13原子的不规则排列b

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,1.3,原子的不规则排列,1,液体金属凝固时形成位错,枝晶生长过程中受温度梯度、浓度梯度、机械振动和杂质影响而产生内应力，使枝晶发生偏转或弯曲，点阵错排。,2,过饱和空位转化成位错,3,局部应力集中形成位错,晶体内部的某些界面和微裂纹附近，由于应力作用使局部区域发生滑移，产生位错。,5,）位错的萌生与增殖,A,、晶体中位错的,萌生,空位聚合形成位错,退火状态金属的位错密度为,10,6,10,8,/cm,2,。冷加工状态金属的位错密度为,10,10,10,12,/cm,2,，说明位错增殖。,引用最多的位错增殖机制，为,F-R,源机制（弗兰克,-,瑞德源），如图,5,）位错的萌生与增殖,B,、晶体中位错的,增殖,b,螺型位错,AB,，位错线段两端固定，在外加切应力作用下变弯并向外扩张，当两端弯出来的线段相互靠近时，,C,、,D,两点分别为正、负刃型位错，抵消并形成一闭合位错环和环内一小段弯曲位错线，然后继续。,已知使位错线弯曲至曲率半径为,R,时所需切应力,为：,5,）位错的萌生与增殖,B,、晶体中位错的增殖,开始,R,，故使位错弯曲的外加应力,很小。,当变为半园形时，,R=1/2L,最小，,最大,5,）位错的萌生与增殖,B,、晶体中位错的增殖,继续外弯时，,R,增大，,减小。,只有,max,，位错才能不断向外扩张，源源不断,产生位错环，起到增殖作用。,还有一些机制，如,B-H,机制、双交滑移增殖机制等。,位错运动过程中除遇到其它位错而发生交截外，还可能遇到,晶界，孪晶界，相界等障碍物而产生“,塞积,”现象。,6,）位错的塞积,关于位错塞积现象的讨论：,1,）刃位错间相互斥力,2,）位错塞积群对位错源的反作用力,此力与塞积群中的位错数目,n,成正比。,塞积位错达到,n,后，外加力与塞积群反作用力平衡，,外力不足以开动位错源，这时近似：,式中：,0,为外加分切应力；,l,为位错源距障碍物的距离；,k=,（,1-v,）,（,注：上式推导见参考书,金属学,，上海交大出版社出版,）,可见，,n,取决于位错源到障碍物的距离,l,和外加分切应力，,l,一定时，,n,与,0,成正比。,经计算，塞积群中任一位错,i,距障碍物的距离,x,i,（,n,很大时）为：,x,i,表示第,i,个位错距障碍物的距离，若以 为,x,i,的单位，,可见在塞积群中每个位错距障碍物不是等距离排列，,而是成,指数关系,。,反作用力超过一定值时，就会把障碍物“冲垮”，这意味着晶体开始发生,变形。按虚功原理计算该反作用力,障碍物对塞积群的反作用力,按虚功原理，若塞积群中,n,个位错在外应力,0,作用下局部前移了,dx,，,外应力作功为,n,0,bdx,，障碍物对领先位错反作用力,b,所作功为,bdx,。,平衡时，,n,0,bdx=,bdx, =n,0,可见障碍物与领先位错间的作用力是外加分切应力的,n,倍，,所以在障碍物处产生很大的应力集中，这样可能出现三种情况。,在障碍物前端位错塞积，当应力大于一定值时，促使相邻晶粒的,位错源开动,（相邻,晶粒位向发生改变,）,障碍物强度不够高，萌生微裂纹,障碍物不坚硬时，,位错切过,在滑移面上运动的某一位错，必与穿过此滑移面上的其它位错（称为“位错林”）相交截，该过程即为“位错交割”。,位错相互交割后，将使位错产生弯折，生成位错折线，这种折线有两种：,割阶：垂直滑移面的折线,扭折,：在滑移面上的折线,7,）位错的交割,8,）实际晶体中的位错,实际晶体结构中，位错的柏氏矢量不能是任意的，它要符合晶体的结构条件和能量条件。,晶体结构条件是指柏氏矢量必须连接一个原子平衡位置到另一平衡位置。,在某一种晶体结构中，力学平衡位置很多，故柏氏矢量可取很多；但从能量条件看，由于位错能量正比于,b,2,，,柏氏矢量,b,越小越好。,正因为,b,既要符合结构条件又要符合能量条件，因而实际晶体中存在的位错的柏氏矢量限于少数最短的点阵矢量。,实际晶体中的位错,全位错与不全位错,柏氏矢量等于点阵矢量或其整数倍的位错称为“全位错”,，,其中柏氏矢量等于单位点阵矢量的位错称为“单位位错”，故全位错滑移后晶体原子排列不变。,把柏氏矢量不等于点阵矢量整数倍的位错称为“不全位错”,，,其中柏氏矢量小于点阵矢量的位错称为“部分位错”,。,不全位错一般表现为晶体原子堆垛层错区与无层错区的边界线，其滑移后原子排列发生变化。