材料科学基础课件

河北工业大学材料学院1理想晶体：理想晶体：原子原子完全完全规则规则地地排列排列的的晶体晶体。晶体缺陷：晶体中部分原子排列偏离理想状态，晶体缺陷：晶体中部分原子排列偏离理想状态，局部产生不规则、不完整的原子排列。局部产生不规则、不完整的原子排列。晶体缺陷产生的原因：原子的热振动、晶体形成晶体缺陷产生的原因：原子的热振动、晶体形成条件限制、施加的外部条件等。条件限制、施加的外部条件等。河北工业大学材料学院2实际晶体存在晶体缺陷，实际晶体存在晶体缺陷，按照几何特点这些缺按照几何特点这些缺陷可以分为三大类陷可以分为三大类点缺陷点缺陷缺陷在各方向的延伸都很小缺陷在各方向的延伸都很小,亦称零维亦称零维缺陷。如空位、间隙原子、杂质原子等。缺陷。如空位、间隙原子、杂质原子等。线缺陷线缺陷缺陷只在一个方向延伸或称一维缺陷。缺陷只在一个方向延伸或称一维缺陷。如位错。如位错。面缺陷缺陷在二个方向延伸面缺陷缺陷在二个方向延伸,或称二维缺陷。或称二维缺陷。如表面、晶界、相界等。如表面、晶界、相界等。根据对理想晶体偏离的几何位置来分，有三类空空 位位间间 隙隙 原原 子子杂杂 质质 原原 子子正常结点位置没有被质点占据，称为正常结点位置没有被质点占据，称为空位空位。同类质点进入间隙位置成为同类质点进入间隙位置成为间隙原子间隙原子。进入进入间隙位置间隙位置间隙杂质原子间隙杂质原子正常结点正常结点取代（置换）杂取代（置换）杂质原子质原子。固溶体固溶体河北工业大学材料学院4晶格原子围绕平衡位置作热振动，频率晶格原子围绕平衡位置作热振动，频率在在1012-1013赫兹（德拜频率）赫兹（德拜频率）原子的能量不是平均的，也不恒定，原原子的能量不是平均的，也不恒定，原子动能近似服从子动能近似服从Maxwell-Boltzman分分布，即能量高于布，即能量高于E原子所占比例原子所占比例 exp(-E/kt)少数高能原子离开自己的平衡位置，在少数高能原子离开自己的平衡位置，在晶格节点出现空位。晶格节点出现空位。河北工业大学材料学院5河北工业大学材料学院6 河北工业大学材料学院7迁移迁移 空位或间隙原子由一个位置运空位或间隙原子由一个位置运动到另一个位置的过程。动到另一个位置的过程。复合复合 间隙原子与空位相遇时，将落间隙原子与空位相遇时，将落入空位，两者同时消失，这一过程称为入空位，两者同时消失，这一过程称为复合。复合。河北工业大学材料学院8点缺陷从一个平衡位置移动到相邻位置，也点缺陷从一个平衡位置移动到相邻位置，也要克服能量障碍要克服能量障碍只有周围原子具有足够能量才可能实现移动只有周围原子具有足够能量才可能实现移动河北工业大学材料学院9点缺陷的运动是一个热激活的过程点缺陷的运动是一个热激活的过程运动频率与温度有关。例如运动频率与温度有关。例如Cu中的空位，中的空位，300K 10-5/s,1300K 108/s空位移动所造成的粒子迁移，即晶体中空位移动所造成的粒子迁移，即晶体中的自扩散。（以后会学到）自扩散激活的自扩散。（以后会学到）自扩散激活能相当于空位形成能与移动能的总和。能相当于空位形成能与移动能的总和。河北工业大学材料学院10点缺陷并不是固定不动的，而是处于不点缺陷并不是固定不动的，而是处于不断的产生和消失过程中断的产生和消失过程中在一定温度下，晶体中点缺陷的数目是在一定温度下，晶体中点缺陷的数目是一定的，保持动态平衡。一定的，保持动态平衡。河北工业大学材料学院11空位形成引起点阵畸变，亦会割断键力，故空位形成需能量，空位形成能（EV）为形成一个空位所需能量；形成空位又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，SV 空位在晶体点阵中的排列可有许多不同的几何组态，使排列熵SC增加。河北工业大学材料学院12设在温度T时，含有N个结点的晶体中形成n个空位，与无空位晶体相比F=nEV-TSS=SC+nSVn个空位引入，可能的原子排列方式利用玻尔兹曼关系，SC=klnWC，并利用Stiring公式令：!)!(!nnNNWc 0)(TnF)/exp()/exp()/exp(kTEAkTEkSNnCVVV 河北工业大学材料学院13根据统计热力学的爱因斯坦模型，振动熵形成空位后，原子振动频率降低到所以式中A=exp(SV/k)，约为1-10hkTkSVln3ln3ln3ln3khkTkhkTkSV河北工业大学材料学院14若已知EV和SV，则可由上式计算出任一温度T下的浓度C.