浙大材料科學(xué)基礎(chǔ)課件part6

1、一純螺型和一純?nèi)行臀诲e平行：由于螺型力場，而沒有刃型滑移和攀移所需的和；同樣，刃型力場、和中也沒有螺型滑移所需的，所以，兩位錯間沒有相互作用任意柏格斯矢量的兩個平行的直線位錯：分解為刃型分量和螺型分量，分別計算兩螺和兩刃間的相互作用，再疊加起來結(jié)論：若柏格斯矢量夾角<p/2，則兩位錯互相排斥；若柏格斯矢量夾角>p/2，則兩位錯互相吸引2、位錯塞積：許多位錯被迫堆積在某種障礙物前，如Error! Reference source not found.所示，它們來自同一位錯源，具相同的柏格斯矢量，障礙物如晶界塞積群（在垂直于位錯線方向的）長度：對刃型為Nmb/pt(1-n)，對螺型為N

2、mb/pt。正比于位錯總數(shù)N，反比于外加切應(yīng)力t塞積群的平衡：外加切應(yīng)力所產(chǎn)生的滑移力Fx=tb，使位錯盡量靠緊；其他位錯間的排斥力（每一對位錯間的排斥力，式2-74）使位錯盡量散開；障礙物阻力（短程），僅作用在塞積群前端的位錯上達很高的數(shù)值。三者間的平衡位錯塞積群前端的應(yīng)力集中：受外力，同時受所有其它位錯作用在領(lǐng)先位錯與障礙物間擠壓產(chǎn)生局部應(yīng)力。n（塞積位錯數(shù)）倍于外力的應(yīng)力集中,能使相鄰晶粒屈服，也可能在晶界處引起裂縫。3.位錯反應(yīng)：位錯之間的相互轉(zhuǎn)化。譬如一分為二或兩合為一，位錯反應(yīng)條件：1、反應(yīng)前矢量和等于反應(yīng)后矢量和，即2、反應(yīng)后總能量小于反應(yīng)前總能量，即（因為能量正比于b2）。反應(yīng)

3、使能量從4b2降為2b2變穩(wěn)定4.位錯交割：位錯互相切割的過程林位錯：穿過運動位錯的滑移面的其它位錯。它會阻礙位錯運動或位錯切它而過位錯割階：交割過程中使位錯被切割而產(chǎn)生的一小段不在原滑移面上的位錯（Error! Reference source not found.）為兩刃交割：它的柏格斯矢量是原矢量；（Error! Reference source not found.）為一刃一螺交割：柏格斯矢量與螺位錯相同(二)位錯與點缺陷的相互作用點缺陷在晶體中引起彈性畸變，受到位錯應(yīng)力場的作用。如正刃，滑移面上晶胞體積小一些，吸引比基體小的置換式溶質(zhì)原子和空位；下邊大一些，吸引間隙原子和比基體原子大

4、的置換式溶質(zhì)原子位錯與溶質(zhì)原子的相互作用能：外力（被假定為球形的溶質(zhì)原子改變體積）反抗位錯應(yīng)力場所作的功DV為溶質(zhì)與基體原子體積差。刃型位錯的應(yīng)力場公式代入有：， 其中以此可分析得到吸引或排斥某種原子的區(qū)域，Error! Reference source not found.史諾克(Snoek)氣團：螺型位錯與周圍的溶質(zhì)原子作用，原子在沿x、y、z的三種面心位置上發(fā)生擇優(yōu)分布（應(yīng)力感生有序），使系統(tǒng)能量降低。這是因為面心位置上原子在<100>方向相接鄰的基體原子距離近，在<110>方向相接鄰的基體原子距離遠，所以產(chǎn)生四方性的畸變（Error! Reference sou

