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晶體結(jié)構(gòu)小結(jié) 原子結(jié)構(gòu)與原子結(jié)合 原子結(jié)合方式?jīng)Q定了其結(jié)構(gòu) 基本概念和分類 晶體學(xué)基礎(chǔ) 晶體學(xué)基本概念 晶向和晶面標(biāo)定 純金屬的晶體結(jié)構(gòu) BCC FCCandHCPcharacteristics 堆垛和間隙 合金的晶體結(jié)構(gòu) solidsolutionandintermetalliccompounds 基本概念 1st 1 理想金屬 實(shí)際金屬材料中 由于原子 分子或離子 的熱運(yùn)動(dòng) 晶體的形成條件 加工過程 雜質(zhì)等因素的影響 使得實(shí)際晶體中原子的排列不再規(guī)則 完整 存在各種偏離理想結(jié)構(gòu)的情況 BCC FCC HCP 規(guī)則排列 晶體缺陷對(duì)晶體的性能 擴(kuò)散 相變等有重要的影響 2 第三章晶體缺陷CrystalDefectsorImperfections 3 實(shí)際金屬材料幾乎都是多晶體 即由許多彼此方位不同 外形不規(guī)則的小晶體 單晶體 組成 這些小晶體稱為晶粒grains 純鐵組織 晶粒示意圖 4 單晶體和多晶體的區(qū)別 單晶體 是指在整個(gè)晶體內(nèi)部原子都按照周期性的規(guī)則排列 單晶體 5 變形金屬晶粒尺寸約1 100 m 鑄造金屬可達(dá)幾個(gè)mm 多晶體 是指在晶體內(nèi)每個(gè)局部區(qū)域里原子按周期性的規(guī)則排列 但不同局部區(qū)域之間原子的排列方向并不相同 因此多晶體也可看成由許多取向不同的小單晶體 晶粒 組成 6 缺陷的分類 根據(jù)缺陷的幾何特征 點(diǎn)缺陷 Pointdefects 最簡(jiǎn)單的晶體缺陷 在結(jié)點(diǎn)上或鄰近的微觀區(qū)域內(nèi)偏離晶體結(jié)構(gòu)的正常排列 在空間三維方向上的尺寸都很小 約為一個(gè) 幾個(gè)原子間距 又稱零維缺陷 包括空位vacancies 間隙原子interstitialatoms 雜質(zhì)impurities 溶質(zhì)原子solutes等 線缺陷 Lineardefects 在一個(gè)方向上的缺陷擴(kuò)展很大 其它兩個(gè)方向上尺寸很小 也稱為一維缺陷 主要為位錯(cuò)dislocations 面缺陷 Planardefects 在兩個(gè)方向上的缺陷擴(kuò)展很大 其它一個(gè)方向上尺寸很小 也稱為二維缺陷 包括晶界grainboundaries 相界phaseboundaries 孿晶界twinboundaries 堆垛層錯(cuò)stackingfaults等 7 3 1點(diǎn)缺陷Pointdefects 指空間三維尺寸都很小的缺陷 8 1 Formationsofpointdefects 晶體中點(diǎn)陣結(jié)點(diǎn)上的原子以其平衡位置為中心作熱振動(dòng) 當(dāng)振動(dòng)能足夠大時(shí) 將克服周圍原子的制約 跳離原來的位置 使得點(diǎn)陣中形成空結(jié)點(diǎn) 稱為空位vacancies 空位產(chǎn)生后 其周圍原子相互間的作用力失去平衡 因而它們朝空位方向稍有移動(dòng) 形成一個(gè)涉及幾個(gè)原子間距范圍的彈性畸變區(qū) 即晶格畸變 A 空位vacancies 空位 晶格中某些缺排原子的空結(jié)點(diǎn) 9 Classificationsofvacancies 遷移到晶體表面或內(nèi)表面的正常結(jié)點(diǎn)位置 使晶體內(nèi)部留下空位 擠入間隙位置 在晶體中形成數(shù)目相等的空位和間隙原子 離開平衡位置的原子 還可以跑到其他空位中 使空位消失或者空位移位 肖脫基 Schottky 缺陷 弗蘭克爾 Frenkel 缺陷 10 B 間隙原子interstitialatoms 間隙原子 擠進(jìn)晶格間隙中的原子 可以是基體金屬原子 也可以是外來原子 間隙原子同樣會(huì)使周圍點(diǎn)陣產(chǎn)生彈性畸變 而且畸變程度要比空位引起的畸變大的多 因此 形成能大 在晶體中的濃度很低 11 小置換原子 大置換原子 取代原來原子位置的外來原子 C 置換原子substitutionalatoms 12 點(diǎn)缺陷破壞了原子的平衡狀態(tài) 使晶格發(fā)生扭曲 稱晶格畸變 從而使強(qiáng)度 硬度提高 塑性 韌性下降 電阻升高 密度減小等 點(diǎn)缺陷對(duì)晶體性能的影響 13 由于熱起伏促使原子脫離點(diǎn)陣位置而形成的點(diǎn)缺陷稱為熱平衡缺陷 thermalequilibriumdefects 這是晶體內(nèi)原子熱運(yùn)動(dòng)的內(nèi)部條件決定的 另外 可通過改變外部條件形成點(diǎn)缺陷 包括高溫淬火 冷變形加工 高能粒子輻照等 這時(shí)的點(diǎn)缺陷濃度超過了平衡濃度 稱為過飽和的點(diǎn)缺陷 supersaturatedpointdefects 14 點(diǎn)缺陷的存在 造成點(diǎn)陣畸變 系統(tǒng)內(nèi)能升高 降低晶體的熱力學(xué)穩(wěn)定性 增大原子排列的混亂程度 并改變周圍原子的振動(dòng)頻率 系統(tǒng)組態(tài)熵和振動(dòng)熵升高 增加晶體的熱力學(xué)穩(wěn)定性 Contradictory 15 恒溫下 系統(tǒng)的自由能其中U為內(nèi)能 S為總熵值 包括組態(tài)熵Sc和振動(dòng)熵Sf T為絕對(duì)溫度設(shè)由N個(gè)原子組成的晶體中含有n個(gè)空位 形成一個(gè)空位所需能量為Ev 當(dāng)含有n個(gè)空位時(shí) 其內(nèi)能增加為 U n Ev 組態(tài)熵的改變?yōu)?Sc 振動(dòng)熵的改變?yōu)閚 Sf 自由能的變化為 點(diǎn)缺陷的平衡濃度 16 平衡時(shí)自由能最小 即對(duì)T求導(dǎo) 即則空位在T溫度時(shí)的空位平衡濃度C為 其中 k為波爾茲曼常數(shù) 1 38x10 23J K或8 62x10 5eV K 類似地 間隙原子平衡濃度C 17 Example Pleasecalculatetheequilibriumnumberofvacanciespercubicmeterforcopper Cu at1000oC Theenergyforvacancyformation Ev is0 9eV atom theatomicweight MCu anddensity at1000oC forcopperare63 5g moland8 4g cm3 respectively Solution 根據(jù)空位平衡濃度公式C n N Aexp Ev kT 每立方米銅中的空位數(shù) 1000oC即1273K 為n Nexp Ev kT 2 2x1025vacancies m3其中k為Boltzman sconstant 1 38x10 23J K或8 62x10 5eV K 按A 1考慮 18 一般 晶體中間隙原子的形成能比空位的形成能大3 4倍 間隙原子的量與空位相比可以忽略 例如 Cu的空位形成能為1 7 10 19J 間隙原子的形成能為4 8 10 19J 在1273K時(shí) 空位的平衡濃度C 10 4 間隙原子的C 10 14 C C 1010 所以間隙原子可忽略不計(jì) 1eV 100kJ mol 19 3 