《材料科学基础》课件之第四章----04晶体缺陷

第四章晶体缺陷4.1点缺陷4.2位错4.3晶体中的界面2晶体缺陷：实际晶体中与理想的点阵结构发生偏差的区域；不影响晶体结构的基本特性，少数原子排列特征发生改变，周期性势场畸变。点缺陷：0维，空位、间隙原子异类原子线缺陷：一维，位错面缺陷：二维，晶界、相界、表面34.1点缺陷1.大的置换原子；2.Schottky空位；3.异类间隙原子；4.复合空位；5.Frenkel空位；6.小的置换原子一、类型空位、间隙质点、杂质质点41.Schottky空位：原子移至表界面或者进入其他空位（离子晶体要保持电荷平衡）52.间隙原子：原子挤入结点的间隙。3.Frenkel缺陷：间隙原子与相应的空位统称。64.杂质缺陷：亦称为组成缺陷，是由外加杂质的引入所产生的缺陷。形成间隙和置换（取决于大小）尺寸、电负性差异引起点阵畸变，内能升高75.离子晶体缺陷8热振动的原子，一定温度下原子热振动能量一定，呈统计分布，在瞬间一些能量大的原子克服周围原子对它的束缚，迁移至别处，形成空位。空位形成能（ΔEV）为形成一个空位所需能量。空位形成引起点阵畸变，亦会割断键力，故空位形成需能量。热力学稳定：在一定温度下，晶体中有一定平衡数量的空位和间隙原子，其数量可近似算出。C与T呈指数关系，温度升高，空位浓度增大空位形成能ΔEV大，空位浓度小二、空位形成热力学9平衡点缺陷:原子热振动平均动能E=3/2KT,当能量大于激活能，则原子脱离原位置，形成缺陷。某温度下能量存在最小值，即缺陷平衡值。点缺陷引起点阵畸变，体系内能增大点缺陷使混乱度增大，熵增大，系统能量下降（振动熵和排列熵）二者的综合效应。)/exp()/exp()/exp(kTEAkTEkSNnCVVV10过饱和点缺陷：缺陷数目远大于平衡值。淬火空位(不能运动至界面)辐照（高能粒子使原子离位，部分回归）冷加工11三、点缺陷在外力作用下的运动点缺陷的产生与复合始终处于动态平衡，缺陷的相互作用与运动是材料动力学过程的物理基础。无外场作用时，缺陷的迁移运动完全无序。在外场（可以是力场、电场、浓度场等）作用下，缺陷可以定向迁移。传输过程（离子导电、传质等）高温动力学过程（扩散、烧结、表面化学处理，均匀化，退火正火，时效硬化，表面氧化与烧结）12力学性能：形成空位片与位错等作用，提高强度，脆性增大。物理性能：电子传导时散射增多，电阻增大。密度减小，体积增大。四、点缺陷与材料性能134.2位错一、理想晶粒的滑移晶体塑性变形时，产生滑移，出现滑移台阶。ττ14理想晶体的理论切变强度滑移临界切应力m，是整个滑移面的原子从一个平衡位置移动到另一个平衡位置时克服能垒所需要的切应力。所施加的力必须足以使原子间的键断裂，才能产生滑移，压力大小约为G/30F实际晶体的滑移临界切应力远小于理论值？？？----位错15位错：指在一维方向上偏离理想晶体中的周期性、规则性排列所产生的缺陷，即缺陷尺寸在一维方向较长，另外二维方向上很短。TEM下的位错线16二、位错模型1.刃型位错晶体在大于屈服值的切应力作用下，以某晶面为滑移面发生滑移。晶体已滑移部分和未滑移部分的交线，犹如砍入晶体的一把刀的刀刃，即刃位错（或棱位错）。17几何特征：位错线与原子滑移方向相垂直；滑移面上部位错线周围原子受压应力作用，原子间距小于正常晶格间距；滑移面下部位错线周围原子受张应力作用，原子间距大于正常晶格间距。（）（）分类：正刃位错，“”；负刃位错，“T”。符号中水平线代表滑移面，垂直线代表半个原子面。18位错是滑移区和未滑移区的边界，不一定是直线，滑移方向垂直于位错线，滑移面是位错线和滑移矢量所构成的唯一平面。晶体形成过程中各种因素形成原子错排。（空位片，局部滑移）晶体内部的半原子面破坏对称性处于高能量状态，不稳定不可能中断于晶体内部（表面露头，终止与晶界和相界，与其他位错相交，位错环）半原子面及周围区域统称为位错192.