5、rce not found.），不但有正應(yīng)力分量，同時有切應(yīng)力分量，也與螺型位錯發(fā)生相互作用柯垂耳(Cottrell)氣團：若溫度和時間允許，溶質(zhì)原子向位錯附近的聚集。使位錯的運動受到限制，因為這時推動位錯運動，或掙脫氣團束縛，或拖著氣團前進電學(xué)相互作用：刃位錯附近晶格的局部膨脹和壓縮引起自由電子的再分布，在膨脹一側(cè)濃度偏高，壓縮一側(cè)偏低，結(jié)果使得膨脹區(qū)荷負電，壓縮區(qū)荷正電，整個位錯成為一個線狀的電偶極子?；瘜W(xué)相互作用：位錯周圍溶質(zhì)原子的濃度滿足，其中C0為溶質(zhì)原子平均濃度，U為互作用能。超過溶解度極限時，沉淀物質(zhì)點在位錯線上析出空位、間隙原子和位錯的互相轉(zhuǎn)化：過飽和度太高的空位沿一定晶面聚成

6、片狀析出，如Error! Reference source not found.所示，太大后失穩(wěn)，崩塌并合，轉(zhuǎn)化成位錯環(huán)；異號刃位錯相遇，互相抵消，變成一列空位或填隙原子，如Error! Reference source not found.所示；當(dāng)兩個螺型位錯相切割時會產(chǎn)生刃型的位錯割階，帶有刃型割階的螺型位錯繼續(xù)滑移時，它的割階將被迫攀移，結(jié)果在割階走過的地方產(chǎn)生一串空位或者間隙原子，如Error! Reference source not found.所示。五、位錯源與位錯增殖盡管位錯是熱力學(xué)不穩(wěn)定的缺陷，但它們卻經(jīng)常存在于晶體之中，特別是金屬晶體，位錯密度一般很高(一) 位錯的來源位錯

7、產(chǎn)生：位錯的能量很大，除非晶體受到的應(yīng)力接近理論切變的強度，位錯不能靠熱激活產(chǎn)生。位錯不會在晶體中均勻形核1、過飽和空位可以凝聚成空位片（Error! Reference source not found.），空位片崩塌時便轉(zhuǎn)化成位錯環(huán)2、結(jié)晶時若偏析顯著，點陣常數(shù)也不同，過渡區(qū)可能形成一系列刃型位錯。3、另一種元素從表面向晶體中擴散、沉淀物或夾雜物，也會因為內(nèi)應(yīng)力形成位錯4、位向有輕微差別的晶體相遇，結(jié)合處將形成位錯。Error! Reference source not found.5、在裂縫尖端、夾雜物界面、表面損傷附近等應(yīng)力集中區(qū)會產(chǎn)生位錯(二)位錯的增殖退火金屬，位錯密度約為1061

8、08/cm2，塑性形變時增加到10ll1012/cm2?？梢?，增殖了弗蘭克一瑞德(Frank-Read)源：一段刃型位錯AB，它的兩端被位錯網(wǎng)節(jié)點釘住，如Error! Reference source not found.所示，外加切應(yīng)力作用下，放出大量位錯環(huán)，造成位錯的增殖。動作過程如Error! Reference source not found.所示，（以及它的動畫演示）弗蘭克-瑞德源需要施加的應(yīng)力：利用滑移力Ft克服線張力作功的關(guān)系，（Error! Reference source not found.）平衡時有：，可見曲率半徑越小，要求與之相平衡的切應(yīng)力越大。位錯彎成半圓形，相應(yīng)的

9、應(yīng)力達到最大值。所以，這時有：弗蘭克-瑞德源開動的臨界應(yīng)力：形成過程中所需的最大應(yīng)力，。l是位錯線AB的長度不僅位錯網(wǎng)可產(chǎn)生節(jié)點、螺型位錯交叉滑移中會自行提供。雙交滑移增殖機構(gòu)：螺位錯開始在P2面中滑移，遇障礙，位錯的一段交叉滑移到Q面，繞過障礙后又回到與P2面相平行的P1面，Q面形成的兩段刃型位錯不能隨P1、P2面上的位錯一起前進，成為釘扎點，位錯增殖，如Error! Reference source not found.所示。單點源：滑動位錯只有一端被固定，切應(yīng)力的作用下形成蜷線并繞固定點轉(zhuǎn)動，當(dāng)它轉(zhuǎn)動的圈數(shù)足夠多時，產(chǎn)生大量滑移的效果如果牽制位錯端點的是一個螺型位錯或具有螺型分量的位錯，

