材料科学基础-第三章-晶体缺陷资料.ppt
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绪论第一章原子结构与键合第二章固体结构第三章晶体缺陷第四章固体中原子及分子的运动第五章材料的形变与再结晶第六章单组元相图及纯晶体的凝固第七章二元相图及其合金的凝固材料科学基础材料科学基础4/2/20241材料科学基础CAI课件-李克第三章晶体缺陷Imperfections(defects)inCrystalsItisthedefectsthatmakesmaterialssoItisthedefectsthatmakesmaterialssointeresting,justlikethehumanbeing.interesting,justlikethehumanbeing.Defectsareattheheartofmaterialsscience.Defectsareattheheartofmaterialsscience.材料中的缺陷宏观缺陷:
孔洞,裂纹,氧化,微观缺陷:
晶体缺陷晶体缺陷非晶体缺陷腐蚀,杂质4/2/20242材料科学基础CAI课件-李克实际晶体中的缺陷晶体缺陷:
晶体中各种偏离理想结构的区域根根据据几几何何特特征征分分为为三三类类点缺陷(pointdefect)三维空间的各个方向均很小零维缺陷(zero-dimensionaldefect)线缺陷(linedefect)在二个方向尺寸均很小面缺陷(planedefect)在一个方向上尺寸很小一维缺陷(one-dimensionaldefect)二维缺陷(two-dimensionaldefect)4/2/20243材料科学基础CAI课件-李克3.1点缺陷点缺陷:
空位、间隙原子、溶质原子、和杂质原子、+复合体(如:
空位对、空位-溶质原子对)1、点缺陷的形成(productionofpointdefects)原因:
热运动:
热振动强度是温度的函数能量起伏=原子脱离原来的平衡位置而迁移别处=空位(vacancy)Schottky空位,-晶体表面Frenkel空位,-晶体间隙空位消失或移位4/2/20244材料科学基础CAI课件-李克肖脱基缺陷肖脱基缺陷原子迁移到表面原子迁移到表面仅在晶体内部形成空位仅在晶体内部形成空位弗兰克缺陷弗兰克缺陷原子迁移到间隙中原子迁移到间隙中形成空位形成空位-间隙对间隙对杂质或溶质原子杂质或溶质原子间隙式(小原子)或置换式(大原子)间隙式(小原子)或置换式(大原子)*点缺陷分类:
点缺陷分类:
4/2/20245材料科学基础CAI课件-李克*点缺陷的形成原因点缺陷的形成原因:
1.由于热起伏,形成热力学稳定的缺陷:
产生与消亡达致平衡2.过饱和空位:
高温淬火、冷变形加工、高能粒子辐照根据热力学,对空位平衡浓度进行推导-课外自学4/2/20246材料科学基础CAI课件-李克1。
电阻增大2。
提高机械性能,如屈服强度3。
有利于原子扩散4。
体积膨胀,密度减小*点缺陷对性能产生的影响点缺陷对性能产生的影响:
4/2/20247材料科学基础CAI课件-李克3.2位错线缺陷实验观察:
位错的“线索”或“影子”晶体中的生长螺旋生长螺旋二维球泡阵列中的位错变形晶体表面的滑移位错概念的提出
(一)4/2/20248材料科学基础CAI课件-李克单晶体强度:
理论与实验之间的巨大误差理论值:
根据刚性相对滑动模型得到tc=103104MPa实验值:
tc=110MPa,相差甚远位错概念的提出
