单位位错-b为最短点阵矢量的位错。为最短点阵矢量的位错。单位位错能量最低，最稳定。单位位错能量最低，最稳定。？48 fcc和和hcp密排面的堆垛方式密排面的堆垛方式 hcp:ABABABfcc
16、:ABCABCb=a/2b=a/6BCAb=a/2BCA全位错滑移时，不破坏上下原子排全位错滑移时，不破坏上下原子排列的完整性，滑移区与未滑移区有列的完整性，滑移区与未滑移区有相同的晶体结构。（相同的晶体结构。（完整位错完整位错）1、全位错BBb=a/6BCA2、不全位错不全位错滑移，破坏上下原子排列不全位错滑移，破坏上下原子排列的完整性，滑移区原子错排。的完整性，滑移区原子错排。BCC堆垛层错：堆垛层错：正常堆垛顺序被破坏。54堆垛层错堆垛层错堆垛层错堆垛层错的形成有2种方法。一种方法：滑移层错滑移层错 通过在一层(111)上下两层面分别滑动a/6 形成。Shockley不全位错不全位错b=a/6.BCBBCAShockley不全位错不全位错b=a/6.堆垛层错不全位错不全位错不全位错不全位错57扩展位错扩展位错:fcc中全位错分解为中全位错分解为2个个shockley不全位错不全位错,这这2个不全位错间夹着一片层错扩展位错。个不全位错间夹着一片层错扩展位错。扩展位错扩展位错不全位错不全位错+ +堆垛层错堆垛层错+ +不全位错不全位错58不锈钢中的扩展位错扩展位错变形变形Cu-Al合