點(diǎn)缺陷的運(yùn)動(dòng) 必然性 在一定溫度下 點(diǎn)缺陷數(shù)目 濃度 一定 并處于不斷的運(yùn)動(dòng)過程中 是一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡 遷移 晶格上的原子由于熱運(yùn)動(dòng) 跳入空位中 形成另一個(gè)空位 原來空位消失 這一過程可以看作空位的移動(dòng) 即空位遷移 同樣 間隙原子可從一個(gè)位置移動(dòng)到另一個(gè)位置 形成間隙原子遷移 復(fù)合 間隙原子落入空位 使兩者都消失 由于要求一定溫度下的點(diǎn)缺陷平衡濃度保持一定 因此 又會(huì)產(chǎn)生新的間隙原子 空位 20 點(diǎn)缺陷的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的影響 晶體中的原子正是由于空位和間隙原子不斷的產(chǎn)生和復(fù)合 才不停地由一處向另一處作無規(guī)則的布朗運(yùn)動(dòng) 這就是晶體中原子的自擴(kuò)散 它是固態(tài)相變 表面化學(xué)熱處理 蠕變 燒結(jié)的基礎(chǔ) 晶體性能的變化 體積 光學(xué) 磁性 導(dǎo)電性等改變 如體積膨脹 密度降低等 21 3 2線缺陷Lineardefects 晶體中的位錯(cuò)dislocations 當(dāng)晶格中一部分晶體相對(duì)于另一部分晶體發(fā)生局部滑移時(shí) 滑移面上滑移區(qū)與未滑移區(qū)的交界線稱作位錯(cuò) 22 位錯(cuò)Dislocations 線缺陷就是各種類型的位錯(cuò) 它是指晶體中的原子發(fā)生了有規(guī)律的錯(cuò)排現(xiàn)象 其特點(diǎn)是原子發(fā)生錯(cuò)排的范圍只在一維方向上很大 是一個(gè)直徑為3 5個(gè)原子間距 長(zhǎng)數(shù)百個(gè)原子間距以上的管狀原子畸變區(qū) 位錯(cuò)是一種極為重要的晶體缺陷 對(duì)金屬?gòu)?qiáng)度 塑性變形 擴(kuò)散和相變等有顯著影響 位錯(cuò)包括兩種基本類型 刃型位錯(cuò)和螺型位錯(cuò) DislocationsinTitaniumalloyTEM51450 x 23 位錯(cuò) Dislocation 理論的發(fā)展 起源 塑性變形 plasticdeformation 滑移 slip 滑移線最初模型 剛性相對(duì)滑動(dòng)模型 計(jì)算臨界切應(yīng)力tm G 30 G 切變模量 純Fe的切變模量約為 100GPa純Fe的理論臨界切應(yīng)力 約3000MPa純Fe的實(shí)際屈服強(qiáng)度 1 10MPa1934年Taylor Orowan Polanyi提出 位錯(cuò)模型 滑移是通過稱為位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)而進(jìn)行的1950年代后位錯(cuò)模型為實(shí)驗(yàn)所驗(yàn)證現(xiàn)在 位錯(cuò)是晶體性能研究中最重要的概念被廣泛用來研究固態(tài)相變 晶體光 電 聲 磁 熱力學(xué) 表面及催化等 相差3 4個(gè)數(shù)量級(jí) 24 3 2 1 位錯(cuò)的基本類型和特征 刃型位錯(cuò)edgedislocation 螺型位錯(cuò)screwdislocation 位錯(cuò)是原子排列的一種特殊組態(tài) 根據(jù)幾何結(jié)構(gòu) 混合位錯(cuò)mixeddislocation 25 A 刃型位錯(cuò)edgedislocation 刃型位錯(cuò) 當(dāng)一個(gè)完整晶體某晶面以上的某處多出半個(gè)原子面 該晶面象刀刃一樣切入晶體 這個(gè)多余原子面的邊緣就是刃型位錯(cuò) 半原子面在滑移面以上的稱正位錯(cuò) 用 表示 半原子面在滑移面以下的稱負(fù)位錯(cuò) 用 表示 刃型位錯(cuò) 26 刃型位錯(cuò)的特點(diǎn) A 若額外半原子面位于晶體的上半部 則此處的位錯(cuò)線稱為正刃型位錯(cuò) 反之 則稱為負(fù)刃型位錯(cuò) 兩者沒有本質(zhì)區(qū)別 B 刃型位錯(cuò)線可以理解為已滑移區(qū)和未滑移區(qū)的分界線 它不一定是直線 27 C 滑移面是同時(shí)包括位錯(cuò)線和滑移矢量的平面 刃型位錯(cuò)的位錯(cuò)線和滑移矢量互相垂直 一個(gè)刃型位錯(cuò)所構(gòu)成的滑移面只有一個(gè) D 位錯(cuò)的存在使得位錯(cuò)周圍的點(diǎn)陣發(fā)生彈性畸變 即有切應(yīng)變 又有正應(yīng)變 對(duì)正刃型位錯(cuò)而言 位錯(cuò)線上 下部臨近范圍內(nèi)原子受到壓應(yīng)力 拉應(yīng)力 離位錯(cuò)線較遠(yuǎn)處原子排列恢復(fù)正常 E 在位錯(cuò)線周圍的畸變區(qū)內(nèi) 每個(gè)原子具有較大的平均能量 這個(gè)區(qū)域只有幾個(gè)原子間距寬 是狹長(zhǎng)的管道 所以刃型位錯(cuò)是線缺陷 28 電子顯微鏡下的位錯(cuò) 29 點(diǎn)缺陷 在一定溫度下具有一定的平衡濃度C n N e Ev kT 刃型位錯(cuò) 螺型位錯(cuò) 點(diǎn)缺陷的運(yùn)動(dòng) 自擴(kuò)散 線缺陷 2nd 30 刃型位錯(cuò)的特點(diǎn) A 若額外半原子面位于晶體的上半部 則稱為正刃型位錯(cuò) 反之 為負(fù)刃型位錯(cuò) 兩者沒有本質(zhì)區(qū)別 B 刃型位錯(cuò)線不一定是直線 C 一個(gè)刃型位錯(cuò)所構(gòu)成的滑移面只有一個(gè) 由于刃型位錯(cuò)線與滑移矢量垂直 D 位錯(cuò)的存在使得位錯(cuò)周圍的點(diǎn)陣發(fā)生彈性畸變 即有切應(yīng)變 又有正應(yīng)變 E 位錯(cuò)線周圍的畸變區(qū)只有幾個(gè)原子間距寬 是狹長(zhǎng)的管道 故線缺陷 31 B 螺型位錯(cuò)screwdislocation 螺型位錯(cuò) 位錯(cuò)附近的原子是按螺旋形排列的 位錯(cuò)線 bb 已滑移區(qū)和未滑移區(qū)的分界線 畸變區(qū) aa b b 約幾個(gè)原子間距寬 上下層原子位置不相吻合的過渡區(qū) 原子的正常排列遭破壞 螺型位錯(cuò)也是線缺陷 b b a a 32 螺型位錯(cuò)的特點(diǎn) A 螺型位錯(cuò)無額外半原子面 原子錯(cuò)排呈軸對(duì)稱 B 根據(jù)位錯(cuò)線附近呈螺旋形排列的原子的旋轉(zhuǎn)方向不同 可分為右旋和左旋螺型位錯(cuò) 33 C 螺型位錯(cuò)的位錯(cuò)線與滑移矢量平行 因此一定是直線 位錯(cuò)線的移動(dòng)方向與晶體滑移方向互相垂直 D 純螺型位錯(cuò)的滑移面不是唯一的 凡包含位錯(cuò)線的平面都可作為滑移面 一般 位錯(cuò)在原子密排面上進(jìn)行 E 螺型位錯(cuò)周圍的點(diǎn)陣發(fā)生彈性畸變 只有平行于位錯(cuò)線的切應(yīng)變 無正應(yīng)變 所以不會(huì)引起體積膨脹和收縮 F 螺型位錯(cuò)周圍的點(diǎn)陣畸變隨離位錯(cuò)線距離的增加而急劇減少 故也是幾個(gè)原子寬度的線缺陷 螺型位錯(cuò)的特點(diǎn) 34 C 混合位錯(cuò)mixeddislocation 混合位錯(cuò) 一種更為普遍的位錯(cuò)形式 其滑移矢量既不平行也不垂直于位錯(cuò)線 而與位錯(cuò)線相交成任意角度 可看作是刃型位錯(cuò)和螺型位錯(cuò)的混合形式 35 A 混合位錯(cuò)線是一條曲線 B 位錯(cuò)線不能終止于晶體內(nèi)部 而只能露頭于晶體表面 晶界 C 位錯(cuò)線若終止于晶體內(nèi)部 則必與其他位錯(cuò)線相連接 或形成封閉的位錯(cuò)環(huán) 混合位錯(cuò)的特點(diǎn) 36 位錯(cuò)環(huán) Edge Edge Screw Screw 37 3 2 2 伯氏矢量Burgersvector 柏氏矢量b 用于表征不同類型位錯(cuò)特征的一個(gè)物理參量 是決定晶格偏離方向與大小的向量 可揭示位錯(cuò)的本質(zhì) 是1939年柏格斯 J M Burgers 提出采用柏氏回路來定義的 38 1 伯氏矢量的確定 伯氏回路 1 選定位錯(cuò)線的正向 通常選出紙面的方向?yàn)檎? 