(二)1934年,Taylor等提出位错的概念,认为存在着某种缺陷-位错,模型:
位错的运动(逐步传递)=晶体的逐步滑移,计算证实理论屈服强度接近实验值。
后来实验观察到实际位错。
4/2/20249材料科学基础CAI课件-李克3.2.1位错的基本类型和特征a.刃型位错edgedislocationb.螺型位错screwdislocation根据几何结构特征:
4/2/202410材料科学基础CAI课件-李克特征特征:
11)有一额外原子面,)有一额外原子面,刃口处的原子列称为位错线。
半原刃口处的原子列称为位错线。
半原子面在上子面在上,正刃型位错正刃型位错;下为负刃型位错下为负刃型位错22)刃位错的位错线不一定)刃位错的位错线不一定是是直线,直线,可以是折线,可以是折线,也可以也可以是曲线,是曲线,但位错线必与滑移矢量垂直。
但位错线必与滑移矢量垂直。
33)位错线垂直于)位错线垂直于滑移矢量滑移矢量,位错线与滑移矢量构成的面是,位错线与滑移矢量构成的面是滑移面,滑移面,刃位错的滑移面是唯一的。
刃位错的滑移面是唯一的。
44)刃型位错周围的晶体产生畸变,上压,)刃型位错周围的晶体产生畸变,上压,下拉,下拉,半原子半原子面是对称的,面是对称的,位错线附近畸变大,位错线附近畸变大,远处畸变小。
远处畸变小。
55)位错周围的畸变区一般只有几个原子宽(一般点阵畸变)位错周围的畸变区一般只有几个原子宽(一般点阵畸变程度大于其正常原子间距的程度大于其正常原子间距的1/41/4的区域宽度,的区域宽度,定义为位错定义为位错宽度,宽度,约约2525个原子间距。
)个原子间距。
)*畸变区是狭长的管道,畸变区是狭长的管道,故位错可看成是线缺陷。
故位错可看成是线缺陷。
a.刃型位错edgedislocation4/2/202411材料科学基础CAI课件-李克b.螺型位错screwdislocation11)无额外半原子面,)无额外半原子面,原子错排是轴对称的原子错排是轴对称的22)分左螺旋位错,符合左手法则;右分左螺旋位错,符合左手法则;右螺旋位错螺旋位错,符合符合右右手法则手法则33)位错线与位错线与滑移矢量滑移矢量平行,且为直线,位错线的运动方向与滑移矢量垂直平行,且为直线,位错线的运动方向与滑移矢量垂直44)凡是以螺型位错线为晶带轴的晶带凡是以螺型位错线为晶带轴的晶带所有晶面都可以为滑移面。
所有晶面都可以为滑移面。
5)5)点阵畸变引起平行于位错线的切应变,无正应变。
点阵畸变引起平行于位错线的切应变,无正应变。
66)螺型位错是包含几个原子宽度的线缺陷。
)螺型位错是包含几个原子宽度的线缺陷。
位错线bb:
已滑移区和未滑移区的边界线特征:
特征:
4/2/202412材料科学基础CAI课件-李克混合位错滑移矢量既不平行也滑移矢量既不平行也不垂直于位错线,不垂直于位错线,而而是与位错线相交成任是与位错线相交成任意角度,一般混合位意角度,一般混合位错为曲线形式,错为曲线形式,故每故每一点的滑移矢量与位一点的滑移矢量与位错线的交角不同。
错线的交角不同。
位错线不能终止于晶体内位错线不能终止于晶体内部,只能露头于晶体表面部,只能露头于晶体表面4/2/202413材料科学基础CAI课件-李克1。
首先选定位错的正向;(出纸面的方向)2。
然后绕位错线周围作右旋闭合回路-柏氏回路;在不含有位错的完整晶体中作同同样步数和方向步数和方向的路径,3。
