金屬物理缺陷

1、金屬物理缺陷第1頁(yè)，共29頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)21分，星期三緒論面缺陷的概念 二維缺陷，是指在二維方向上偏離理想晶體中的周期性、規(guī)則性排列而產(chǎn)生的缺陷。如晶界、堆垛層錯(cuò)、相界以及表面等。面缺陷的作用金屬與外界的相互作用全是通過表面來實(shí)現(xiàn)的。表面與界面起突出作用的新型材料，如薄膜材料、納米材料。面缺陷對(duì)于金屬材料的性能起著重要的影響。面缺陷的分類表面固-真空、固-汽、液-汽以及固-液的分界面。晶界金屬材料常以多晶體狀態(tài)存在，晶粒與晶粒之間不同取向的界面。（晶界一般非共格關(guān)系，亞晶界為半共格關(guān)系。相界具有不同結(jié)構(gòu)的兩固相之間的界面（可為非共格、半共格和共格三種關(guān)系）第2頁(yè)，共29頁(yè)，

2、2022年，5月20日，22點(diǎn)21分，星期三表面現(xiàn)象及其本質(zhì)表面現(xiàn)象（surface phenomena）指在界面發(fā)生的物理化學(xué)過程或物理化學(xué)現(xiàn)象，如毛細(xì)現(xiàn)象、潤(rùn)濕作用、過冷液體、過飽和蒸氣、吸附作用等等。表面現(xiàn)象的本質(zhì)表面層分子與內(nèi)部分子相比，它們所處環(huán)境不同。體相內(nèi)部分子所受四周鄰近相同分子的作用力是對(duì)稱的，在各個(gè)方向的力彼此抵銷；但處在界面層的分子，一方面受到體相內(nèi)相同分子的作用，另一方面受到另一相中性質(zhì)不同分子的作用，其作用力未必能相互抵銷，因此，界面層會(huì)顯示出一些獨(dú)特的性質(zhì)。比表面積（ specific surface area ）表示表面積隨著粒子的變小、分散程度的增加而增大。定義

3、為：?jiǎn)挝惑w積或單位質(zhì)量的物質(zhì)所具有的表面積。式中，m和V分別為固體的質(zhì)量和體積，AS為其表面積。第3頁(yè)，共29頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)21分，星期三液體及其蒸氣組成的表面液體內(nèi)部分子所受的力可以彼此抵銷，但表面分子受到體相分子的拉力大，受到氣相分子的拉力小（因?yàn)闅庀嗝芏鹊停员砻娣肿邮艿奖焕塍w相的作用力。這種作用力使表面有自動(dòng)收縮到最小的趨勢(shì)。第4頁(yè)，共29頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)21分，星期三表面自由能由于表面層分子受力情況與本體中不同，因此如要把分子從內(nèi)部移到界面，或可逆地增加表面積，就必須克服體系內(nèi)部分子之間的作用力，對(duì)體系做功。溫度、壓力和組成恒定時(shí)，可逆地使

4、表面積增加dA所需要對(duì)體系作的非膨脹功，稱為表面功：式中為比例系數(shù)，它在數(shù)值上等于當(dāng)T，p及組成恒定的條件下，增加單位表面積時(shí)所必須對(duì)體系做的可逆非膨脹功。第5頁(yè)，共29頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)21分，星期三表面自由能在等溫、等壓及組成不變，表面擴(kuò)展過程可逆，且無其它熱效應(yīng)保持溫度、壓力和組成不變，每增加單位表面積時(shí)，Gibbs自由能的增加值稱為表面Gibbs自由能，或簡(jiǎn)稱表面自由能或表面能，單位為Jm-2。因而要擴(kuò)大系統(tǒng)的表面積，環(huán)境必須對(duì)系統(tǒng)做功，系統(tǒng)的表面自由能增加，表面自由能相當(dāng)于構(gòu)成單位表面積的分子比它們處于體相內(nèi)部時(shí)高出的Gibbs自由能。在等溫、等壓條件下，系統(tǒng)的Gib

5、bs自由能會(huì)自發(fā)地向減小的方向進(jìn)行，因而表面以減小表面積的過程是一個(gè)自發(fā)的過程。第6頁(yè)，共29頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)21分，星期三表面張力在兩相（特別是氣-液）界面上，處處存在著一種張力，它垂直于表面的邊界，指向液體方向并與表面相切。把垂直作用于單位邊界線上的這種力稱為表面張力，用 表示，單位是Nm-1。示例：將一含有一個(gè)活動(dòng)邊框的金屬線框架放在肥皂液中，然后取出懸掛，活動(dòng)邊在下面。由于金屬框上的肥皂膜表面張力作用，可滑動(dòng)的邊會(huì)被向上拉，直至頂部。因膜有兩個(gè)面，所以邊界總長(zhǎng)度為2l dGT,p = Wf,R dGT,p = dA Wf,R = dA Wf,R = Fdx Fdx=d

