晶体缺陷线缺陷精选PPT.ppt
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1、关于晶体缺陷线缺陷第1页,讲稿共65张,创作于星期二复习:点复习:点 缺缺 陷陷一、点缺陷的类型一、点缺陷的类型-空位和间隙原子空位和间隙原子空位空位晶体结构中原来应该有原子的某些结点上因某种原因出现了晶体结构中原来应该有原子的某些结点上因某种原因出现了原子空缺而形成。原子空缺而形成。肖特基空位肖特基空位脱位原子进入其它空位或逐渐迁移至晶面脱位原子进入其它空位或逐渐迁移至晶面或界面。肖特基空位仅形成空位。或界面。肖特基空位仅形成空位。弗兰克空位弗兰克空位脱位原子挤入节点的间隙,同时形成间隙原子脱位原子挤入节点的间隙,同时形成间隙原子从而产生间隙原子从而产生间隙原子-空位对。空位对。间隙原子间隙
2、原子晶体结构中间隙处因某种原因存在的同种原子。晶体结构中间隙处因某种原因存在的同种原子。第2页,讲稿共65张,创作于星期二一般晶体中的肖脱基和弗兰克空位一般晶体中的肖脱基和弗兰克空位肖肖脱脱基基空空位位弗兰克弗兰克空位空位间隙原子间隙原子一般晶体(如金属晶体)中,肖特基空位比弗兰克空位多得多。一般晶体(如金属晶体)中,肖特基空位比弗兰克空位多得多。一、点缺陷的类型一、点缺陷的类型-空位和间隙原子空位和间隙原子第3页,讲稿共65张,创作于星期二离子晶体中的肖特基和弗兰克空位离子晶体中的肖特基和弗兰克空位肖肖特特基基空空位位弗兰克弗兰克空位空位一、点缺陷的类型一、点缺陷的类型-空位和间隙原子空位和
3、间隙原子对于离子晶体,当正负离子尺寸差异对于离子晶体,当正负离子尺寸差异较大、结构配位数较低时,小离子易较大、结构配位数较低时,小离子易于移入相邻的间隙而产生弗兰克空位;于移入相邻的间隙而产生弗兰克空位;而若离子尺寸相差较小、配位数较高、而若离子尺寸相差较小、配位数较高、排列较密集时,则易于形成肖特基空排列较密集时,则易于形成肖特基空位。位。第4页,讲稿共65张,创作于星期二一、点缺陷的类型一、点缺陷的类型-外来原子外来原子异类原子进入到晶体中而形成。根据其与基体原子尺寸的差异,异类原子进入到晶体中而形成。根据其与基体原子尺寸的差异,既可进入间隙位置,又可置换晶格的某些结点。既可进入间隙位置,
4、又可置换晶格的某些结点。异类原子在晶体中的存在情况异类原子在晶体中的存在情况第5页,讲稿共65张,创作于星期二 二、二、点缺陷的产生点缺陷的产生1 1、平衡点缺陷及其浓度、平衡点缺陷及其浓度点缺陷的产生一方面使晶体的内能升高,另一方面却使体系的混点缺陷的产生一方面使晶体的内能升高,另一方面却使体系的混乱度增加,使熵值增加。乱度增加,使熵值增加。设设N N为晶体的原子总数,为晶体的原子总数,n n为晶为晶体中的点缺陷数,体中的点缺陷数,为该类型为该类型缺陷的形成能。则点缺陷数缺陷的形成能。则点缺陷数形成后其自由能的变化为:形成后其自由能的变化为:A=UTS=nTSA=UTS=nTS由此不难得出其
5、由此不难得出其A-nA-n关系曲线。关系曲线。第6页,讲稿共65张,创作于星期二 C Ce e=n=ne e/N=A exp(-/kT)/N=A exp(-/kT)二、二、点缺陷的产生点缺陷的产生其中:其中:C Ce e-某类型点缺陷的平衡浓度;某类型点缺陷的平衡浓度;NN晶体的原子总数;晶体的原子总数;A-A-材料常数,其值常取材料常数,其值常取1 1;T-T-体系所处的热力学温度;体系所处的热力学温度;k-k-玻尔兹满常数,玻尔兹满常数,k k值为值为8.62108.6210-5-5ev/Kev/K。-该类型缺陷的形成能。该类型缺陷的形成能。1 1、平衡点缺陷及其浓度、平衡点缺陷及其浓度第
