2.2 晶體缺陷.2 ppt.ppt

2 2晶體的缺陷 在實(shí)際晶體中 由于原子 或離子 分子 的熱運(yùn)動(dòng) 以及晶體的形成條件 冷熱加工過(guò)程和其它輻射 雜質(zhì)等因素的影響 實(shí)際晶體中原子的排列不可能那樣規(guī)則 完整 常存在各種偏離理想結(jié)構(gòu)的情況 即晶體缺陷 晶體缺陷對(duì)晶體的性能 特別是對(duì)那些結(jié)構(gòu)敏感的性能 如屈服強(qiáng)度 斷裂強(qiáng)度 塑性 電阻率 磁導(dǎo)率等有很大的影響 另外晶體缺陷還與擴(kuò)散 相變 塑性變形 再結(jié)晶 氧化 燒結(jié)等有著密切關(guān)系 因此 研究晶體缺陷具有重要的理論與實(shí)際意義 缺陷的分類 按純幾何的特征對(duì)點(diǎn)陣缺陷進(jìn)行分類 1 點(diǎn)缺陷 零維缺陷 2 線缺陷 一維缺陷 3 面缺陷 二維缺陷 4 體缺陷 三維缺陷 2 2 1點(diǎn)缺陷 點(diǎn)缺陷是指發(fā)生在晶格中一個(gè)原子尺寸范圍內(nèi)的一類缺陷 Schottky缺陷 肖特基缺陷 點(diǎn)缺陷 Frenkel缺陷 弗侖克爾缺陷 有序合金中的錯(cuò)位 化學(xué)缺陷 置換式 填隙式 1 點(diǎn)缺陷的類型 本征缺陷 1 1弗侖克爾缺陷 Frenkeldefect 金屬和離子晶體中都會(huì)由于熱運(yùn)動(dòng)的能量漲落 使原子或離子脫離格點(diǎn)進(jìn)入晶體中的間隙位置 從而同時(shí)出現(xiàn)空位和填隙原子 離子 這種成對(duì)的空位和填隙原子稱為弗侖克爾缺陷 在離子晶體中 正 負(fù)離子都可以各自形成 空穴 填隙離子對(duì) 弗侖克爾缺陷 Frenkel缺陷 空位 間隙缺陷 1 2肖特基缺陷 Schottkydefect 在一定溫度 晶體中原子由于熱漲落獲得足夠能量 離開格點(diǎn)位置 遷移至晶體表面 于是在晶體中出現(xiàn)不被原子占據(jù)的空格點(diǎn) 稱為空位 也稱肖特基缺陷 肖特基缺陷是最表面的原子位移到一個(gè)新的位置 晶體內(nèi)不伴隨填隙原子產(chǎn)生 因此產(chǎn)生肖特基缺陷時(shí) 伴隨表面原子的增多 晶體的質(zhì)量密度會(huì)有所減小 形成填隙原子時(shí) 原子擠入間隙位置所需要的能量比產(chǎn)生肖特基空位所需能量大 因此當(dāng)溫度不太高時(shí) 肖特基缺陷的數(shù)目要比弗侖克爾缺陷的數(shù)目大得多 Schottky缺陷 空位缺陷 有序合金中的錯(cuò)位 化學(xué)缺陷 置換式 填隙式 正離子 負(fù)離子 離子晶體中的點(diǎn)缺陷 1 大的置換原子4 復(fù)合空位2 肖脫基空位5 弗蘭克爾空位3 異類間隙原子6 小的置換原子 2 點(diǎn)缺陷與材料行為 結(jié)構(gòu)變化 晶格畸變 如空位引起晶格收縮 間隙原子引起晶格膨脹 置換原子可引起收縮或膨脹 性能變化 點(diǎn)缺陷可以使材料的物理性質(zhì)與力學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生變化 1 引起金屬材料電阻的增加 晶體中存在點(diǎn)缺陷時(shí) 破壞了原子排列的規(guī)律性 使電子遷移時(shí)的散射增加 從而增加了電阻 2 晶體密度下降 空位的存在使晶體的密度下降 3 高溫蠕變 空位的存在及其運(yùn)動(dòng)是晶體高溫下發(fā)生蠕變的重要原因 熱振動(dòng)產(chǎn)生的點(diǎn)缺陷屬于熱力學(xué)平衡缺陷 即在一定的溫度下 晶體中一定存在一定數(shù)量的點(diǎn)缺陷 平衡濃度的點(diǎn)缺陷對(duì)材料的力學(xué)性能的影響并不大 但在高溫下空位的濃度很高 空位在材料變形時(shí)的作用就不能忽略了 4 原子或分子的擴(kuò)散就是依靠點(diǎn)缺陷的運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)的 晶體中的點(diǎn)缺陷處于不斷的運(yùn)動(dòng)狀態(tài) 當(dāng)空位周圍原子的熱運(yùn)動(dòng)動(dòng)能超過(guò)激活能時(shí) 