晶体缺陷与固态相变课件.ppt
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1、晶体缺陷与固态相变主讲:崔占全 教授导入案例 金属的理论剪切强度约为(G为切变模量),而实际金属的剪切强度要比这个理论值低34个数量级,即相差几千到几万倍。例如:-Fe的理论切应力为10960 MN/m2,而实际切应力仅为2.75 MN/m2。这是什么原因?这涉及到晶体缺陷问题。Now What Do You See?VacancyInterstitial第一篇 晶体缺陷 概述一、理想晶体1、金属晶体为连续介质;2、将原子、分子、离子、原子群、分子群看成固定不动的小球;3、每一个结点均完整性、规则性被一个原子占据。经过高度抽象及数学计算后,我们才有7种晶系14种晶格类型、230种空间群32种点
2、群。1.占据结点位置的原子并不是静止不动的,而是以一定平衡位置为中心做热振动;2.原子并不完全占据晶格结点位置,晶体中原子排列存在着许多的不规则性及不完整性。即为晶体缺陷。晶体缺陷对晶体的性能,特别是对那些结构敏感的性能,如屈服强度、断裂强度、塑性、电阻率、磁导率等都有很大的影响。另外,晶体缺陷还与扩散、相变、塑性变形、再结晶、氧化、烧结等着有密切关系。二、实际晶体三、晶体缺陷:2、缺陷种类:根据晶体缺陷的几何特征,可以将缺陷分为三类;a)点缺陷:其特征是在三维空间的各个方向上尺寸都很小,尺 寸范围约为一个或几个原子尺度,故称为零维缺陷,包括空位、间隙原子、杂质或溶质原子;b)线缺陷,其特征是
3、在两个方向上尺寸很小,另外一个方向上延伸较长,也称为一维缺陷,如各类位错;c)面缺陷,其特征是在一个方向上尺寸很小,另外两个方向上扩展很大,也称为二维缺陷。晶界、相界、孪晶界和堆垛层错等都属于面缺陷。在晶体中,这三类缺陷经常共存,它们相互联系,相互制约,在一定条件下还能互相转化,从而对晶体性能产生复杂的影响。1、定义:晶体中原子排列的不规则性及不完整性称为晶体缺陷3、导致晶体缺陷产生的原因 (1)结晶时的生长条件 (2)原子在晶体内部的热振动 (3)加工过程 (4)辐射4、虽然晶体中存在缺陷,但从总体来看,其结构仍保持着规律性;缺陷不是静止的、稳定不变的,是随外界条件而变化的。1、由右图可得随
4、着缺陷数目的增加,金属的强度下降。原因是缺陷破坏了原子间结合力,从宏观上看,即随缺陷数目增加,强度下降。2、随着缺陷数目的增加,金属的强度增加。原因是位错交割缠结,使位错运动的阻力增加,强度增加。由此可见,强化金属的方向有两个:一是制备无缺陷的理想晶体,其强度最高,但实际上很难;另一种是制备缺陷数目多的晶体,例如:纳米晶体,非晶态晶体等。四、研究晶体缺陷的实际意义四、研究晶体缺陷的实际意义 按理想晶体计算金属的理论金属强度与实际金属强度相差3-4个数量级,例如:-Fe理论切应力为10960MN/m2,而 实 际 切 应 力 为2.75MN/m2;Cu的理论切应力为6480MN/m2,实际为0.