10、那么位錯的掃動面將不是一個平面，而是一個螺旋面。位錯每旋轉(zhuǎn)一周便上升到相鄰的一個原子面(Error! Reference source not found.)具有單個釘扎點時也會產(chǎn)生位錯§2-3表面、界面結(jié)構(gòu)及不完整性處于晶體表面和界面上的質(zhì)點，其境遇與晶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)是不相同的，表面和界面通常是包含了幾個原子層厚的區(qū)域，故把它看作是一類晶體缺陷，即面缺陷。物體的表面與界面行為，對固體材料的物理、化學(xué)等性質(zhì)有著重要的影響。一、 晶體的表面二、 表面力場固體表面力：晶體中每個質(zhì)點力場是對稱的。固體表面，質(zhì)點排列的周期重復(fù)性中斷，力場對稱性破壞，表現(xiàn)出的剩余鍵力1、化學(xué)力：本質(zhì)上是表面質(zhì)點的

11、不飽和價鍵引起的靜電力2、分子引力：表面與被吸附質(zhì)點間相互作用的范德華力分子間引力主要來源：A、定向作用，發(fā)生在極性分子(離子)之間，相鄰兩個極化電矩因極性不同而相互作用，平均位能E0：，其中m為電矩；B、誘導(dǎo)作用，發(fā)生在極性分子與非極性分子之間。非極性分子被極化誘導(dǎo)出一個暫時的極化電矩，隨后與原來的極性分子產(chǎn)生定向作用。位能Ei：，其中a為非極性分子的極化率。C、分散作用，發(fā)生在非極性分子之間。瞬間極化電矩之間以及它對相鄰分子的誘導(dǎo)引起的相互作用。位能ED：對不同物質(zhì)，上述三種作用并非均等，三種作用力均與分子間距離的七次方成反比(二)晶體表面狀態(tài)系統(tǒng)要降低表面過剩能量，導(dǎo)至表面質(zhì)點的極化、變

12、形、重排并引起原來晶格的畸變，這種過程可示意如Error! Reference source not found.。對于離子晶體：外側(cè)不飽和，電子云向內(nèi)正離子方變形，使該負離子誘導(dǎo)成偶極子，降低了晶表負電場。接著，表面負離子被推向外側(cè)，形成表面雙電層。如Error! Reference source not found.和Error! Reference source not found.所示。同時，表面被一層負離子屏蔽并導(dǎo)致表面層在組成上成為非化學(xué)計量。NaCl表面幾層離子的分布如Error! Reference source not found.。與晶體內(nèi)部相比，表面層離子排列的有序程度降

13、低了，鍵強數(shù)值變得分散，分布在一個甚寬的數(shù)值范圍。這種影響可以用鍵強B對導(dǎo)數(shù)dN/dB(N為鍵數(shù)目)作圖，所得的分布曲線示于Error! Reference source not found.。對于理想晶體(或大晶體)，曲線是很陡峭的，而對于表面層部分(或微細粉體)，曲線則變得十分平坦。表面能：能量高的原子層組成的表面的單位面積自由能的增加，即產(chǎn)生單位表面所作的功(三)晶體表面的不均勻性本身不同結(jié)晶面上的原子密度存在著很大的差別，具有不同的吸附性、晶體生長、溶解度及反應(yīng)活性。Error! Reference source not found.是一個具有面心立方結(jié)構(gòu)的晶體的表面構(gòu)造完美晶格結(jié)構(gòu)的

14、晶體表面：分成兩種類型：1、 緊密堆積表面：表面平坦，沒有波折，所有的原子距離該表面的平行平面的距離都相等2、 不緊密堆積的表面：即臺階式的表面，表面有波折。由于表面要求能量低，所以有臺階出現(xiàn)在表面；另有空位，位錯露頭，吸附原子。生長時有些位置易填入原子，所以表面是不均勻的。如Error! Reference source not found.所示。二、晶界晶界：屬于同一固相但位相不同的晶粒間的界面，它是一種內(nèi)界面。動畫示意(一) 晶界幾何晶界位置的確定：(1)兩個點陣相對的位向q；(2)晶界相對于一個點陣的位向f。二維點陣的晶界有兩個自由度，Error! Reference source n

