材料科学基础 晶体缺陷

*二、金属晶体结构及几何特征1.常见的三种晶体结构面心立方体心立方密排六方既是晶体结构，又是点阵——仅是晶体结构，不是点阵—简单六方*配位数：1)面心立方（fcc或A1）晶胞原子数：1/8×8＋1/2×6＝4点阵常数：最近原子间距：<110>方向12致密度：*2)体心立方（bcc或A2）晶胞原子数：1/8×8＋1＝2点阵常数：最近原子间距：<111>方向配位数：8致密度：*3)密排六方（hcp或A3）晶胞原子数：1/6×12＋1/2×2点阵常数：最近原子间距：配位数：6＋6致密度：＋3＝6方向*2．晶体结构中的间隙八面体间隙尺寸：1）面心立方八面体间隙数目： 1/4  12 +1 = 4*四面体间隙尺寸：四面体间隙数目： 1  8 = 8*八面体间隙尺寸：2）体心立方八面体间隙数目： 1/2  6 + 1/4  12 = 6 ——扁八面体*四面体间隙尺寸：四面体间隙数目： 1/246 = 12*四面体间隙数目： 1/3 12+ 1  6 ＝ 103）密排六方八面体间隙数目： 16=6*4）综合比较fcc与hcp相比，间隙尺寸相同，分布位置不同。fcc与bcc相比，间隙数量少，致密度大。注：bcc晶体的八面体间隙是扁八面体，故虽然其间隙数量多，但溶解异类小原子的能力远远不及fcc晶体。八面体间隙四面体间隙数量尺寸数量尺寸fcc40.41480.225bcc60.15120.29hcp60.414120.225*1.离子晶体结构离子晶体结构规则负离子配位多面体规则——鲍林第一规则 电价规则 ——鲍林第二规则 关于负离子多面体共用点、棱的规则——鲍林第三规则*典型离子晶体结构NaCl型CsCl型立方ZnS型（闪锌矿）六方ZnS型（纤锌矿）CaF2型（萤石）TiO2型（金红石）二元离子晶体——不等径刚球密堆理论*2.共价晶体结构（原子晶体）典型共价晶体结构金刚石型（单质型）ZnS型（AB型）SiO2型（AB2型）*第三节原子的不规则排列晶体中的缺陷——原子排列偏离完整性的区域点缺陷——在三个方向上尺寸都很小线缺陷——在二个方向上尺寸很小面缺陷——在一个方向上尺寸很小*一、点缺陷——包括空位、间隙原子、杂质或溶质原子1.形成局部点阵畸变原子热振动克服约束，迁移到新的位置空位、间隙原子部分原子获得足够高的能量形成引起*肖脱基缺陷——原子迁移到表面——仅形成空位弗兰克缺陷——原子迁移到间隙中——形成空位-间隙对杂质或溶质原子——间隙式（小原子）或置换式（大原子）2.分类*3.点缺陷的平衡浓度Ne—平衡空位数N—原子总数Ev—每增加一个空位的能量变化k—玻尔兹曼常数T—绝对温度其中：A由振动熵决定的系数，取1~10，通常取1。T↑--C↑*附加电子散射——电阻↑4.点缺陷对晶体性能的影响间隙原子——体积膨胀1~2个原子体积空位——体积膨胀0.5个原子体积屈服强度↑对扩散、内耗、高温形变和热处理等过程有重要影响。点阵畸变*位错逐排依次运动——塑变原子面整体滑移——塑变理论强度远大于实测值探求新理论——位错理论发现问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 促使核心计算强度值实测值结果二、线缺陷*1)刃位错1.