第五章-线面和体缺陷

1第5章线、面和体缺陷2内容提要一、线缺陷位错理论的产生，位错的基本慨念，位错类型，位错线的运动，离子和共价晶体中的位错，位错对材料性质的影响。二、面缺陷晶体中的自由表面、晶界、晶界扩散、其他面缺陷三、体缺陷四、金属中的强化机制3教学目的及要求掌握晶体缺陷的类型、各类缺陷的结构特征、性质及其对材料性能的影响。4位错理论产生的背景位错概念最初是在研究晶体滑移变形行为时提出来的。变形现象：滑移变形、宏观塑性变形。难题：塑性变形的微观过程是怎样的？晶体实际强度与理论强度存在巨大差异的原因？第1节引言56789人们设想在晶体中会存在某些缺陷，这些缺陷可以使形变过程在局部地方发生、扩展，而不需要2个晶面作整体的相对刚性滑动。如果是这样，就有可能降低晶体滑移所需要的切应力。为了符合塑性形变的特点，这些缺陷至少必需满足如下3个条件：由这种缺陷运动而引起的滑移要符合滑移的基本特征这种缺陷是易动的，按这种设想所估计的临界分切应力应和实测值相近，同时它不象点缺陷那样容易受热激活所影响。能说明这些缺陷的来源和增殖。位错概念的提出101934年G.L.Taylor、M.Polanyi和E.Orowan三人几乎同时分别提出了位错的模型。他们认为在晶体中可能存在着一种缺陷，称为位错(Dislocation)。这一假设成功地解释了晶体理论切变强度与实际强度值之间的不可思议的差值。11线、面、体缺陷的存在范围共价晶体离子晶体金属聚合物材料12第2节线缺陷、滑移和塑性变形一、形变单晶的切变强度单晶体承受外力发生塑性变形时的几种现象：塑性变形是切应力引发的塑性变形是各向异性的(即在各个方向是不等同的)发生在高密度面和密排方向上需要临界切应力C13临界切应力求解分切应力τC的大小为：14分切应力τCR的计算公式为试棒的拉伸应力。coscos称为取向因子，或称施密特(Schmid)因子，取向因子越大，则分切应力越大。当作用在某滑移系上的分切应力大于临界分切应力时，该滑移系即开始滑移。15Schmid因子最大的条件当φ=45º时(也为45º)，取向因子有最大值1/2，此时可得到最大分切应力。当φ=90º或0º时s＝∞，晶体不能沿滑移面密排滑移方向上产生滑移变形。16171819硬取向及几何硬化软取向及几何软化几个基本概念20二、晶体中的滑移及刃型位错1.刃型位错模型1934年英国物理和气象学家GeoffreyTaylor爵士提出的位错模型21晶体在生长过程中产生位在晶体生长过程中，由于温度梯度、浓度梯度、机械振动等的影响，使生长着的晶体偏转或弯曲，引起相邻晶块之间有位相差，形成位错；或由于相邻晶粒发生碰撞或因液流冲击，以及冷却时体积变化的热应力等原因会使晶体表面产生台阶或受力变形而形成位错。局部应力集中和塑性变形形成位错晶体内部的某些界面(如第二相质点、孪晶界、晶界等)和微裂纹附近往往存在应力集中，当此应力高至足以便该局部区域发生滑移时，就在该区域产生位错。晶体在形变过程中产生应力集中也会在局部区域形成位错。2.刃型位错的形成机制22塑性变形形成刃型位错的机制晶体生长过程中的刃型位错形成机制233.位错运动机制位错滑移运动24位错运动导致的效应：晶体上下两部分之间永久错开一个原子单位，产生塑性变形，在晶体表面留下一个滑移台阶。所需要的切应力很小，远小于理论值。254.描述位错的几何量晶体学方向位移矢量(由位错运动引起的原子位移的方向和大小)用柏氏(Burgers)矢量进行描述b柏氏矢量b：用于描述位错区原子的畸变特征，包括畸变的位置和畸变的程度。26描述因位错滑移运动而导致的原子位移量的方法：用环绕位错作通过无缺陷材料的回路(柏格斯回路)来获得。27问题：同一个刃型位错，观察位错的方向不同，得到的柏氏矢量不同。解决办法：定义位错的单位切线矢量t刃型位错的柏氏矢量b垂直于位错线(由t描述)刃型位错的滑移面同时包含b和t(由bt获得)28柏氏矢量的物理意义柏氏矢量既表示位错的性质，又表示了位错区域点阵畸变总量的大小和方向。