5、490MN/m2这是为什么?人们研究发现实际金属中是存在各种缺陷的。第一章 点缺陷一、点缺陷的基本概念1、定义:缺陷尺寸在三维方向上都很小且与原子尺寸相当的缺陷,称为点缺陷。2、点缺陷的类型:点阵空位、间隙原子、异类原子(基本类型);空位对、空位团、空位-溶质原子对等(复杂缺陷)二、点缺陷介绍:一)点阵空位1.空位的定义:在晶体中点阵结点并不是完全被原子占据,当点阵结点不被原子占据,这时就出现空结点,点阵中出现空结点的空位。2.空位产生的条件:热运动3.空位模型a)Schottky缺陷:跑掉的原子迁移到晶体表面。b)Frenkel缺陷:跑掉的原子迁移到晶格间隙。离开平衡位置的原子的三个去处:迁
6、移到晶体表面(或内表面)的正常结点位置;迁移到晶格的间隙中;迁移到其它空位处。Schottky defectFrenkel defect对于弗伦克尔缺陷,间隙原子和空格点是成对产生,晶体的体积不发生改变;而肖特基缺陷使晶体体积增加。4.空位浓度 F=U-TS 式中,U为内能,S为总熵值,T为绝对温度。点阵畸变使晶体内能提高点阵畸变使晶体内能提高降低了晶体的热力学稳定性降低了晶体的热力学稳定性矛盾晶体中的点缺陷在一定温度晶体中的点缺陷在一定温度下有一定的下有一定的平衡浓度平衡浓度 原子排列混乱程度增加,使原子排列混乱程度增加,使晶体熵值增大,增加了晶体晶体熵值增大,增加了晶体的热力学稳定性的热力
7、学稳定性在某一温度下热缺陷的数目可以用热力学中自由能的最小原理来进行计算。在某一温度下热缺陷的数目可以用热力学中自由能的最小原理来进行计算。6.空位的运动a)空位的运动模型b)空位的迁移率c)空位的最终结果,运动会引起自扩散:使得空位消失或是聚集形成空位片。7.高温淬火,辐射等都会引起空位过饱和。8.点缺陷可以由热起伏形成:热平衡缺陷:由于热起伏促使原子脱离点阵位置而形成的点缺陷。点缺陷还可以由其它方式形成:过饱和的点缺陷:通过高温淬火、冷变形加工和高能粒子的辐照效应等形成。二)间隙原子1.原子不占据正常结点位置而是占据点阵间隙位置称为间隙原子。它是由于原子的热运动而产生的,它会引起点阵畸变。
8、2.间隙原子的运动会引起自扩散,当与空位,刃型位错相遇时会消失,运动到晶体表面也会消失。3.间隙原子的浓度:4.空位(点缺陷)对性能的影响a)体积减小,密度减小b)电阻增加结论:1、间隙原子造成的晶格畸变远较空位严重。2、形成肖特基缺陷所需能量比弗仑克尔缺 陷要小得多,所以一般晶体中,主要是形成肖特基 缺陷,即点缺陷主要是空位而不是间隙原子。第二章 线缺陷 第一节 位错的结构一、位错的基本概念:1、位错的定义:位错是晶体原子排列的一种特殊组态。晶体中沿某一原子面及某一原子方向发生了某种有规律的错排现象;从位错的几何结构来看,位错是已滑移区(lip Zone)与未滑移区在滑移面(lip Plan
9、e)上的交界线,称为位错线;从伯氏矢量角度来看,位错是伯氏矢量不为零的晶体缺陷。2、位错的种类:可将它们分为三种基本类型,即刃型位错、螺型位错和混合位错。3、位错的产生:当金属晶体受力发生塑性变形时,一般是通过滑移过程进行的,即晶体中相邻两部分在切应力作用下沿着一定的晶面和晶向相对滑动,滑移的结果在晶体表面上出现明显的滑移痕迹滑移线。4、位错的滑移机理:1)、刚性相对滑移模型2)、逐步滑移形成了位错 本节将就位错的基本概念,位错的弹性性质,位错的运动、交割、增殖和实际晶体的位错进行分析。二、位错的基本类型和特征一)、刃型位错1.刃型位错的模型:在一维方向上偏离理想晶体中的周期性、在一维方向上偏