在實(shí)際晶體中 從任一原子出發(fā) 圍繞位錯(cuò)以一定的部數(shù)作一右旋閉合回路 稱為伯氏回路 選取時(shí)要避開嚴(yán)重的位錯(cuò)畸變區(qū)3 在完整晶體中按同樣方法和部數(shù)作相應(yīng)的回路 該回路不閉合 由終點(diǎn)向起點(diǎn)引一矢量b 使該回路閉合 矢量b就是該位錯(cuò)的柏氏矢量 伯氏回路MNOPQ M N O P Q N O P Q M b垂直于位錯(cuò)線 b 39 M N O P Q M N O P Q b b平行于位錯(cuò)線 40 混合位錯(cuò) 判斷位錯(cuò)的正負(fù) 位錯(cuò)線 柏氏矢量 刃型正負(fù) 右手法則直角坐標(biāo) b b 刃型位錯(cuò) bs bcos b bsin 正 負(fù) 41 2伯氏矢量的特性 1 物理量 是一個(gè)反映位錯(cuò)周圍點(diǎn)陣畸變總積累的物理量 位錯(cuò)是柏氏矢量不為零的晶體缺陷 矢量方向 表示位錯(cuò)的性質(zhì)與取向 是位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致晶體滑移的方向 矢量的模 b 表示該位錯(cuò)畸變的程度 或稱位錯(cuò)的強(qiáng)度 也可表示該位錯(cuò)導(dǎo)致的晶體滑移的大小 模的平方 b 2 位錯(cuò)的畸變能與模的平方的大小成正比 2 守恒性 柏氏矢量與回路起點(diǎn)及具體途徑無關(guān) 3 唯一性 一根不分叉的位錯(cuò)線具有唯一的柏氏矢量 與位錯(cuò)的類型 形狀 是否運(yùn)動(dòng)無關(guān) 4 矢量計(jì)算 柏氏矢量可分解 求和 滿足矢量運(yùn)算5 位錯(cuò)的連續(xù)性 位錯(cuò)不能中斷于晶體內(nèi)部 但可以形成一個(gè)封閉的位錯(cuò)環(huán) 或連接于晶界 位錯(cuò)結(jié)點(diǎn) 或終于表面 42 如果幾條位錯(cuò)線在晶體內(nèi)部相交 交點(diǎn)稱為節(jié)點(diǎn) 則指向節(jié)點(diǎn)的各位錯(cuò)的伯氏矢量之和 必然等于離開節(jié)點(diǎn)的各位錯(cuò)的伯氏矢量之和 若各位錯(cuò)的方向都指向節(jié)點(diǎn)或者離開節(jié)點(diǎn) 則伯氏矢量之和恒為0 43 3伯氏矢量的表示法 柏氏矢量的表示與晶向指數(shù) uvw 相似 但需要在晶向指數(shù)的基礎(chǔ)上把矢量的模也表示出來 在立方晶系中 柏氏矢量可表示為 n為正整數(shù) 位錯(cuò)的強(qiáng)度 如果位錯(cuò)b是位錯(cuò)b1 b2之矢量和 且 則 同一晶體中 柏氏矢量越大 該位錯(cuò)的點(diǎn)陣畸變?cè)絿?yán)重 其能量越高 能量較高的位錯(cuò)趨于分解為多個(gè)能量較低的位錯(cuò) 使系統(tǒng)自由能降低 如果b b1 b2 則 b 2 b1 2 b2 2 44 ExampleAdislocationloopABCDintheslippingplanewithBurgersvectorbisproducedbyanappliedstresst Pleasedeterminethetypesofthedislocationloop AB 右螺型 BC 正刃型 CD 左螺型 DA 負(fù)刃型 t t 45 3 2 3 位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng) 位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)是位錯(cuò)的重要性質(zhì)之一 它與晶體的力學(xué)性能如強(qiáng)度 塑性 斷裂等密切相關(guān) 晶體的宏觀塑性變形是通過位錯(cuò)來實(shí)現(xiàn)的 46 1位錯(cuò)的滑移slipping 位錯(cuò)的滑移 守恒運(yùn)動(dòng) 在外加切應(yīng)力作用下 位錯(cuò)中心附近的原子沿柏氏矢量b方向在滑移面上不斷作少量位移 小于一個(gè)原子間距 而逐步實(shí)現(xiàn) 47 刃位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng) 螺位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng) 混合位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng) 48 A刃型位錯(cuò)滑移 Takemuchlessenergy 49 B螺型位錯(cuò)滑移 原始位置 位錯(cuò)向左移動(dòng)一個(gè)原子間距 50 交滑移 由于螺型位錯(cuò)可有多個(gè)滑移面 螺型位錯(cuò)在原滑移面上運(yùn)動(dòng)受阻時(shí) 可轉(zhuǎn)移到與之相交的另一個(gè)滑移面上繼續(xù)滑移 如果交滑移后的位錯(cuò)再轉(zhuǎn)回到和原滑移面平行的滑移面上繼續(xù)運(yùn)動(dòng) 則稱為雙交滑移 51 C混合位錯(cuò)滑移 分解為刃型和螺型位錯(cuò)進(jìn)行解析 52 位錯(cuò)滑移的特點(diǎn) 1 刃型位錯(cuò)滑移的切應(yīng)力方向與位錯(cuò)線垂直 而螺型位錯(cuò)滑移的切應(yīng)力方向與位錯(cuò)線平行 2 無論刃型位錯(cuò)還是螺型位錯(cuò) 位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)方向總是與位錯(cuò)線垂直的 伯氏矢量方向代表晶體的滑移方向 3 刃型位錯(cuò)引起的晶體的滑移方向與位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)方向一致 而螺型位錯(cuò)引起的晶體的滑移方向與位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)方向垂直 4 位錯(cuò)滑移的切應(yīng)力方向與柏氏矢量一致 位錯(cuò)滑移后 滑移面兩側(cè)晶體的相對(duì)位移與柏氏矢量一致 5 對(duì)螺型位錯(cuò) 如果在原滑移面上運(yùn)動(dòng)受阻時(shí) 有可能轉(zhuǎn)移到與之相交的另一滑移面上繼續(xù)滑移 這稱為交滑移 雙交滑移 53 54 2位錯(cuò)的攀移climbing 只適合于刃型位錯(cuò) 位錯(cuò)的攀移 非守恒運(yùn)動(dòng) 