晶体缺陷(视频)1

第二章晶体缺陷定义:晶体中偏离理想排列的空间区域称晶体缺陷晶体缺陷分类：点缺陷:偏离区域在三个方向上均很小线缺陷:偏离区域在一个方向上很大面缺陷:偏离区域在两个方向上很大金属晶体中的空位与自间隙原子合金中的点缺陷1.溶质原子就是点缺陷2.溶质直径对点阵常数a的影响(1)间隙固溶体：溶质原子直径越大,合金的a越大;(2)置换固溶体：溶质原子直径如大于溶剂直径，使a增大；反之则减小。离子晶体中的点缺陷肖脱基缺陷与弗兰克缺陷禀性点缺陷定义离子晶体中由熵(项)作用而产生的点缺陷。非禀性点缺陷定义离子晶体中通过掺杂而产生的点缺陷。例计算MgO中掺杂0.2%(质量)Li2O的空位浓度。解设总物质量100g,两种物质的摩尔数分别为总离子数约为4.96mol。一个锂离子置换一个镁离子。根据电中性条件，氧空位浓度为：说明:1.35×10-3是极大的数值,热激活无法达到。23LiO0.26.710mol26.916nMgO99.82.48mol24.316n3V,O326.710/21.35104.96NN总点缺陷的热力学分析自由能变化表达式平衡空位浓度考虑振动熵的情形BBvvln!ln!!nNGUTSnukTCNnukTNnneeBvexpnuCNkTexpBvnuANkT位错的基本概念位错线:管状偏离区域的中心线刃位错示意图刃位错特点1.左右对称；2.点阵常数下增上减；3.离中心线越远,偏离理想晶体的程度越小。螺位错螺位错特点:1.尽管点阵常数不变，但原有的键角发生改变;2.离中心线越远，偏离理想晶体的程度越小。柏氏矢量与位错密度柏氏矢量定义描述位错偏离理想晶体的大小与方向的矢量。刃位错柏氏回路刃位错柏氏矢量特点1.垂直位错线;2.与位错线共同决定刃位错滑移面螺位错柏氏回路螺位错柏氏矢量特点1.柏氏矢量平行于位错线;2.因此滑移面不唯一混合位错定义既含刃位错分量也含螺位错分量的位错。位错密度定义单位体积晶体中位错线的总长度称为位错密度。位错密度量纲m/m3=1/m2常见金属位错密度数量级1.退火状态下:109~1010/m22.强烈变形下:1014~1016/m2弹性力学基本知识正应变x方向正应变y方向正应变xoy平面内剪切应变正应力(近似表达式)x方向正应力y方向正应力xoy平面内剪切应力：/xux/yvy//xyvxuyxxEyyExyxyG“属+种差”与位错[应力(场)]应力场的数学含义：以空间坐标为自变量、应力为函数的6个三元函数。刃位错应力场：,,,,,,,,,,,,xxyyzzxyxyyzyzzxzxxyzxyzxyzxyzxyzxyz2222xy22222222zxyxy222321yxyyxyDDxyxyGbDxxyDxy刃位错应力场特点1.适于rr0的弹性变形区2.离位错线越远应力越小3.柏氏矢量越大应力越大4.σx是能量的主要承载者；5.滑移面上切应力τxy更大,刃位错滑移只与τxy有关。xy22223yxyyxy，因为:螺位错应力场：螺位错应力场特点：1.只有另外两个切应力分量，即与刃位错“互补”2.应变能明显小于刃位错2222,22zxyzGbyGbxxyxy位错(线)受力一般公式说明：1.σb的量纲：N/m，因此F的量纲也是N/m2.F⊥l(其中l是单位长度位错线，它是矢量)xxxyyxzzxyxyyyzzxzxyzyzzbbbbbbbbbiFjlk晶体缺陷间应力场的交互作用1.缺陷都伴随应力场；外应力也构成应力场2.同类的场分量间会交互作用，异类没有作用3.只有当作用力大于抵抗力时，缺陷才会运动柯氏气团间隙原子偏聚到刃位错下方形成柯氏气团;间隙原子因此对刃位错起钉扎作用。刃位错滑移特点1.中心原子的微小移动使刃位错移动a2.只有中心原子移动3.移动所需外力很小4.移动方向⊥位错线刃位错滑移立体图螺位错滑移特点1.