晶體缺陷與強(qiáng)度

晶體缺陷與強(qiáng)度第1頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第一章：金屬及合金的結(jié)構(gòu)

金屬材料是指以金屬鍵來(lái)表征其特性的材料，它包括金屬及其合金。金屬材料在固態(tài)下通常都是晶體狀態(tài)(金屬玻璃除外)，所以要研究金屬及合金的結(jié)構(gòu)就必須首先研究晶體結(jié)構(gòu)。

第一節(jié)晶體的基本概念

晶體結(jié)構(gòu)指晶體內(nèi)部原子規(guī)則排列的方式。晶體結(jié)構(gòu)不同，其性能往往相差很大。為了便于分析研究各種晶體中原子或分子的排列情況，通常把原子抽象為幾何點(diǎn)，并用許多假想的直線連接起來(lái)，這樣得到的三維空間幾何格架稱為晶格，晶格中各連線的交點(diǎn)稱為結(jié)點(diǎn)；組成晶格的最小幾何單元稱為晶胞，晶胞各邊的尺寸a、b、c稱為晶格常數(shù)，其大小通常以為計(jì)量單位（A），晶胞各邊之間的相互夾角分別以α、β、γ表示。由于晶體中原子重復(fù)排列的規(guī)律性，因此晶胞可以表示晶格中原子排列的特征。在研究晶體結(jié)構(gòu)時(shí)，通常以晶胞作為代表來(lái)考查。

為了描述晶格中原子排列的緊密程度，通常采用配位數(shù)和致密度（K）來(lái)表示。配位數(shù)是指晶格中與任一原子處于相等距離并相距最近的原子數(shù)目；致密度是指晶胞中原子本身所占的體積百分?jǐn)?shù)，即晶胞中所包含的原子體積與晶胞體積（V）的比值。

第2頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第3頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月常見(jiàn)純金屬的晶格類型

體心立方晶格

體心立方晶格的晶胞如下圖所示。它的形狀是一個(gè)立方體，其晶格常數(shù)a=b=c，所以只要一個(gè)常數(shù)a即可表示；其α=β=γ=90o。在體心立方晶胞中，原子位于立方體的八個(gè)頂角和中心。屬于這類晶格的金屬有α-Fe、Cr、V、W、Mo、Nb等。體心立方晶胞的每個(gè)角上的原子是同屬于與其相鄰的八個(gè)晶胞所共有，故只有1/8個(gè)原子屬于這個(gè)晶胞。所以體心立方晶胞中的原子數(shù)為：。每個(gè)原子的最近鄰原子數(shù)為8，所以其配位數(shù)為8。致密度可計(jì)算如下：或68%。

第4頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月面心立方晶格面心立方晶胞如圖所示。它的形狀也是一個(gè)立方體。在面心立方晶胞中，原子位于立方體的八個(gè)頂角和六個(gè)面的中心。屬于這類晶格的金屬有γ-Fe、Al、Cu、Ni、Au、Ag、Pb等。從圖中可算出面心立方晶體的原子半徑為；每個(gè)晶胞所包含的原子數(shù)為4個(gè)；配位數(shù)為12；致密度為0.74或74%。

第5頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月密排六方晶格

密排六方晶胞如圖所示。它是一個(gè)正六面柱體，在晶胞的12個(gè)角上各有一個(gè)原子，上底面和下底面的中心各有一個(gè)原子，上下底面的中間有三個(gè)原子。屬于這類晶格的金屬有Mg、Zn、Be、Cd等。其晶格常數(shù)用正六邊形底面的邊長(zhǎng)a和晶胞的高度c來(lái)表示。兩者的比值c/a≈1.633；其原子半徑；每個(gè)晶胞所包含的原子數(shù)為6個(gè)；配位數(shù)為12；致密度為0.74或74%。