就可能脫離原來(lái)的結(jié)點(diǎn)位置而跳躍到空位 正是依據(jù)這一機(jī)制 空位發(fā)生不斷的遷移 同時(shí)伴隨原子的反向遷移 間隙原子也在晶格的間隙中不斷運(yùn)動(dòng) 空位和間隙原子的運(yùn)動(dòng)是晶體內(nèi)原子擴(kuò)散的內(nèi)部原因 原子的擴(kuò)散就是依靠點(diǎn)缺陷的運(yùn)動(dòng)而實(shí)現(xiàn)的 2 2 2線缺陷 位錯(cuò) 位錯(cuò)是晶體中已滑移區(qū)和未滑移區(qū)的交線 位錯(cuò)線并不是幾何學(xué)所定義的線 從微觀看來(lái) 它是有一定寬度的管道 人們是從研究晶體的塑性變形中才認(rèn)識(shí)到晶體中存在著位錯(cuò) 位錯(cuò)對(duì)晶體的強(qiáng)度與斷裂等力學(xué)性能起著決定性的作用 同時(shí) 位錯(cuò)對(duì)晶體的擴(kuò)散與相變等過(guò)程也有一定的影響 1 位錯(cuò)的類型 位錯(cuò) 刃位錯(cuò) 螺位錯(cuò) 當(dāng)晶體內(nèi)沿著某一條線附近的原子排列發(fā)生畸變 破壞了晶格周期性時(shí)就形成了線缺陷 線缺陷就是 位錯(cuò) 晶體中已滑移區(qū)與未滑移區(qū)的邊界線 即位錯(cuò)線 若垂直于滑移方向 則會(huì)存在一多余半排原子面 它象一把刀刃插入晶體中 使此處上下兩部分晶體產(chǎn)生原子錯(cuò)排 這種晶體缺陷稱為刃位錯(cuò) 多余半排原子面在滑移面上方的稱正刃型位錯(cuò) 記為 相反 半排原子面在滑移面下方的稱負(fù)刃型位錯(cuò) 記為 刃位錯(cuò) edgedislocation 刃位錯(cuò) 刃位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng) 刃位錯(cuò)攀移示意圖 a 正攀移 半原子面縮短 b 未攀移 c 負(fù)攀移 半原子面伸長(zhǎng) 位錯(cuò)攀移在低溫下是難以進(jìn)行的 只有在高溫下才可能發(fā)生 B C 下圖 螺位錯(cuò) screwdislocation 假定在一塊簡(jiǎn)單立方晶體中 沿某一晶面切一刀至BC處 然后在晶體的右側(cè)上部施加一切應(yīng)力 使右端上下兩部分晶體相對(duì)滑移一個(gè)原子間距 由于BC線左邊晶體未發(fā)生滑移 于是出現(xiàn)了已滑移區(qū)與未滑移區(qū)的邊界BC 從俯視角度看 在滑移區(qū)上下兩層原子發(fā)生了錯(cuò)動(dòng) 晶體點(diǎn)陣畸變最嚴(yán)重的區(qū)域內(nèi)的兩層原子平面變成螺旋面 畸變區(qū)的尺寸與長(zhǎng)度相比小得多 在這畸變區(qū)范圍內(nèi)稱為螺型位錯(cuò) 已滑移區(qū)和未滑移區(qū)的交線BC稱之為螺型位錯(cuò)線 螺位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng) 螺位錯(cuò)與刃位錯(cuò)的主要區(qū)別 螺型位錯(cuò)線與晶體滑移方向平行 且位錯(cuò)線的移動(dòng)方向與晶體滑移方向互相垂直 純螺型位錯(cuò)的滑移面不是唯一的 凡是包含螺型位錯(cuò)線的平面都可以作為它的滑移面 但實(shí)際上 滑移通常是在那些原子密排面上進(jìn)行 刃型位錯(cuò)線與晶體滑移方向垂直 位錯(cuò)線的移動(dòng)方向與晶體滑移方向互相平行 刃型位錯(cuò)滑移面只有一個(gè) 實(shí)際的位錯(cuò)常常是混合型的 介于刃型和螺型之間 混合位錯(cuò) 混合位錯(cuò)的滑移 2 線缺陷與材料的行為 由于晶體中位錯(cuò)的滑移 使得實(shí)際材料的屈服強(qiáng)度較理想晶體的屈服強(qiáng)度低2 4個(gè)數(shù)量級(jí) 按位錯(cuò)滑移方式發(fā)生塑性變形要比兩個(gè)相鄰原子面整體相對(duì)滑移容易得多 因此晶體的實(shí)際強(qiáng)度比理論強(qiáng)度低得多 去除外力的作用后 能恢復(fù)的變形稱之為彈性變形 不能恢復(fù)的變形稱之為塑性變形 無(wú)論是何種材料 在載荷的作用下 都要產(chǎn)生一些變化 