,常见金属晶体中的全位错和不全位错,层错,前面已讨论,fcc,结构晶体，密排面堆垛顺序为,ABCABC,以“,”,表示,AB,、,BC,、,CA,次序,用“”表示相反次序，即,BA,、,CB,、,AC,，,A B C A B C A B A B A,则,fcc,的正常堆垛顺序为, .,，,hcp,为, ,若在,fcc,中抽走一层,C,，则,A B C A B A B C A B C, , ,插入一层,A,，则,A B C A B AC A B C A B, , , ,即在“”处堆垛顺序发生局部错乱，出现堆垛层错，,前者为抽出型层错，后者为插入型层错，,可见,fcc,晶体中的层错可看成是嵌入了薄层密排六方结构。,层错是一种晶体缺陷，它破坏了晶体排列的周期性，引起能量升高。,产生单位面积的层错所需能量为“,层错能,”。,但层错的影响仅表现在,次近邻关系,，仅引起很少的点阵畸变，,故层错能相对晶界能（,510,-4,J/cm,2,）很小（如表,6-3,），,层错能愈小，出现层错的几率愈大。,层错的边界即为不全位错,。,表：,某些金属和合金的层错能,金属,Ni,Al,Cu,Au,Ag,黄铜（,Zn,的摩尔分数为 ）,不锈纲,层错能,/Jcm,-2,410,-5,210,-5,710,-6,6.610,-6,210,-6,3.510,-6,1.310,-6,图为,fcc,晶体的（ ）面，使,A,层以上原子相对于,C,层作滑移，,使,ABCAB,，此时滑移是不均匀的，滑移中止在晶体内部，,这样就在局部地区形成层错。与完整晶体的交界区为,Shockley,不全位错。,不全位错,层,错区与完整晶体的交界处,A,、肖克莱（,Shockley,）不全位错,（,1,）,（,2,） ，且垂直于位错线，为纯刃型，,也可为纯螺型或混合型,（,3,）可滑移，不能攀移，即可在具有堆垛层错的,111,面上滑移，引起层错面的扩散或收缩，但不能离开,层错面。,肖克莱（,Shockley,）不全位错,特征：,在,fcc,晶体中插入或抽走一层（,111,）面，就会形成堆垛层错。,若插入或抽走的只是一部分，层错与完整晶体边界即所谓,“,Frank,位错”。插入型弗兰克不全位错叫,正弗兰克不全位错,，,抽走型叫,负弗兰克不全位错,。,不全位错,层,错区与完整晶体的交界处,B,、弗兰克（,Frank,）不全位错,1,） ，,b,与层错面和位错线垂直，,故是纯刃型,2,）只能攀移，而攀移必须借助原子的扩散，故运动困难，,称为,固定位错,。,3,）不全位错的柏氏矢量亦可通过柏氏回路的方法确定，,但,回路的起点应选择在层错面上,。,弗兰克（,Frank,）不全位错,特征：,位错除相互作用外，还可能发生,分解或合成,，即位错反应。,位错反应有两个条件。,1,）,几何条件,：反应前各位错柏氏矢量之和应等于反应后各 之和,即,前,=,后,2,）,能量条件,：能量降低的过程,Eb,2, b,2,前,b,2,后,位错反应,*,.,判断下列位错反应能否进行：,（,1,）几何条件：,该位错反应不满足几何条件，所以反应不能进行。,（,2,）几何条件：,能量条件：,该位错反应满足几何条件但不满足能量条件，所以反应不能进行。,*.,若面心立方晶体中有 的单位位错及 的不全位错，此二位错相遇后发生位错反应。问：,(1),此位错反应能否进行？为什么？,(2),写出合成位错的柏氏矢量，并说明合成位错的性质。,解,:,几何条件,能量条件,属于弗兰克不全位错，,b,与层错面和位错线垂直，故是纯刃型。,3,面缺陷（,Plane Defect,）,晶 界,孪晶界,相 界,小角度晶界,大角度晶界,外表面,内表面,堆垛层错,表面和自由界面,晶体表面指金属与真空或气体、液体等外部介质相接触的界面,外部和内部原子的作用力不同,导致晶格畸变。,表面晶格畸变,能量升高,表面能,单位面积升高的能量称,表面能,影响表面能的主要因素,外部介质的性质,介质不同原子的相互作用力不同，表面能不同,裸露晶面原子密度,裸露面为密排面时，表面能最小,晶体表面的曲率,表面的曲率越大表面能越大,1,）晶体表面,2,）晶界（,Grain Boundary,）,1.,小角度晶界,2.,大角度晶界,10,以上一般在,30,40,，多晶体,10,下，单晶体 ，由位错构成,晶体结构相同但位向不同的晶粒之间的晶界界面称为晶界,q,D,b,/,q,小角度晶界,对称倾侧晶界,相邻晶粒各转,/ 