第6頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第二節(jié)原子的不規(guī)則排列在晶體內(nèi)部原子排列并不是完全規(guī)則的，在局部一定尺寸范圍內(nèi)原子排列不規(guī)則的現(xiàn)象稱為晶體缺陷，晶體缺陷在材料組織控制（如擴(kuò)散、相變）和性能控制（如材料強(qiáng)化）中具有重要作用。就好象維納斯“無(wú)臂”之美更深入人心，晶體缺陷賦予材料豐富內(nèi)容第7頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月晶體缺陷：實(shí)際晶體中與理想點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)發(fā)生偏差的區(qū)域。按其作用范圍可分為：點(diǎn)缺陷：在三維空間各方向上尺寸都很小的缺陷。如空位、間隙原子、異類原子等。線缺陷：在兩個(gè)方向上尺寸很小，而另一個(gè)方向上尺寸較大的缺陷。主要是位錯(cuò)。面缺陷：在一個(gè)方向上尺寸很小，在另外兩個(gè)方向尺寸較大的缺陷。如晶界、相界、表面第8頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月一、點(diǎn)缺陷由于原子熱振動(dòng)造成的。1、點(diǎn)缺陷的類型（1）空位：肖脫基空位－離位原子進(jìn)入其空位或遷移至晶界或表面。弗蘭克爾空位－離位原子進(jìn)入晶體間隙。（2）間隙原子：位于晶體點(diǎn)陣間隙的原子。（3）置換原子：位于晶體點(diǎn)陣位置的異類原子。第9頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第10頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月置換原子第11頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

2、點(diǎn)缺陷的平衡濃度（1）點(diǎn)缺陷是熱力學(xué)平衡的缺陷,在一定溫度下，晶體中總是存在著一定數(shù)量的點(diǎn)缺陷（空位），這時(shí)體系的能量最低—具有平衡點(diǎn)缺陷的晶體比理想晶體在熱力學(xué)上更為穩(wěn)定。（原因：晶體中形成點(diǎn)缺陷時(shí)，體系內(nèi)能的增加將使自由能升高，但體系熵值也增加了，這一因素又使自由能降低。其結(jié)果是在G-n曲線上出現(xiàn)了最低值，對(duì)應(yīng)的n值即為平衡空位數(shù)。）（2）點(diǎn)缺陷的平衡濃度

C=Aexp(-?Ev/kT)K：波爾茲曼常數(shù)，約為8.62×10-5ev/K或1.38×10-23J/K?Ev：該種點(diǎn)缺陷的形成能。第12頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月過(guò)飽和點(diǎn)缺陷(supersaturatedpointdefect)的產(chǎn)生在點(diǎn)缺陷的平衡濃度下晶體的自由能最低，系統(tǒng)最穩(wěn)定。當(dāng)在一定的溫度下，晶體中點(diǎn)缺陷的數(shù)目明顯超過(guò)其平衡濃度時(shí)，這些點(diǎn)缺陷稱為過(guò)飽和點(diǎn)缺陷，通常它的產(chǎn)生方式有三種:

淬火(quenching)

冷加工(coldworking)

輻照(radiation)1.淬火高溫時(shí)晶體中的空位濃度很高，經(jīng)過(guò)淬火后，空位來(lái)不及通過(guò)擴(kuò)散達(dá)到平衡濃度，在低溫下仍保持了較高的空位濃度。2.冷加工金屬在室溫下進(jìn)行壓力加工時(shí)，由于位錯(cuò)交割所形成的割階發(fā)生攀移，從而使金屬晶體內(nèi)空位濃度增加。3.輻照當(dāng)金屬受到高能粒子（中子、質(zhì)子、氘核、α粒子、電子等）輻照時(shí)，晶體中的原子將被擊出，擠入晶格間隙中，由于被擊出的原子具有很高的能量，因此還有可能發(fā)生連鎖作用，在晶體中形成大量的空位和間隙原子第13頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3點(diǎn)缺陷的產(chǎn)生及其運(yùn)動(dòng)（1）點(diǎn)缺陷的產(chǎn)生平衡點(diǎn)缺陷：熱振動(dòng)中的能力起伏。過(guò)飽和點(diǎn)缺陷：外來(lái)作用，如高溫淬火、輻照、冷加工等。（2）點(diǎn)缺陷的運(yùn)動(dòng)（遷移、復(fù)合－濃度降低；聚集－濃度升高－塌陷）第14頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月4、點(diǎn)缺陷與材料行為（1）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。）（2）性能變化：物理性能（如電阻率增大，密度減小。）