柏氏矢量表示位错滑移后，晶体上、下部分产生相对位移的方向和大小，即滑移矢量。295.刃型位错的性质在刃型位错周围的原子不同程度地偏离了平衡位置，致使周围点阵发生了弹性畸变。对正刃型位错而言，晶面上部原子显得拥挤，受到压应力，而晶面下部原子显得稀疏，受到拉应力。30位错周围点阵畸变是对称的，位错中心的畸变度最大，随着与中心距离的增加，畸变程度逐渐减小。一般把点阵畸变程度大于正常原子间距1/4的区域宽度定义为位错宽度，其值约为2~5个原子间距。位错线长度有数百个到数万个原子间距，与位错长度相比，位错宽度显得非常小，所以把位错看作是线缺陷。5.刃型位错的性质31位错线是晶体中已滑移区域和未滑移区域的边界线，因此不可能中断于晶体内部，它们或者中止于表面，或者中止于晶界和相界，或者与其他位错线相交，或者自行在晶体内形成一个封闭环。(据此可以检测位错的存在)位错滑移矢量b垂有于位错线，而滑移面是位错线和滑移矢量b所构成的位移平面。刃型位错线的形状可以是直线、折线或曲线。5.刃型位错的性质32333435三、其它类型的位错361.螺型位错及其构建模型37螺型位错具有以下特征螺型位错是原子错排呈轴线对称的一种线缺陷螺型位错的位错线(t)与滑移矢量(b)相平行，因此，其位错线只能是直线。螺型位错线的移动方向与晶体滑移方向、应力矢量相垂直。螺位错无额外半原子面，原子错排是呈轴对称的根据位错线附近呈螺旋形排列的原子的旋转方向不同，螺型位错可分为右旋和左旋螺型位错。38纯螺型位错的滑移面不是唯一的，凡是包含螺型位错线的平面都可以作为它的滑移面；但实际上，滑移通常皂在那些原子密排面上进行。螺型位错线周围的点阵发生了弹性畸变，但是，只有平行于位错线的切应变而无正应生，即不会引起体积膨张和收缩，且在垂直于位错线的平面投影上，看不到原子的位移，看不出有缺陷。螺型位错周围的点阵畸变随离位错线距离的增加而急剧减少，故它也是包含几个原子宽度的线缺陷。39螺型位错柏氏矢量的确定方法402.混合位错实际的位错线通常是混合型的，其位错线与滑移矢量既不垂直又不平行，这种位错称之为混合位错413.位错环及其形成424.位错的关键特征根据柏氏矢量b与位错线之间的关系可以确定位错的类型43位错可以在包含b和t的面(滑移面)上滑动，运动的结果都是在位错线滑动过的区域之中，造成了上下两半晶体整体相对位移过一个b的距离。4.位错的关键特征44柏氏矢量是固定的。一个位错的特征可以各点不同，但柏氏矢量永远是一样的。一个位错不能终止在晶体无缺陷区域的中部，它可以终止在晶体表面、在它自身或是其他位错上。4.位错的关键特征45实际晶体中柏氏矢量的表示法465.位错运动方式滑移攀移条件高浓度的空位高温正应力攀移的特点：通过空位迁移和原子扩散来实现，必然引起晶体体积的变化，称之为非保守运动或非守恒运动。47四、在金属晶体中的滑移面和滑移方向晶体的低温塑性变形方式：位错滑移、孪生晶体的高温塑性变形方式：位错攀移、晶界滑动刃型位错的运动方式：滑移、攀移螺型位错的运动方式：滑移、交滑移48为什么滑移发生在密排面的密排方向上？位错滑移所需的临界分切应力RC源于晶体固有的点阵摩擦阻力。提供最低阻力的面必须是在原子尺度最光滑的面，即那些最高原子密度的面是光滑的面。49从能量上讲，位错引起的系统内能的升高与柏氏矢量b的平方成正比，E|b|2。在晶体内柏氏矢量是连接等同点阵位置的最短距离，即晶体的最密排方向。为什么滑移发生在密排面的密排方向上？501.FCC晶体结构中的滑移面和滑移方向51FCC滑移系滑移方向110，滑移面一般为{111}FCC结构共有四个不同的{111}晶面，每个滑移面有3个110晶向，故共有4×3=12个滑移系。