由终点向始点引一矢量,即为此位错线的柏氏矢量,记为3.2.2柏氏矢量(BurgersVector)1、柏氏矢量的确定刃型位错4/2/202414材料科学基础CAI课件-李克各种位错的柏氏矢量4/2/202415材料科学基础CAI课件-李克1、反映位错周围点阵畸变的总积累(包括强度和方向)2、该矢量的方向表示位错运动导致晶体滑移的方向,而该矢量的模表示畸变的程度称为位错的强度。
(strengthofdislocation)2、柏氏矢量的物理意义4/2/202416材料科学基础CAI课件-李克11、柏氏矢量的守恒性:
与柏氏回路起点的选择无关,柏氏矢量的守恒性:
与柏氏回路起点的选择无关,也与回路的具体途径无关也与回路的具体途径无关22、柏氏矢量的唯一性:
柏氏矢量的唯一性:
一根位错线具有唯一的柏氏一根位错线具有唯一的柏氏矢量,其各处的柏氏矢量都相同,且当位错运动时,矢量,其各处的柏氏矢量都相同,且当位错运动时,其柏氏矢量也不变。
其柏氏矢量也不变。
33、位错的连续性:
位错线只能、位错的连续性:
位错线只能终止终止在晶体表面或界在晶体表面或界面上,面上,而不能中止于晶体内部而不能中止于晶体内部(单晶和多晶)(单晶和多晶);在晶体内部它只能形成封闭的环线或与其他位错相在晶体内部它只能形成封闭的环线或与其他位错相交于结点上。
交于结点上。
3、柏氏矢量的特性4/2/202417材料科学基础CAI课件-李克柏氏矢量的大小和方向可用它在晶轴上的分量-点阵矢量来表示在立方晶体中,可用于相同的晶向指数来表示:
4、柏氏矢量的表示法位错强度位错合并4/2/202418材料科学基础CAI课件-李克3.2.3位错的运动人们为什么对位错感兴趣?
人们为什么对位错感兴趣?
大量位错在晶体中的运动大量位错在晶体中的运动=晶体宏观塑性变形晶体宏观塑性变形力学性能如强度、塑性、断裂都与位错运动有关力学性能如强度、塑性、断裂都与位错运动有关位错运动的两种基本形式:
滑移和攀移位错运动的两种基本形式:
滑移和攀移4/2/202419材料科学基础CAI课件-李克滑移面:
滑移面:
位错线与柏氏矢量所在平面位错线与柏氏矢量所在平面刃位错的滑移面:
位错线与滑移矢量构成的面是滑移面,刃位错的滑移面:
位错线与滑移矢量构成的面是滑移面,刃位错的滑移面是唯一的刃位错的滑移面是唯一的螺位错的滑移面:
凡是以螺型位错线为晶带轴的晶带面螺位错的滑移面:
凡是以螺型位错线为晶带轴的晶带面都可以为滑移面都可以为滑移面1、位错的滑移、位错的滑移滑移:
在外加切应力的作用下,通过位错中心附近的原子沿柏氏矢量方向在滑移面上,不断地作少量的位移(小于一个原子间距)4/2/202420材料科学基础CAI课件-李克滑移时,刃型位错的运动方向始终垂直于位错线,滑移时,刃型位错的运动方向始终垂直于位错线,而平行于柏氏矢量而平行于柏氏矢量刃型位错的滑移仅限于单一的滑移面上刃型位错的滑移仅限于单一的滑移面上4/2/202421材料科学基础CAI课件-李克螺型位错的滑移螺型位错的滑移螺型位错的滑移不仅限于不仅限于单一的滑移面上单一的滑移面上滑移时,螺型位错的运动方向,垂直于位错线和柏滑移时,螺型位错的运动方向,垂直于位错线和柏氏矢量氏矢量板书:
板书:
P944/2/202422材料科学基础CAI课件-李克螺型位错的交滑移:
螺型位错的交滑移:
当某一螺型位错在原滑移面上运动受阻时,从原滑移面转移到与之相交的另一滑移面上去继续滑移的过程。
是滑移的一种特殊方式。
滑移受阻后,滑移面的滑移受阻后,滑移面的转移。
转移。