由上式可得：1）晶体中空位在热力学上是稳定的，一定温度T对应一平衡浓度C 2）C与T呈指数关系，温度升高，空位浓度增大 3）空位形成能EV大，空位浓度小例如：已知铜中EV=1.710-19J，A取为1，则 T/K100300 500700900 1000 n/N 10-57 10-19 10-11 10-8.1 10-6.3 10-5.7河北工业大学材料学院15点缺陷是平衡缺陷，点缺陷是平衡缺陷，点缺陷与线、面缺陷的区别之一是后者为热力学不稳定的缺陷。在一定温度下，晶体中有一定平衡数量的空位和间隙原子出现缺陷时，提高内能，但是也引起较出现缺陷时，提高内能，但是也引起较大的熵增。大的熵增。kTEkSvVeeC河北工业大学材料学院16高能射线辐射、严重变高能射线辐射、严重变形、高温淬火等可以获形、高温淬火等可以获得过饱和缺陷得过饱和缺陷空位引起点阵畸变，使空位引起点阵畸变，使传导电子受到散射，传导电子受到散射，存存在过饱和缺陷提高电阻在过饱和缺陷提高电阻;存在过饱和缺陷降低密存在过饱和缺陷降低密度度对室温力学性能影响对室温力学性能影响“不大不大”空位对材料的高温蠕变、沉淀、回复、表面氧化、烧结有重要影响200400600800100012001400160012.0012.2512.5012.7513.0013.25 Temperature/oCcmFe的电阻率随淬火温度的变化的电阻率随淬火温度的变化河北工业大学材料学院17上世纪初，塑性变形已经成为制造金属制品和上世纪初，塑性变形已经成为制造金属制品和强化材料的重要手段，但是对于变形的微观过强化材料的重要手段，但是对于变形的微观过程、加工硬化等尚不能解释。程、加工硬化等尚不能解释。滑移带现象。当时，普遍认为金属塑性变形是滑移带现象。当时，普遍认为金属塑性变形是晶体刚性滑移的结果，滑移面两侧的晶体借助晶体刚性滑移的结果，滑移面两侧的晶体借助于刚性滑动实现变形。于刚性滑动实现变形。1926年弗兰克尔从刚性模型出发，估计了晶年弗兰克尔从刚性模型出发，估计了晶体的理论强度。体的理论强度。河北工业大学材料学院18根据晶体的性质根据晶体的性质,阻力应是阻力应是周期函数；周期函数；当当x=0,=0;x=b,=0取取当当x很小时，很小时，bxm2sinbxm2河北工业大学材料学院19由于切变量由于切变量x/a,根据虎克定律根据虎克定律 两式比较得两式比较得因因a b,所以所以进一步修正进一步修正 axGaxGbxm22Gm30Gm河北工业大学材料学院20晶体的理论切应力与实验值的比较（晶体的理论切应力与实验值的比较（MN/m2）金 属理论切应力实验值切变模量Al38300.78624400Ag39800.37225000Cu64800.49040700-Fe110002.7568950Mg26300.39316400河北工业大学材料学院21一般金属的一般金属的G=104105MPa,理论剪切强理论剪切强度应为度应为103104MPa，实际只有，实际只有110MPa理论强度比实测值大理论强度比实测值大1000倍以上倍以上！1934年年Taylor,Polanyi和和Orowan几乎同几乎同时提出晶体中存在易动的缺陷位错，时提出晶体中存在易动的缺陷位错，借助于位错运动实现塑性变形借助于位错运动实现塑性变形河北工业大学材料学院22河北工业大学材料学院23位错是一个直径位错是一个直径35个原子间距，长几个原子间距，长几千千几万个原子间距的管状原子畸变区几万个原子间距的管状原子畸变区从几何上看，它是一个方向尺寸较大，从几何上看，它是一个方向尺寸较大，而另外两个方向上尺寸较小的线缺陷。而另外两个方向上尺寸较小的线缺陷。位错对晶体生长、相变、塑性变形、扩位错对晶体生长、相变、塑性变形、扩散、再结晶等一系列行为及材料的物理、散、再结晶等一系列行为及材料的物理、化学性质都有十分重要的影响。化学性质都有十分重要的影响。河北工业大学材料学院24位错：一列或相邻的几列原子发生有规律的错排河北工业大学材料学院25河北工业大学材料学院261)刃型位错有一额外半原子面刃型位错有一额外半原子面n多出的半原子面在滑移面上边(严格说来，半原子面与坐标轴正方向一致)的称为正刃型位错，记为“”；n多出半原子面在下边的称为负刃型位错，记为“。2)刃型位错线可理解为晶体中已滑移区与未滑移区的刃型位错线可理解为晶体中已滑移区与未滑移区的边界线。边界线。3)位错线不一定是直线，可以是平面折线或曲线位错线不一定是直线，可以是平面折线或曲线;刃型刃型位错线必与滑移矢量垂直，位错线必与滑移矢量垂直，4)滑移面是包含位错线和滑移矢量的唯一平面。滑移面是包含位错线和滑移矢量的唯一平面。