第3章晶体缺陷PPT讲稿.ppt
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1、第3章晶体缺陷第1页,共100页,编辑于2022年,星期二晶体中的界面晶体中的界面位错的基本概念位错的基本概念位错的能量与交互作用位错的能量与交互作用点缺陷点缺陷概述概述第第3章章 晶体缺陷晶体缺陷第2页,共100页,编辑于2022年,星期二引言:引言:在介绍晶体结构时,为了说明晶体的周期性和方向性,把晶体在介绍晶体结构时,为了说明晶体的周期性和方向性,把晶体处理为完全理想状态,实际上晶体中存在着偏离理想的结构,处理为完全理想状态,实际上晶体中存在着偏离理想的结构,晶体缺晶体缺陷就是指实际晶体中与理想的点阵结构发生偏差的区域。陷就是指实际晶体中与理想的点阵结构发生偏差的区域。这些区这些区域的存
2、在,并不影响晶体结构的基本特性,仅是晶体中少数原子的排域的存在,并不影响晶体结构的基本特性,仅是晶体中少数原子的排列特征发生了改变。列特征发生了改变。缺陷分类缺陷分类 (1 1)点缺陷(零维缺陷):空位、间隙原子、杂质等)点缺陷(零维缺陷):空位、间隙原子、杂质等 (2 2)线缺陷(一维缺陷):位错等)线缺陷(一维缺陷):位错等 (3 3)面缺陷(二维缺陷):晶界、表面、相界、层错)面缺陷(二维缺陷):晶界、表面、相界、层错 (4 4)体缺陷(三维缺陷):沉淀相、孔洞、亚结构等)体缺陷(三维缺陷):沉淀相、孔洞、亚结构等第3页,共100页,编辑于2022年,星期二概概 述述晶晶体体缺缺陷陷点缺
3、陷点缺陷线缺陷线缺陷:位错位错面缺陷面缺陷空位空位间隙原子与杂质原子间隙原子与杂质原子刃型刃型:螺型螺型:混合型混合型:界面界面表面表面堆垛层错堆垛层错晶界晶界亚晶界亚晶界孪晶界孪晶界相界相界第4页,共100页,编辑于2022年,星期二3 31 11 1 点缺陷的类型点缺陷的类型图图3.1 晶体中的各种点缺陷晶体中的各种点缺陷1-大的置换原子;大的置换原子;2-肖脱基空位;肖脱基空位;3-异类间隙原子;异类间隙原子;4-复合空位;复合空位;5弗兰克尔空位;弗兰克尔空位;6-小的置换原子小的置换原子3 31 1 点缺陷点缺陷5第5页,共100页,编辑于2022年,星期二 晶格正常结点位置出现空位
4、后,其周围原子由于失去了一个近晶格正常结点位置出现空位后,其周围原子由于失去了一个近邻原子而使相互间的作用力失去平衡,因此它们会朝空位方向作邻原子而使相互间的作用力失去平衡,因此它们会朝空位方向作一定程度的弛豫,并使空位周围出现一个波及一定范围的弹性畸一定程度的弛豫,并使空位周围出现一个波及一定范围的弹性畸变区。空位形成除引起点阵畸变外,亦会割断键力,故空位形成变区。空位形成除引起点阵畸变外,亦会割断键力,故空位形成需能量,空位形成能(需能量,空位形成能(EV)为形成一个空位所需能量。)为形成一个空位所需能量。第6页,共100页,编辑于2022年,星期二图图3.2 空位的移动空位的移动 原原子
5、子作作热热振振动动,一一定定温温度度下下原原子子热热振振动动能能量量一一定定,呈呈统统计计分分布布,在在瞬瞬间间一一些些能能量量大大的的原原子子克克服服周周围围原原子子对对它它的的束束缚缚,迁迁移至别处,形成空位。移至别处,形成空位。7第7页,共100页,编辑于2022年,星期二3 31 12 2 点缺陷的平衡浓度点缺陷的平衡浓度 热热力力学学分分析析表表明明:在在高高于于0K0K的的任任何何温温度度下下,晶晶体体最最稳稳定定的的状状态态是是含含有有一一定定浓浓度度点点缺缺陷陷的的状状态态。在在某某一一温温度度下下,晶晶体体自自由由焓焓最最低低时时对对应应的点缺陷浓度为的点缺陷浓度为点缺陷的平
6、衡浓度点缺陷的平衡浓度,用,用C CV V表示。表示。在在一一定定温温度度下下,晶晶体体中中有有一一定定平平衡衡数数量量的的空空位位和和间间隙隙原原子子,其数量可近似算出。其数量可近似算出。设自由能设自由能 F=UF=UTSTS U U为内能,为内能,S S为系统熵(包括为系统熵(包括振动熵振动熵S Sf f和和排列熵排列熵S SC C)空空位位的的引引入入,一一方方面面由由于于弹弹性性畸畸变变使使晶晶体体内内能能增增加加;另另一一方方面面又又使晶体中混乱度增加,使熵增加。而熵的变化包括两部分:使晶体中混乱度增加,使熵增加。而熵的变化包括两部分:空位改变它周围原子的振动引起振动熵空位改变它周围
