物理冶金原理：7晶體缺陷

1、 New Materials Processing Innovations D DG=nUv-T(nD DSv+D DSc) D DScD DSv Interstitial Atoms in Solid Solution x b a b x line l運(yùn)動運(yùn)動 滑移滑移(glide) 攀移攀移(climb) l形狀：形狀： 直線、平面曲線直線、平面曲線 平面折線、環(huán)狀平面折線、環(huán)狀 l正攀移（Positive climb）：半原子面縮小 l副攀移（Negative Climb）：半原子面增大 b Dislocation Line l滑移面不固定滑移面不固定：uvw晶帶晶帶 內(nèi)的全部晶面內(nèi)的全

2、部晶面 l易發(fā)生交滑移易發(fā)生交滑移(cross-slip) l不能攀移不能攀移 螺位錯uvw的 Cross-Slip of a Screw Dislocation uvw b b b b uvw 螺位錯uvw的 Double Cross-Slip of a Screw Dislocation uvw b b b b b 螺位錯的 Cross SLip and Double Cross-Slip of a Screw Dislocation 晶帶晶帶 晶帶軸晶帶軸 uvw 晶面晶面 (hkl) 晶帶定理：晶帶定理： hu + kv + lw = 0 uvw (hkl) 六個(gè)獨(dú)立應(yīng)力分量六個(gè)獨(dú)立應(yīng)

3、力分量 五個(gè)獨(dú)立應(yīng)變分量五個(gè)獨(dú)立應(yīng)變分量 b b ：Ee = (se)/2 =(Ee2)/2 ： Ee = (tg)/2 =(Gg2)/2 s s L DL e= D DL/L L b g g = b/L Escrew = (Gb2/4p) ln(R/ro) Escrew = (Gb2/4p) ln(R/ro) Eedge = Gb2/4p(1-n n) ln(R/ro) Escrew = (Gb2/4p) ln(R/ro) Eedge = Gb2/4p(1-n n) ln(R/ro) EEscrew Eedge G(b.cosa)2/4p ln(R/ro) G(b.sina )2/4p(1-

4、n n) ln(R/ro) T = Escrew Gb2/2 或 Gb2 t 2T.(dq/2) t.R.dq t=T/R= t W = (t t dsdl ) b = (ds f) dl f = t t b 性質(zhì)性質(zhì)：想象力：想象力 大小大小： f = t t b 方向方向：法線指向位錯運(yùn)動方向：法線指向位錯運(yùn)動方向 f ds dl t t Interaction between two Parallel Screw Dislocations r b1 b2 f ：t= Gb1/(2pr) 即為 ： f=b2Gb1/(2pr) F = b2Gb1/(2pr) 0 同號位錯相互排斥！同號位錯相

5、互排斥！ r b1 b2 F r b1 b2 f= -b2b1/(2pr) f F = -b2Gb1/(2pr) 異號位錯相互吸引并最終相互抵消異號位錯相互吸引并最終相互抵消！ x=0 Fx = 0; x = y Fx = 0 滑移面 b1 b Jog 螺位錯雙交滑移雙交滑移產(chǎn)生產(chǎn)生F-R位錯源位錯源 F-R Dislocation Source by Double Cross-Slip of a Screw Dislocation ：滑移矢量等于密排面上密排方向原滑移矢量等于密排面上密排方向原 子間距的位錯子間距的位錯: e.g., (a/2) in FCC; (a/2) in BCC; (

6、a/3), etc. ：滑移矢量不等于密排面滑移矢量不等于密排面 上密排方向原子間距的位錯上密排方向原子間距的位錯: e.g., (a/6) and (a/3) in FCC, etc. 分位錯不可能單獨(dú)存在，總與層錯相連！分位錯不可能單獨(dú)存在，總與層錯相連！ b = (a/2) 滑移方向滑移方向: ; 滑移大小滑移大小: ：滑移矢量不滑移矢量不 等于密排面上密排方向原子間距等于密排面上密排方向原子間距 的位錯的位錯: e.g., (a/6) and (a/3) in FCC, etc. 分位錯不可能單獨(dú)存在，總與層分位錯不可能單獨(dú)存在，總與層 錯（錯（Stacking Fault)相連！相連