5)位错周围的点阵发生弹性畸变，既有正应变，又有位错周围的点阵发生弹性畸变，既有正应变，又有切应变切应变河北工业大学材料学院27 河北工业大学材料学院28假设外力使晶体作假设外力使晶体作另一种局部滑移另一种局部滑移（撕裂），滑移面（撕裂），滑移面上下两部分晶体作上下两部分晶体作切滑移切滑移滑移区与未滑移区滑移区与未滑移区的边界就是螺型位的边界就是螺型位错。错。滑移方向与位错线滑移方向与位错线平行。平行。河北工业大学材料学院29河北工业大学材料学院30河北工业大学材料学院31河北工业大学材料学院321）螺型位错无额外半原子面，但是一些晶面变成了螺旋面，原子错排呈轴对称2）位错线与滑移矢量平行，故一定是直线 3）包含螺位错线的面必然包含滑移矢量，故螺位错的滑移面不是唯一的；4）螺位错周围的点阵也发生了弹性畸变，但只有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)分左右螺旋 河北工业大学材料学院33n如果滑移方向与位错线两者方向夹角呈任意角度，就是混合位错河北工业大学材料学院34河北工业大学材料学院35（1）位错线是已滑移区和未滑移区的边界;（2）位错及其畸变区是一条管道,位错线附近的原子偏离了平衡位置。（3）位错线具有连续性，即位错线不能中断于晶体内部。只可在表面露头，或终止于晶界和相界，或与其它位错相交，或自行封闭成环。河北工业大学材料学院36bbSlip Motion of the dislocation河北工业大学材料学院37bbSlip Mixed dislocationMotion of the dislocation河北工业大学材料学院38河北工业大学材料学院391939年柏格斯（年柏格斯（J.M.Burgers）提出了采用柏）提出了采用柏氏回路来定义位错，借助一个规定的矢量即柏氏回路来定义位错，借助一个规定的矢量即柏氏矢量来揭示位错的本质。氏矢量来揭示位错的本质。位错从晶体移出，滑移台阶的大小方向用滑移位错从晶体移出，滑移台阶的大小方向用滑移矢量矢量 表示，滑移矢量也称柏氏矢量表示，滑移矢量也称柏氏矢量柏氏矢量反应了位错中心区点阵畸变的程度和柏氏矢量反应了位错中心区点阵畸变的程度和方向方向柏氏矢量柏氏矢量=位错运动时的原子位移位错运动时的原子位移河北工业大学材料学院401)首先选定位错线的正向，例如出纸面的方向首先选定位错线的正向，例如出纸面的方向2)在实际晶体中，从任一原子出发，围绕位错在实际晶体中，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（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（称为柏氏回路）。数作一右旋闭合回路（称为柏氏回路）。3)在完整晶体中按同样的方向和步数作相同的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，由终点回路，该回路并不封闭，由终点F向起点向起点S引一引一矢量，使该回路闭合，这个矢量矢量，使该回路闭合，这个矢量b就是实际晶就是实际晶体中位错的柏氏矢量。体中位错的柏氏矢量。（以上为（以上为Frank取向）取向）河北工业大学材料学院41b与位错线垂直与位错线垂直河北工业大学材料学院42b与位错线平行与位错线平行河北工业大学材料学院43刃型位错刃型位错b t（位错线单位向量），半原（位错线单位向量），半原子面方向子面方向n=t b。刃型位错可以是直线。刃型位错可以是直线或平面曲线（刀刃曲线）或平面曲线（刀刃曲线）螺型位错螺型位错b/t（位错线单位向量），一（位错线单位向量），一定是直线。定是直线。n二者同向为右旋螺型位错；bt0n二者反向为左旋螺型位错；btC0，Fc0，即过饱和空位使刃型位错向，即过饱和空位使刃型位错向上攀移；上攀移；若若CC0，Fc0，即空位浓度低于平衡浓度，即空位浓度低于平衡浓度，位错放出空位使刃型位错向下攀移；位错放出空位使刃型位错向下攀移；20lnbdyCCkTdndG02lnCCbkTyGFc河北工业大学材料学院78攀移是刃型位错在垂直于滑移面方向上攀移是刃型位错在垂直于滑移面方向上的运动；的运动；是半原子面的扩大或缩小，引起体积变是半原子面的扩大或缩小，引起体积变化（非保守运动）；化（非保守运动）；阻力很大，接近理论强度；阻力很大，接近理论强度；依赖于空位、间隙原子的扩散依赖于空位、间隙原子的扩散室温下难以进行。室温下难以进行。