6、A=(2 l)dx = F/ 2 l 第7頁(yè)，共29頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)21分，星期三關(guān)于 的幾點(diǎn)說明 的物理意義比表面自由能：增加單位表面積引起系統(tǒng)Gibbs 自由能的增量；或者單位表面積上的分子比相同數(shù)量的內(nèi)部分子“超額的”Gibbs自由能。比表面功：每增加系統(tǒng)一個(gè)單位表面積所需作的可逆非體積功，又稱“比表面功”。表面張力：在相表面的切面上，垂直作用于單位長(zhǎng)度的相邊界的一種表面緊縮力。 的單位量綱：力長(zhǎng)度-1表面自由能：Jm-2表面張力：Nm-1是強(qiáng)度性質(zhì)表面自由能：標(biāo)量表面張力：矢量表面自由能與表面張力物理意義不同，所用單位不同，但數(shù)值相同，量綱也相同。第8頁(yè)，共29頁(yè)，2

7、022年，5月20日，22點(diǎn)21分，星期三影響表面張力的因素分子間相互作用力的影響對(duì)純液體或純固體，表面張力決定于分子間形成的化學(xué)鍵能的大小，一般化學(xué)鍵越強(qiáng)，表面張力越大。(金屬鍵) (離子鍵) (極性共價(jià)鍵) (非極 性共價(jià)鍵)壓力的影響表面張力一般隨壓力的增加而下降。因?yàn)閴毫υ黾?，氣相密度增加，表面分子受力不均勻性略有好轉(zhuǎn)。溫度的影響溫度升高，表面張力下降。第9頁(yè)，共29頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)21分，星期三液體表面分子受力示意圖第10頁(yè)，共29頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)21分，星期三彎曲液面的附加壓力附加壓力的概念由于彎曲液面任意邊界的兩側(cè)的界面張力不在同一平面上，從而

8、不能相互抵消，而形成一種指向曲面圓心的合力，使彎曲液面內(nèi)外兩側(cè)的壓力不等，而存在一個(gè)差值。剖面圖剖面圖剖面圖第11頁(yè)，共29頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)21分，星期三如右圖所示，毛細(xì)管內(nèi)有一段水柱，假定不考慮地心引力的作用，當(dāng)用一個(gè)外壓P1將液體壓出下面管口時(shí)形成一個(gè)半徑為r的球形小液滴并達(dá)平衡，該液滴周圍空氣的外壓為P0；繼續(xù)施加外壓，使小液滴體積增大dV，表面積增加dA，重新達(dá)到平衡。拉普拉斯公式p1力的平衡可用下式表示：式中p表示某種使液滴回縮的力。外壓p1對(duì)液柱所作功為：p1dV；同時(shí)液滴體積增大對(duì)外作功為：p0dV因此液體凈得功為：(p1-p0)dV= pdV所得之功用于克服液

9、體表面張力而增大其表面積。代入右式拉普拉斯公式第12頁(yè)，共29頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)21分，星期三拉普拉斯公式的討論p， p1/r，附加壓力的方向指向曲率中心。平面：P=0由于表面緊縮力總是指向曲面的球心，球內(nèi)的壓力一定大于球外。 凸面的曲率半徑取正值，凹面的曲率半徑取負(fù)值。所以，凸面的附加壓力指向液體，凹面的附加壓力指向氣體，即附加壓力總是指向球面的球心。第13頁(yè)，共29頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)21分，星期三9.2.3 毛細(xì)現(xiàn)象附加壓力的概念由于彎曲液面任意邊界的兩側(cè)的界面張力不在同一平面上，從而不能相互抵消，而形成一種指向曲面圓心的合力，使彎曲液面內(nèi)外兩側(cè)的壓力不等，

10、而存在一個(gè)差值。剖面圖剖面圖剖面圖第14頁(yè)，共29頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)21分，星期三常見的亞穩(wěn)現(xiàn)象過飽和蒸氣（supersaturated vapor） ：一定溫度下，當(dāng)蒸氣分壓超過該溫度下的飽和蒸氣壓，而蒸氣仍不凝結(jié)的現(xiàn)象 。過熱液體 （superheated liquid）：在一定壓力下，當(dāng)液體的溫度高于該壓力下的沸點(diǎn)，而液體仍不沸騰 。過冷液體（supercooled liquid）：在一定壓力下，當(dāng)液體的溫度已低于該壓力下液體的凝固點(diǎn)，而液體仍不凝固 。過飽和溶液（supersaturated solution）：在一定溫度、壓力下，當(dāng)溶液中溶質(zhì)的濃度已超過該溫度、壓力下