7、原子的振动引起振动熵S Sf;空空位位在在晶晶体体点点阵阵中中的的排排列列可可有有许许多多不不同同的的几几何何组组态态,使使排排列列熵熵S SC C增加。增加。第8页,共100页,编辑于2022年,星期二 设设在在温温度度T T时时,含含有有N N个个结结点点的的晶晶体体中中形形成成n n个个空空位位,与与无无空空位位晶晶体体相比相比 F=n F=nEEV V-T-TSS S=S S=SC C+n+nSSfn n个空位引入,可能的原子排列方式个空位引入,可能的原子排列方式利用玻尔兹曼关系,利用玻尔兹曼关系,化简可得:化简可得:当当N N和和n n很大时,可用斯特令近似公式很大时,可用斯特令近似
8、公式将上式改写为将上式改写为第9页,共100页,编辑于2022年,星期二平衡时,自由能最小,即而已知第10页,共100页,编辑于2022年,星期二令:令:式中式中A=exp(Sf/k),由振动熵决定,约为,由振动熵决定,约为110。上式表示的是空位平衡浓度和空位形成能以及温度之间的关系,由于上式表示的是空位平衡浓度和空位形成能以及温度之间的关系,由于间隙原子的形成能较大,在相同温度下,间隙原子浓度比空位浓度小的多,间隙原子的形成能较大,在相同温度下,间隙原子浓度比空位浓度小的多,通常可以忽略不计,所以一般情况下,金属晶体的点缺陷主要是指空位。通常可以忽略不计,所以一般情况下,金属晶体的点缺陷主
9、要是指空位。第11页,共100页,编辑于2022年,星期二 若已知若已知E EV V和和SSf,则可由上式计算出任一温度,则可由上式计算出任一温度T T下的浓度下的浓度C.C.由上式可得:由上式可得:1 1)晶体中空位在热力学上是稳定的,一定温度)晶体中空位在热力学上是稳定的,一定温度T T对应一平衡浓度对应一平衡浓度C C 2 2)C C与与T T呈指数关系,温度升高,空位浓度增大呈指数关系,温度升高,空位浓度增大 3 3)空位形成能)空位形成能E EV V大,空位浓度小大,空位浓度小例如:已知铜中例如:已知铜中E EV V=1.4410=1.4410-19-19J/atomJ/atom,A
10、 A取为取为1 1,则,则 T100K300K500K700K900K1000KCV10-5710-1910-1110-8.110-6.310-5.7第12页,共100页,编辑于2022年,星期二 例题例题 CuCu晶体的空位形成能晶体的空位形成能E Ev v为为0.9ev/atom0.9ev/atom,或,或1.44101.44101919 J/atomJ/atom,材料常数,材料常数A A取作取作1 1,玻尔兹曼常数,玻尔兹曼常数k k1.3810 1.3810 2323J/KJ/K,计算:,计算:1 1)在)在500500下,每立方米下,每立方米CuCu中的空位数目。中的空位数目。2 2
11、)500500下的平衡空位浓度。下的平衡空位浓度。解:首先确定解:首先确定1m1m3 3体积内体积内CuCu原子的总数(已知原子的总数(已知CuCu的摩尔质量为的摩尔质量为M MCuCu63.54g/mol63.54g/mol,500500下下CuCu的密度的密度CuCu8.96 108.96 106 6 g/m g/m3 3 第13页,共100页,编辑于2022年,星期二1 1)将)将N N代入空位平衡浓度公式,计算空位数目代入空位平衡浓度公式,计算空位数目n nv v 2 2)计算空位浓度)计算空位浓度 即在即在500500时,每时,每10106 6个原子中才有个原子中才有1.41.4个空