10、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。如各种方向较长,另外二维方向上很短。如各种位错位错(dislocation),),如如图图所示。所示。线缺陷的产生及运动与材料的韧性、脆性线缺陷的产生及运动与材料的韧性、脆性密切相关。密切相关。2、刃型位错结构的特点a)刃型位错有一个额外的半个原子面。b)刃型位错线可以理解为晶体中已滑移区与未滑移区的边界线。c)滑移面必定包含有位错线和滑移矢量的平面,在其他面上不能滑移。d)晶体中存在刃型位错之后,位错周围的点阵发生弹性畸变,既有切应变,又有正应变。e)在位错线周
11、围的过渡区(畸变区)每个原子具有较大的平均能量。G H E F刃型位错示意图:刃型位错示意图:(a)(a)立体模型立体模型;(b);(b)平面图平面图 晶体局部滑移造成的刃型位错晶体局部滑移造成的刃型位错二)螺型位错1、螺型位错的模型:CBAD(b)螺型位错示意图螺型位错示意图:(a a)立体模型)立体模型 ;(;(b b)平面图)平面图ABCD(a)2、螺型位错的结构螺型位错示意图螺型位错示意图3、螺型位错具有以下特征a)螺型位错无额外半个原子面,原子错排是呈对称的。b)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。c)螺型位错线与滑移矢量平行,因此一定是
12、直线,而且位错线的移动方向与晶体滑移方向互相垂直。d)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他的滑移面。e)螺型位错线周围的点阵也发生了弹性畸变,但是,只有平行于位错线的切应变而无正应变,则不会引起体积膨胀和收缩,且在垂直于位错线的平面投影上,看不到原子的位移,看不出缺陷。f)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。三)混合位错1.滑移矢量既不平行也不垂直于位错线,而与位错线相交成任意角度,这种位错称为混合位错。2.混合位错附近的原子组态如图3.由于位错线是已滑移区与未滑移区的边界线。因此,位错具有一个重要的性质,即一根
13、位错线不能终止于晶体内部,而只能露头于晶体表面(包括晶界)。三、位错的结构特征三、位错的结构特征伯氏矢量伯氏矢量 一)伯氏矢量的确定方法及其与位错的关系1、伯氏矢量的确定1)为了便于描述晶体中的位错,以及更为确切地表征不同类型位错的特征,伯格斯(J.M.Burgers)提出了采用伯氏回路来定义位错。2)伯氏矢量可以通过伯氏回路来确定。具体步骤如下:a)首先选定位错线的正向。b)在实际晶体中,从任一原子出发,围绕位错(避开位错线附近的严重畸变区)以一定的步数作一右旋闭合回路MNOPQ(称为伯氏回路)。c)在完整晶体中按同样的方向和步数作相同的回路,该回路并不封闭,由终点Q向起点M引一矢量b,使该
14、回路闭合,这个矢量b就是实际晶体中位错的伯氏矢量。3)刃型位错的伯氏矢量与位错线垂直,它的正、负,可借右手法则来确定。4)螺型位错的伯氏矢量也可以按同样的方法加以确定。螺型位错的伯氏矢量与位错线平行,且规定b与回路正向平行为右螺旋,反平行为左螺旋。v刃型位错刃型位错 刃型位错柏氏矢量的确定刃型位错柏氏矢量的确定a)a)实际晶体的柏氏回路实际晶体的柏氏回路 b)b)完整晶体的相应回路完整晶体的相应回路刃型位错的柏氏矢量与其位错线相垂直v螺型位错螺型位错 螺型位错柏氏矢量的确定螺型位错柏氏矢量的确定a)a)实际晶体的柏氏回路实际晶体的柏氏回路 b)b)完整晶体的相应回路完整晶体的相应回路螺型位错的
15、柏氏矢量与其位错线相平行v刃型位错的一个重要特征:刃型位错的柏氏矢量与位错线垂直。v刃型位错的正、负,可用右手法则来确定。即用右手的姆指、食指和中指构成直角坐标,以食指指向位错线的方向,中指指向柏氏矢量的方向,则拇指的指向代表多余半原子面的位向,且规定拇指向上者为正刃型位错;反之为负刃型位错。刃型位错的正负号的确定方法刃型位错的正负号的确定方法右手法则右手法则位错线方向:指向纸外刃型位错刃型位错正负号正负号与与柏氏矢量柏氏矢量和和位错线方向位错线方向间的关系间的关系正正负负bb中指中指(柏氏矢量方向柏氏矢量方向)食指食指(位错线方向位错线方向)拇指拇指(刃型(刃型位错正负位错正负)v因为多出的