11、的溶質(zhì)的溶解度，而溶質(zhì)仍不析出 。 第15頁(yè)，共29頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)21分，星期三新相生成的熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)因素從熱力學(xué)上看，上述所有過程都涉及從原有的舊相中產(chǎn)生新相的過程，使原有的一般熱力學(xué)系統(tǒng)變成一個(gè)瞬間存在的高度分散系統(tǒng)。用dG = -SdT+Vdp+dAs（純液體為單組分系統(tǒng)）分析，定溫、定壓下上述過程dGT,p = dAs0，是一個(gè)非自發(fā)過程。從動(dòng)力學(xué)上看，上述過程新相核心的形成速率與新相核心的的半徑有如下關(guān)系：新相生成速率 r2exp（-Br2），B為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)。該式表明，新相形成速率會(huì)隨 r的增加而經(jīng)過一個(gè)極大值，最大速率對(duì)應(yīng)的 r稱為臨界半徑（critical r

12、adius），只有能克服由臨界半徑所決定的能壘的那些分子才能聚到核上，而長(zhǎng)大成新相。第16頁(yè)，共29頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)21分，星期三表面活性物質(zhì)與非表面活性物質(zhì)表面活性物質(zhì)能使溶液的表面張力明顯降低的溶質(zhì)稱為表面活性物質(zhì)。這種物質(zhì)通常含有親水的極性基團(tuán)和憎水的非極性碳鏈或碳環(huán)有機(jī)化合物。親水基團(tuán)進(jìn)入水中，憎水基團(tuán)企圖離開水而指向空氣，在界面定向排列。表面活性物質(zhì)的表面濃度大于本體濃度，增加單位面積所需的功較純水小。非極性成分愈大，表面活性也愈大。第17頁(yè)，共29頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)21分，星期三圖9.7 溶液表面張力與濃度的關(guān)系第18頁(yè)，共29頁(yè)，2022年，5月

13、20日，22點(diǎn)21分，星期三Gibbs吸附等溫式物理意義:單位面積表面層所含溶質(zhì)的物質(zhì)的量比同量溶劑在本體溶液中所含溶質(zhì)的物質(zhì)的量的超出值.第19頁(yè)，共29頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)21分，星期三多晶體中晶粒的形態(tài)第20頁(yè)，共29頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)21分，星期三多晶體中晶粒的形態(tài)多晶體的晶粒形態(tài)應(yīng)滿足兩個(gè)基本條件下：一、充塞空間條件，即晶粒應(yīng)完整無缺地充塞整個(gè)空間；二、要使局域滿足界面自由能極小。晶粒二維形態(tài)正六邊形晶粒三維形態(tài)（正十四面體）第21頁(yè)，共29頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)21分，星期三皂泡筏模型的晶界特點(diǎn)：1、晶界層很薄，大約23個(gè)原子層。2、小角晶

14、界與一列位錯(cuò)相當(dāng)。第22頁(yè)，共29頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)21分，星期三對(duì)稱傾角晶界的位錯(cuò)模型傾側(cè)晶界 晶粒與晶粒之間沿平于于界面的軸線轉(zhuǎn)過一個(gè)很小的角度從而造成晶粒間的位向差而形成的晶界。右圖為簡(jiǎn)單立方晶體對(duì)稱傾側(cè)晶界的位錯(cuò)模型。晶界為（100）面的傾側(cè)晶界。相當(dāng)于一列平行的伯氏矢量為100的刃型位錯(cuò)線。根據(jù)該傾側(cè)晶界的幾何關(guān)系有：當(dāng)很小時(shí)，有：第23頁(yè)，共29頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)21分，星期三不對(duì)稱傾角晶界的位錯(cuò)模型不對(duì)稱傾角晶界可以用伯氏矢量為100和010兩組平行的刃型位錯(cuò)來表示。沿AC單位距離兩種位錯(cuò)的數(shù)目為第24頁(yè)，共29頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)2

15、1分，星期三扭轉(zhuǎn)晶界的位錯(cuò)模型扭轉(zhuǎn)晶界旋轉(zhuǎn)軸與界面垂直形成的晶界。右圖：簡(jiǎn)單立方晶界以001為轉(zhuǎn)軸，（001）為界面形成的扭轉(zhuǎn)晶界?？梢钥闯梢唤M平行于100晶向，一組平行于010晶向的螺型位錯(cuò)組成。位錯(cuò)間距為第25頁(yè)，共29頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)21分，星期三晶界位錯(cuò)模型的實(shí)驗(yàn)證明 鍺晶體小角度傾角晶界第26頁(yè)，共29頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)21分，星期三孿晶界共格晶界界面上的原子正好坐落在兩晶體的點(diǎn)陣坐位上而形成的晶界。孿晶界界面兩側(cè)的原子滿足反映對(duì)稱關(guān)系的共格晶界，反映面稱為孿生面。特點(diǎn)：界面上沒有顯著的錯(cuò)排，因而晶界能要比一般晶界低得多。第27頁(yè)，共29頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)21分，星