中心原子的微小移动使刃位错移动a2.只有中心原子移动；3.移动所需外力很小4.原子移动方向平行于位错线螺位错滑移立体图刃位错的攀移正攀移特点1.本质是超额空位向位错线运动(负攀移可忽略)2.需要在高温下进行3.除非极大的外应力，正攀移都源于扩散作用位错线张力与位错应变能表面张力(表面能)概念1.表面内使单位长度表面收缩的力(N/m)2.表面张力的另一种表述为表面能,即单位面积表面原子相对于内部原子的能量升高(J/m2)位错线张力定义T(量纲：N)位错线内部使位错线长度收缩的力位错应变能定义(量纲：J/m)单位长度位错线相对于理想晶体的能量升高2TGbFcc中的位错单位位错：柏氏矢量长度等于最小阵点距离分位错：柏氏矢量的长度小于最小阵点距离位错分解(或合成)条件1.几何条件：反应中柏氏矢量满足矢量加法规则2.能量条件：反应前位错总能量大于反应后例面心立方中单位位错分解反应。解几何条件：能量条件：101112211266aaa2262/1.51236aa2Fcc单位位错立体图复习:1111111.1011212.1011213.101101；Fcc单位刃位错的论证1.1012.1012/23.101,21011214.101101aab在钢球图中的位置两层的厚度是刃位错柏氏矢量为垂直于抽掉两层能使广大区域的面堆垛顺序保持ABABFcc位错分解立体图复习:1.1122111011112.101112211266aaa、、都在之中；Fcc中的层错与层错能层错概念正常堆垛顺序由于位错分解带来的改变称为层错。例面心立方(111)层错。解正常堆垛顺序ABCABC…，由于局部A→B，因此ABCABC…→ABCBCABC…层错能概念fcc中层错改变了次近邻排列，因此能量增加(但不多)，增加的能量称为层错能，量纲J/m2。层错宽度公式122GdbbFcc中层错产生的立体图Fcc中的弗兰克位错L-C位错组界面固体界面分类1表面：固-气界面2晶界：晶体结构相同但取向不同的区域间的界面3相界：不同固相之间的界面单晶体定义：结构和位向完全一致的晶体，单晶体各向异性。单晶体表面能公式单晶体表面能差异{111}、{100}、{110}表面能相对值分别为：1、1.15、1.22224AAAAvvffZZnZZeen多晶体定义由晶体结构相同但位向不同的大量小晶体(称晶粒)构成的晶体,晶粒间为晶界;多晶体各向同性纳米晶定义：如果晶粒尺寸在1~100nm之间，称为纳米晶。晶粒取向差：不同晶粒中的[100]之间的角度差晶界自由度：2个晶面自由度+3个位向自由度=5个自由度晶界的分类1.大角度晶界：晶粒间的位向差较大。2.小角度晶界：晶粒间的位向差小于约10°对称倾转晶界的刃位错间距扭转晶界示意图2sin/2bbD大角度晶界示意图大角度晶界新理论背景:能量最低理论在界面相中的应用,手段是有序化1重合位置点阵例简单立方[100]。旋转28.1°,重合度为:1/Σ=1/172晶界位错用位错构造晶界,满足两侧的角度差。金属Cu的各类界面能相界面1.共格界面理想共格界面：两侧原子一一对应，且无应变。非理想共格界面两侧原子一一对应，但存在应变能。2.半共格界面错配度δ大于一定值的相界面，/aaa3.非共格界面完全没有匹配关系的相界称为非共格相界。相界面能数值理想共格界面：约0.02J/m2非理想共格界面：约0.05~0.2J/m2半共格界面：约0.2~0.5J/m2非共格界面：约0.5~0.6J/m2界面的平衡偏析以Fe-C多晶体为例基体为α-Fe多晶体,C原子溶入八面体间隙使得基体膨胀。当C原子偏析到晶界上,系统总能量(主要是应变能)降低，系统更加稳定。平衡偏析公式：0expBCECkT第二章1.第1.能1.第1.能1.第1.能1.第1.能1.第1.能1.第1.能1.第1.能1.第1.能