6、7页,讲稿共65张,创作于星期二 二、二、点缺陷的产生点缺陷的产生1 1、平衡点缺陷及其浓度、平衡点缺陷及其浓度在一定温度下并非所有的原子都能离开平衡位置形成缺陷,只有比在一定温度下并非所有的原子都能离开平衡位置形成缺陷,只有比原子的平均能量高出缺陷形成能原子的平均能量高出缺陷形成能的那部分原子才能形成点缺陷。的那部分原子才能形成点缺陷。点缺陷在晶体中必然会存在。在一定的温度条件下,晶体中存在点缺陷在晶体中必然会存在。在一定的温度条件下,晶体中存在一定浓度的点缺陷以使其处于最低的能量状态,使结构最稳定。一定浓度的点缺陷以使其处于最低的能量状态,使结构最稳定。温度升高,则晶体中原子的热运动加剧,
7、点缺陷浓度增大。温度升高,则晶体中原子的热运动加剧,点缺陷浓度增大。第8页,讲稿共65张,创作于星期二2 2、过饱和点缺陷、过饱和点缺陷 二、二、点缺陷的产生点缺陷的产生(2 2)过饱和点缺陷可过饱和点缺陷可通过高温淬火、辐照、通过高温淬火、辐照、冷加工等产生。冷加工等产生。(1 1)指晶体中点缺陷的指晶体中点缺陷的数目明显超过其平衡值、数目明显超过其平衡值、处于过饱和状态。处于过饱和状态。3 3、点缺陷与材料的行为、点缺陷与材料的行为(1 1)点缺陷的存在及其运动是晶体中点缺陷的存在及其运动是晶体中扩散得以实现的根本原因;扩散得以实现的根本原因;(2 2)点缺陷导致材料物理和力学性点缺陷导致
8、材料物理和力学性能的改变。能的改变。材料在使用过程中点缺材料在使用过程中点缺陷的浓度的变化可使材料的性能发陷的浓度的变化可使材料的性能发生相应改变,从而对其使用产生影生相应改变,从而对其使用产生影响。响。第9页,讲稿共65张,创作于星期二第二节第二节 位错的基本概念位错的基本概念人们最初认为晶体是通过刚性滑移而产人们最初认为晶体是通过刚性滑移而产生塑性变形的。生塑性变形的。一、位错概念的引入一、位错概念的引入晶晶体体的的这这种种滑滑动动方方式式需需同同时时破破坏坏滑滑移移面面上上所有原子键。所有原子键。理论计算所需临界切应力理论计算所需临界切应力:m m=G/30=G/301 1、理想晶体的刚
9、性滑移模型理想晶体的刚性滑移模型第10页,讲稿共65张,创作于星期二实实际际上上使使晶晶体体产产生生滑滑移移所所需需的的临临界界切切应应力力只只为为理理论论值值的的百百分分之之一一到万分之一。到万分之一。实实际际晶晶体体的的内内部部一一定定存存在在着着某某中中缺缺陷陷 -位位错错,晶晶体体的的滑滑移移正正是是借借助助于于其其内内部部位位错错的的运运动动来来实实现现,从从而而使使材材料料在在远远低低于于其其理理论论屈屈服服强强度度时就产生滑移。时就产生滑移。位位错错是是晶晶体体中中存存在在的的原原子子面面的的错错排排,即即晶晶体体中中存存在在的的不不完完全全的的原原子子面面,是是一种线缺陷。一种
10、线缺陷。一、位错概念的引入一、位错概念的引入2 2、实际晶体中存在位错的假设实际晶体中存在位错的假设第11页,讲稿共65张,创作于星期二赫希(Hirsch)等应用相衬法在TEM中直接观察到了晶体中的位错。(Ni,Fe)Al金属间化合物中亚晶界处位错的TEM 第12页,讲稿共65张,创作于星期二3 3、实际晶体中的位错滑移模型实际晶体中的位错滑移模型 晶体的滑移借助于晶晶体的滑移借助于晶体中存在的一半原子面体中存在的一半原子面而产生的位错的运动来而产生的位错的运动来完成。晶体滑移的任一完成。晶体滑移的任一瞬间仅需破坏一个原子瞬间仅需破坏一个原子键。计算所需切应力与键。计算所需切应力与实际值相符,