我們管它叫變形 對(duì)材料力學(xué)性能的影響 位錯(cuò)不能中斷于晶體內(nèi)部 可在表面露頭 或終止于晶界或相界 或與其它位錯(cuò)相交 或自行封閉成環(huán) 屈服強(qiáng)度 yieldstrength 屈服強(qiáng)度是試樣在拉伸過(guò)程中 開始產(chǎn)生塑性變形所須的應(yīng)力 強(qiáng)度 strength 是材料或物件經(jīng)得起變形的能力 實(shí)際金屬發(fā)生塑性變形是通過(guò)位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的 實(shí)際晶體的強(qiáng)度 主要取決于位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力 位錯(cuò)的存在對(duì)金屬的強(qiáng)度有著重要的影響 從圖中可見 增加或降低位錯(cuò)密度 都能有效地提高金屬?gòu)?qiáng)度 理想晶體的強(qiáng)度很高 位錯(cuò)的存在可降低強(qiáng)度 當(dāng)位錯(cuò)大量產(chǎn)生后 強(qiáng)度又提高 由于沒有缺陷的晶體很難得到 所以生產(chǎn)中一般依靠增加位錯(cuò)密度來(lái)提高金屬?gòu)?qiáng)度 但塑性隨之降低 塑性 plasticity 塑性是指材料斷裂前發(fā)生塑性變形的能力 對(duì)材料化學(xué)性能的影響 位錯(cuò)區(qū)域能量高 有利于化學(xué)反應(yīng)的成核 從微觀來(lái)看 位錯(cuò)線是有一定寬度的管道 它們可以組成列管式的小角度晶界 或者發(fā)生交互作用形成四通八達(dá)的三維網(wǎng)絡(luò) 加快粒子的擴(kuò)散及化學(xué)反應(yīng) 金屬淬火后為什么變硬 螺位錯(cuò)區(qū)別于刃位錯(cuò)的主要特征是什么 晶體的一般特點(diǎn)是什么 點(diǎn)陣和晶體結(jié)構(gòu)有何關(guān)系 點(diǎn)缺陷Schottky缺陷Frenkel缺陷刃位錯(cuò)螺位錯(cuò)變形彈性變形塑性變形強(qiáng)度屈服強(qiáng)度塑性晶體非晶體準(zhǔn)晶體結(jié)構(gòu)馳豫晶化 在位錯(cuò)滑移時(shí) 刃位錯(cuò)上原子受的力和螺位錯(cuò)上原子受的力各有什么特點(diǎn) 2 2 3面缺陷 面缺陷是發(fā)生在晶格二維平面上的缺陷 其特征是在一個(gè)方向上的尺寸很小 而另兩個(gè)方向上的尺寸很大 也可稱二維缺陷 面缺陷 晶界 亞晶界 孿晶界 相界 堆垛層錯(cuò) 1 面缺陷的分類 材料的表面是最顯而易見的面缺陷 在垂直于表面方向上 平移對(duì)稱性被破壞了 由于材料是通過(guò)表面與環(huán)境及它其材料發(fā)生相互作用 所以表面的存在對(duì)材料的物理化學(xué)性能有重要的影響 常見的氧化 腐蝕 磨損等自然現(xiàn)象都與表面狀態(tài)有關(guān) 晶界是不同取向的晶粒之間的界面 由于晶界原子需要同時(shí)適應(yīng)相鄰兩個(gè)晶粒的位向 就必須從一種晶粒位向逐步過(guò)渡到另一種晶粒位向 成為不同晶粒之間的過(guò)渡層 因而晶界上的原子多處于無(wú)規(guī)則狀態(tài)或兩種晶粒位向的折衷位置上 晶界 grainboundaries 多晶體結(jié)構(gòu)示意圖 鋼中的晶粒 其中黑線為晶界 圖2 50純鐵的微觀結(jié)構(gòu)照片 亞晶界 sub boundaries 晶粒內(nèi)部也不是理想晶體 而是由位向差很小的稱為嵌鑲塊的小塊所組成 稱為亞晶粒 亞晶粒的交界稱為亞晶界 晶粒之間位向差較大 亞晶粒之間位向差較小 大于10 15 的晶界稱為大角度晶界 各晶粒之間的界面屬于大角度晶界 亞晶界是小角度晶界 位向差小于1 其結(jié)構(gòu)可以看成是位錯(cuò)的規(guī)則排列 小角傾側(cè)晶界 由一列刃型位錯(cuò)構(gòu)成 孿晶是指兩個(gè)晶體 或一個(gè)晶體的兩部分 沿一個(gè)公共晶面構(gòu)成鏡面對(duì)稱的位向關(guān)系 這兩個(gè)晶體就稱為 孿晶 twin 此公共晶面就稱孿晶面 孿晶界 