河北工业大学材料学院79河北工业大学材料学院80河北工业大学材料学院81理想晶体原子移理想晶体原子移动的阻力动的阻力位错附近原子移位错附近原子移动的阻力动的阻力河北工业大学材料学院82切变弹性模量切变弹性模量泊凇比泊凇比d滑移面晶面间距滑移面晶面间距b柏氏矢量柏氏矢量根据位错模型，计算的强度接近实际测量值根据位错模型，计算的强度接近实际测量值10-4GbdG12exp12河北工业大学材料学院83位错线中心原子已经离开平衡位置，处位错线中心原子已经离开平衡位置，处于高能状态，阻力小于高能状态，阻力小位错移动只需要位错线附近少数原子的位错移动只需要位错线附近少数原子的运动；运动；每个原子的位移较小（小于原子间距）每个原子的位移较小（小于原子间距）河北工业大学材料学院84混合位错可以分解为混合位错可以分解为两个分量两个分量n螺型分量bs=bcosqn刃型分量be=bsinq无论任何形式的位错无论任何形式的位错,位错的运动方向均位错的运动方向均 位错线位错线当两个分量位错滑过当两个分量位错滑过晶体晶体,滑移台阶为滑移台阶为bbbse河北工业大学材料学院85在完整晶体内部，滑在完整晶体内部，滑移面上某一封闭曲线移面上某一封闭曲线内部区域两侧的原子内部区域两侧的原子相对移动相对移动b位移，这位移，这一封闭曲线是已滑移一封闭曲线是已滑移区与未滑移区的边界，区与未滑移区的边界，就是一个位错环。就是一个位错环。河北工业大学材料学院86在右图的位错环上，在右图的位错环上，B处处的半原子面在上面，的半原子面在上面，；D处处半原子面在下面，半原子面在下面，A处右旋螺型位错，处右旋螺型位错，C点左旋点左旋为螺型位错为螺型位错其余位置为混合位错。其余位置为混合位错。由于位错线方向与由于位错线方向与b相关，相关，事实上位错线方向已经确定，事实上位错线方向已经确定，是是ABCDA方向方向河北工业大学材料学院87运动方向可以分段处理运动方向可以分段处理简单地处理，若外力与产生位错环的外简单地处理，若外力与产生位错环的外力方向相同，将倾向于撕裂整个滑移面，力方向相同，将倾向于撕裂整个滑移面，即位错环将逐步扩大，使位错线移向晶即位错环将逐步扩大，使位错线移向晶体外缘，最终产生台阶体外缘，最终产生台阶b。反之，位错环逐渐减小，直至消失。反之，位错环逐渐减小，直至消失。河北工业大学材料学院88作用在位错上的力指作用在位错畸变区作用在位错上的力指作用在位错畸变区内每个原子力的总和。内每个原子力的总和。晶体受力变形等价于位错线受力移动，晶体受力变形等价于位错线受力移动，根据两者作功相同的原理根据两者作功相同的原理(虚功原理虚功原理)，可以计算位错受到的力。可以计算位错受到的力。河北工业大学材料学院89以刃型位错为例。设切应力以刃型位错为例。设切应力 使使dl长度位错线移动了长度位错线移动了ds距离，距离，结果是晶体中结果是晶体中 面积部面积部分沿滑移面产生了滑移量分沿滑移面产生了滑移量b。切应力所作的功为切应力所作的功为若单位长度位错线受力若单位长度位错线受力Fd，使，使位错线移动所作的功位错线移动所作的功 bbdsdldAbdsdlbdAdsdlFd)(河北工业大学材料学院90令二者相等，在单位长度位错线上的滑令二者相等，在单位长度位错线上的滑移力移力 力垂直于位错线，指向未滑移区，与位力垂直于位错线，指向未滑移区，与位错线的运动方向一致错线的运动方向一致可见，作用在单位长度位错线上的力等可见，作用在单位长度位错线上的力等于于b与沿与沿b方向切应力的乘积。方向切应力的乘积。bFd河北工业大学材料学院91对于单位长度位错线，当晶体对于单位长度位错线，当晶体受到受到 半原子面的拉应力半原子面的拉应力s s，位错线移动位错线移动-dy。晶体在正应。晶体在正应力方向体积膨胀力方向体积膨胀dy 1 b,膨胀膨胀功功单位长度位错线攀移力单位长度位错线攀移力Fy,位位移移dy，做功，做功Fydy,比较二者得比较二者得bFxxs1 bdyxxs河北工业大学材料学院92tkjizzyzxyzyyxxzxyxzbybxbFsssssssssst)b(F河北工业大学材料学院93zzyzxyzyyxxzxyxijssssssssss河北工业大学材料学院94若位错线若位错线dl移动了移动了ds，位错扫过的面积为，位错扫过的面积为dlds；位错线扫过面积的晶体两侧相对位移位错线扫过面积的晶体两侧相对位移b，应力，应力场所作的功场所作的功sdl dbdwsdl dbdwbsdl ddwjijiji)(1)(1)(1sss河北工业大学材料学院95位错线受力位错线受力F，则位错线移动所作的功，则位错线移动所作的功由虚功原理由虚功原理dw1=dw2单位位错线受力单位位错线受力sdFdw2)(l dbFjistbfdll dbdlFfjiji)()(ss河北工业大学材料学院96位错受力与位错线垂直，与位错线运动位错受力与位错线垂直，与位错线运动方向一致方向一致只有与只有与b平行的切应力分量才对位错滑移平行的切应力分量才对位错滑移起作用；起作用；由于柏氏矢量的守恒性，一条位错线只由于柏氏矢量的守恒性，一条位错线只有一个柏氏矢量，只要外应力均匀，位有一个柏氏矢量，只要外应力均匀，位错线各处受力相等，线速度也相等错线各处受力相等，线速度也相等河北工业大学材料学院97位错产生应力场，另一位错处于它的应位错产生应力场，另一位错处于它的应力场中。