涉及多个滑移面的滑移涉及多个滑移面的滑移4/2/202423材料科学基础CAI课件-李克2、刃型位错的攀移、刃型位错的攀移攀移:
刃型位错滑移面多余半原子面的扩大或缩小原子或空位的扩散特点:
(1)扩散需要热激活,比滑移需要更大的能量
(2)纯剪应力不能引起体积变化,对攀移不起作用(3)高温淬火等产生过饱和空位,有利于攀移进行过饱和空位,有利于攀移进行。
4/2/202424材料科学基础CAI课件-李克3.2.4位错的弹性性质(略)4/2/202427材料科学基础CAI课件-李克3.2.5位错的生成和增殖位错密度:
单位体积中的位错线的总长度。
r=L/V(1/cm2)
(1)r=nl/lA=n/A
(2)(实际计算:
面积A中所见的位错线数目)
(2)
(1)金属晶体中的位错密度:
超纯金属单晶体:
成分不同=晶块点阵常数不同=位错过渡2、温度浓度梯度、振动=生长晶体偏转、弯曲=位相差=位错过渡3、相邻晶粒碰撞、体积变化、热应力=台阶或变形=产生位错快速凝固快速凝固=过饱和空位过饱和空位=聚集聚集=位错位错热应力和组织应力热应力和组织应力=界面和微裂纹处应力集界面和微裂纹处应力集中中=局部滑移局部滑移=位错位错4/2/202429材料科学基础CAI课件-李克3、位错的增殖事实上:
密度增加,可达4-5个数量级-位错因此,必有增殖!
位错滑移到表面=宏观变形(减少?
)4/2/202430材料科学基础CAI课件-李克F-R源动作过程源动作过程刃位错刃位错AB的两端的两端A和和B被位错用结点钉扎住被位错用结点钉扎住m,n两处同属纯螺型位错,但位错性质恰好相两处同属纯螺型位错,但位错性质恰好相反,两者相遇时,彼此便会抵消,这使原来整反,两者相遇时,彼此便会抵消,这使原来整根位错线断开成两部分,外面为封闭的位错环,根位错线断开成两部分,外面为封闭的位错环,里面为一段连接里面为一段连接A和和B的位错线,在线张力作的位错线,在线张力作用下变直恢复到原始状态。
用下变直恢复到原始状态。
在外力的继续作用下,它将重复上述过程,每在外力的继续作用下,它将重复上述过程,每重复一次就产生一个位错环,从而造成位错的重复一次就产生一个位错环,从而造成位错的增殖,并使晶体产生可观的滑移量。
增殖,并使晶体产生可观的滑移量。
FR位错增殖机制已为实验所证实位错增殖机制已为实验所证实:
Si,Al-Cu晶体中观察到晶体中观察到主要增殖机制:
主要增殖机制:
Frank-ReadFrank-Read位错源位错源其它增殖机制:
1、双交滑移增殖;2、攀移增殖4/2/202431材料科学基础CAI课件-李克3.3表面及界面(面缺陷)界面包括:
外表面(自由表面)和内界面界面包括:
外表面(自由表面)和内界面表面:
固体与气体或液体的分界面。
表面:
固体与气体或液体的分界面。
对于低维材料很重要对于低维材料很重要内界面:
晶粒边界、晶粒内的亚晶界、孪晶界、层错、相内界面:
晶粒边界、晶粒内的亚晶界、孪晶界、层错、相界面(不同结构,如固溶体与中间相的界面)界面(不同结构,如固溶体与中间相的界面)界面界面厚度为厚度为几个原子层厚,原子排列于成分不同于内部几个原子层厚,原子排列于成分不同于内部二维面缺陷二维面缺陷4/2/202433材料科学基础CAI课件-李克3.3.1外表面表面特征:
表面特征:
*晶体中的表面张力是各向异性的晶体中的表面张力是各向异性的*表面能与晶体表面原子排列致密度有关,一表面能与晶体表面原子排列致密度有关,一般为原子密度最大的面般为原子密度最大的面密排面密排面*表面能还与曲率有关:
曲率越大,表面能越表面能还与曲率有关:
曲率越大,表面能越大大(比如纳米粉体)(比如纳米粉体)4/2/202434材料科学基础CAI课件-李克3.3.2晶界和亚晶界晶界定义:
晶界定义:
组成晶体的多组成晶体的多个晶粒中,属于同一固相个晶粒中,属于同一固相(具有相同结构)、但位(具有相同结构)、但位向不同的晶粒之间的界面。
向不同的晶粒之间的界面。
大角度晶界和小角度晶界的区别。
10o为界4/2/202435材料科学基础CAI课件-李克亚晶界定义:
亚晶界定义:
每个晶粒有时由位向稍有差异的亚每个晶粒有时由位向稍有差异的亚晶粒组成,相邻亚晶粒间的界面。
晶粒组成,相邻亚晶粒间的界面。
事实上,每个晶粒中还可分成若干个更为细小的事实上,每个晶粒中还可分成若干个更为细小的亚晶粒亚晶粒(0.001mm0.001mm),亚晶粒之间存在着),亚晶粒之间存在着小的位相小的位相差差,相邻亚晶粒之间的界面成为,相邻亚晶粒之间的界面成为亚晶界亚晶界。
亚晶粒。
亚晶粒更接近于理想更接近于理想的单晶体。
的单晶体。
位相差一般小于位相差一般小于22oo,属于小角度晶界,具有晶界,属于小角度晶界,具有晶界的一般特征。
的一般特征。
4/2/202436材料科学基础CAI课件-李克1、小角度晶界的结构4/2/202437材料科学基础CAI课件-李克A、对称倾斜晶界4/2/202438材料科学基础CAI课件-李克B、不对称倾斜晶界两个自由度4/2/202439材料科学基础CAI课件-李克C、扭转晶界*一般小角度晶界都可看成两部分晶体绕某一轴旋转一角一般小角度晶界都可看成两部分晶体绕某一轴旋转一角度而形成,不过该转轴即不平行也不垂直晶界,故可看成度而形成,不过该转轴即不平行也不垂直晶界,故可看成一系列刃位错,螺位错或混合位错的网络组成。
一系列刃位错,螺位错或混合位错的网络组成。
4/2/202440材料科学基础CAI课件-李克2、大角度晶界的结构台阶模型(左图)*相邻晶粒在交界处的形状不是光滑的曲面,而是由不规则台阶组成的,A,B,C,D特征区域重合位置点阵模型(右图)*晶界能较低*特殊位向*晶界可看成是好区与坏区交替相间组合而成的。
*一般大角度晶界的宽度一般不超过三个原子间距。
4/2/202441材料科学基础CAI课件-李克4、晶界的特性(Important)11)晶界处点阵畸变变大,存在晶界能,故晶粒长)晶界处点阵畸变变大,存在晶界能,故晶粒长大和晶界平直化是一个大和晶界平直化是一个自发自发过程过程22)晶界处原子排列不规则)晶界处原子排列不规则阻碍塑性变形阻碍塑性变形HHbb,ssbb(细晶(细晶强化强化)33)晶界处存在较多缺陷(位错、空位等)晶界处存在较多缺陷(位错、空位等)有利有利原子原子扩散扩散44)晶界能量高)晶界能量高固态固态相变相变先发生,先发生,dd形核率形核率55)成分偏析和内吸附)成分偏析和内吸附,又富集杂质原子,又富集杂质原子晶界熔晶界熔点低点低“过烧过烧”现象现象66)晶界能高)晶界能高晶界晶界腐蚀腐蚀速度速度4/2/202445材料科学基础CAI课件-李克3.3.3孪晶界Twinboundary孪晶孪晶指两个晶体(或一个晶体的两部分)沿一个公共指两个晶体(或一个晶体的两部分)沿一个公共晶面构成对称的位相关系,这两个晶体就称为孪晶,这个晶面构成对称的位相关系,这两个晶体就称为孪晶,这个公共的晶面即成为孪晶面公共的晶面即成为孪晶面共格孪晶界:
共格孪晶界:
即孪晶面,其上的原子即孪晶面,其上的原子同时位于同时位于两侧晶两侧晶体点阵的节点上,体点阵的节点上,为两者共有为两者共有。
无畸变的完全共格界。
无畸变的完全共格界面,面,界面能界面能(约为普通晶界能(约为普通晶界能1/101/10)很低很稳定很低很稳定非共格孪晶界:
非共格孪晶界:
孪晶界相对于孪晶面旋转一角度,孪晶界相对于孪晶面旋转一角度,其上的原子只有部分为两者共有,其上的原子只有部分为两者共有,原子错排原子错排较较严严重重,孪晶能量相对较高孪晶能量相对较高,约为普通晶界的,约为普通晶界的1/21/2孪孪晶晶界界图见讲义图见讲义4/2/202446材料科学基础CAI课件-李克孪晶的形成孪晶的形成与堆垛层错堆垛层错密度相关,如fcc的111面发生堆垛层错时为ABCACBACBACAC处为堆垛层错孪晶与层错密切相关孪晶与层错密切相关一般层错能高的晶体不易产生孪晶生长孪晶生长孪晶退火孪晶退火孪晶孪孪晶晶的的形形成成形变孪晶:
形变孪晶:
MgMg4/2/202447材料科学基础CAI课件-李克3.3.4相界PhaseBoundary相界相界具有不同结构的两相之间的分界面称为相具有不同结构的两相之间的分界面称为相界界,如固溶体与中间相的界面共格界面:
共格界面:
界面上的原子同时位于两相晶格界面上的原子同时位于两相晶格的节点上,弹性畸变的节点上,弹性畸变半共格相界:
半共格相界:
两相结构相近而原子间距相差较大时,部分两相结构相近而原子间距相差较大时,部分保持匹配保持匹配非共格相界:
非共格相界:
两相在界面处的原子排列相差很大,两相在界面处的原子排列相差很大,相界与大角度晶界相似(相界能最高)相界与大角度晶界相似(相界能最高)4/2/202448材料科学基础CAI课件-李克第三章主要内容回顾缺陷在材料中有重要意义,在材料科学中占有重要地位。
晶体中的缺陷:
缺陷在材料中有重要意义,在材料科学中占有重要地位。
晶体中的缺陷:
点缺陷、线缺陷、面缺陷点缺陷、线缺陷、面缺陷点缺陷是由于原子的热运动并存在能量起伏而产生的。
平衡浓度:
点缺陷是由于原子的热运动并存在能量起伏而产生的。
平衡浓度:
线缺陷:
位错,已滑动区域与未滑动区域的边界线缺陷:
位错,已滑动区域与未滑动区域的边界位错最初作为一种理论的提出有两方面的原因:
实验观察和理论位错最初作为一种理论的提出有两方面的原因:
实验观察和理论计算计算位错分为:
螺型、刃型、混合位错位错分为:
螺型、刃型、混合位错柏氏矢量反应了位错周围点阵畸变的总合,也反映了晶体两部分柏氏矢量反应了位错周围点阵畸变的总合,也反映了晶体两部分相对滑动的方向和大小相对滑动的方向和大小柏氏矢量的确定:
柏氏矢量的确定:
FS/RH规则,表示:
晶体学表示规则,表示:
晶体学表示位错的运动:
区别位错运动方向与晶体相对滑动方向位错的运动:
区别位错运动方向与晶体相对滑动方向位错的交割位错的交割:
割阶与扭折割阶与扭折位错的密度、生成、增殖位错的密度、生成、增殖表面、界面、晶界、相界表面、界面、晶界、相界4/2/202449材料科学基础CAI课件-李克1、在Fe中形成1mol空位的能量为104.675kJ,试计算从20升温至850时空位数目增加多少倍?
2、空位和位错的形成原因分别有哪些?
第3章作业-(与第2章作业一起交)4/2/202450材料科学基础CAI课件-李克
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- 材料科学 基础 第三 晶体缺陷 资料