15、ot found.。三維點陣的晶界有五個自由度，三個自由度確定一個晶粒相對于另一晶粒的位向，另兩個確定晶界相對于其中某一晶粒的位向。Error! Reference source not found.晶界分類：根據(jù)位向差(q)的不同，晶界分為兩類：(1)小角度晶界-兩相鄰晶粒的位向差約小于10°；(2)大角度晶界-兩晶粒間的位向差較大，一般大于10°以上。兩種晶界差異：除位向差外，晶界結(jié)構(gòu)和性質(zhì)也不相同。小角晶界由位錯組成；大角晶界結(jié)構(gòu)復(fù)雜，還不十分清楚。晶粒之間的晶界通常屬于大角度晶界，3040°范圍(二)小角度晶界傾側(cè)晶界：一系列相隔一定距離的刃型位錯垂直排列

16、構(gòu)成。如Error! Reference source not found.，相當(dāng)于晶界兩邊的晶體繞平行于位錯線的軸各自旋轉(zhuǎn)了一個方向相反的角。只有一個變量q，是一個自由度晶界，Error! Reference source not found.位錯間距： ，q值很小時，有：不對稱傾側(cè)晶界：界面繞X軸轉(zhuǎn)了一個角度f，Error! Reference source not found.，傾側(cè)角度為小q，界面相對于兩晶粒不對稱。有f和q兩個自由度。由柏氏矢量b與b垂直的兩組位錯排列而成。兩組位錯各自間距分別為：和扭轉(zhuǎn)晶界：右半晶體繞Y軸轉(zhuǎn)過q角，界面與旋轉(zhuǎn)軸垂直，是一個自由度晶界，如Error!

17、Reference source not found.所示。Error! Reference source not found.為兩個簡立方晶，由兩組螺型位錯交叉網(wǎng)絡(luò)所構(gòu)成單純的傾側(cè)晶界或扭轉(zhuǎn)晶界是小角度晶界的兩種簡單型式一般小角度晶界：旋轉(zhuǎn)軸和界面可任意取向，由刃型和螺型位錯組合構(gòu)成。晶界能：晶界上原子排列畸變，增高的能量。主要來自位錯能量（位錯密度又決定于晶粒間的位向差），隨位向差增加而增大，僅適用于q<15°。式中為常數(shù)，A取決于位錯中心的原子錯排能，Error! Reference source not found.(三)大角度晶界根據(jù)晶界的各種性質(zhì)，提出了各種晶界模型

18、，雖能解釋晶界一些性質(zhì)，但沒給出晶界結(jié)構(gòu)細節(jié)，缺乏直接實驗證明 “重合位置點陣”模型：（具有一定意義）。具大角度晶界兩晶粒中，一晶粒中部分原子位于另一晶粒點陣的重合位置上，這些重合位置構(gòu)成的一個比原來晶體點陣大的新點陣。Error! Reference source not found.為“1/5重合位置點陣”； 圖2-70，“1/11重合位置點陣”“重合位置密度”：重合位置的原子占晶體原子的比例晶界面的形成特征：晶界上重合位置多，畸變程度就小，晶界能低，晶界力求和重合位置點陣的密排面重合。若有偏離時，密排面間出現(xiàn)臺階來滿足偏離的角度表2-2，金屬中重要的重合位置點陣的晶軸、要求轉(zhuǎn)動的角度和重

19、合位置密度表2- 2 金屬中的重要“重合位置點陣”晶體結(jié)構(gòu)體心立方面心立方六方點陣(c/a=)旋 轉(zhuǎn) 軸100110110110111111100110111111001210210001001轉(zhuǎn)動角度36.9°70.5°38.9°50.5°60.0°38.2°36.9°38.9°60.0°38.2°21.8°78.5°63.0°86.6°27.8°重合位置密度重合位置點陣的擴展：兩晶粒的位向稍偏離能出現(xiàn)重合位置點陣的位向時，在界面上加入一組重合位置點陣位錯。晶界也同時是重合位置點陣的小角度晶界， 圖2-71重合位置點陣模型