力场中。1位错对位错对2位错的作用力，等价于位错的作用力，等价于1位错位错应力场对应力场对2位错的作用位错的作用下面介绍几种简单情况。下面介绍几种简单情况。右图中坐标原点（右图中坐标原点（0 0，0 0）处一螺型位错）处一螺型位错 b b，r(x,y)r(x,y)处一螺位错处一螺位错 b b 则则 在直角坐标中在直角坐标中 b b，bb同号，同号，FrFr为正值，两位错相互排斥为正值，两位错相互排斥 b b，bb异号，异号，FrFr为负值，两位错相互吸引为负值，两位错相互吸引rbGbFr2|)()(222j yi xyxGbbF河北工业大学材料学院99设有沿设有沿oz轴的刃位错轴的刃位错I和另一处于和另一处于（x,y）并与之平行的同号位）并与之平行的同号位错错II，柏氏矢量分别为，柏氏矢量分别为b1、b2，其距离为其距离为r，可见，可见I会产生一切会产生一切应力分量应力分量yx使使II受到一滑移力受到一滑移力Fx，还会产生一正应力分量，还会产生一正应力分量xx作用于作用于II多余半原子面，使多余半原子面，使II受到一攀移力受到一攀移力Fy。河北工业大学材料学院100滑移力滑移力 攀移力攀移力 根据以上两式可推断出根据以上两式可推断出II在不同位置所受到的攀在不同位置所受到的攀移力和滑移力。移力和滑移力。2bFyxx221 222 2()2(1)()Gbbx xyxy 2bFxxys 221 222 2(3)2(1)()Gbbyxyxy 河北工业大学材料学院101河北工业大学材料学院102河北工业大学材料学院103可以用普遍公式计算可以用普遍公式计算近似地可以根据两位错柏氏矢量夹角大近似地可以根据两位错柏氏矢量夹角大小进行判断小进行判断n若夹角小于/2，排斥；n若夹角大于/2，吸引河北工业大学材料学院104点缺陷在晶体中会引起点阵畸变，所产生的应点缺陷在晶体中会引起点阵畸变，所产生的应力场可与位错产生弹性交互作用。力场可与位错产生弹性交互作用。假设晶体为弹性的连续介质，内有一柏氏矢假设晶体为弹性的连续介质，内有一柏氏矢量为量为b的刃位错的刃位错设有一半径为设有一半径为R的点缺陷出现在位错的应力场的点缺陷出现在位错的应力场中，考虑能量的变化。中，考虑能量的变化。这相当于在晶体内取走一个半径为这相当于在晶体内取走一个半径为R0的溶剂原的溶剂原子，然后溶入一个半径为子，然后溶入一个半径为R的溶质原子。的溶质原子。河北工业大学材料学院105取走一个半径为取走一个半径为R0的溶剂原子，相当于在晶体的溶剂原子，相当于在晶体内挖掉一半径为内挖掉一半径为R0的小洞。溶入一个半径为的小洞。溶入一个半径为R的溶质原子，相当于在小洞中填入一半径为的溶质原子，相当于在小洞中填入一半径为R的小球，此时将引起径向位移的小球，此时将引起径向位移 R在产生径向位移过程中位错应力场要作功。因在产生径向位移过程中位错应力场要作功。因为产生的径向位移是垂直球面的，是球对称的为产生的径向位移是垂直球面的，是球对称的畸变，故只有位错应力场中的正应力分量作功。畸变，故只有位错应力场中的正应力分量作功。河北工业大学材料学院106位错应力场中正应力分量的平均值可用水位错应力场中正应力分量的平均值可用水静压力来表示：静压力来表示：错配度错配度体积变化体积变化河北工业大学材料学院107相互作用能相互作用能w=p V 为错配度为错配度 为了使为了使W0，如较大的溶质原子，如较大的溶质原子和间隙原子。为使和间隙原子。为使W0，必有必有2，即溶质原子，即溶质原子位于刃位错下方（膨胀区）位于刃位错下方（膨胀区）若若 0，如较小的溶质原子，如较小的溶质原子和空位。为使和空位。为使W0，点缺陷位于刃位，点缺陷位于刃位错上方的受压缩部分错上方的受压缩部分河北工业大学材料学院109通常把围绕位错而形成的溶质原子聚集通常把围绕位错而形成的溶质原子聚集物，称为物，称为“科垂耳气团”（Cottrell Atmosphere），这种气团阻碍位错运），这种气团阻碍位错运动，产生强化。动，产生强化。用柯氏气团可解释合金中出现的应变时用柯氏气团可解释合金中出现的应变时效和屈服现象。效和屈服现象。