位错基本类型形成畸变区多出（或少了）半排原子面用┻（或┳）表示刃位错正：上压下拉负：上拉下压称为┻┻*原子面部分错动一个原子间距螺位错不吻合过渡区形成畸变区纯剪切应力区形成称作2)螺位错*3)混合位错刃型位错分量＋螺型位错分量*2004-7-18西北工业大学材料科学基础CAI 课件 超市陈列培训课件免费下载搭石ppt课件免费下载公安保密教育课件下载病媒生物防治课件 可下载高中数学必修四课件打包下载 王永欣主编*2.柏氏矢量——反映位错区畸变的方向与程度1)柏氏矢量的求法（1）包含位错线做一封闭回路——柏氏回路（2）将同样的回路置于完整晶体中——不能闭合（3）补一矢量（终点指向起点）使回路闭合——柏氏矢量12345678910111234567891011*（1）包含位错线做一封闭回路——柏氏回路（2）将同样的回路置于完整晶体中——不能闭合（3）补一矢量（终点指向起点）使回路闭合——柏氏矢量1212341231234111212341231234112004-7-18西北工业大学材料科学基础CAI课件王永欣主编*（1）满足右螺旋规则时，柏氏矢量与柏氏回路路径无关——唯一性（2）用柏氏回路求得的柏氏矢量为回路中包围的所有位错柏氏矢量的总和（矢量和）——可加性（3）同一位错，柏氏矢量处处相同——同一性2）柏氏矢量特性*3）柏氏矢量表示法对于立方晶系a=b=c模：例：*例：例：*4）三种位错柏氏矢量的特点刃位错垂直主要是正应力螺位错平行纯剪应力混合位错一定角度复杂位错类型柏氏矢量与位错线关系畸变应力场*5）位错正、负（左、右）的确定刃位错：有晶体图时用右手法则——中指b方向，食指位错线方向，拇指：上正下负无晶体图时用旋转法——b顺时针方向转90°，与位错线方向：顺正逆负人为规定位错线方向LL*螺位错：有晶体图时与螺纹判断方法一致——左手左螺，右手右螺无晶体图时用旋转法——b与位错线方向：顺右逆左正负（左右）均为相对而言，位错线方向改变，正负、左右随之改变。LL*3.位错密度单位体积晶体中所有位错线的总长度穿过单位截面积的位错线数目（穿过单位面积的位错线根数，将位错简化为直线）cm/cm31/cm2**┻┻*a）位错逐排依次前进，实现两原子面的相对滑移；b）滑移量=柏氏矢量的模；c）外力τ//b，位错线⊥τ，位错线运动方向//τd）τ一定时，正、负位错运动方向相反，但最终滑移效果相同；e)滑移面唯一。*正刃负刃左螺右螺*位错滑移特征比较一定角度//法线一定角度混合位错无限多个////法线//螺位错唯一//法线刃位错滑移面个数位错线运动方向与位错线与bb与位错线类型*2）攀移（1）方式原子扩散离开（到）位错线—半原子面缩短（伸长）—正（负）攀移空位扩散离开（到）位错线—半原子面伸长（缩短）—负（正）攀移*（2）特点a）刃位错垂直于滑移面运动——非守恒运动b）属扩散过程——需热激活——高温易出现（3）作用原滑移面上运动受阻—攀移—新滑移面—滑移继续攀移只能是刃位错才能发生说明：攀移不是塑性变形的主要机制—可避开障碍物—便于滑移结论：攀移能力——影响滑移进行——进一步影响塑变能力*3）交滑移（1）方式*（2）特点（3）作用原滑移面上运动受阻—交滑移—新滑移面—滑移继续交滑移只能是螺位错才能发生说明：交滑移不是塑变的主要机制—可避开障碍物—便于滑移结论：交滑移能力——影响滑移进行——进一步影响塑变能力交滑移——仍在滑移面滑移——守恒运动*攀移与交滑移比较攀移：只能刃位错非守恒运动避开障碍物的方式交滑移：只能螺位错守恒运动*5.