7、！ l其柏氏矢量位于層錯面內(nèi)其柏氏矢量位于層錯面內(nèi) l平面曲線、混合位錯平面曲線、混合位錯 l可滑移位錯可滑移位錯 Stacking Fault l全位錯的分解反應(yīng)全位錯的分解反應(yīng) l全位錯之間的反應(yīng)全位錯之間的反應(yīng) l分位錯之間的反應(yīng)分位錯之間的反應(yīng) l空位群的崩塌：空位群的崩塌：Collapse of Vacancy Clusters or Vacancy Pairs l全位錯的分解全位錯的分解 l全位錯之間的反應(yīng)全位錯之間的反應(yīng) l分位錯之間的反應(yīng)分位錯之間的反應(yīng) ：矢量守恒：矢量守恒 ：能量降低：能量降低 ( Slip Plane (001) Sessile Dislocation G

8、rowth Steps on a Laser Melting Rapidly Solidified TiC Dendrite in TiC/Ti Composite 一、獲得一、獲得（晶體的理論強(qiáng)度）（晶體的理論強(qiáng)度） 除尺寸很小的晶須外，迄今無法制備；除尺寸很小的晶須外，迄今無法制備； 一旦屈服，幾乎沒有強(qiáng)度！一旦屈服，幾乎沒有強(qiáng)度！ 二、獲得二、獲得： 沒有塑性、沒有加工硬化！沒有塑性、沒有加工硬化！ 一旦屈服，幾乎沒有強(qiáng)度！一旦屈服，幾乎沒有強(qiáng)度！ 變形集中（絕熱剪切）變形集中（絕熱剪切） 三、三、 盡最盡最 大可能增加位錯移動的阻力：大可能增加位錯移動的阻力： 機(jī)制：位錯與溶質(zhì)原子的交

9、互作用：機(jī)制：位錯與溶質(zhì)原子的交互作用： 溶質(zhì)原子向位錯偏聚，形成溶質(zhì)氣團(tuán)溶質(zhì)原子向位錯偏聚，形成溶質(zhì)氣團(tuán) (Solute Atmosphere)，降低位錯的，降低位錯的 應(yīng)變能（和系統(tǒng)能量），使位錯難于應(yīng)變能（和系統(tǒng)能量），使位錯難于 移動！移動！ 偏聚于刃位錯線偏聚于刃位錯線Cottrell 氣團(tuán)氣團(tuán) 偏聚于擴(kuò)展位錯層錯區(qū)偏聚于擴(kuò)展位錯層錯區(qū)Suzuki氣團(tuán)氣團(tuán) 偏聚于螺位錯附近偏聚于螺位錯附近Snoek氣團(tuán)氣團(tuán) 機(jī)制：位錯之間的交互作用機(jī)制：位錯之間的交互作用 位錯增殖、位錯密度急劇增加、位錯位錯增殖、位錯密度急劇增加、位錯 難于移動難于移動 位錯交割形成大量割階、釘扎位錯位錯交割形成大

10、量割階、釘扎位錯 位錯交割形成位錯網(wǎng)、釘扎位錯位錯交割形成位錯網(wǎng)、釘扎位錯 位錯反應(yīng)形成位錯反應(yīng)形成Lomer或或Cottrell Lomer位錯鎖位錯鎖 (界面共格錯配度、界面能、彈性模量差、層錯能差、有序度等）界面共格錯配度、界面能、彈性模量差、層錯能差、有序度等） Particle Size (d) Yield Strength (t) Hall-Petch關(guān)系關(guān)系 Hall-Petch Equation s s = s so + kd-(1/2) S2 S1 ： ： ： 鎳基單晶高溫合金中鎳基單晶高溫合金中 的的Ni3Al/Ni！ Ni3Al/Ni Coherent Interface