课外了解螺型位错附近的课外了解螺型位错附近的“斯诺克气团”（Snoek Atmosphere）河北工业大学材料学院110非对称畸变点缺陷，例如非对称畸变点缺陷，例如C溶解在溶解在bcc的的-Fe中，位于扁八面体间隙，它在八面中，位于扁八面体间隙，它在八面体间隙的短轴方向体间隙的短轴方向 引起的畸变较大，引起的畸变较大，而在而在 方向引起畸变较小，畸变分布方向引起畸变较小，畸变分布是非球形对称的。是非球形对称的。对于这类溶质原子，切应力分量也可对对于这类溶质原子，切应力分量也可对其产生相互作用，所以螺位错也可以和其产生相互作用，所以螺位错也可以和它产生相互作用。它产生相互作用。河北工业大学材料学院111在无应力作用时，溶质原子在各间隙位置的分布是随在无应力作用时，溶质原子在各间隙位置的分布是随机的。当加一定的应力作用后，溶质原子可能出现择机的。当加一定的应力作用后，溶质原子可能出现择尤分布现象。尤分布现象。当有位错存在时，位错应力场也会使溶质原子出现择当有位错存在时，位错应力场也会使溶质原子出现择尤分布，使系统能量降低。位错应力场附近的溶质原尤分布，使系统能量降低。位错应力场附近的溶质原子受到位错作用而呈择尤有序分布，称为斯诺克子受到位错作用而呈择尤有序分布，称为斯诺克(Snock)气团。气团。产生斯氏气团溶质浓度不变，仅是溶质原子占有位置产生斯氏气团溶质浓度不变，仅是溶质原子占有位置的改变。不需要长程扩散，比科氏气团易于形成，并的改变。不需要长程扩散，比科氏气团易于形成，并可在低温下产生。可在低温下产生。Snock气团增大位错稳定性，有强化作用，且强化效果气团增大位错稳定性，有强化作用，且强化效果与溶质原子浓度成正比。与溶质原子浓度成正比。河北工业大学材料学院112空位通常被吸引到刃型位错的压缩区，或消失在刃型空位通常被吸引到刃型位错的压缩区，或消失在刃型位错线上，使位错线产生弯折（割阶），如图，空位位错线上，使位错线产生弯折（割阶），如图，空位与位错在一定条件下可互相转化。与位错在一定条件下可互相转化。河北工业大学材料学院113过饱和空位可以聚集成空位盘，继而可崩塌成刃型位过饱和空位可以聚集成空位盘，继而可崩塌成刃型位错环，成为错环，成为“棱柱位错棱柱位错”。河北工业大学材料学院114相邻滑移面上异号刃型位错互毁后产生一串空相邻滑移面上异号刃型位错互毁后产生一串空位位刃型位错攀移时后边留下一串空位或间隙原子刃型位错攀移时后边留下一串空位或间隙原子河北工业大学材料学院115映象力是指界面对位错的作用力映象力是指界面对位错的作用力因为位错的能量正比于弹性模量因为位错的能量正比于弹性模量G如果界面两侧如果界面两侧G不同，位错距离界面不同不同，位错距离界面不同距离，具有的能量将不同。相当于界面距离，具有的能量将不同。相当于界面存在映象力。根据最低能量原理存在映象力。根据最低能量原理如果界面另一侧如果界面另一侧G较小，位错将被吸引；较小，位错将被吸引；如果界面另一侧如果界面另一侧G较大，位错将被排斥。较大，位错将被排斥。河北工业大学材料学院116实际晶体中位错的柏氏矢量不是任意的，实际晶体中位错的柏氏矢量不是任意的，只有只有b较小（能量较低）的位错才是稳定较小（能量较低）的位错才是稳定的的全位错的全位错的b等于晶体中两原子的连线：平等于晶体中两原子的连线：平移矢量移矢量单位位错的柏氏矢量为连接最近邻原子单位位错的柏氏矢量为连接最近邻原子的矢量。的矢量。单位位错是最短的全位错，与晶体结构单位位错是最短的全位错，与晶体结构有关。有关。河北工业大学材料学院117晶体结构晶体结构单位位错的柏氏矢量单位位错的柏氏矢量fccbcchcp1102a1112a02113a河北工业大学材料学院118面心立方密排面面心立方密排面111的堆垛顺序是的堆垛顺序是ABCABCABC;密排六方晶体密排面密排六方晶体密排面0001的堆垛顺的堆垛顺序是序是ABABAB;实际晶体当中，堆垛顺序可能出现偶然实际晶体当中，堆垛顺序可能出现偶然的差错。这种面缺陷称为堆垛层错的差错。这种面缺陷称为堆垛层错 stacking fault，简称层错。，简称层错。河北工业大学材料学院119如果层错终止于晶体内部，层错区与正如果层错终止于晶体内部，层错区与正常区的边界也是位错，但是这个位错的常区的边界也是位错，但是这个位错的柏氏矢量柏氏矢量点阵矢量，属于不全位错。点阵矢量，属于不全位错。