522.BCC晶体的滑移系53bcc滑移系滑移方向为111，可能出现的滑移面有{110}、{112}、{123}如果三组滑移面都能启动，则潜在的滑移系数目为：543.HCP晶体结构55hcp滑移系滑移方向1120，滑移面(0001)、棱柱面{1010}、棱锥面{1011}，滑移系统与c/a的比值有关。当滑移面为(0001)时，晶体中滑移面只有一个，此面上有三个1120晶向，故滑移系数目为1×3=3个。当滑移面为{1010}时，晶体中滑移面共有3个，每个滑移面上一个1120晶向，故滑移系数目为3×1=3个。当滑移面为斜面{1011}时，此时滑移面共有6个，每个滑移面上一个1120，故滑移系数目为6×1=6个。由于hcp金属滑移系数目较少，塑性通常都不高56一般来讲，纯金属的塑性取决于其滑移系的数目、这些滑移面是否相交以及其面密度。FCC结构有12个独立并且彼此相交的滑移系，滑移面都是密排面，所以，具有这种结构的材料一般呈现塑性行为。BCC材料在高温也是呈现良好塑性，但是在某些情况下，会出现低温的低塑性。HCP金属的滑移复杂得多。5758五、离子、共价和聚合物晶体内的位错1.离子晶体由于局部电中性的要求，使离子固体中位错概念变复杂。保持电中性的措施：在晶体学等同位置间最短矢量不是离子接触方向滑移面(即最高密度面)不是密排面有效滑移系的数目有限5960离子晶体具有较大的柏氏矢量b的图形解释61在离子晶体中，一般而言，无论是滑移面还是滑移方向都不一定是密排的，结果位错在离子晶体中运动的阻力比金属晶体的要高。同类离子相接触的可能性进一步限制了离子晶体的滑移数目。所以，这些因素都会降低位错在离子晶体中的可动性，导致脆性断裂的倾向。62632.共价晶体在共价晶体中也存在位错。在共价晶体中，低的配位数导致它的原子堆垛因子较低，也导致它的直线和面密度较低，这使得它的柏氏矢量比较长，位错移动的固有点阵阻力值高。位错移动时必须破断高的共价键能，从而使得它具有高的强度。在Si和Ge中的位错对晶体的电学和晶体长大特性有重要影响。6465六、位错对材料性能的影响力学性能扩散电学光学晶体生长66七、位错的观察(补充知识)1.蚀坑法67682.电镜法69锗晶体中位错的电子显微镜图象70第3节面缺陷面缺陷:原子偏离理想状态的区域在二维方向上都较大，而在第三维方向上很小的晶体缺陷。包括晶界、相界、外表面、层错、孪晶面等等。表面与界面的理论是非常重要的基础理论之一，而且具有广泛的应用价值。71气相(或真空)与凝聚相之间的分界面称为表面(surface)凝聚相与凝聚相之间的分界面称为界面(inteface)72一、晶体中的自由表面材料表面在材料的服役和制备过程中起着举足轻重的作用，如催化、腐蚀、磨损、吸附等现象只发生在表面上；光－电、声－电、压－电转换现象都与表面密不可分；此外，表面在晶体生长中起着决定性的作用。731.理想表面理想表面是一种理论结构完整的二维点阵平面。忽略了晶体内部的周期势场中断的影响忽略表面原子的热运动以及出现的缺陷和扩散现象忽略外界环境的作用742.实际晶体的表面结构特征表面重构严格意义上的理想表面是不存在的。形成晶体表面时悬空键的存在，使得理想表面处于高能的不稳定状态。为了降低表面自由能，表面原子的位置必然发生变化。这种变化的结果，使得在平行于表面的平面内，表面原子的平移对称性与理想表面显著不同，这种表面结构的变化称为表面重构(surfacereconstruction)。7576表面驰豫晶体的三维周期性在表面处中断，表面上原子的配位情况发生了变化，并且表面原子附近的电荷分布也有改变，使表面原子所在的力场与体内原子不同。因此，表面上的原子会发生相对正常位置的上或下的位移，以降低体系的能量。表面原子的这种位移称为表面驰豫(surfacerelaxation)。2.实际晶体的表面结构特征77表面台阶结构2.实际晶体的表面结构特征78吸附表面与体相原子不同，固体表面的原子有一部分键被切断，