11、 in Single- Crystal Ni-Base Superalloy : 5個(gè)自由度個(gè)自由度 q=b/D D 對稱傾側(cè)小角晶界對稱傾側(cè)小角晶界HREM照片照片 （高分辨透射電子顯微照片）（高分辨透射電子顯微照片） 由兩列柏氏矢量由兩列柏氏矢量 互相垂直的螺位錯組成互相垂直的螺位錯組成（螺位錯網(wǎng)）（螺位錯網(wǎng)） Twist Small Angle Grain Boundaries ：一種理想的共格界面：一種理想的共格界面 界面能即層錯能界面能即層錯能 孿晶界及其強(qiáng)化作用孿晶界及其強(qiáng)化作用 孿晶界是一種低能共格晶界，它能夠有效地阻位錯運(yùn)動并吸收部分位 錯，因此可以起到與普通晶界相似的強(qiáng)化作用

12、。但是共格孿晶界對電子的 散射能力極小，其電阻值比普通晶界的電阻低一個(gè)數(shù)量級。因此，通過引 入大量孿晶界（即制備出高密度納米尺寸生長孿晶）可以大幅度提高材料 的強(qiáng)度而對其電導(dǎo)特性無明顯影響。 強(qiáng)度和導(dǎo)電性是導(dǎo)體金屬材料的兩個(gè)至關(guān)重要性能。純金屬（如銀、 銅等）具有很高的導(dǎo)電率，但其強(qiáng)度極低（均小于100MPa）。通過合金化 固溶強(qiáng)化、晶粒細(xì)化、加工強(qiáng)化等強(qiáng)化技術(shù)可大幅提高強(qiáng)度，但往往導(dǎo)致 金屬材料電導(dǎo)率的大幅度降低，其原因在于這些強(qiáng)化技術(shù)本質(zhì)上是在材料 中引入各種缺陷，如晶粒細(xì)化引入更多晶界，加工強(qiáng)化引入大量位錯，這 些缺陷會顯著增大對電子的散射，從而降低導(dǎo)電性能。 中科院金屬研究所提出利用納

13、米尺寸的生長孿晶強(qiáng)化金屬的新途徑以 實(shí)現(xiàn)超高強(qiáng)度和高導(dǎo)電性并最近獲得成功。他們采用脈沖電解沉積技術(shù)制 備出具有高密度納米尺寸生長孿晶的純銅薄膜，通過工藝過程研究調(diào)整樣 品的晶粒尺寸、孿晶厚度及其分布、織構(gòu)狀態(tài)等，獲得了具有超高強(qiáng)度和 高導(dǎo)電性的純銅樣品，其拉伸強(qiáng)度高達(dá)1068MPa（是普通純銅的十倍以上， 達(dá)到高強(qiáng)度鋼或銅晶須的強(qiáng)度水平），而室溫電導(dǎo)率與無氧高導(dǎo)（OFHC） 銅相當(dāng)（97%IACS）。 孿晶界強(qiáng)化孿晶界強(qiáng)化 被稱作金屬材料的第五種強(qiáng)化方法被稱作金屬材料的第五種強(qiáng)化方法 High Angle Grain Boundaries 晶界的性質(zhì) Coincidence Site Latt

14、ice and Large Angle Grain Boundaries 計(jì)算值計(jì)算值 實(shí)驗(yàn)值實(shí)驗(yàn)值 晶界前位錯塞積群數(shù)目 n (t-tt-to o)d/（bG） 領(lǐng)先位錯處的應(yīng)力場 t t(r) n (t-tt-to o) = (t-tt-to o) 2d/（bG） 在相鄰晶粒位錯源S2處的分切應(yīng)力t t(r)=f(r)t t(r) = f(r)(t-tt-to o)2d/(bG) 當(dāng)t(r) t t*時(shí)， （t*為位錯源S2開動的臨界應(yīng)力），S2開動，相鄰晶粒發(fā)生塑 性變形，即材料整體開始屈服，此時(shí)的外應(yīng)力t即為該多晶材料的屈服應(yīng) 力ts f (r) (ts -t -to o) 2d/(b