常见的不全位错常见的不全位错(partial dislocation,也称为部分位错、分位错）有两种也称为部分位错、分位错）有两种河北工业大学材料学院120河北工业大学材料学院121河北工业大学材料学院122实际晶体中，组态不稳定的位错可以转化为实际晶体中，组态不稳定的位错可以转化为组态稳定的位错组态稳定的位错n如具有不同柏氏矢量的平行位错线合并成一条位错线；n一条位错线分解为两条或多条具有不同柏氏矢量的平行位错线位错之间的相互转化（分解或合并）称为位位错之间的相互转化（分解或合并）称为位错反应。错反应。河北工业大学材料学院123结构条件：每一个位错的柏氏矢量都是结构条件：每一个位错的柏氏矢量都是从一个平衡的原子位置指向相邻的平衡从一个平衡的原子位置指向相邻的平衡原子位置；原子位置；能量条件：反应后能量降低，近似用能量条件：反应后能量降低，近似用b2代替能量大小代替能量大小几何条件：反应前后几何条件：反应前后b矢量守恒矢量守恒河北工业大学材料学院124Fcc结构中经常发生单位结构中经常发生单位位错与不全位错之间的反位错与不全位错之间的反应应如在（如在（111）面上，单位）面上，单位位错可分解位错可分解生成两个肖克莱部分位错、生成两个肖克莱部分位错、层错层错b1=b2+b3110211121266aaa河北工业大学材料学院125如果整个层错位于一个晶粒的内部，那如果整个层错位于一个晶粒的内部，那末层错的两个边界都是不全位错，这种末层错的两个边界都是不全位错，这种组态称为扩展位错。组态称为扩展位错。河北工业大学材料学院126河北工业大学材料学院127河北工业大学材料学院128河北工业大学材料学院129扩展位错中，单位长度不全位错之间的扩展位错中，单位长度不全位错之间的排斥力排斥力排斥力使位错远离、层错面积扩大。排斥力使位错远离、层错面积扩大。单位面积层错能（单位长度表面张力）单位面积层错能（单位长度表面张力），尽量缩小层错面积。平衡时尽量缩小层错面积。平衡时dbbGF2)(212)(2)(2121bbGddbbGF河北工业大学材料学院130扩展位错宽度扩展位错宽度d与层错能成反比，与弹性与层错能成反比，与弹性模量成正比。模量成正比。如果层错能如果层错能 较大，不易形成扩展位错；较大，不易形成扩展位错；而当层错能而当层错能 较小时，易形成扩展位错较小时，易形成扩展位错与滑移线形状有关。宽度较大的扩展位与滑移线形状有关。宽度较大的扩展位错不易交滑移，直滑移线错不易交滑移，直滑移线(如如Cu）；反）；反之，波纹状滑移线（如之，波纹状滑移线（如Al)。河北工业大学材料学院131河北工业大学材料学院132界面是面缺陷界面是面缺陷按照界面两侧物相种类：表面、按照界面两侧物相种类：表面、相界相界、晶界与亚晶界晶界与亚晶界按照界面原子的匹配程度：共格、非共按照界面原子的匹配程度：共格、非共格、半共格界面格、半共格界面按照界面两侧位相差大小：小 角 度按照界面两侧位相差大小：小 角 度（10)n小角度晶界（2-10）n亚晶界（2)河北工业大学材料学院134固体与液体、气体之间的界面固体与液体、气体之间的界面表面原子一侧没有固体原子与之键合，有较高能量表面原子一侧没有固体原子与之键合，有较高能量几个原子层厚几个原子层厚,有弛豫现象和表面重构，取向有弛豫现象和表面重构，取向河北工业大学材料学院135对称倾对称倾侧界面侧界面是由等是由等距离位距离位错构成错构成的的河北工业大学材料学院136非对称倾侧界非对称倾侧界面面河北工业大学材料学院137扭转晶界由螺型位错墙构成扭转晶界由螺型位错墙构成河北工业大学材料学院138河北工业大学材料学院139两晶粒位向转动一特定角度后，两晶粒的阵点两晶粒位向转动一特定角度后，两晶粒的阵点有部分处于重合位置，由重合的阵点构成重合有部分处于重合位置，由重合的阵点构成重合位置点阵位置点阵河北工业大学材料学院140河北工业大学材料学院141晶界力求与重合晶界力求与重合点阵密排面重合，点阵密排面重合，即使有偏离，晶即使有偏离，晶界会台阶化，使界会台阶化，使大部分面积分段大部分面积分段与密排面重合。与密排面重合。如如ABCDABCD界面界面河北工业大学材料学院142共格孪晶界非共格孪晶界河北工业大学材料学院143相界模型与相界模型与晶界类似晶界类似按界面原子按界面原子重合程度，重合程度，分为共格、分为共格、半共格、非半共格、非共格共格河北工业大学材料学院144共 格界 面 相 相共 格界 面两两相相结结构构相相同同、界界面面处处原原子子间间距距也也相相同同时时的的共共格格界界面面共 格界 面共 格界 面 相 相两两相相结结构构不不相相同同、界界面面处处原原子子间间距距相相同同时时的的共共格格界界面面河北工业大学材料学院145共 格界 面共 格界 面 相 相界界面面处处原原子子间间距距不不同同时时的的共共格格界界面面河北工业大学材料学院146河北工业大学材料学院147概念概念:形成（或扩大）单位面积界面所作形成（或扩大）单位面积界面所作的非体积功（或自由焓增量）称为（比）的非体积功（或自由焓增量）称为（比）表面能表面能界面能的来源：与内部原子相比，界面界面能的来源：与内部原子相比，界面原子所处的环境不同原子所处的环境不同n化学能：界面原子周围原子数或类型变化，引起键能的变化；n应变能：界面原子偏离平衡位置引起弹性应变能。