第二章 晶體缺陷

廣東石油化工學(xué)院材料科學(xué)基礎(chǔ)學(xué)

用習(xí)機(jī)電工程學(xué)院材料成型與控制工程專業(yè)材料科學(xué)基礎(chǔ)材料科學(xué)基礎(chǔ)廣東石油化工學(xué)院第二章晶體缺陷

第一節(jié)

點(diǎn)缺陷第二節(jié)線缺陷

第三節(jié)

面缺陷材料科學(xué)基礎(chǔ)廣東石油化工學(xué)院

第一節(jié)點(diǎn)缺陷一、點(diǎn)缺陷的類型及形成二、點(diǎn)缺陷的運(yùn)動(dòng)及平衡濃度三、點(diǎn)缺陷對(duì)性能的影響材料科學(xué)基礎(chǔ)廣東石油化工學(xué)院置換原子一、點(diǎn)缺陷的類型及形成空位間隙原子1、點(diǎn)缺陷的類型2、點(diǎn)缺陷的形成過程點(diǎn)缺陷的形成條件是能量起伏晶體內(nèi)所有的原子總是以平衡位置為中心進(jìn)行熱振動(dòng)，當(dāng)溫度一定時(shí)，原子熱運(yùn)動(dòng)的平均能量是一定的，但是各原子在同一瞬間的熱振動(dòng)能量并不相同，而且同一原子在不同瞬間的能量也不相同。各原子的能量總是處于不斷起伏變化之中，這種現(xiàn)象叫能量起伏空位置換原子間隙原子材料科學(xué)基礎(chǔ)廣東石油化工學(xué)院離位原子躍遷到晶體點(diǎn)陣的間隙中而形成的空位。形成弗蘭克爾空位的同時(shí)，將形成等量的間隙原子。2、點(diǎn)缺陷的形成過程一、點(diǎn)缺陷的類型及形成肖脫基空位離位原子躍遷到晶體表面或晶界面而形成的空位。弗蘭克爾空位材料科學(xué)基礎(chǔ)廣東石油化工學(xué)院二、點(diǎn)缺陷的運(yùn)動(dòng)及平衡濃度晶體中由于原子的熱運(yùn)動(dòng)，空位和間隙原子將不斷產(chǎn)生、不斷地由一處向另一處遷移，同時(shí)也發(fā)生點(diǎn)缺陷的復(fù)合。用熱力學(xué)和統(tǒng)計(jì)學(xué)可以計(jì)算出晶體在一定溫度下空位或間隙原子的平衡濃度為：式中：n為平衡空位數(shù)；N為點(diǎn)陣總數(shù)；為每增加一個(gè)空位的能量變化；k為波爾茲曼常數(shù)；A為與振動(dòng)熵有關(guān)的常數(shù)，一般取值在1——10之間材料科學(xué)基礎(chǔ)廣東石油化工學(xué)院三、點(diǎn)缺陷對(duì)性能的影響1、物理性能使晶體內(nèi)運(yùn)動(dòng)著的電子發(fā)生散射而使電阻增大；點(diǎn)缺陷數(shù)目增加使密度減小。2、力學(xué)性能晶體中出現(xiàn)點(diǎn)缺陷以后，破壞了原來原子排列的規(guī)律性，使晶格發(fā)生畸變，可以提高金屬的屈服強(qiáng)度。材料科學(xué)基礎(chǔ)廣東石油化工學(xué)院第二節(jié)線缺陷一、位錯(cuò)的基本概念二、位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)四、實(shí)際晶體中的位錯(cuò)三、位錯(cuò)的彈性性質(zhì)材料科學(xué)基礎(chǔ)廣東石油化工學(xué)院一、位錯(cuò)的基本概念1、位錯(cuò)位錯(cuò)是晶體中原子發(fā)生有規(guī)律的錯(cuò)排現(xiàn)象晶體受到外力作用后，一部分晶面相對(duì)另一部分晶面發(fā)生滑移而形成的線狀缺陷已滑移面與未滑移面的交界線叫位錯(cuò)線2、位錯(cuò)的基本類型（1）、刃型位錯(cuò)：柏氏矢量與位錯(cuò)線垂直（2）、螺型位錯(cuò)：柏氏矢量與位錯(cuò)線平行（3）、混和位錯(cuò)：位錯(cuò)線是一個(gè)曲線材料科學(xué)基礎(chǔ)廣東石油化工學(xué)院滑移面多余半原子面位錯(cuò)線材料科學(xué)基礎(chǔ)廣東石油化工學(xué)院中指代表柏氏矢量方向，食指代表位錯(cuò)線方向，拇指為多余半原子面方向，當(dāng)拇指方向?yàn)閺募埫娲怪贝┏鰰r(shí)，為正刃型位錯(cuò)。當(dāng)拇指方向?yàn)榇怪边M(jìn)入紙面時(shí)，為負(fù)刃型位錯(cuò)2、位錯(cuò)的基本類型一、位錯(cuò)的基本概念a、刃型位錯(cuò)判斷柏氏矢量與位錯(cuò)線垂直材料科學(xué)基礎(chǔ)廣東石油化工學(xué)院柏氏矢量與位錯(cuò)線t平行時(shí)，為螺型位錯(cuò)，柏氏矢量與位錯(cuò)線同向時(shí)為右螺型位錯(cuò)，反之為左螺。b一、位錯(cuò)的基本概念2、位錯(cuò)的基本類型柏氏矢量與位錯(cuò)線平行b、螺型位錯(cuò)判斷材料科學(xué)基礎(chǔ)廣東石油化工學(xué)院由位錯(cuò)線與柏氏矢量的關(guān)系可以確定D、B兩點(diǎn)處為刃型位錯(cuò)，A、C兩點(diǎn)處為螺型位錯(cuò)；且B點(diǎn)處為負(fù)刃型位錯(cuò)，D點(diǎn)處為正刃型位錯(cuò)，A點(diǎn)處為右螺型位錯(cuò)，C點(diǎn)處為左螺型位錯(cuò)。