11、晶体中存实际值相符,晶体中存在位错的假设成立!在位错的假设成立!一、位错概念的引入一、位错概念的引入第13页,讲稿共65张,创作于星期二二、位错的基本类型二、位错的基本类型 刃型位错刃型位错刃型位错的原子模型刃型位错的原子模型晶体中原子面的错排晶体中原子面的错排-半原子半原子面的出现而形成,有正、负位错面的出现而形成,有正、负位错之分。之分。称半原子面的边缘线称半原子面的边缘线EFEF为位错线。为位错线。半原子面的存在在晶体中产生畸变,半原子面的存在在晶体中产生畸变,畸变区为以半原子面的边缘线畸变区为以半原子面的边缘线EFEF为中为中心的线型区域。心的线型区域。第14页,讲稿共65张,创作于星
12、期二刃型位错的位错线垂直于滑移方刃型位错的位错线垂直于滑移方向!向!位错线不能终止于晶体内部,只能在晶体表面露头、终止于晶界或相界、与位错线不能终止于晶体内部,只能在晶体表面露头、终止于晶界或相界、与其它位错线相交、自行形成封闭的环!其它位错线相交、自行形成封闭的环!P26P26几种形状的位错线几种形状的位错线1-351-35位错线是未滑移区与已滑移区的位错线是未滑移区与已滑移区的边界!边界!晶体的局部滑移形成刃型位错示意图晶体的局部滑移形成刃型位错示意图第15页,讲稿共65张,创作于星期二二、位错的基本类型二、位错的基本类型 螺型位错螺型位错螺型位错有左右之分!螺型位错有左右之分!螺型位错的
13、位错线与滑移螺型位错的位错线与滑移方向平行!方向平行!BCBC左边晶体上下完全吻合,左边晶体上下完全吻合,而而aaaa右边晶体在右边晶体在作用下上作用下上下正好滑移一个晶格常数,下正好滑移一个晶格常数,过渡区晶体滑移小于一个晶过渡区晶体滑移小于一个晶格常数而产生畸变。格常数而产生畸变。BCBC为位为位错线!错线!位错线是未滑移区与已滑移区的边界!位错线不能终止于晶体内部,只能在晶体表面露头、位错线是未滑移区与已滑移区的边界!位错线不能终止于晶体内部,只能在晶体表面露头、终止于晶界或相界、与其它位错线相交、自行形成封闭的环!终止于晶界或相界、与其它位错线相交、自行形成封闭的环!第16页,讲稿共6
14、5张,创作于星期二二、位错的基本类型二、位错的基本类型 混合位错混合位错混合位错的位错线与混合位错的位错线与滑移方向既不垂直也滑移方向既不垂直也不平行!不平行!混合位错可看出是刃混合位错可看出是刃型为位错和螺型位错型为位错和螺型位错的组合或叠加!可分的组合或叠加!可分解成刃型位错和螺型解成刃型位错和螺型位错两部分!位错两部分!位错线位错线位错线位错线第17页,讲稿共65张,创作于星期二第18页,讲稿共65张,创作于星期二三、位错的柏氏矢量三、位错的柏氏矢量用来反映位错点阵畸变特征的物理参量。用来反映位错点阵畸变特征的物理参量。(2 2)引入柏氏矢量后,可以使)引入柏氏矢量后,可以使对位错的描述