螺位错晶体在大于屈服值的切应力作用下，以某晶面为滑移面发生滑移。由于位错线周围的一组原子面形成了一个连续的螺旋形坡面，故称为螺位错。几何特征：位错线与原子滑移方向相平行；位错线周围原子的配置是螺旋状的。分类：有左、右旋之分，它们之间符合左手、右手螺旋定则。203.混合型位错在晶体内部已滑移和未滑移部分的交线既不垂直也不平行滑移方向。位错线上任意一点，经矢量分解后，可分解为刃位错和螺位错分量。21三、Burgers矢量表示位错区域原子畸变特征（晶向和大小）的物理量b反映了滑移区与未滑移区的边界，产生相对移动的大小和方向，即滑移矢量。22刃位错b与位错线垂直任意一根位错线上各点b相同，同一位错只有一个b。][uvwnab222wvunab有大小的晶向指数表示模正负blbl右旋bb螺位错b与位错线平行左旋23Burgers矢量合成与分解：如果几条位错线在晶体内部相交（交点称为节点），则指向节点的各位错的伯氏矢量之和，必然等于离开节点的各位错的伯氏矢量之和。231213outinbbbbbOIIIIII1b2b3b1b2b3b24四、位错密度体密度：ρ=S/V,单位体积内位错线总长度（m/m3）面密度：ρ=n/A,单位面积内位错线总根数（1/m2）超纯金属：109-1010m/m3晶须：10m/cm325五、位错的运动位错只有在切应力的作用下进行滑移。位错的滑移：指位错在外力作用下，在滑移面上的运动，结果导致永久形变。位错的攀移：指在热缺陷的作用下，刃位错在垂直滑移的方向运动，结果导致空位或间隙原子的增值或减少。261.位错的滑移位错在滑移时是通过位错线或位错附近的原子逐个移动很小的距离完成的27刃位错的运动28螺位错的运动29混合位错的运动30位错的滑移特点刃位错滑移方向与外力及伯氏矢量b平行；螺位错滑移方向与外力及伯氏矢量b垂直；混合位错滑移方向与外力及伯氏矢量b成一定角度（即沿位错线法线方向滑移）；晶体的滑移方向与外力及位错的伯氏矢量b相一致，但并不一定与位错的滑移方向相同312.位错滑移作用力把各种力简化为沿位错运动方向的力。切应力对位错做功：dw=τ(dsdl)b=Fds单位长度位错受力：Fd=τb垂直于位错线，指向位错运动方向。代替切应力。32（a）正攀移（半原子面缩短）(b)未攀移（c）负攀移（半原子面伸长）3.位错的攀移333.位错的攀移正攀移（半原子面缩短）未攀移负攀移（半原子面伸长）34攀移的实质：通过原子扩散实现半原子面的向上（正）向下（负）移动，多余半原子面的伸长或缩短，位错线随之运动，运动方向垂直于b。螺位错没有多余半原子面，故无攀移运动。由于原子是逐个加入，所以位错线在攀移过程中存在很多割阶。只有在高温下才可能发生:蠕变、回复、单晶拉制攀移作用力bFd35六、位错应变能位错原子偏移正常位置，产生畸变应力，处于高能量状态，但偏移量很小，晶格为弹性应变。位错心部应变较大，超出弹性范围，但这部分能量所占比例较小，10%，可以近似忽略。36假设：1.完全服从虎克定律，即不存在塑性变形2.各向同性3.连续介质，不存在结构间隙E1.理论基础：连续弹性介质模型21VU21VU单位体积弹性能：372.螺位错应变能取微元环r，厚度dr，总的剪切应变大小为b，均匀分布在整个周长上各点切应变：切应力：rb2rGb221VUrbrGbdu2221微元环：rdrLrbrGbdU22221101022221rrrrsrdrLrbrGbdUU012ln4rrGbUs单位长度螺位错：383.刃位错应变能012ln)1(4rrGbUE2aGbU简写为：a=0.5(//)~1.0(┴)高位错能储存在晶体内，驱动位错反应，与其他缺陷作用39七、位错线张力2aGbT位错具有应变能，具有自我降低的趋势，使位错线自动缩短至直线的趋势。