刃型位錯(cuò)在垂直于滑移面方向上的運(yùn)動(dòng) 主要是通過原子或空位的擴(kuò)散來實(shí)現(xiàn)的 滑移過程基本不涉及原子的擴(kuò)散 正攀移 多余原子面向上運(yùn)動(dòng) 反之稱為負(fù)攀移 螺型位錯(cuò)不發(fā)生攀移運(yùn)動(dòng) 55 a 正攀移 半原子面縮短 b 未攀移 c 負(fù)攀移 半原子面伸長(zhǎng) 由于攀移伴隨著位錯(cuò)線附近原子的增加或減少 即有物質(zhì)遷移 因此需要擴(kuò)散才能進(jìn)行 位錯(cuò)攀移需要熱激活 比滑移所需的能量要大 對(duì)大多數(shù)材料 在室溫下很難進(jìn)行攀移 高溫下容易 另外晶體中過飽和點(diǎn)缺陷的存在利于攀移的進(jìn)行 56 3運(yùn)動(dòng)位錯(cuò)的交割crossingofdislocations 位錯(cuò)在某一滑移面上運(yùn)動(dòng)時(shí) 對(duì)穿過滑移面的其它位錯(cuò) 林位錯(cuò) 的交割 包括扭折 kink 和割階 jog 扭折 位錯(cuò)交割形成的曲折線段在位錯(cuò)的滑移面上時(shí) 稱為扭折 割階 若該曲折線段垂直于位錯(cuò)的滑移面時(shí) 稱為割階 57 位錯(cuò)交割時(shí) 會(huì)發(fā)生相互作用 對(duì)材料的強(qiáng)化 點(diǎn)缺陷的產(chǎn)生有重要意義 刃型位錯(cuò)的割階部分仍為刃型位錯(cuò) 垂直于b 而扭折部分則為螺型位錯(cuò) 平行于b 由柏氏矢量與位錯(cuò)線取向關(guān)系確定 螺型位錯(cuò)的割階和扭折部分均為刃型位錯(cuò) 因?yàn)槎即怪庇赽位錯(cuò)的攀移可以理解為割階沿位錯(cuò)線逐步推移 58 柏氏矢量互相平行 例 兩根互相垂直的刃型位錯(cuò)的交割 柏氏矢量互相垂直 割階刃型位錯(cuò) 扭折螺型位錯(cuò) 59 位錯(cuò)交割的特點(diǎn) 1 運(yùn)動(dòng)位錯(cuò)交割后 在位錯(cuò)線上可能產(chǎn)生一個(gè)扭折或割階 具有原位錯(cuò)線的柏氏矢量2 所有的割階都是刃型位錯(cuò) 而扭折可以是刃型也可是螺型的 3 扭折與原位錯(cuò)線在同一滑移面上 可隨位錯(cuò)線一道運(yùn)動(dòng) 幾乎不產(chǎn)生阻力 且在線張力的作用下易于消失 4 割階與原位錯(cuò)不在同一滑移面上 只能通過攀移運(yùn)動(dòng) 所以割階是位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的障礙 割階硬化 60 5 帶割階位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng) 按割階高度的不同分為 小割階 割階高度為1 2個(gè)原子間距 遺留點(diǎn)缺陷 中等割階 遺留位錯(cuò)偶 符號(hào)相異 大割階 割階高度約為20nm 位錯(cuò)環(huán) 61 位錯(cuò) 3 2 4位錯(cuò)的彈性性質(zhì) 能量 作用力 缺陷的相互作用等 點(diǎn)陣畸變 彈性應(yīng)力場(chǎng) 62 定量計(jì)算應(yīng)力場(chǎng)是非常困難的 常采用彈性連續(xù)介質(zhì)模型假設(shè) 1 晶體是完全彈性體 服從胡克定律 2 晶體是各向同性的 3 晶體是由連續(xù)介質(zhì)組成的 無空隙存在 局限性 只適用于位錯(cuò)中心 嚴(yán)重點(diǎn)陣畸變區(qū) 以外的區(qū)域 1位錯(cuò)的應(yīng)力場(chǎng)Stressfieldofdislocation 壓應(yīng)力 拉應(yīng)力 刃型位錯(cuò)周圍的應(yīng)力區(qū)域 63 6個(gè)應(yīng)力分量 3個(gè)正應(yīng)力 3個(gè)切應(yīng)力6個(gè)應(yīng)變分量 3個(gè)正應(yīng)變 3個(gè)切應(yīng)變 第一個(gè)下標(biāo)代表作用面的外法線方向 第二個(gè)代表應(yīng)力的方向 64 1 螺型位錯(cuò)的應(yīng)力場(chǎng) 模型 設(shè)想有一各向同性的空心圓柱體 將其沿xz面切開 使兩個(gè)切開面沿z方向做相對(duì)位移 相當(dāng)于形成一個(gè)柏氏矢量為b的螺型位錯(cuò)OO 為位錯(cuò)線 MNO O為滑移面 xx yy zz xy yx 0 離開中心r處切應(yīng)力 在圓柱坐標(biāo)系中表達(dá)式 在直角坐標(biāo)系中表達(dá)式 rr zz tr t r trz 0 由于圓柱體只有Z方向的位移 故只有一個(gè)切應(yīng)力和切應(yīng)變 其余應(yīng)力分量都為0 65 螺型位錯(cuò)應(yīng)力場(chǎng)的特點(diǎn) 1 只有切應(yīng)力分量 正應(yīng)力分量為零 表明螺位錯(cuò)不引起晶體的膨脹和收縮 2 螺型位錯(cuò)的應(yīng)力場(chǎng)是軸對(duì)稱的 即螺型位錯(cuò)的切應(yīng)力分量只與r有關(guān) 而與 z無關(guān) 即在與位錯(cuò)等距離的各處 應(yīng)力值相等 且隨r增大 應(yīng)力減小 但是位錯(cuò)中心的嚴(yán)重畸變區(qū)不適合 r 0 t 66 2 刃型位錯(cuò)應(yīng)力場(chǎng) 模型 設(shè)想有一各向同性的空心圓柱體 將其沿xz面切開 使兩個(gè)切開面沿徑向 x軸方向 做相對(duì)位移 相當(dāng)形成一個(gè)柏氏矢量為b的刃型位錯(cuò) zz xx yy xz zx yz zy 0 離開中心r處切應(yīng)力 在直角坐標(biāo)系中表達(dá)式 67 刃型位錯(cuò)應(yīng)力場(chǎng)的特點(diǎn) 1 同時(shí)存在切應(yīng)力與正應(yīng)力分量 各應(yīng)力分量都是x y的函數(shù) 而與z無關(guān) 2 在平行于位錯(cuò)線的直線上 任一點(diǎn)的應(yīng)力均相同 刃型位錯(cuò)的應(yīng)力場(chǎng)對(duì)稱于多余半原子面 3 y 0時(shí) xx yy zz 0 說明在滑移面上 沒有正應(yīng)力 只有切應(yīng)力 4 y 0時(shí) xx 0 y 0時(shí) xx 0 說明正刃型位錯(cuò)的位錯(cuò)滑移面上側(cè)為壓應(yīng)力 下側(cè)為拉應(yīng)力 68 2位錯(cuò)的應(yīng)變能Strainenergyofdislocation 位錯(cuò)周圍點(diǎn)陣畸變引起的彈性應(yīng)力場(chǎng) 導(dǎo)致晶體能量的增加 稱為位錯(cuò)的應(yīng)變能或位錯(cuò)的能量 單位長(zhǎng)度刃型位錯(cuò)的應(yīng)變能 單位長(zhǎng)度螺型位錯(cuò)的應(yīng)變能 簡(jiǎn)化的單位長(zhǎng)度位錯(cuò)的總應(yīng)變能 E Gb2 與幾何因素有關(guān) 約為0 5 1 單位長(zhǎng)度混合位錯(cuò)的應(yīng)變能 G 切變模量K 角度因素 幾何系數(shù)b 柏氏矢量 泊松比 69 位錯(cuò)能量 1 位錯(cuò)的能量包括兩部分 Ec和Ee 2 位錯(cuò)的應(yīng)變能與b2成正比 大位錯(cuò)可能分解為小位錯(cuò) 以降低系統(tǒng)能量 也可理解為滑移總是沿著原子的密排方向 