15、大大简化。对位错的描述大大简化。(1 1)柏氏矢量)柏氏矢量 表示可以很容易表示可以很容易地表征出位错产生的畸变的方向地表征出位错产生的畸变的方向和大小。和大小。(3 3)柏氏矢量可通过在位错线周围和理想晶体中以)柏氏矢量可通过在位错线周围和理想晶体中以相同的方法和路径作柏氏回路而求得。相同的方法和路径作柏氏回路而求得。位错的能量,应力场,位错受力等,都与位错的能量,应力场,位错受力等,都与b b有关。有关。第19页,讲稿共65张,创作于星期二柏氏矢量的确定方法柏氏矢量的确定方法刃型位错柏氏矢量的确定方法刃型位错柏氏矢量的确定方法第20页,讲稿共65张,创作于星期二螺位错的确定方法p29图1-
16、40第21页,讲稿共65张,创作于星期二柏氏矢量的意义柏氏矢量的意义位错的柏氏矢量描述了位错线上原子的畸变特征,畸变发生的方向和大小(位错的畸变位错的柏氏矢量描述了位错线上原子的畸变特征,畸变发生的方向和大小(位错的畸变能与柏氏矢量的平方成正比)。能与柏氏矢量的平方成正比)。柏氏矢量给出了位错滑移后晶体上、下部产生相对位移的方向和大小柏氏矢量给出了位错滑移后晶体上、下部产生相对位移的方向和大小 -滑滑移矢量。移矢量。对于任意位错,不管其形状如何,只要知道了它的柏氏矢量,就可得知晶体对于任意位错,不管其形状如何,只要知道了它的柏氏矢量,就可得知晶体滑移的大小和方向。滑移的大小和方向。任何一根位错
17、,位错线上各点的柏氏矢量都相同。即任何一根位错,位错线上各点的柏氏矢量都相同。即对一条位错线而言,其柏氏矢对一条位错线而言,其柏氏矢量是固定不变的,此即位错的柏氏矢量的守恒性。量是固定不变的,此即位错的柏氏矢量的守恒性。第22页,讲稿共65张,创作于星期二 刃型位错的柏氏矢量与位错线垂直!刃型位错的柏氏矢量与位错线垂直!螺型位错的柏氏矢量与位错线平螺型位错的柏氏矢量与位错线平行!行!混合位错的柏氏矢量与其位混合位错的柏氏矢量与其位错线既不平行也不垂直而呈一错线既不平行也不垂直而呈一定角度!定角度!柏氏矢量的意义柏氏矢量的意义混合位错可分解成刃混合位错可分解成刃型分量和螺型分量。型分量和螺型分量
18、。第23页,讲稿共65张,创作于星期二柏氏矢量的表示方法柏氏矢量的表示方法位错的柏氏矢量的表示方法与晶向指数相似。用晶向指数表示位错的柏氏矢量的表示方法与晶向指数相似。用晶向指数表示柏氏矢量的方向,利用其模表示柏氏矢量的大小。柏氏矢量的方向,利用其模表示柏氏矢量的大小。立方晶体立方晶体柏氏矢量为:柏氏矢量为:其大小为:其大小为:第24页,讲稿共65张,创作于星期二四四 位错的运动位错的运动o位错的滑移:指位错在外力作用下,在滑移位错的滑移: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。面上的运动,结果导致永久形变。o位错的攀移:指在热缺陷的作用下,位错在位错的攀移:指在热缺陷的作用下
19、,位错在垂直滑移方向的运动,结果导致空位或间隙垂直滑移方向的运动,结果导致空位或间隙原子的增值或减少。原子的增值或减少。第25页,讲稿共65张,创作于星期二 位位错错滑滑移移的的滑滑移移面面为为位位错错线线与与柏柏氏氏矢矢量量所所决决定定的的平平面面,对对刃刃型型位位错错而而言言是是唯唯一一的,而对螺型位错来说却不是唯一的。的,而对螺型位错来说却不是唯一的。1 1、位错的滑移位错的滑移指位错在切应力的作用下,当切应力达到某一临界值时,沿着一定的晶面指位错在切应力的作用下,当切应力达到某一临界值时,沿着一定的晶面-滑移面、在一定的方向滑移面、在一定的方向-滑移方向上进行的移动。滑移方向上进行的移