CDBAb柏氏矢量位錯(cuò)線方向一、位錯(cuò)的基本概念2、位錯(cuò)的基本類型試判斷如圖所示位錯(cuò)的類型舉例材料科學(xué)基礎(chǔ)廣東石油化工學(xué)院3、柏氏矢量位錯(cuò)的單位滑移距離，用表示，其方向與滑移方向平行，其值等于晶格間距（或其整數(shù)倍）b（1）確定位錯(cuò)線的正方向：以位錯(cuò)線從紙面穿出的方向?yàn)檎较颍?）作柏氏回路：從實(shí)際晶體中的任意一個(gè)原子出發(fā)，圍繞位錯(cuò)線作一個(gè)閉合回路，即柏氏回路.要求回路與位錯(cuò)線符合右手螺旋關(guān)系，且回路的每一步都聯(lián)結(jié)相鄰的原子，并避開位錯(cuò)線附近原子嚴(yán)重錯(cuò)排的區(qū)域（3）確定柏氏矢量：在完整的晶體中作相應(yīng)的參考回路。該參考回路的終點(diǎn)與起點(diǎn)不重合。從終點(diǎn)向起點(diǎn)引一個(gè)矢量即為柏氏矢量。材料科學(xué)基礎(chǔ)廣東石油化工學(xué)院材料科學(xué)基礎(chǔ)廣東石油化工學(xué)院柏氏矢量的物理意義（1）根據(jù)柏氏矢量與位錯(cuò)線的關(guān)系可以確定位錯(cuò)類型；二者垂直時(shí)為刃型位錯(cuò)、平行時(shí)為螺型位錯(cuò)（2）柏氏矢量表示位錯(cuò)線周圍總畸變量的大小和方向，越大，點(diǎn)陣畸變?cè)絿?yán)重（3）柏氏矢量具有守恒性，一定的位錯(cuò)，不論柏氏回路的大小，形狀如何變化，只要該位錯(cuò)不與其它位錯(cuò)相交，則所測(cè)得的柏氏矢量是一定的，即柏氏矢量的守恒性。a、一條位錯(cuò)線只有唯一的柏氏矢量；b、幾根位錯(cuò)線相交于一點(diǎn)，則其中任意一根位錯(cuò)線的柏氏矢量等于其它各位錯(cuò)的柏氏矢量之和；c、位錯(cuò)線不能在晶體內(nèi)部中斷，只能穿出晶體終止在晶界或晶體表面或在晶體內(nèi)部自成閉合回路（形成位錯(cuò)環(huán)）或與其它位錯(cuò)相連接材料科學(xué)基礎(chǔ)廣東石油化工學(xué)院4、位錯(cuò)密度晶體中位錯(cuò)線的總長(zhǎng)度占晶體體積的百分比為位錯(cuò)密度，用公式表示為：或S——位錯(cuò)線的總長(zhǎng)度(cm)；V——晶體的體積(cm3)n——晶體截面上位錯(cuò)線條數(shù)A——晶體的截面積(cm2)l——單條位錯(cuò)線的長(zhǎng)度(cm)Al材料科學(xué)基礎(chǔ)廣東石油化工學(xué)院二、位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)位錯(cuò)沿著滑移面的移動(dòng)1、位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的基本形式A、滑移B、攀移滑移線滑移面2、位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的條件在平行于柏氏矢量的切應(yīng)力作用下才能運(yùn)動(dòng)材料科學(xué)基礎(chǔ)廣東石油化工學(xué)院3、位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的距離小于一個(gè)原子間距/次4、滑移方向刃型位錯(cuò)的滑移方向與柏氏矢量b方向一致，與位錯(cuò)線垂直。螺型位錯(cuò)的滑移方向與柏氏矢量b方向垂直。