twinboundaries 共格孿晶界 半共格孿晶界 界面共有原子 共格孿晶界就是在孿晶面上的原子同時(shí)位于兩個(gè)晶體點(diǎn)陣的結(jié)點(diǎn)上 為兩個(gè)晶體所共有 屬于自然地完全匹配是無(wú)畸變的完全共格晶面 它的界面能很低 約為普通晶界界面能的1 10 很穩(wěn)定 在顯微鏡下呈直線 這種孿晶界較為常見 半共格界面 若兩相的點(diǎn)陣常數(shù)差別較大 界面就難于保持完全的共格 即界面兩側(cè)的晶面不能一一對(duì)應(yīng) 于是界面上便形成了一組刃型位錯(cuò)來(lái)彌補(bǔ)原子間距的差別 這樣可以使界面的彈性應(yīng)變能降低 并使共格性得以盡量維持 由于這種界面是由共格區(qū)和非共格區(qū)相間組成的 因此稱半共格界面或部分共格界面 這種孿晶界的能量相對(duì)較高 約為普通晶界的1 2 孿晶界 相界 phaseboundaries 具有不同結(jié)構(gòu)的兩相之間的分界面稱為 相界 phaseboundary 按結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 相界面可分為共格相界 半共格相界和非共格相界三種類型 共格相界 coherentphaseboundary 所謂 共格 是指界面上的原子同時(shí)位于兩相晶格的結(jié)點(diǎn)上 即兩相的晶格是彼此銜接的 界面上的原子為兩者共有 半共格相界 Simi coherentphaseboundary 兩相鄰晶體在相界面處的晶面間距相差較大 則在相界面上不可能做到完全的一一對(duì)應(yīng) 于是在界面上將產(chǎn)生一些位錯(cuò) 以降低界面的彈性應(yīng)變能 這時(shí)界面上兩相原子部分地保持匹配 這樣的界面稱為半共格界面或部分共格界面 非共格相界 incoherentphaseboundary 當(dāng)兩相在相界面處的原子排列相差很大時(shí) 只能形成非共格界面 這種相界與大角度晶界相似 可看成是由原子不規(guī)則排列的很薄的過(guò)渡層構(gòu)成 具有完善共格關(guān)系的相界 具有彈性畸變的共格相界 半共格界面 非共格界面 由于不同的相在晶體結(jié)構(gòu)或原子間距上總會(huì)有些差異 為了保持界面上的共格 除了兩相之間應(yīng)具有特殊的取向關(guān)系外 界面周圍的原子還必須產(chǎn)生一定的彈性畸變 晶面間距較小者發(fā)生伸長(zhǎng) 較大者產(chǎn)生壓縮 以互相協(xié)調(diào) 使界面上原子達(dá)到匹配 共格界面 其界面能很低 這種共格相界的能量相對(duì)于具有完善共格關(guān)系的界面 如孿晶界 的能量要高 密堆積中的層錯(cuò) 堆垛層錯(cuò) stackingfaults 2 面缺陷與材料行為 1 對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)有阻礙作用 所以細(xì)化晶粒 增加晶界含量 可以改善材料的力學(xué)性能 既提高強(qiáng)度又增加韌性 韌性 材料變形和破壞過(guò)程中吸收能量的能力 它是強(qiáng)度和塑性的綜合表現(xiàn) 2 原子的混亂排列成為擴(kuò)散的快速通道和固態(tài)相變成核的優(yōu)先位置 3 易被氧化和腐蝕 體缺陷就是原子偏離周期排列的三維缺陷 一般指材料中的空洞 夾雜物等 這種體缺陷對(duì)材料性能的影響一方面與它的幾何尺寸大小有關(guān) 另一方面也與其數(shù)量 分布有關(guān) 它們的存在常常是有害的 體缺陷 當(dāng)前 為進(jìn)一步發(fā)揮鋼鐵材料的潛力 我國(guó)與國(guó)際上日 法等國(guó)家都在研制新一代鋼鐵材料 這新一代的含義就是要求材料更純 晶粒更細(xì) 這意味著要盡量減少體缺陷 盡量增加面缺陷和線缺陷 晶體中的缺陷 點(diǎn)缺陷 SchottkyFrekel有序合金中的錯(cuò)位化學(xué)缺陷 線缺陷 螺位錯(cuò)刃位錯(cuò) 面缺陷 晶界亞晶界孿晶界相界堆垛層錯(cuò) 體缺陷 空洞 氣孔 裂縫等 單晶體 多晶體與微晶體 若一塊固體基本上為一個(gè)空間點(diǎn)陣所貫穿 稱為單晶體 雙晶又稱孿晶 是指