河北工业大学材料学院148界面张力是作用在单位长度界面边界上界面张力是作用在单位长度界面边界上的力的力界面张力数值上等于界面能。界面张力数值上等于界面能。作用在界面的切线方向，指向界面缩小作用在界面的切线方向，指向界面缩小的方向的方向影响因素：材料种类、成分、温度、具影响因素：材料种类、成分、温度、具有各向异性有各向异性河北工业大学材料学院149表面能主要是化学能，近似等于表面能主要是化学能，近似等于面上原子排列不同，具有明显的各向异面上原子排列不同，具有明显的各向异性。例如性。例如fcc晶体的低能面晶体的低能面111等，等，bcc晶体为晶体为100、110；单晶体往往有规则的外形。单晶体往往有规则的外形。腐蚀坑内表面腐蚀坑内表面形成的表面积破坏的结合键的总键能s河北工业大学材料学院150单位长度刃型位错的能量EC为位错中心能量,单位面积晶界的能量D-位错平均间距取R=D r0=b因为tgq=q=b/D，上式可转化为EB=E0（A-ln）cErRGbE02ln)1(41/DEsDEbDDbGbc/ln)1(4s河北工业大学材料学院151河北工业大学材料学院152总界面能总界面能=比界面能和界面面积的乘积比界面能和界面面积的乘积对于非共格大角度界面，比界面能几乎对于非共格大角度界面，比界面能几乎是各向同性的，即常数。是各向同性的，即常数。为了降低总的界面能，应该缩小界面面为了降低总的界面能，应该缩小界面面积。弯曲界面趋向于平直化。积。弯曲界面趋向于平直化。界面能影响晶粒和第二相的形状。界面能影响晶粒和第二相的形状。河北工业大学材料学院153313123231212sinsinsinqqq河北工业大学材料学院154根据力的平衡关系，根据力的平衡关系，12与与 23的合力应与的合力应与 31相平衡。三者可相平衡。三者可以构成一个三角形以构成一个三角形利用三角形的正弦定利用三角形的正弦定理，以及诱导公式理，以及诱导公式容易得到以上公式。容易得到以上公式。sin)180sin(河北工业大学材料学院155对于各向同性的大角度晶界，因为界面能恒定，三对于各向同性的大角度晶界，因为界面能恒定，三个角度均为个角度均为120度。稳定性状是度。稳定性状是6边形边形河北工业大学材料学院156晶粒的空间形状是较多晶粒的空间形状是较多6变形表面的多面体变形表面的多面体河北工业大学材料学院157 如果界面能各向同性：球形（面积最小）如果界面能各向同性：球形（面积最小）各向异性：（低能面）多面体各向异性：（低能面）多面体河北工业大学材料学院158第二相位于晶界上第二相位于晶界上 当，当，透镜状；透镜状；当，当，近球状；近球状；当，当，片状片状第二相位于界棱上第二相位于界棱上(见下图）见下图）当，当，两相界面夹角两相界面夹角120；当，当，两相界面夹角两相界面夹角180(近球状近球状)；当，当，两相界面夹角两相界面夹角0 河北工业大学材料学院159河北工业大学材料学院160河北工业大学材料学院161界面原子化学键不饱和、应变能界面原子化学键不饱和、应变能溶质原子、杂质原子的吸附可降低界面溶质原子、杂质原子的吸附可降低界面能能界面原子贫化或偏聚对晶界移动、晶界界面原子贫化或偏聚对晶界移动、晶界腐蚀、沿晶断裂、回火脆性及淬透性等腐蚀、沿晶断裂、回火脆性及淬透性等有影响有影响 河北工业大学材料学院162a.纯铁中氧含量增至纯铁中氧含量增至0.057%，由于氧在晶界偏聚，由于氧在晶界偏聚降低晶界结合力，脆性转变温度提高至降低晶界结合力，脆性转变温度提高至300以以上，上，Ni-Cr合金钢经合金钢经250350回火后脆性增大，回火后脆性增大，是因为是因为P（磷）在奥氏体化时在晶界偏聚。（磷）在奥氏体化时在晶界偏聚。b.Ni3Al金属间化合物加入金属间化合物加入0.1%B后，后，B在晶界偏在晶界偏聚提高聚提高Ni3Al室温塑性室温塑性c.中、低碳钢中加入中、低碳钢中加入0.00050.003%B可提高淬透可提高淬透性，即是硼（性，即是硼（B）偏聚在晶界降低奥氏体晶界能，）偏聚在晶界降低奥氏体晶界能，抑制奥氏体分解时的先共析铁素体形成抑制奥氏体分解时的先共析铁素体形成河北工业大学材料学院163End of chapter 2