位错的力学性质1）位错应力场与应变能（1）应力分量与应变分量完全弹性体，服从虎克定律 各向同性 连续介质，可以用连续函数表示基本假设（连续介质模型）对位错线周围r0以内部分不适用——畸变严重，不符合上述基本假设*（a）单元体应力分量正应力：σxx，σyy，σzz切应力：σxy=σyx，σxz=σzx，σyz=σzyσxy——作用面垂直于x，方向为y*（b）单元体应变分量正应变：εxx，εyy，εzz切应变：εxy=εyx，εxz=εzx*（c）柱坐标下分量正应力：σzz，σrr，σθθ切应力：σzθ=σθz，σzr=σrz，σrθ=σθr与直角坐标的关系：*（2）位错应力场（a）螺位错应力场模型建立：结果：说明：仅有z方向的切应力，无正应力。切应力与θ无关，随r增大而减小。化为直角坐标时，仅存在与z有关的切应力。厚壁圆桶——沿径向切开——沿z方向错动b——胶合*（b）刃位错应力场模型建立：结果：说明：既有正应力，也有切应力。与z轴有关的切应力均为零。厚壁圆桶——沿径向切开——沿x轴错动|b|——胶合*（3）位错应变能单位长度螺位错应变能：单位长度刃位错应变能：单位长度混合位错应变能：其中：*（a）比较wE>wS（b）一般公式其中：α为几何因素系数，约0.5～1.0*（c）小结位错——点阵畸变——应变能b↓——w↓——位错能量↓——越稳定其大小说明*（d）螺位错应变能公式的推导柱坐标下单位体积应变能为：对于螺位错仅有εθz不为零故，对体积为V（长为L）的螺位错有*即：积分得：*2）作用在位错线上的力与位错线张力（1）作用在位错线上的力*（a）公式推导外力τ使长为l的位错移动了ds，τ作功dw1假想有一力F作用于位错上，则F作功dw2有单位长度位错线上的力：*（b）说明Fd∝τ，Fd∝bFd⊥位错线，指向未滑移区Fd为假象力，其方向与τ不一定一致。（如螺位错Fd⊥τ）*（2）位错线张力位错受力弯曲伸长线张力位错变直能量↓能量↑（a）线张力的概念（b）作用使位错变直——降低位错能量相当于物质弹性——称之为位错弹性性质类似于液体的表面张力。*（c）公式C——曲线形状因子*（d）实例——两端固定位错在τ下弯曲的问题τ使位错弯曲，即r↓T使位错变直，即r↑当二者平衡时**3）位错间的交互作用与位错塞积（1）相互平行的位错之间的交互作用<同号位错相斥体系能量下降（a）同号位错：*异号位错相吸（b）异号位错：体系能量下降异号位错合并，抵消或b减小*（2）相互垂直的位错之间的交互作用——形成大小、方向等于对方b的割阶或扭折割阶：不在原滑移面上的拐折。扭折：在原滑移面上的拐折，不稳定，易消失，不影响滑移。——位错交割*两柏氏矢量相互平行的刃位错相互交截*两柏氏矢量相互垂直的刃位错相互交截*刃位错、螺位错相互交截*割阶对螺位错的钉扎*一对扭折的侧向展开（3）位错塞积——位错与面缺陷的交互作用*位错滑移障碍物位错塞积前端应力高度集中交滑移、攀移越过障碍物继续滑移应力松弛破裂障碍物另侧塑变遇到产生导致结果*6.位错的增殖1）问题的提出：位错数量减少位错划出晶体位错相互抵消一定温度位错数量一定（热力学平衡条件）变形变形↑位错数量↑增殖机制猜想：实际：*弯曲卷曲分裂增殖变直2）弗兰克-瑞德源（F-R源）……（a）增殖过程*（b）F－R源开动的最小应力F－R源开动条件：推动力（外力）>位错运动点阵摩擦力和障碍物阻力当外力作用在两端不能自由运动的位错上时，位错将发生弯曲。