15、G) t t* ts = t to o + t t* f (r) bG (-1/2) d(-1/2) Hall-Petch公式：公式： ts= t to o + kd(-1/2) S1 n S2 t t r 晶界前位錯塞積群數(shù)目 n (t-tt-to o)d/（bG） 領(lǐng)先位錯處的應(yīng)力場 t t(r) n (t-tt-to o) = (t-tt-to o) 2d/（bG） 在相鄰晶粒位錯源S2處的分切應(yīng)力 t t(r)=f(r)t t(r) = f(r)(t-tt-to o)2d/(bG) 當(dāng)t(r) t t*時(shí)，(t*為位錯源S2開動的臨界應(yīng)力），S2開動， 相鄰晶粒發(fā)生塑性變形，即材料整體

16、開始屈服，此時(shí) 的外應(yīng)力t即為該多晶材料的屈服應(yīng)力ts f (r) (ts -t -to o) 2d/(bG) t t* ts= t to o + t t* f (r) bG (-1/2) d(-1/2)= t to o + kd(-1/2) ：Hall-Petch關(guān)系、細(xì)化晶粒是關(guān)系、細(xì)化晶粒是 能同時(shí)提高金屬材料常溫強(qiáng)度、塑性與韌性的唯一方法；能同時(shí)提高金屬材料常溫強(qiáng)度、塑性與韌性的唯一方法； ： ： ：晶界偏聚對材料物理、化學(xué)、晶界偏聚對材料物理、化學(xué)、 力學(xué)性質(zhì)及加工制備工藝性能具有重要影響。力學(xué)性質(zhì)及加工制備工藝性能具有重要影響。 降低晶界能：降低晶界能： 晶界結(jié)合力提高：晶界結(jié)合力

17、提高： 晶界結(jié)合力降低或變脆：晶界結(jié)合力降低或變脆： ： ：晶界滑動、晶界遷移：晶界滑動、晶界遷移 Migration of Grain Boundaries s s 2s2s sin(dq q/2) = D DP R dq q D DP = s s/R 晶界自由能差：晶界自由能差： 應(yīng)變能差：應(yīng)變能差：高應(yīng)變晶粒高應(yīng)變晶粒 縮小消失、低應(yīng)變晶粒長大縮小消失、低應(yīng)變晶粒長大 2s2s sin(dq q/2) = D DP R dq q D DP = s s/R : D=Doexp(-Q/kT) : 小角度晶界、低能晶界小角度晶界、低能晶界 ： 相界面相界面 Interfaces between

18、 Phases （Inter-phase Boundaries） 共格界面共格界面Coherent Interface 形成條件形成條件： 1）兩相晶體結(jié)構(gòu)相同、晶格常數(shù)相近兩相晶體結(jié)構(gòu)相同、晶格常數(shù)相近 2）某些晶面原子排列歸律相同、原子間距相近某些晶面原子排列歸律相同、原子間距相近 b b a a 共格界面共格界面Coherent Interface 特點(diǎn)：特點(diǎn)：界面能很低界面能很低！應(yīng)變能高應(yīng)變能高！ a a b b ：一種理想的共格界面：一種理想的共格界面 界面能即層錯能界面能即層錯能 ：位錯切割共格粒子：位錯切割共格粒子 Precipitation Strengthening: Pa

19、rticle-Cutting 強(qiáng)化效果取決于粒子的本性！強(qiáng)化效果取決于粒子的本性！ Strengthening Effect and Mechanisms by Precipitation Particles Non-Coherent Interface 特點(diǎn)：特點(diǎn)： 彌散強(qiáng)化：彌散強(qiáng)化：位錯繞過非共格粒子位錯繞過非共格粒子 Dispersion Hardening： Particle-bypassing ！ R t = Gb2/2R Dispersion Strengthening Particle Size (d) Yield Strength (t) 沉淀析出第二相粒子的強(qiáng)化效果及沉淀析