12、位。个空位。第14页,共100页,编辑于2022年,星期二 空位在晶体中的分布是一个动态平衡,其不断地与周围原子交换位置,空位在晶体中的分布是一个动态平衡,其不断地与周围原子交换位置,使空位移动所必需的能量,叫空位移动能使空位移动所必需的能量,叫空位移动能E Emm。图。图3-33-3所示为空位移动所示为空位移动 。图图3.3 空位的移动空位的移动313 点缺陷的运动和作用点缺陷的运动和作用 在点缺陷运动中,当间隙原子与一个空位相遇时,将落入该空在点缺陷运动中,当间隙原子与一个空位相遇时,将落入该空位,使两者都消失,称为位,使两者都消失,称为复合复合。15第15页,共100页,编辑于2022年
13、,星期二 点缺陷运动的作用在于点缺陷运动的作用在于:由于空位和间隙原子不:由于空位和间隙原子不断的产生与复合,使得晶体中的原子不停地向别处作断的产生与复合,使得晶体中的原子不停地向别处作不规则地布朗运动,这就是晶体的自扩散,是固态相不规则地布朗运动,这就是晶体的自扩散,是固态相变、表面化学热处理、蠕变、烧结等过程的基础。变、表面化学热处理、蠕变、烧结等过程的基础。第16页,共100页,编辑于2022年,星期二3 31 14 4 过饱和点缺陷过饱和点缺陷 给给定定温温度度下下,晶晶体体中中存存在在一一平平衡衡的的点点缺缺陷陷浓浓度度,通通过过一些方法,晶体中的点缺陷浓度超过平衡浓度。一些方法,晶
14、体中的点缺陷浓度超过平衡浓度。1)高高温温淬淬火火把把空空位位保保留留到到室室温温:加加热热后后,使使缺缺陷陷浓浓度度较较高,然后快速冷却,使点缺陷来不及复合过程。高,然后快速冷却,使点缺陷来不及复合过程。2)辐辐照照:高高能能粒粒子子辐辐照照晶晶体体,形形成成数数量量相相等等的的空空位位和和间间隙隙原原子子(原子不断离位而产生)。(原子不断离位而产生)。3)塑性变形:位错滑移并交割后留下大量的点缺陷。)塑性变形:位错滑移并交割后留下大量的点缺陷。另另外外,点点缺缺陷陷还还会会聚聚集集成成空空位位片片,过过多多的的空空位位片片造造成成材材料区域崩塌而破坏,形成孔洞。料区域崩塌而破坏,形成孔洞。
15、第17页,共100页,编辑于2022年,星期二3 31 15 5 点缺陷对晶体性质的影响点缺陷对晶体性质的影响 1对电阻的影响 空位引起点阵畸变,使传导电子受到散射,产生附加电阻2对力学性能的影响 在一般情形下,点缺陷对金属力学性能的影响较小,它只是通过和位错交互作用,阻碍位错运动而使晶体强化。但在高能粒子辐照的情形下,由于形成大量的点缺陷和挤塞子(间隙原子),会引起晶体显著硬化和脆化。3对比容的影响 在一般情形下,点缺陷主要影响晶体的物理性质,如比容、比热容、电阻率等 第18页,共100页,编辑于2022年,星期二3 31 16 6 点缺陷小结点缺陷小结1、点缺陷是热力学稳定的缺陷。点缺陷是
16、热力学稳定的缺陷。2 2、不同金属点缺陷形成能不同。、不同金属点缺陷形成能不同。3 3、点缺陷浓度与点缺陷形成能、温度密切相关、点缺陷浓度与点缺陷形成能、温度密切相关4 4、点缺陷对金属的物理及力学性能有明显影响、点缺陷对金属的物理及力学性能有明显影响5 5、点缺陷对材料的高温蠕变、沉淀、回复、表面氧化、烧结有重、点缺陷对材料的高温蠕变、沉淀、回复、表面氧化、烧结有重要影响要影响19第19页,共100页,编辑于2022年,星期二3.2 位错的基本概念位错的基本概念3.2.1位错概念的引入位错概念的引入 1926年年 Frank计算了理论剪切强度,与实际剪切计算了理论剪切强度,与实际剪切 强度相
17、比,相差强度相比,相差个数量级,当时无法解释,个数量级,当时无法解释,此矛盾持续了很长时间此矛盾持续了很长时间。下页下页后退后退第20页,共100页,编辑于2022年,星期二图图3.4 原子层相对位移时势能和作用力的变化原子层相对位移时势能和作用力的变化第21页,共100页,编辑于2022年,星期二第22页,共100页,编辑于2022年,星期二1947年年Cottrell发表了溶质原子与位错间交互作用发表了溶质原子与位错间交互作用 的研究报告的研究报告。1950年年Frank and Reed同时提出了位错萌生机制。同时提出了位错萌生机制。1957年公布了世界上第一张位错照片。年公布了世界上第