类似于在位错线两端施加了线张力。线张力T（N）和位错能U(Jm-1)在数值上相等，表现形式不同。单根位错趋于直线保持最短长度。多根位错结点处线张力平衡，呈空间网络状。弯曲时一定有力的作用。40弯曲位错一定受到外力的作用，并且外力与线张力平衡2sin2dTbdsRGbRaGb2与曲率成反比41八、位错应力场及交互作用1.位错应力场螺位错：纯剪切、应变径向对称、且与到中心距离成反比0zyx)(2)(2022z22zyxxGbyxyGbyxxy位错存在应力场，使其他缺陷运动，产生交互作用，降低系统能量。能量：体系稳定程度和变化趋势力：体系变化途径和变化过程42刃位错：插入半原子面，位错上方，原子间距变小，产生压应变，下方原子间距变大，拉应变。过渡处切应变，滑移面处有最大切应力，正应力为0。xyo22222)()3()1(2yxyxyGbx22222)()()1(2yxyxyGby)(zyx22222)()()1(2yxyxxGbxy0zyzx432.位错与点缺陷溶质大原子，周围原子受压，溶质小原子，周围原子受拉。存在应力，与位错交互作用。与刃位错作用明显。大原子聚集在刃位错下方，小原子在上方，溶质原子和位错对周围原子的应力场互相抵消，能量降低。符合热力学条件。溶质原子中间隙原子（C、N）尺寸小，扩散能力强，交互作用明显。符合动力学条件。溶质原子与位错交互作用，在位错周围偏聚的现象，成为气团（Cottrell气团等），钉扎位错。交互作用使系统能量降低，位错稳定性升高，不易开动，抗塑性变性能力提高。443.位错交互作用rbGbFd221螺位错：同号位错相互排斥，异号位错相互吸引，互毁。刃位错：平行于滑移面与螺位错一致，垂直滑移面时相反位错墙：同号位错在垂直于滑移面的方向上排列，上下位错拉、压应力场重叠部分抵消，降低系统能量，形成稳定排列方式。45九、位错反应—合成与分解由于位错间相互作用力的存在，使得位错之间有可能发生相互转化或相互作用，以使能量降低，此即位错反应。后前bb22后前bb几何条件：三维方向矢量和相同能量条件：能量降低，反应的驱动力1.反应条件462.实际晶体b全位错：b等于点阵矢量的位错fcc:a/2110;bcc:a/2111;hcp:a/31120不全位错：b小于点阵矢量的位错，从一个原子到某结点fcc:a/6112,a/3111bcc:a/3111,a/8110hcp:c/20001473.面心立方晶体全位错分解滑移面{111}上的a/2110可以分解为两个a/6112分位错a/2[110]a/6[121]+a/6[211]a/6112分位错在面心立方晶体塑性变形中有重要作用，称为：Schockly分位错48]121[61:]112[61:]101[21:21bbbABCABCABC……全位错滑移ABCACCABC……不全位错滑移堆垛层错C49扩展位错平衡宽度d:层错能和位错对斥力综合作用221bGbdunslippedunfaultedslipped(faulted)zones]121[61]112[61IIIIII1b2b扩展位错：一对不全位错以及中间层错之和。504.3晶体中的界面面缺陷又称为二维缺陷，是指在二维方向上偏离理想晶体中的周期性、规则性排列而产生的缺陷，即缺陷尺寸在二维方向上延伸，在第三维方向上很小。如晶界、相界、堆垛层错、表面等。51多晶体中空间取向或位向不同的相邻晶粒之间的界面。1.晶界小角度晶界：位相差10。由位错协调，密度∽位相差。对称倾斜晶界：两侧晶粒相对于晶界对称倾斜一小角度。刃位错扭转晶界：晶体一部分垂直于某晶向方向旋转一小角度。螺位错52最简单的小角度晶界是对称倾斜晶界，这种晶界的结构是由一系列平行等距离排列的同号刃位错所构成。位错间距离D、伯氏