3 Ees Eee 1 常用金屬的泊松比 約為1 3 故螺位錯(cuò)的彈性應(yīng)變能約為刃位錯(cuò)的2 3 4 位錯(cuò)的能量是以單位長(zhǎng)度的能量來定義的 故能量還與位錯(cuò)的形狀有關(guān) 所以從系統(tǒng)能量的角度 位錯(cuò)線有盡量變直和縮短其長(zhǎng)度的趨勢(shì) 5 位錯(cuò)的存在使晶體處于高能的不穩(wěn)定狀態(tài) E Gb2 70 3作用在位錯(cuò)上的力forceonadislocation 在外切應(yīng)力 的作用下 位錯(cuò)的移動(dòng)可以理解為有一個(gè)垂直于位錯(cuò)線的力Fd作用于位錯(cuò)線上 Fd bFd的方向總是與位錯(cuò)線相垂直 并指向滑移面的未滑移部分作用在位錯(cuò)上的力只是一種組態(tài)力 它不代表位錯(cuò)附近原子實(shí)際所受力 也區(qū)別于作用在晶體上的力 其方向與外切應(yīng)力方向不一定一致 一根位錯(cuò)具有唯一的柏氏矢量 只要作用在晶體上的切應(yīng)力是均勻的 則各段位錯(cuò)所受的力大小相同這種受力也稱為滑移力 slipforce Fd Fd 71 若在外正應(yīng)力s的作用下 對(duì)刃型位錯(cuò)來說 會(huì)在垂直于滑移面的方向運(yùn)動(dòng) 即發(fā)生攀移 也稱為攀移力 climbforce Fy Fy sbFy的方向與位錯(cuò)線攀移方向一致s為拉應(yīng)力時(shí) Fy向下 72 4位錯(cuò)的線張力linetensionofdislocation 位錯(cuò)應(yīng)變能與位錯(cuò)長(zhǎng)度成正比 為降低能量 位錯(cuò)線有力求縮短的趨勢(shì) 故在位錯(cuò)線上存在一種使其變直的線張力T 線張力T可以理解為使位錯(cuò)增加單位長(zhǎng)度所需的能量 故 T kGb2 Gb2 2 k約為0 5 1若位錯(cuò)長(zhǎng)度為ds 單位長(zhǎng)度位錯(cuò)線所受的力為 b 則 b ds 2Tsin d 2 由于ds rd 當(dāng)d 很小時(shí) sin d 2 d 2 因此 b T r Gb2 2r兩端固定的位錯(cuò)在切應(yīng)力 作用下與位錯(cuò)線彎曲度r的關(guān)系 Gb 2r 位錯(cuò)彎曲 曲率半徑r 73 5位錯(cuò)與點(diǎn)缺陷的交互作用interactionbetweendislocationandpointdefect 溶質(zhì)原子趨于分布在位錯(cuò) 刃位錯(cuò) 周圍造成位錯(cuò)的應(yīng)變能下降 增加位錯(cuò)的穩(wěn)定性 位錯(cuò)不易移動(dòng) 提高晶體塑性變形抗力溶質(zhì)原子與位錯(cuò)交互作用后 在位錯(cuò)周圍偏聚的現(xiàn)象稱為氣團(tuán) 形成柯氏氣團(tuán) Cotrellatomosphere 空位與位錯(cuò)交互作用的結(jié)果是位錯(cuò)攀移 固溶強(qiáng)化 74 6位錯(cuò)間的交互作用interactionsbetweendislocations B 運(yùn)動(dòng)位錯(cuò)在其他位錯(cuò)所產(chǎn)生的應(yīng)力場(chǎng)中運(yùn)動(dòng) 為位錯(cuò)的應(yīng)力場(chǎng)之間發(fā)生的彈性交互作用 是長(zhǎng)程作用 A 運(yùn)動(dòng)位錯(cuò)與其滑移面相交的位錯(cuò) 林位錯(cuò) 相遇 產(chǎn)生位錯(cuò)的交割 是短程作用 交割 扭折和割階 75 1 兩平行螺位錯(cuò)的交互作用 由于應(yīng)力場(chǎng)中只有切應(yīng)力分量 所以只受到徑向作用力fr 排斥 吸引 76 2 兩平行刃位錯(cuò)的交互作用 沿x方向的切應(yīng)力分量 滑移 沿y方向的正應(yīng)力分量 攀移 在位錯(cuò)e1的應(yīng)力場(chǎng)中存在切應(yīng)力和正應(yīng)力 分別導(dǎo)致e2沿x方向滑移和沿y方向攀移 77 a 當(dāng)時(shí) 若x 0 則fx 0 若x 0 則fx 0 表明位錯(cuò)e2位于1 2區(qū)間內(nèi) 兩位錯(cuò)相互排斥 滑移力 b 當(dāng)時(shí) 若x 0 則fx0 表明位錯(cuò)e2位于3 4區(qū)間內(nèi) 兩位錯(cuò)相互吸引 c 當(dāng)時(shí) fx 0 兩位錯(cuò)處于介穩(wěn)定平衡位置 一旦偏離此位置 e2就會(huì)受到排斥或吸引 使得偏離的更遠(yuǎn) e 當(dāng)y 0時(shí) 若x 0 fx 0 若x 0 fx 0 fx的絕對(duì)值與x成反比 即處于同一滑移面上的同號(hào)刃型位錯(cuò)總是相互排斥的 間距越小 排斥力越大 d 當(dāng)x 0時(shí) 位錯(cuò)e2處于y軸上 fx 0 處于穩(wěn)定平衡狀態(tài) 一旦偏離此位置就會(huì)受到e1的吸引而退回原處 使位錯(cuò)垂直排列起來 通常把這種垂直排列的位錯(cuò)組態(tài)稱為位錯(cuò)墻 可構(gòu)成小角度晶界 同號(hào)位錯(cuò) 對(duì)于同號(hào)位錯(cuò) 78 fy與y同號(hào) 當(dāng)e2在e1之上時(shí) fy為正 即指向上 當(dāng)e2在e1之下時(shí) fy為負(fù) 即指向下 因此兩位錯(cuò)沿y軸方向是排斥的 同號(hào)位錯(cuò) 攀移力 79 如果是兩平行刃位錯(cuò)和螺位錯(cuò)呢 由于b相互垂直 使得各自的應(yīng)力場(chǎng)均沒有使對(duì)方受力的應(yīng)力分量 故不發(fā)生作用 80 3 2 5位錯(cuò)的生成與增殖formationandgeneration 1位錯(cuò)的密度densityofdislocations 位錯(cuò)密度 單位體積內(nèi)所包含的位錯(cuò)線總長(zhǎng)度 L V cm 2 一般 位錯(cuò)密度也定義為單位面積所見到的位錯(cuò)數(shù)目 n A cm 2 充分退火的多晶體金屬中 106 108cm 2劇烈冷變形的金屬中 1010 1012cm 2超純金屬單晶體 103cm 2 81 位錯(cuò)對(duì)性能的影響 金屬的塑性變形主要由位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)引起 因此阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)是強(qiáng)化金屬的主要途徑 減少或增加位錯(cuò)密度都可以提高金屬的強(qiáng)度 1011 1012 cm2 82 Pictureissnapshotfromsimulationofplasticdeformationinafccsinglecrystal Cu Numberincreasesduringplasticdeformation Spawnfromdislocations grainboundaries surfaces 83 SlipinaSingleCrystal Eachstep shearband resultsfromthegenerationofalargenumberofdislocationsandtheirpropagationsintheslipsystem Zn 84 位錯(cuò)的彈性性質(zhì) Stressfieldcharacteristicsofdislocations