18、一张位错照片。今天,位错理论已经成为塑性变形及强化的理论基础今天,位错理论已经成为塑性变形及强化的理论基础 1939年年 Burgers提出柏氏矢量提出柏氏矢量b以表征位错的特征,以表征位错的特征,阐述了位错弹性应力场理论。阐述了位错弹性应力场理论。下页下页后退后退1934年年 Taylor在晶体中引入位错概念,将位错与在晶体中引入位错概念,将位错与 晶体结构、晶体的滑移联系起来解释了这种差异晶体结构、晶体的滑移联系起来解释了这种差异。第23页,共100页,编辑于2022年,星期二3.2.23.2.2位错类型位错类型位错类型位错类型 刃型位错:刃型位错:螺型位错:螺型位错:混合型位错:混合型位
19、错:刃型位错原子模型刃型位错原子模型刃型位错的局部滑移刃型位错的局部滑移晶体的局部滑移晶体的局部滑移螺型位错的原子组态螺型位错的原子组态晶体的局部滑移晶体的局部滑移混合型位错的原子组态混合型位错的原子组态下页下页后退后退第24页,共100页,编辑于2022年,星期二刃型位错的原子模型第25页,共100页,编辑于2022年,星期二位错线:晶体中已滑移区与未滑移区的边 位错宽度,25个原子间距 位错是一管道 额外(多余)半原子面 滑移矢量 滑移面 刃位错不一定是直线,可为纯刃型位错环 刃位错基本点如下:第26页,共100页,编辑于2022年,星期二刃型位错特征:1)刃型位错有一额外半原子面 2)位
20、错线不一定是直线,可以是折线或曲线,但刃型位错线必与滑移矢量垂直,且滑移面是位错线和滑移矢量所构成的唯一平面。3)位错周围的点阵发生弹性畸变,既有正应变,又有切应变 位错是一管道 第27页,共100页,编辑于2022年,星期二3.2.3.3.2.3.螺型位错螺型位错 图为螺型位错形成模型第28页,共100页,编辑于2022年,星期二螺型位错螺型位错-特征:1)螺型位错无额外半原子面,原子错排呈轴对称 2)螺型位错与滑移矢量平行,故一定是直线 3)包含螺位错的面必然包含滑移矢量,故螺位错可以有无穷个滑移面,但实际上滑移通常是在原子密排面上进行,故有限 4)螺位错周围的点阵也发生了弹性畸变,但只有
21、平行于位错线的切应变,无正应变(在垂直于位错线的平面投影上,看不出缺陷)5)位错线的移动方向与晶块滑移方向互相垂直29第29页,共100页,编辑于2022年,星期二3.2.4.混合位错混合位错位错线上任一点的滑移矢量相同,但两者方向夹角呈任意角度,图为混合位错的产生第30页,共100页,编辑于2022年,星期二第31页,共100页,编辑于2022年,星期二3 33 3 柏氏矢量柏氏矢量 柏氏矢量是描述位错性质的一个重要物理量,1939年Burgers提出,故称该矢量为“柏格斯矢量”或“柏氏矢量”,用b表示1 1柏氏矢量的确定(方法与步骤)柏氏矢量的确定(方法与步骤)1)人为假定位错线方向,一般
22、是从纸背向纸面或由上向下为位错线正向 2)用右手螺旋法则来确定柏格斯回路的旋转方向,使位错线的正向与右螺旋的正向一致 3)将含有位错的实际晶体和理想的完整晶体相比较 在实际晶体中作一柏氏回路,在完整晶体中按其相同的路线和步伐作回路,自路线终点向起点的矢量,即“柏氏矢量”。第32页,共100页,编辑于2022年,星期二如右图为刃型位错的柏氏回路与柏氏矢量 第33页,共100页,编辑于2022年,星期二图为螺型位错的柏氏回路和柏氏矢量34第34页,共100页,编辑于2022年,星期二2 2柏氏矢量柏氏矢量b b的物理意义的物理意义1)表征位错线的性质据b与位错线的取向关系可确定位错线性质,2)b表
23、征了总畸变的积累 围绕一根位错线的柏氏回路任意扩大或移动,回路中包含的点阵畸变量的总累和不变,因而由这种畸变总量所确定的柏氏矢量也不改变。3)b表征了位错强度 同一晶体中b大的位错具有严重的点阵畸变,能量高且不稳定。位错的许多性质,如位错的能量,应力场,位错受力等,都与b有关。第35页,共100页,编辑于2022年,星期二3柏氏矢量特征 1)柏氏矢量与回路起点选择无关,也与柏氏回路的具体路径,大小无关 2)几根位错相遇于一点,其方向朝着节点的各位错线的柏氏矢量 b之和等于离开节点之和。如有几根位错线的方向均指向或离开节点,则这些位错线的柏氏矢量之和值为零 第36页,共100页,编辑于2022年
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