5、刃型位錯(cuò)的滑移面由柏氏矢量與位錯(cuò)線確定的平面二、位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)材料科學(xué)基礎(chǔ)廣東石油化工學(xué)院6、刃型位錯(cuò)的攀移刃型位錯(cuò)沿著垂直滑移面方向上的運(yùn)動(dòng)為攀移二、位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)攀移的實(shí)質(zhì)是多余半原子面的伸長(zhǎng)或縮短。多余半原子面向上移動(dòng)（空位擴(kuò)散到位錯(cuò)的下刃部）叫正攀移；多余半原子面向下移動(dòng)（下刃部的空位離開多余半原子面）叫負(fù)攀移攀移與滑移不同，伴隨物質(zhì)的遷移，需要空位的擴(kuò)散，需要熱激活，因此比滑移需要更大的能量。故通常情況下，位錯(cuò)先發(fā)生滑移，當(dāng)滑移受阻無(wú)法進(jìn)行時(shí)。才有可能產(chǎn)生攀移材料科學(xué)基礎(chǔ)廣東石油化工學(xué)院三、位錯(cuò)的彈性性質(zhì)1、外力場(chǎng)中位錯(cuò)所受的力在切應(yīng)力作用下，晶體中的位錯(cuò)將發(fā)生運(yùn)動(dòng)，由于位錯(cuò)移動(dòng)的方向總是與位錯(cuò)線垂直，故可設(shè)想有一個(gè)垂直于位錯(cuò)線的力，造成了位錯(cuò)的移動(dòng)。這就是“作用在位錯(cuò)線上的力”，即Fd＝b作用在單位長(zhǎng)度位錯(cuò)線上的力與外加切應(yīng)力和柏氏矢量b成正比材料科學(xué)基礎(chǔ)廣東石油化工學(xué)院2、位錯(cuò)線張力由于位錯(cuò)線具有應(yīng)變能，所以位錯(cuò)線具有縮短的趨勢(shì)以減小應(yīng)變能，這就產(chǎn)生了線張力T，線張力在數(shù)值上等于單位長(zhǎng)度位錯(cuò)的應(yīng)變能。其中a＝1為直線位錯(cuò)；a＝1/2為彎曲位錯(cuò)如圖有一長(zhǎng)為ds，曲率半徑為r的位錯(cuò)線，當(dāng)有外加切應(yīng)力存在時(shí)，則單位長(zhǎng)度位錯(cuò)線所受的力為它力圖使位錯(cuò)線彎曲。而線張力T則力圖使位錯(cuò)線伸直，它在水平方向上的分力與外加切應(yīng)力相等b三、位錯(cuò)的彈性性質(zhì)材料科學(xué)基礎(chǔ)廣東石油化工學(xué)院T1、外力場(chǎng)中位錯(cuò)所受的力2、位錯(cuò)線張力三、位錯(cuò)的彈性性質(zhì)Fd＝bFd材料科學(xué)基礎(chǔ)廣東石油化工學(xué)院三、位錯(cuò)的彈性性質(zhì)3、派-納力Peierls-Nabarro實(shí)際晶體中，位錯(cuò)的滑移要遇到多種阻力，其中最基本的固有阻力是晶格阻力——派—納力。當(dāng)柏氏矢量為b的位錯(cuò)在晶體中移動(dòng)時(shí)，將由某一個(gè)對(duì)稱位置圖中1位置移動(dòng)到圖中2位置。在這些位置，位錯(cuò)處在平衡狀態(tài)，能量較低。而在對(duì)稱位置之間．能量增高，造成位錯(cuò)移動(dòng)的阻力。因此，位錯(cuò)移動(dòng)時(shí)．需要一個(gè)力克服晶格阻力，越過勢(shì)壘，此力稱派-納力(Peierls-Nabarro)，材料科學(xué)基礎(chǔ)廣東石油化工學(xué)院G——切變模量；v——泊桑比：a——晶面間距b——滑移方向上的原子間距