16、半原子面在滑移面上边,所以因为多出的半原子面在滑移面上边,所以此图为正刃型位错,记为此图为正刃型位错,记为;中指中指(柏氏矢量方向柏氏矢量方向)食指食指(位错线方向位错线方向)拇指拇指(刃型(刃型位错正负位错正负)总结:刃型位错的正负号的确定方法总结:刃型位错的正负号的确定方法1、额额外外半半原原子子面面在在滑滑移移面面上上边边的的称称为为正正刃刃型型位位错错,记为记为“”;而把多出在下边的称为负刃型位错,记为而把多出在下边的称为负刃型位错,记为“”。2、右右手手法法则则:可可用用右右手手法法则则来来确确定定。拇拇指指的的指指向向代代表表多多余余半半原原子子面面的的位位向向,且且规规定定拇拇指
17、指向向上上者者为为正正刃型位错;反之为负刃型位错。刃型位错;反之为负刃型位错。根据位错线方向和正负位错判断柏氏矢量方向螺型位错的一个重要特征:螺型位错的柏氏矢量与位螺型位错的一个重要特征:螺型位错的柏氏矢量与位错线平行。错线平行。规定柏氏矢量与位错线正向平行者为右螺旋位错,柏规定柏氏矢量与位错线正向平行者为右螺旋位错,柏氏矢量与位错线反向平行者为左螺旋位错。如图所示。氏矢量与位错线反向平行者为左螺旋位错。如图所示。螺型位错的确定方法螺型位错的确定方法左螺旋位错左螺旋位错1、通通常常用用拇拇指指代代表表螺螺旋旋的的前前进进方方向向,而而以以其其余余四四指指代代表表螺螺旋旋的的旋旋转转方方向向。凡
18、凡符符合合右右手手法法则则的的称称为为右右螺螺型型位位错错,符符合合左左手手法法则则的的称称为为左左螺螺型位错。型位错。总结:螺型位错的正负号的确定方法总结:螺型位错的正负号的确定方法2、柏氏矢量与位错线正向、柏氏矢量与位错线正向方向相同的为右螺型方向相同的为右螺型位错位错,相反者为左螺型位错,相反者为左螺型位错。右螺旋位错右螺旋位错混合位错的产生混合位错的产生混合位错混合位错 柏氏矢量既不平行也不垂直于位错线,而与位错线相交成任柏氏矢量既不平行也不垂直于位错线,而与位错线相交成任意角度,这种位错称为混合位错。意角度,这种位错称为混合位错。v矢量图解法矢量图解法bbbbbbebs刃型刃型螺型螺
19、型混合型混合型用矢量图解法可形象地概括三种类型位错的主要特征:二)伯氏矢量的特性1.位错周围的所有原子,都不同程度地偏离其平衡位置。通过伯氏回路确定伯氏矢量的方法表明;伯氏矢量是一个反映位错周围点阵畸变总积累的物理量。该矢量的方向表示位错的性质与位错的取向,即位错运动导致晶体滑移的方向;而该矢量的模 表示了畸变的程度,称为位错的强度。由此,我们也可把位错定义为伯氏矢量不为零的晶体缺陷。2.伯氏矢量的守恒性:伯氏矢量与回路起点及其具体途径无关。N21步步NbNNN3.3.一根位错线具有唯一的柏氏矢量。一根位错线具有唯一的柏氏矢量。一根不分岔的位错线,不论其形状如何变化(直线、曲折线或闭合的环状)
20、,也不管位错线上各处的位错类型是否相同,其各部位的柏氏矢量都相同;而且当位错在晶体中运动或者改变方向时,其柏氏矢量不变,即一根位错线具有唯一的柏氏矢量。晶体中的位错环晶体中的位错环混和位错混和位错4.4.若一个柏氏矢量为若一个柏氏矢量为b b的位错可以分解为柏氏矢量分别为的位错可以分解为柏氏矢量分别为b b1 1,b b2 2b bn n的的n n个位错,则分解后各位错柏氏矢量之和等于原个位错,则分解后各位错柏氏矢量之和等于原位错的柏氏矢量,位错的柏氏矢量,即即b=b=若若有有数数根根位位错错线线相相交交于于一一点点,则则指指向向结结点点的的各各位位错错线线的的柏柏氏矢量之和应等于离开结点的各