20、动。位错滑移时其位错线实际运动方向为位错线的法线方向,位错通过位错滑移时其位错线实际运动方向为位错线的法线方向,位错通过 后晶体所产生的滑移方向与柏氏矢量方向相同。后晶体所产生的滑移方向与柏氏矢量方向相同。不论刃位错或螺位错,使位错滑移的切应力方向与位错的柏氏矢不论刃位错或螺位错,使位错滑移的切应力方向与位错的柏氏矢 量方向一致。量方向一致。位错的滑移必须在某一滑移面上切应力达到某一临界值后才能发生。位错的滑移必须在某一滑移面上切应力达到某一临界值后才能发生。第26页,讲稿共65张,创作于星期二(1)刃型位错运动方向、切应力方向及晶体滑移方向的关系)刃型位错运动方向、切应力方向及晶体滑移方向的
21、关系1 1、位错的滑移位错的滑移第27页,讲稿共65张,创作于星期二(2)螺型位错运动方向、切应力方向及晶体滑移方向的关系)螺型位错运动方向、切应力方向及晶体滑移方向的关系1 1、位错的滑移位错的滑移第28页,讲稿共65张,创作于星期二问题问题1刃型位错滑移后圆形标记如何变化?刃型位错滑移后圆形标记如何变化?原原始始标标记记刃型刃型滑移滑移后!后!第29页,讲稿共65张,创作于星期二问题问题2螺型位错滑移后圆形标记如何变化?螺型位错滑移后圆形标记如何变化?原原始始标标记记螺型螺型滑移滑移后!后!第30页,讲稿共65张,创作于星期二问题问题3:位错环怎样滑移?位错环怎样滑移?混合位错,混合位错,
22、位错环所在平面平行于柏氏矢量,可滑位错环所在平面平行于柏氏矢量,可滑移移!位错环沿法线方向向外扩展至晶体外消失位错环沿法线方向向外扩展至晶体外消失或向内收缩湮灭。或向内收缩湮灭。位错环滑移消失晶体产位错环滑移消失晶体产生滑移台阶。生滑移台阶。晶体的滑移方向与柏氏晶体的滑移方向与柏氏矢量方向一致。矢量方向一致。第31页,讲稿共65张,创作于星期二问题问题4:位错环怎样滑移?位错环怎样滑移?位错环所在平面垂直与柏氏矢量,该位错位错环所在平面垂直与柏氏矢量,该位错环不能滑移。环不能滑移。此时位错环只能进行攀移。此时位错环只能进行攀移。柏氏矢量与位错线垂直,刃型位错。柏氏矢量与位错线垂直,刃型位错。第
23、32页,讲稿共65张,创作于星期二刃位错的运动刃位错的运动螺位错的运动螺位错的运动混合位错混合位错的运动的运动第33页,讲稿共65张,创作于星期二位错的滑移特点总结位错的滑移特点总结第34页,讲稿共65张,创作于星期二2 2、位错的攀移位错的攀移(1 1)位错的攀移存在正攀移(原子离开半原子面)位错的攀移存在正攀移(原子离开半原子面)和负攀移两种情况。和负攀移两种情况。指刃位错的位错线沿着其半原子面的上下运动。指刃位错的位错线沿着其半原子面的上下运动。(2 2)位错的攀移受应力和温度的影响。位错的攀移受应力和温度的影响。(3 3)只有刃型位错才能进行攀移,螺型位错只有刃型位错才能进行攀移,螺型
24、位错不能攀移。不能攀移。(4 4)位错的攀移比滑移困难得多,因此位位错的攀移比滑移困难得多,因此位错的主要运动形式为滑移。错的主要运动形式为滑移。(5 5)位错攀移时常常形成许多割阶。位错攀移时常常形成许多割阶。第35页,讲稿共65张,创作于星期二图图 刃位错攀移示意图刃位错攀移示意图(a a)正攀移(半原子)正攀移(半原子面缩短)面缩短)(b)(b)未攀移未攀移(c c)负攀移(半)负攀移(半原子面伸长)原子面伸长)常温下位错靠热激活来攀移是很困难的。但是,在许多高温过程如蠕变、回复、常温下位错靠热激活来攀移是很困难的。但是,在许多高温过程如蠕变、回复、单晶拉制中,攀移却起着重要作用。位错攀
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