力學(xué)性能（屈服強(qiáng)度提高）第15頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月二、線缺陷（位錯(cuò)）位錯(cuò)：晶體中某處一列或若干列原子有規(guī)律的錯(cuò)排。意義：（對(duì)材料的力學(xué)行為如塑性變形、強(qiáng)度、斷裂等起著決定性的作用，對(duì)材料的擴(kuò)散、相變過(guò)程有較大影響。）位錯(cuò)的提出：1926年，弗蘭克爾發(fā)現(xiàn)理論晶體模型剛性切變強(qiáng)度與實(shí)測(cè)臨界切應(yīng)力的巨大差異（2～4個(gè)數(shù)級(jí)）。1934年，泰勒、波朗依、奧羅萬(wàn)幾乎同時(shí)提出位錯(cuò)的概念。1939年，柏格斯提出用柏氏矢量表征位錯(cuò)。1947年，柯垂耳提出溶質(zhì)原子與位錯(cuò)的交互作用。1950年，弗蘭克和瑞德同時(shí)提出位錯(cuò)增殖機(jī)制。之后，用TEM直接觀察到了晶體中的位錯(cuò)。第16頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第17頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1、位錯(cuò)的基本類型（1）刃型位錯(cuò)模型：滑移面/半原子面/位錯(cuò)線（位錯(cuò)線┻晶體滑移方向，位錯(cuò)線┻位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)方向，晶體滑移方向//位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)方向。）分類：正刃型位錯(cuò)（┻）；負(fù)刃型位錯(cuò)（┳）。產(chǎn)生：空位塌陷；局部滑移。第18頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（2）螺型位錯(cuò)模型：滑移面/位錯(cuò)線。（位錯(cuò)線//晶體滑移方向，位錯(cuò)線┻位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)方向，晶體滑移方向┻位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)方向。）分類：左螺型位錯(cuò)；右螺型位錯(cuò)。第19頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3、柏氏矢量（1）確定方法(避開嚴(yán)重畸變區(qū))a在位錯(cuò)周圍沿著點(diǎn)陣結(jié)點(diǎn)形成封閉回路。b在理想晶體中按同樣順序作同樣大小的回路。c在理想晶體中從終點(diǎn)到起點(diǎn)的矢量即為――。第20頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月刃型位錯(cuò)的柏氏矢量與位錯(cuò)線垂直，其正負(fù)可用右手法則確定。（通常先人為地規(guī)定位錯(cuò)線的方向，然后用右手食指表示位錯(cuò)線的方向，中指表示柏氏矢量的方向，當(dāng)拇指向上是為正刃型位錯(cuò)，向下時(shí)為負(fù)刃型位錯(cuò)。）螺型位錯(cuò)的柏氏矢量與位錯(cuò)線平行，且規(guī)定柏氏矢量與位錯(cuò)線正向平行的為右旋；反向平行的為左旋。第21頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月柏氏矢量的特征：●用柏氏矢量可判斷位錯(cuò)的類型。柏氏矢量與位錯(cuò)線垂直者為刃型錯(cuò)，平行者為螺型位錯(cuò)，既不垂直又不平行者為混合位錯(cuò)?！癜厥鲜噶糠从澄诲e(cuò)區(qū)域點(diǎn)陣畸變總累積的大小。柏氏矢量越大，位錯(cuò)周圍晶體畸變?cè)絿?yán)重?！裼冒厥鲜噶靠梢员硎揪w滑移的方向和大小。位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致晶體滑移時(shí)，滑移量大小即柏氏矢量b，滑移方向即為柏氏矢量的方向?！褚粭l位錯(cuò)線具有唯一的柏氏矢量。它與柏氏回路的大小和回路在位錯(cuò)線上的位置無(wú)關(guān)，位錯(cuò)在晶體中運(yùn)動(dòng)或改變方向時(shí)，其柏氏矢量不變。