21、位错线的柏氏矢量之和。氏矢量之和应等于离开结点的各位错线的柏氏矢量之和。5.5.位错的连续性位错的连续性 :位错在晶体中存在的形态可形成一个闭:位错在晶体中存在的形态可形成一个闭合的位错环,或连接于其他位错合的位错环,或连接于其他位错(交于位错结点交于位错结点),或终止在,或终止在晶界,或露头于晶体表面,但不能中断于晶体内部。这种性晶界,或露头于晶体表面,但不能中断于晶体内部。这种性质称为位错的连续性。质称为位错的连续性。晶体中的位错环晶体中的位错环 一根位错线不能终止于晶体内部,一根位错线不能终止于晶体内部,而只能中止在而只能中止在晶体的表面晶体的表面或或晶界晶界上。上。若它终止于晶体内部,
22、则形成若它终止于晶体内部,则形成位错环位错环或者或者三维位错网络三维位错网络。晶体中的位错网络晶体中的位错网络三)伯氏矢量的表示法1.伯氏矢量的大小和方向用点阵矢量a,b和c来表示。一般立方晶系中伯氏矢量可表示为 其中n为正整数。2.如果一个伯氏矢量b是另外两个伯氏矢量b1 和b2之和,按矢量加法法则有:柏氏矢量的大小和方向可用与它同向的晶向指数来表示。例如:例如:在在体体心心立立方方中中,柏柏氏氏矢矢量量等等于于从从体体心心立立方方晶晶体体的的原原点点到到体体心心的矢量。的矢量。1 1 1 1 11b=1 1 1 3.通常用 来表示位错的强度,称为伯氏矢量的大小或模,即位错的强度。4.能量较
23、高的位错通常倾向于分解为两个或多个能量较低的位错,并满足以下两个条件:如果各位错线的方向都是朝向结点或都是离开结点的,则柏氏矢量之和恒为零。四)柏氏矢量的守恒性第二节第二节 位错的运动与交割位错的运动与交割 金属受外力作用后产生宏观的塑性变形,而这种宏观上的塑性变形实质是位错在外力作用下运动的结果,位错的运动特点能够说明晶体形变过程中临界切应力为何很小,以及位错的增殖、形变强化等许多现象。因此,位错如何运动是位错理论的基本问题之一。一、位错的运动一、位错的运动 1、位错的滑移概念:位错的滑移是在外加切应力的作用下,通过位错中心附近的原子沿伯氏矢量方向在滑移面上不断地作少量的位移而逐步实现的。刃
24、型位错的滑移过程a)在外切应力 的作用下,位错中心附近的原子由 “”位置移动小于一个原子间距的距离到达“”位置。b)如果切应力继续作用,位错将继续逐步移动。c)当位错线沿滑移面滑移通过整个晶体时,就会在晶体表面沿伯氏矢量方向产生一个伯氏矢量大小的台阶。d)随着位错的移动,位错线所扫过的区域逐渐扩大,未滑移区则逐渐缩小,两个区域始终以位错线为分界线。e)在滑移时,刃型位错的运动方向始终垂直于位错线而平行于伯氏矢量。f)刃型位错的滑移面就是由位错线与伯氏矢量所构成的平面,因此刃型位错的滑移限于单一的滑移面上。螺型位错滑移过程a)滑移时位错线附近原子移动量很小。b)当位错线沿滑移面滑过整个晶体时,同
25、样会在晶体表面沿伯氏矢量方向产生宽度为一个伯氏矢量b的台阶。c)在滑移时,螺型位错的移动方向与位错线垂直,也与伯氏矢量垂直。d)螺型位错,由于位错线与伯氏矢量平行,故它的滑移不限于单一的滑移面上。混合位错的移动情况a)任一混合位错均可分解为刃型分量和螺型分量两部分。b)根据两种位错的分析,可以确定混合位错的滑移。c)混合位错在切应力作用下,将沿其各点的法线方向,在滑移面上向外扩展,最终使上下两块晶体沿伯氏矢量方向移动一个b大小的距离。2、刃型位错的攀移运动 刃型位错在垂直于滑移面方向的运动称为攀移。通常把多余半原子面向上运动称为正攀移,向下运动称为负攀移,如图1.53所示。刃型位错的攀移相当于
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