Dislocationenergy Gb2unitlength Forceonadislocation fslip tb orfclimb sb Linetensionofdislocation t Gb 2r Interactionsbetweendislocations short rangeandlongrange 85 2位錯(cuò)的生成formationofdislocations 晶體生長(zhǎng)過程中產(chǎn)生位錯(cuò)雜質(zhì)原子在凝固時(shí)固溶成分不均勻 導(dǎo)致點(diǎn)陣畸變 可形成位錯(cuò)作為過渡 溫度 濃度 振動(dòng)等因素導(dǎo)致晶塊間的位相差 導(dǎo)致位錯(cuò)產(chǎn)生 晶粒間的熱應(yīng)力等作用導(dǎo)致晶體表面產(chǎn)生臺(tái)階而形成位錯(cuò)快速凝固及冷卻過程中的過飽和空位的聚集局部應(yīng)力集中 導(dǎo)致局部滑移 位錯(cuò)源 86 3位錯(cuò)的增殖generationofdislocations 弗蘭克 瑞德源Frank Readsource 晶體在變形過程中存在位錯(cuò)的大量增殖 已存在的位錯(cuò)受力開始運(yùn)動(dòng) 最終移到晶體表面產(chǎn)生宏觀塑性變形 87 弗蘭克 瑞德源Frank Readsource臨界切應(yīng)力 c Gb L 半圓形r最小 t最大 Gb 2r 在Si Al Cu Al Mg合金 鎘 不銹鋼 NaCl等晶體中存在F R機(jī)制 88 雙交滑移增殖模型 割階的存在對(duì)原位錯(cuò)產(chǎn)生釘扎作用 使得原位錯(cuò)在滑移面上成為一個(gè)Frank Readsource 89 3 2 6實(shí)際晶體結(jié)構(gòu)中的位錯(cuò)Dislocationsinrealcrystals 以上位錯(cuò)結(jié)構(gòu)是以簡(jiǎn)單立方晶體為研究對(duì)象 實(shí)際晶體中更為復(fù)雜 具有特殊性質(zhì)和復(fù)雜組態(tài)簡(jiǎn)單立方晶體中 b總是等于點(diǎn)陣矢量 1實(shí)際晶體中位錯(cuò)的柏氏矢量單位位錯(cuò)Unitdislocation 柏氏矢量等于單位點(diǎn)陣矢量的位錯(cuò)全位錯(cuò)Perfectdislocation 柏氏矢量等于點(diǎn)陣矢量或其整數(shù)倍的位錯(cuò) 全位錯(cuò)滑移后晶體原子排列不變不全位錯(cuò)Imperfectdislocation 柏氏矢量不等于點(diǎn)陣矢量整數(shù)倍的位錯(cuò) 不全位錯(cuò)滑移后晶體原子排列規(guī)律變化部分位錯(cuò)Partialdislocation 柏氏矢量小于點(diǎn)陣矢量的位錯(cuò) 90 但在實(shí)際晶體結(jié)構(gòu)中 位錯(cuò)的b不能是任意的 它要符合晶體的結(jié)構(gòu)條件和能量條件 1 晶體的結(jié)構(gòu)條件是指b必須連接一個(gè)原子平衡位置到另一個(gè)平衡位置 2 從能量條件 位錯(cuò)能量正比于b2 b越小系統(tǒng)越穩(wěn)定 即單位位錯(cuò)應(yīng)該是最穩(wěn)定的位錯(cuò) b 點(diǎn)陣矢量 91 2堆垛層錯(cuò)stackingfault 密排堆垛時(shí) FCC晶格中 111 面的堆垛順序?yàn)锳BCABCABC HCP晶格中 0001 面的堆垛順序?yàn)锳BABAB FCC HCP ABCABCABC ABABAB A A A A A A A 92 ABCBC 實(shí)際晶體結(jié)構(gòu)中 密排面的正常堆垛順序有可能遭到破壞和錯(cuò)排 稱為堆垛層錯(cuò) 簡(jiǎn)稱層錯(cuò) FCC晶格中 111 面的堆垛順序?yàn)锳BCABCABC HCP晶格中 0001 面的堆垛順序?yàn)锳BABAB FCC結(jié)構(gòu)中的堆垛層錯(cuò) 正常排列ABCABC 抽出一層A 插入一層B 抽出型 插入型 ABCBABC 一層HCPpacking 93 形成層錯(cuò)時(shí)幾乎不發(fā)生點(diǎn)陣畸變 但破壞了晶體的完整性和正常的周期性 使晶體的能量增加 增加的能量稱為堆垛層錯(cuò)能 J m2 stackingfaultenergy層錯(cuò)能低 晶體中容易出現(xiàn)層錯(cuò) 層錯(cuò)能高 晶體中不易出現(xiàn)層錯(cuò) 很少出現(xiàn)層錯(cuò) 94 3不全位錯(cuò)imperfectdislocation partialdislocation 如果堆垛層錯(cuò)不是發(fā)生在晶體的整個(gè)原子面上而只是在部分區(qū)域存在 那么 在層錯(cuò)與完整晶體的交界處就存在不全位錯(cuò) 其伯氏矢量b不等于點(diǎn)陣矢量 層錯(cuò)的邊界就是位錯(cuò) 抽出型 插入型 95 FCC結(jié)構(gòu)中 存在 肖克萊 Shockley 不全位錯(cuò)可動(dòng)位錯(cuò) 肖克萊 Shockley 不全位錯(cuò) 弗蘭克 Frank 不全位錯(cuò) A b a 6 121 刃型不全位錯(cuò) 位錯(cuò)線垂直于b 右側(cè)是ABCABC packing 左側(cè)是ABCBCA packing 存在層錯(cuò) 邊界就是不全位錯(cuò) 相當(dāng)于左側(cè)的A層原子面沿滑移面到B層位置 形成了位錯(cuò) 可以是刃型 可以是螺型 這種位錯(cuò)可在 111 面上滑移 滑移的結(jié)果使得層錯(cuò)擴(kuò)大和縮小 屬于可動(dòng)位錯(cuò) 但是即使是刃型位錯(cuò) 也不能攀移 因?yàn)槿绻M(jìn)行攀移 就會(huì)離開此層錯(cuò)面 故不可進(jìn)行 圖面是 101 面原子排列 111 面垂直于圖面 96 FCC結(jié)構(gòu)中 存在 弗蘭克 Frank 不全位錯(cuò)固定位錯(cuò) 肖克萊 Shockley 不全位錯(cuò) 弗蘭克 Frank 不全位錯(cuò) b a 3 純?nèi)行筒蝗诲e(cuò) 與抽出型層錯(cuò)相聯(lián)系的為負(fù)弗蘭克不全位錯(cuò) 與插入型層錯(cuò)相聯(lián)系的為正弗蘭克不全位錯(cuò) 這兩種位錯(cuò)的b相同 且都垂直于 111 面 屬于純?nèi)行臀诲e(cuò) 不能在滑移面上進(jìn)行滑移 否則會(huì)離開層錯(cuò)面 故是不滑動(dòng)位錯(cuò)或固定位錯(cuò) 但能通過點(diǎn)缺陷的運(yùn)動(dòng)沿層錯(cuò)面進(jìn)行攀移 實(shí)現(xiàn)層錯(cuò)面的擴(kuò)大和縮小 97 4位錯(cuò)反應(yīng) 位錯(cuò)線之間可以合并或分解 稱為位錯(cuò)反應(yīng) 但需滿足以下條件 a 幾何條件 反應(yīng)前后諸位錯(cuò)的柏氏矢量之和相等 b 能量條件 反應(yīng)后位錯(cuò)的總能量小于反應(yīng)前位錯(cuò)的總能量 98 5擴(kuò)展位錯(cuò)extendeddislocation FCC結(jié)構(gòu)中 能量最低的全位錯(cuò)是處在 111 面上的 是b a 2的單位位錯(cuò) 位錯(cuò)沿著 111 面在A層原子上滑移時(shí) B層原子從O到Q時(shí)需要穿越A層H原子的 能量高峰 此時(shí)路線可改為O R Q OQ OR RQ 第一步當(dāng)B層原子O移到層R位置時(shí) 