20、出第二相粒子的強(qiáng)化效果及 強(qiáng)化機(jī)制與粒子尺寸的關(guān)系：強(qiáng)化機(jī)制與粒子尺寸的關(guān)系： Strengthening Effect and Mechanisms by Precipitation Particles Semi-coherent Interface 特點(diǎn)：特點(diǎn)： ：界面能很低、應(yīng)變能很高：界面能很低、應(yīng)變能很高 ：比表面積最大、比表面積最大、 應(yīng)變能最低！應(yīng)變能最低！ ：界面能很高、應(yīng)變能很低：界面能很高、應(yīng)變能很低 球狀：球狀：比表面積最小，比表面積最小，表面能最低！表面能最低！ ：界與上述兩者之間：界與上述兩者之間 潤濕性（界面結(jié)構(gòu)）潤濕性（界面結(jié)構(gòu)） 與第二相生長形態(tài)與第二相生長形態(tài)

21、 高溫下高溫下 (Creep) Service Conditions of Turbine Blades and Vanes in a Jet Engine Turbofan GP7000 for Airbus 380 Hostile Service Conditions of Turbine Blades in Jet Engines 高熔點(diǎn)金屬高熔點(diǎn)金屬; 高原子間結(jié)合力材料高原子間結(jié)合力材料 (金屬間化合物等金屬間化合物等)： 致密的晶體結(jié)構(gòu)致密的晶體結(jié)構(gòu)（FCC、HCP、TCP） 低的層錯能低的層錯能 ： 加入高熔點(diǎn)、難擴(kuò)散合金元素固溶強(qiáng)化加入高熔點(diǎn)、難擴(kuò)散合金元素固溶強(qiáng)化 （粒子長大

22、區(qū)動力?。Ｗ娱L大區(qū)動力?。?：ODS ： 阻止晶界滑動：晶界上析出第二相粒子釘扎晶界、鋸齒狀晶阻止晶界滑動：晶界上析出第二相粒子釘扎晶界、鋸齒狀晶 界、彎曲晶界等界、彎曲晶界等 微合金化降低晶界能（填充晶界空位）：降低晶界移動性、微合金化降低晶界能（填充晶界空位）：降低晶界移動性、 阻止晶界遷移阻止晶界遷移 減少晶界減少晶界(粗晶粒粗晶粒); 消除橫向晶界：定向凝固柱狀晶合金消除橫向晶界：定向凝固柱狀晶合金 消除全部晶界：單晶合金消除全部晶界：單晶合金 由于其極低的界面由于其極低的界面 能，利用能，利用共格粒子共格粒子 沉淀強(qiáng)化沉淀強(qiáng)化是強(qiáng)化是強(qiáng)化高高 溫結(jié)構(gòu)材料溫結(jié)構(gòu)材料的主要的主要 途

23、徑之一：例如途徑之一：例如 鎳基高溫合金鎳基高溫合金 g g (Ni3Al)/g-g-Ni 高穩(wěn)定粒子彌散強(qiáng)化：高穩(wěn)定粒子彌散強(qiáng)化： ODS高溫合金高溫合金 晶界晶界高溫變形簿弱環(huán)節(jié)！高溫變形簿弱環(huán)節(jié)！ 晶界滑動晶界滑動 晶界遷移晶界遷移 T Tc s晶界 s晶內(nèi) s ToC 激光材料加工與表面工程實(shí)驗(yàn)室激光材料加工與表面工程實(shí)驗(yàn)室 Laboratory of Laser Materials Processing and Surface EngineeringBEIHANG UNIVERSITY 晶界粒子：晶界粒子： Grain Boundaries in Titanium Alloys Temperature C