由位错线张力与外力平衡关系：即，弯曲半径r与外力τ成反比。当位错弯曲成半圆时，r最小，τ最大。*3）其它增殖方式（1）螺位错的双交滑移增殖*7.实际晶体中的位错——由简单立方，深化到面心立方、体心立方和密排六方晶体中的位错。1）全位错与不全位错（1）实际晶体中的位错类型简单立方：b≡点阵矢量——只有全位错实际晶体：b>=<点阵矢量b＝点阵矢量整数倍——全位错其中b＝点阵矢量——单位位错b≠点阵矢量整数倍——不全位错其中b<点阵矢量——部分位错*晶体结构位错类型柏氏矢量bcc全位错不全位错fcc全位错不全位错hcp全位错不全位错*（2）形成单位位错的条件结构条件： 柏氏矢量为两原子平衡位置连线能量条件： b越小，位错能量越小，稳定性越高柏氏矢量＝最短点阵矢量共同满足bcc：fcc：hcp：*2）堆垛层错（1）形成密排堆垛次序有误层错面缺陷形成属于*复习：fcc、bcc、hcp的堆垛次序*fcc晶体的层错类型：抽出型：插入型：（2）特点畸变很小，但仍有畸变能。材料的层错能越低，层错数量越多。*3）不全位错（以面心立方为例）局部区域层错——边界——b不等于点阵矢量——不全位错*肖克莱位错： 柏氏矢量在滑移面上——可以滑移 位错运动——相当于层错面的扩大或缩小 肖克莱位错类型——刃位错、螺位错、混合位错 位错线、柏氏矢量、滑移面共面——肖克莱位错线为平面曲线*弗兰克位错： 柏氏矢量垂直于滑移面——不可滑移，只能攀移 位错运动——相当于层错面的扩大或缩小 弗兰克位错类型——纯刃位错 可以是空间曲线*8.位错反应——位错的合并与分解几何条件：能量条件：反应前后柏氏矢量和相等（方向、大小）反应后能量降低判断方法：几何条件判断方法：求反应前后各个位错柏氏矢量的矢量和能量条件判断方法：求反应前后各位错|b|2的和*例：bcc中，当与相遇时，能否合并为几何条件：即：能量条件：满足几何条件和能量条件，反应可以发生（自发进行）即：*例：fcc中，有问，能否几何条件：即：能量条件：满足几何条件和能量条件，反应可以发生（自发进行）即：*三、面缺陷晶界孪晶界相界小角度晶界大角度晶界外表面内表面*1.小角度晶界1) 类型（1）对称倾侧晶界相邻晶粒各转θ/2同号刃位错垂直排列（2）不对称倾侧晶界相互垂直的两组刃位错垂直排列*（3）扭转晶界两组螺位错构成*2)小角度晶界特点θ<10°由位错构成位错密度↑——位向差↑——晶格畸变↑——晶界能↑位错密度——决定位向差与晶界能位错类型与排列方式——决定小角晶界的类型注：*2.大角度晶界——10°以上，一般在30°～40°重合点阵模型↓重合点阵+台阶模型↓重合点阵+台阶+小角晶界模型*1）孪晶界 两晶粒沿公共晶面形成镜面对称关系 2）相界 相邻两相之间的界面3．孪晶界与相界3）分类孪晶界(相界)点阵完全重合——共格孪晶界(相界)点阵基本重合——部分共格+位错——半共格孪晶界(相界)点阵完全不重合——非共格*4．晶界能表现形式：界面张力*5．晶界特点1） 晶界——畸变——晶界能——向低能量状态转化——晶粒长大、晶界变直——晶界面积减小 2） 阻碍位错运动—— σb↑ ——细晶强化 3） 位错、空位等缺陷多——晶界扩散速度高 4） 晶界能量高、结构复杂——容易满足固态相变的条件——固态相变首先发生地 5） 化学稳定性差——晶界容易受腐蚀 6） 微量元素、杂质富集