將在 111 面上導(dǎo)致堆垛順序變化 由ABCABC變成ABCACB 而第二步R原子又回到B層Q位置時(shí) 又恢復(fù)正常堆垛 所以第一步造成了層錯(cuò) 99 所以擴(kuò)展位錯(cuò)通常指一個(gè)全位錯(cuò)分解為兩個(gè)不全位錯(cuò) 中間夾著一個(gè)堆垛層錯(cuò)的整個(gè)位錯(cuò)組態(tài) 就稱為擴(kuò)展位錯(cuò) 幾何條件 能量條件 位錯(cuò)寬度 FCC中的擴(kuò)展位錯(cuò) g為層錯(cuò)能 擴(kuò)展位錯(cuò)的寬度d取決于層錯(cuò)能 晶體的g低 擴(kuò)展位錯(cuò)就寬 g高 擴(kuò)展位錯(cuò)就窄 100 擴(kuò)展位錯(cuò)的交滑移 擴(kuò)展位錯(cuò)的束集 當(dāng)擴(kuò)展位錯(cuò)的局部區(qū)域受到障礙時(shí) 擴(kuò)展位錯(cuò)在外切應(yīng)力的作用下其寬度d就會(huì)變小 甚至重新收縮到原來的全位錯(cuò) 稱為束集 若要進(jìn)行交滑移的話 擴(kuò)展位錯(cuò)要先進(jìn)行束集 變成全位錯(cuò) 然后滑移到另外一個(gè)滑移面上 之后在新滑移面上再分解為擴(kuò)展位錯(cuò) 101 3 3面缺陷Planardefects 界面interface 102 外表面 指固體材料與氣體或液體的分界面 它與摩擦 吸附 腐蝕 催化 光學(xué) 微電子等密切相關(guān) 內(nèi)界面 分為晶粒界面 亞晶界 孿晶界 層錯(cuò) 相界面等 界面interface 通常包含幾個(gè)原子層厚的區(qū)域 其原子排列及化學(xué)成分不同于晶體內(nèi)部 可視為二維結(jié)構(gòu)分布 也稱為晶體的面缺陷 界面對(duì)晶體的物理 化學(xué)和力學(xué)等性能產(chǎn)生重要的影響 包括 外表面內(nèi)界面 103 3 3 1外表面Surface 特點(diǎn) 外表面上的原子部分被其它原子包圍 即相鄰原子數(shù)比晶體內(nèi)部少 表面成分與體內(nèi)不一 表面層原子鍵與晶體內(nèi)部不相等 能量高 表層點(diǎn)陣畸變等 表面能 晶體表面單位面積自由能的增加 可理解為晶體表面產(chǎn)生單位面積新表面所作的功 dW ds表面能與表面原子排列致密度相關(guān) 原子密排的表面具有最小的表面能 表面能與表面曲率相關(guān) 曲率大則表面能大 表面能對(duì)晶體生長(zhǎng) 新相形成有重要作用 104 3 3 2晶界和亞晶界grainboundaryandsub grainboundary 晶界Grainboundary 在多晶粒物質(zhì)中 屬于同一固相但位向不同的晶粒之間的界面稱為晶界 是只有幾個(gè)原子間距寬度 從一個(gè)晶粒向另外一個(gè)晶粒過渡的 且具有一定程度原子錯(cuò)配的區(qū)域 晶粒平均直徑 0 015 0 25mm亞晶粒Sub grain 一個(gè)晶粒中若干個(gè)位向稍有差異的晶粒 平均直徑 0 001mm亞晶界Sub grainboundary 相鄰亞晶粒之間的界面 105 晶界位置的確定 對(duì)二維點(diǎn)陣兩個(gè)晶粒位相差 晶界對(duì)某點(diǎn)陣面的夾角 對(duì)三維點(diǎn)陣兩個(gè)晶粒的位相差 三個(gè)位相角度 x y z 晶界相對(duì)于點(diǎn)陣某一平面的夾角 x y z任意兩個(gè)變量 總共五個(gè)位向角度 106 晶界分類 根據(jù)相鄰晶粒位相差 小角度晶界 Low anglegrainboundary 相鄰晶粒的位相差小于10 亞晶界一般為2 左右 大角度晶界 High anglegrainboundary 相鄰晶粒的位相差大于10 大角度晶界 小角度晶界 107 108 1小角度晶界的結(jié)構(gòu) a 對(duì)稱傾斜晶界 symmetrictiltboundary 晶界兩側(cè)晶體互相傾斜晶界的界面對(duì)于兩個(gè)晶粒是對(duì)稱的其晶界視為一列平行的刃型位錯(cuò)組成 傾側(cè)前 傾側(cè)后 a 對(duì)稱傾斜晶界b 不對(duì)稱傾斜晶界根據(jù)位相差的形式c 扭轉(zhuǎn)晶界 109 位錯(cuò)的間距D 柏氏矢量b和晶粒位相差 之間的關(guān)系 b D 很小時(shí) 對(duì)稱傾斜晶界 110 b 不對(duì)稱傾斜晶界 asymmetrictiltboundary 晶界的界面對(duì)于兩個(gè)晶粒是不對(duì)稱的 可以視為對(duì)稱傾斜晶界的界面繞某一軸轉(zhuǎn)了一角度 晶界的結(jié)構(gòu)可以看成兩組柏氏矢量相互垂直的刃型位錯(cuò)交錯(cuò)排列而成 不對(duì)稱傾斜晶界 111 c 扭轉(zhuǎn)晶界 twistboundary 兩部分晶體繞某一軸在一個(gè)共同的晶面上相對(duì)扭轉(zhuǎn)一個(gè) 角晶界結(jié)構(gòu) 互相垂直的螺型位錯(cuò) 一般情況下 任意的小角度晶界可視為一系列刃型位錯(cuò) 螺型位錯(cuò)或混合位錯(cuò)的網(wǎng)絡(luò)所構(gòu)成 112 多晶材料中晶粒間的晶界通常為大角度晶界大角度晶界比較復(fù)雜 原子排列紊亂 不能用位錯(cuò)模型描述 2大角度晶界的結(jié)構(gòu) 大角度晶界模型 共有 壓縮區(qū) 擴(kuò)張區(qū) 不屬于任一晶粒 純金屬中大角度晶界的寬度不超過3個(gè)原子間距 原子層 113 重合位置點(diǎn)陣模型Coincidencesitelatticemodel 當(dāng)兩個(gè)相鄰晶粒的位相差為某一值時(shí) 若設(shè)想兩晶粒的點(diǎn)陣彼此通過晶界向?qū)Ψ窖由?則其中一些原子將出現(xiàn)有規(guī)律的相互重合 由這些原子重合位置所組成的比原來晶體點(diǎn)陣大的新點(diǎn)陣 稱為重合位置點(diǎn)陣 1 5重合位置點(diǎn)陣 晶界上重合位置越多 即晶界上越多的原子為兩個(gè)晶粒所共有 則原子排列的畸變程度就越小 晶界能也相應(yīng)越低 114 3晶界能量grainboundaryenergy 晶界上原子畸變引起的系統(tǒng)自由能的升高 它等于界面區(qū)單位面積的能量減去無界面時(shí)該區(qū)單位面積的能量 單位 J m2 小角度晶界能量主要來自位錯(cuò)能量 與位相差 有關(guān) 0 A ln 0 Gb 4p 1 u 大角度晶界能量基本為定值 與晶粒之間位相差 無關(guān) 0 25 1 0J m2 115 晶粒的長(zhǎng)大和晶界的平直化能減少晶界面積和晶界能 在適當(dāng)?shù)臏囟认率且粋€(gè)自發(fā)的過程 須原子擴(kuò)散實(shí)現(xiàn)2 晶界處原子排列不規(guī)則 常溫下對(duì)位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)起阻礙作用 宏觀上表現(xiàn)出提高強(qiáng)度和硬度 而高溫下晶界由于起粘滯性 易使晶粒間滑動(dòng) 3 晶界處有較多的缺陷 如空穴 位錯(cuò)等 具有較高的動(dòng)能 原子擴(kuò)散速度比晶內(nèi)高 4 固態(tài)相變時(shí) 由于晶界能量高且原子擴(kuò)散容易 所以新相易在晶界處形核 5 由于成分偏析和內(nèi)吸附現(xiàn)象 晶界容易富集雜質(zhì)原子 晶界熔點(diǎn)低 加熱時(shí)易導(dǎo)致晶界先熔化 過熱6 由于晶界能量較高 