三、位錯(cuò)的彈性性質(zhì)3、派-納力Peierls-Nabarro由公式可知，a最大，b最小時(shí)派-納力最小，故滑移面應(yīng)是晶面間距最大的最密排面，滑移方向應(yīng)是原子最密排方向，此方向b一定最小。除點(diǎn)陣阻力外．晶體中各種缺陷如點(diǎn)缺陷、其他位錯(cuò)、晶界和第二相粒子等對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)均會(huì)產(chǎn)生阻力，使金屬抵抗塑性變形能力增強(qiáng)。材料科學(xué)基礎(chǔ)廣東石油化工學(xué)院四、實(shí)際晶體中的位錯(cuò)實(shí)際金屬晶體中主要存在兩種組態(tài)的位錯(cuò)；即完全位錯(cuò)和不完全位錯(cuò)1、完全位錯(cuò)（單位位錯(cuò)）柏氏矢量b等于點(diǎn)陣矢量的位錯(cuò)。2、不完全位錯(cuò)b大于點(diǎn)陣矢量。柏氏矢量b不等于點(diǎn)陣矢量的位錯(cuò)。2.1、部分位錯(cuò)2.2、不全位錯(cuò)b小于點(diǎn)陣矢量。材料科學(xué)基礎(chǔ)廣東石油化工學(xué)院3、位錯(cuò)反應(yīng)兩個(gè)位錯(cuò)合并為一個(gè)位錯(cuò)。3.1、位錯(cuò)反應(yīng)的條件2)、反應(yīng)后各位錯(cuò)的總能量小于反應(yīng)前各位錯(cuò)的總能量。1)、反應(yīng)前后各位錯(cuò)的柏氏矢量和相等4、位錯(cuò)的增殖隨塑性變形的增加，位錯(cuò)數(shù)目不斷增加。a、弗蘭克-瑞德（F-R）源增殖機(jī)制b、雙交滑移增值機(jī)制c、攀移增殖機(jī)制等四、實(shí)際晶體中的位錯(cuò)材料科學(xué)基礎(chǔ)廣東石油化工學(xué)院四、實(shí)際晶體中的位錯(cuò)4、位錯(cuò)的增殖材料科學(xué)基礎(chǔ)廣東石油化工學(xué)院四、實(shí)際晶體中的位錯(cuò)4、位錯(cuò)的增殖材料科學(xué)基礎(chǔ)廣東石油化工學(xué)院障礙物滑移面位錯(cuò)源L5、位錯(cuò)的塞積四、實(shí)際晶體中的位錯(cuò)式中：k是系數(shù)，k螺=1、k刃=1-