●若位錯(cuò)可分解，則分解后各分位錯(cuò)的柏氏矢量之和等于原位錯(cuò)的柏氏矢量?！裎诲e(cuò)可定義為柏氏矢量不為零的晶體缺陷，它具有連續(xù)性，不能中斷于晶體內(nèi)部。其存在形態(tài)可形成一個(gè)閉合的位錯(cuò)環(huán)，或連接于其他位錯(cuò)，或終止在晶界，或露頭于晶體表面。第22頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月同一晶體中，柏氏矢量愈大，表明該位錯(cuò)導(dǎo)致點(diǎn)陣畸變愈嚴(yán)重，它所在處的能量也愈高。能量較高的位錯(cuò)通常傾向于分解為兩個(gè)或多b12＞b22＋b32個(gè)能量較低的位錯(cuò)：b1→b2＋b3，并滿足，以使系統(tǒng)的自由能下降。第23頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第24頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月柏氏矢量的表示方法柏氏矢量的表示方法與晶向指數(shù)相似，只不過(guò)晶向指數(shù)沒(méi)有“大小”的概念，而柏氏矢量必須在晶向指數(shù)的基礎(chǔ)上把矢量的模也表示出來(lái)，因此柏氏矢量的大小和方向要用它在各個(gè)晶軸上的分量，即點(diǎn)陣矢量a，b和c來(lái)表示。

a表示:b=a[uvw]/n（可以用矢量加法進(jìn)行算）。

b求模：/b/=a[u2+v2+w2]1/2/n（全位錯(cuò)）。第25頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月4.位錯(cuò)的密度（1）單位體積中位錯(cuò)線的總長(zhǎng)度，ρ＝ΣL/V式中：ρ

為位錯(cuò)密度,單位為m-2，ΣL

為位錯(cuò)線總長(zhǎng)度,單位為m,V為體積,單位為m3。

（2）晶體強(qiáng)度與位錯(cuò)密度的關(guān)系（3）位錯(cuò)觀察：浸蝕法、電境法。第26頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，一般經(jīng)充分退火的多晶體金屬中，位錯(cuò)密度約為106～108cm-2;但經(jīng)精心制備和處理的超純金屬單晶體（晶須），位錯(cuò)密度低于103cm-2；而經(jīng)過(guò)劇烈冷變形的金屬，位錯(cuò)密度可高達(dá)1010～1012cm-2。陶瓷晶體中也有位錯(cuò)，但是由于其結(jié)合鍵為共價(jià)鍵或離子鍵，鍵能很強(qiáng)，發(fā)生局部滑移很困難，因此陶瓷晶體的位錯(cuò)密度遠(yuǎn)低于金屬晶體，要使陶瓷發(fā)生塑性變形需要很大的應(yīng)力。第27頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月5.位錯(cuò)的生成上節(jié)曾講到大多數(shù)晶體的位錯(cuò)密度都很大，即使精心制備的純單晶體中也存在許多位錯(cuò)。這些原始位錯(cuò)究竟是通過(guò)哪些途徑產(chǎn)生的呢？晶體中的位錯(cuò)來(lái)源可有以下幾種：１、晶體生長(zhǎng)過(guò)程中產(chǎn)生位錯(cuò)。其主要來(lái)源有：①由于熔體中雜質(zhì)原子在凝固過(guò)程中不均勻分布使晶體的先后凝固部分成分不同，從而點(diǎn)陣常數(shù)也有差異，可能形成位錯(cuò)作為過(guò)渡；②由于溫度梯度、濃度梯度、機(jī)械振動(dòng)等的影響，致使生長(zhǎng)著的晶體偏轉(zhuǎn)或彎曲引起相鄰晶塊之間有位相差，它們之間就會(huì)形成位錯(cuò)；③晶體生長(zhǎng)過(guò)程中由于相鄰晶粒發(fā)生碰撞或因液流沖擊，以及冷卻時(shí)體積變化的熱應(yīng)力等原因會(huì)使晶體表面產(chǎn)生臺(tái)階或受力