原子處于不穩(wěn)定狀態(tài) 以及晶界富集雜質(zhì)原子的緣故 晶界腐蝕比晶內(nèi)腐蝕速率快 4晶界特性 116 3 3 3孿晶界twingrainboundary 孿晶Twins兩個(gè)晶體 或一個(gè)晶體的兩部分 沿一個(gè)公共晶面構(gòu)成鏡面對(duì)稱的位相關(guān)系 這兩個(gè)晶體稱為孿晶 這一公共晶面稱為孿晶面 孿晶界 Twinplane boundary 共格孿晶界Coherenttwinboundary非共格孿晶界Non coherenttwinboundary 界面上的原子為兩個(gè)晶體共有 是無畸變的完全匹配 能量低 穩(wěn)定 常見 表現(xiàn)為一條直線 界面上只有部分原子為兩個(gè)晶體共有 原子錯(cuò)排嚴(yán)重 能量高 共格孿晶界就是孿晶面 117 例如FCC晶格中 111 面的堆垛順序?yàn)锳BCABCABC 當(dāng)某一層開始出現(xiàn)顛倒時(shí) 變成ABCACBACBA 堆垛層錯(cuò) 孿晶的形成與堆垛層錯(cuò)密切相關(guān)根據(jù)孿晶形成原因 有形變孿晶 生長(zhǎng)孿晶和退火孿晶堆垛層錯(cuò)能低的金屬易于產(chǎn)生孿晶 對(duì)稱關(guān)系 118 316L不銹鋼中的退火孿晶 119 3 3 4相界phaseboundary 具有不同結(jié)構(gòu)的兩相之間的分界面稱為 相界 彈性畸變 完美共格 1共格相界 coherentphaseboundary 共格指界面上的原子同時(shí)位于兩相晶格的結(jié)點(diǎn)上 理想完全共格界面畸變小 界面能低 具有彈性畸變的共格相界更具有普遍性 120 2半共格界面 half coherentinterface 界面上的兩相原子部分地保持匹配 這存在于兩相鄰晶體在界面處的晶面間距相差較大的情況 界面上將產(chǎn)生一些位錯(cuò)來降低界面的彈性應(yīng)變能3非共格界面 non coherentinterface 當(dāng)兩相鄰晶體在界面處的晶面間距相差很大時(shí) 這種相界與大角度晶界相似 可看成是由原子不規(guī)則排列的薄過渡層構(gòu)成 121 16Mn低合金鋼SEMF Fe3Cdoublephases 122 思考題 1 解釋以下基本概念肖脫基空位 弗侖克爾空位 刃型位錯(cuò) 螺型位錯(cuò) 柏氏矢量 位錯(cuò)密度 位錯(cuò)的滑移及攀移 弗蘭克 瑞德源 位錯(cuò)反應(yīng) 擴(kuò)展位錯(cuò) 表面能 界面能 重合位置點(diǎn)陣 對(duì)稱傾側(cè)晶界 非共格晶界 2 計(jì)算Fe在850o時(shí) 每立方米體積中的空位數(shù) 已知Fe在850o時(shí)的空位形成能 密度及原子重量分別為1 08eV atom 7 65g cm3 55 85g mol 3 如圖 在晶體的滑移面上有一柏氏矢量為b的位錯(cuò)環(huán) 并受到均勻切應(yīng)力 和s的作用 1 分析該位錯(cuò)環(huán)各段位錯(cuò)的結(jié)構(gòu)類型 2 在 的作用下 該位錯(cuò)環(huán)將如何運(yùn)動(dòng) 3 在s的作用下 位錯(cuò)環(huán)將如何運(yùn)動(dòng) 123 4 面心立方晶體中 在 111 面上的單位位錯(cuò)在 111 面上分解為兩個(gè)肖克萊不全位錯(cuò) 請(qǐng)寫出該位錯(cuò)反應(yīng) 5 判斷下列位錯(cuò)反應(yīng)能否進(jìn)行 若能進(jìn)行 試在晶胞上作出矢量圖 124 6 試分析在 111 面上運(yùn)動(dòng)的柏氏矢量為的螺型位錯(cuò)受阻時(shí) 能否通過交滑移轉(zhuǎn)移到面中的某個(gè)面上繼續(xù)運(yùn)動(dòng) 為什么 7 根據(jù)晶粒的位相差及結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 晶界有哪些類型 有何特點(diǎn)屬性 125 伯氏矢量b 1 物理量 是一個(gè)反映位錯(cuò)周圍點(diǎn)陣畸變總積累的物理量 位錯(cuò)是柏氏矢量不為零的晶體缺陷 矢量方向 表示位錯(cuò)的性質(zhì)與取向 表示位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致晶體滑移的方向 矢量的模 b 表示該位錯(cuò)畸變的程度 或稱位錯(cuò)的強(qiáng)度 也可表示該位錯(cuò)導(dǎo)致的晶體滑移的大小 模的平方 b 2 位錯(cuò)的畸變能與柏氏矢量的模的平方的大小成正比 2 守恒性 柏氏矢量與回路起點(diǎn)及具體途徑無關(guān) 3 唯一性 一根不分叉的位錯(cuò)線具有唯一的柏氏矢量 與位錯(cuò)的類型 形狀 是否運(yùn)動(dòng)無關(guān) 4 矢量計(jì)算 柏氏矢量可分解 求和 滿足矢量運(yùn)算5 位錯(cuò)的連續(xù)性 位錯(cuò)不能中斷于晶體內(nèi)部 但可以形成一個(gè)封閉的位錯(cuò)環(huán) 或連接于晶界 位錯(cuò)結(jié)點(diǎn) 或終于表面 126 判斷位錯(cuò)的正負(fù) 位錯(cuò)線 柏氏矢量 刃型正負(fù) 右手法則直角坐標(biāo) b b 刃型位錯(cuò) 正 負(fù) 127 位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng) 滑移的特點(diǎn) 1 刃型位錯(cuò)滑移的切應(yīng)力方向與位錯(cuò)線垂直 而螺型位錯(cuò)滑移的切應(yīng)力方向與位錯(cuò)線平行 2 無論刃型位錯(cuò)還是螺型位錯(cuò) 位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)方向總是與位錯(cuò)線垂直的 伯氏矢量方向代表晶體的滑移方向 3 刃型位錯(cuò)引起的晶體的滑移方向與位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)方向一致 而螺型位錯(cuò)引起的晶體的滑移方向與位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)方向垂直 4 位錯(cuò)滑移的切應(yīng)力方向與柏氏矢量一致 位錯(cuò)滑移后 滑移面兩側(cè)晶體的相對(duì)位移與柏氏矢量一致 128 位錯(cuò)的攀移 非守恒運(yùn)動(dòng) 刃型位錯(cuò)在垂直于滑移面方向上的運(yùn)動(dòng) 主要是通過原子或空位的擴(kuò)散來實(shí)現(xiàn)的 滑移過程基本不涉及原子的擴(kuò)散 正攀移 多余原子面向上運(yùn)動(dòng) 反之稱為負(fù)攀移 螺型位錯(cuò)不發(fā)生攀移運(yùn)動(dòng) 運(yùn)動(dòng)的位錯(cuò)會(huì)產(chǎn)生交割 刃型位錯(cuò)的割階部分仍為刃型位錯(cuò) 垂直于b 而扭折部分則為螺型位錯(cuò) 平行于b 螺型位錯(cuò)的割階和扭折部分均為刃型位錯(cuò) 因?yàn)槎即怪庇赽扭折與原位錯(cuò)線在同一滑移面上 可隨位錯(cuò)線一道運(yùn)動(dòng) 幾乎不產(chǎn)生阻力 且在線張力的作用下易于消失 割階與原位錯(cuò)不在同一滑移面上 只能通過攀移運(yùn)動(dòng) 所以割階是位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的障礙 割階硬化 129