、k混介于二者之間；為外加分切應(yīng)力；L為位錯(cuò)源到障礙物的距離；G是切變彈性模量；b為位錯(cuò)的柏氏矢量。

材料科學(xué)基礎(chǔ)廣東石油化工學(xué)院障礙物前受到了較大的切應(yīng)力；大小為：（為外加切應(yīng)力）；這是晶體受外力作用后產(chǎn)生裂紋的重要機(jī)制。5、位錯(cuò)的塞積四、實(shí)際晶體中的位錯(cuò)障礙物滑移面位錯(cuò)源L材料科學(xué)基礎(chǔ)廣東石油化工學(xué)院實(shí)際生產(chǎn)中，一般采用增加位錯(cuò)的方法提高強(qiáng)度（如加工硬化），但同時(shí)也使材料的塑性和韌性下降!!!金屬的強(qiáng)度理論值金屬晶須退火態(tài)（105-106cm/cm3）

加工硬化（1010-1012cm/cm3）

缺陷密度6、金屬?gòu)?qiáng)度與位錯(cuò)的關(guān)系四、實(shí)際晶體中的位錯(cuò)材料科學(xué)基礎(chǔ)廣東石油化工學(xué)院第三節(jié)面缺陷一、面缺陷的概述二、表面與晶界三、晶界特性材料科學(xué)基礎(chǔ)廣東石油化工學(xué)院空間二維尺寸很大，第三維尺寸很小一、面缺陷的概述晶體外表面：晶界面（晶界、亞晶界、相界）1面缺陷的種類2面缺陷的特點(diǎn)面缺陷對(duì)材料的固態(tài)相變、塑性變形與斷裂、物理性能、化學(xué)性能、力學(xué)性能都有顯著的影響。3面缺陷對(duì)性能的影響第三節(jié)面缺陷材料科學(xué)基礎(chǔ)廣東石油化工學(xué)院外表面會(huì)吸附外來雜質(zhì)與之形成各種化學(xué)鍵。二、表面與晶界1晶體外表面的原子排列第三節(jié)面缺陷偏離平衡位置，配位數(shù)減少，造成點(diǎn)陣畸變？？晶體外表面原子的能量高于晶體內(nèi)部比表面能γ——晶體表面單位面積能量的增加比表面能在數(shù)值上與表面張力σ相等比表面能γ具有各向異性？？材料科學(xué)基礎(chǔ)廣東石油化工學(xué)院1）晶界：晶粒之間的交界面叫晶界，晶界的寬度約為5～10個(gè)原子間距。晶界處原子排列呈不規(guī)則狀態(tài)，晶格畸變很大。2）亞晶界：亞晶粒的交界面叫亞晶界。相鄰兩晶粒的取向差小于100時(shí)叫小角度晶界；取向差大于100時(shí)叫大角度晶界。大角度晶界的晶格點(diǎn)陣畸變大。2晶界與亞晶界二、表面與晶界第三節(jié)面缺陷材料科學(xué)基礎(chǔ)廣東石油化工學(xué)院2晶界與亞晶界二、表面與晶界第三節(jié)面缺陷相鄰兩個(gè)晶粒（或晶粒內(nèi)部相鄰兩部分）沿一個(gè)公共晶面（孿晶界）構(gòu)成鏡面對(duì)稱的位向關(guān)系。孿晶界上的原子位于點(diǎn)陣的結(jié)點(diǎn)上，屬于孿晶的兩部分所共有，為共格界面。故孿晶界上的原子沒有發(fā)生錯(cuò)排，則界面能很低。面心立方晶體的孿晶關(guān)系3）孿晶界：材料科學(xué)基礎(chǔ)廣東石油化工學(xué)院4）相界：2晶界與亞晶界二、表面與晶界第三節(jié)面缺陷相界結(jié)構(gòu)共格相界半共格相界非共格相界

不同晶體結(jié)構(gòu)的兩相之間的分界面。材料科學(xué)基礎(chǔ)廣東石油化工學(xué)院三、晶界特性第三節(jié)面缺陷1、晶界具有內(nèi)吸附的特性由于晶界能的存在，當(dāng)晶體中存在能降低界面能的異類原子時(shí)，這些原子將向晶界偏聚以降低界面能.2