2,，同号刃位错垂直排列,小角度晶界,不对称倾侧晶界,相互垂直的两组刃位错，垂直排列,小角度晶界,扭转晶界,两组螺位错构成,a,2,扭转晶界形成,扭,转,晶,界,大角度晶界,10,以上，一般在,30,40,亚晶界,一个晶粒内位向差很小的,亚结构间的交界,亚晶界,-,溶质原子优先聚集和第二相优先析出的地方可阻碍位错运动，影响材料力学性能,孪晶界,相邻两个晶界或一个晶粒内部相邻两部分的原子相对于一个公共晶面,呈镜面对称排列,相 界,相邻,两相,之间的界面,分类：,相界点阵完全重合,共格,相界点阵基本重合,部分共格,+,位错,半共格,相界点阵完全不重合,非共格,小角度晶界能,E,B,：可由位错模型计算,E,B,=E,0,（,A-ln,），,E,0,=Gb/4,（,1-,），,A=E,C,4,（,1-,）,/Gb,2,E,C,为位错中心能量,金属晶界能与晶粒位向差,的关系,晶界能,晶界上非正常结点位置原子引发晶格畸变，,使能量升高。,实线测量值、,虚线计算值小于,30,两者符合很好。,E,B,在小角时与位向敏感，大角度时为常数,晶界能,-,三个晶界平衡时有,E,1,/sin,1,=E,2,/sin,2,=E,3,/sin,3,晶界能应用,-,少量第二相形状,A,、第二相在基体晶粒内,与基体完全不共格或完全共格，呈球状,与基体只有一个共有晶面，为减少界面能，第二相呈园盘状或片状,B.,相界面上第二相形状,平衡时界面能的关系，,-,=2,-,cos/2,界面能,-,/,-,比值的大小决定第二相,形貌,=180 ,呈球状,=0 ,呈连续薄膜,0180,，可形成不同形状第二相,晶界能应用,-,少量第二相形状：,C.,二面角的用途,a,）杂质在金属压力加工中影响,Cu,中,Bi,有热脆是因为,Bi,低熔点液相薄膜分布,b,）粉末冶金烧结时润湿性：选,Co,与,WC,c,）对焊料影响：焊接时用助焊剂使焊料润湿被焊金属表面。,晶界能应用,-,少量第二相形状,界面的用途,生活,：衣着，外衣不浸润，不透水性，内衣浸润性好，吸汗,.,景观,：荷叶表面的水珠,农业,：杀虫剂，要求农药在叶面展开分布；,土壤吸水保水，水土保持,化学工业,：胶水，涂料，油漆，洗涤剂,.,写字，作画,：纸张与墨水,.,食物消化,：消化液与食物,建筑,：砌砖，混疑土,.,烹调,：灰面炸鸡,晶界特点：,1,） 晶界,畸变,晶界能,向低能量状态转化,晶粒长大、晶界变直,晶界面积减小,2,） 阻碍位错运动, ,b, ,细晶强化,3,） 位错、空位等缺陷多,晶界扩散速度高,4,） 晶界能量高、结构复杂,容易满足固态相变的条件,固态相变首先发生地,5,） 化学稳定性差,晶界容易受腐蚀,6,）,微量元素、杂质富集,总结,本章介绍了决定材料性能的两个根本性问题：,原子间的结合键和晶体结构,原子结合成分子或固体时，原子间产生的相互作用力，称为,结合键,。,根据电子围绕原子的分布方式不同，可将结合键分为,5,类,：,离子键、共价键、金属键、分子键及氢键,。,根据结合键的不同，我们通常把工程材料分为,金属材料、高分子（聚合物）材料及陶瓷材料,3,类。,除结合键，,晶体结构,是决定材料性能的又一根本性问题。在晶体材料的理想状态中，原子有着规则性的排列。,1,、建立了,晶体结构与空间点阵、晶格、晶胞,等概念；,2,、讨论了,晶体中晶面和晶向的概念及其表示方法,；,3,、指出了金属中常见的,bcc,，,fcc,，,hcp,三种典型的晶格类型,，陶瓷中常见的,氯化钠型结构和金刚石型结构,。,总结,实际晶体中的结构远远不是理想的，而是存在好多类型不同的缺陷，尽管这些缺陷很少，但这些缺陷极为重要。,按照几何特征，晶体中的缺陷可分为,点缺陷,（包括空位和间隙原子）、,线缺陷,（位错）和,面缺陷,（包括晶界、亚晶界等）。,点缺陷是热力学上一种,稳定的缺陷,。任何温度下，都有一定浓度的点缺陷存在；但过饱和的点缺陷，可使材料的屈服强度升高。点缺陷是,扩散及与扩散有关的塑性形变,、,化学热处理,、,相变,等过程的基础。,位错是晶体缺陷中极为重要的一种缺陷。主要讨论了,位错的特征,（分类）、,柏氏矢量的性质,、作用在位错上的,力,及位错的,运动,、位错周围的,应力场与应变能,、位错的,增殖,、,交割,等。,在面缺陷中，主要是认识晶界的结构和特性，因为,晶界对材料的力学、腐蚀、冶金性能,等影响很大。,要求,认识材料的,3,大类别,（金属、聚合物、陶瓷）及其,分类的基础,。,建立单位晶胞的概念，用以想象原子的空间排列。熟悉常见晶体中原子的规则排列形式，特别是,bcc,，,fcc,和,hcp,；还有,NaCl,结构和金刚石结构,。,掌握晶面、晶向指数的标定方法。,若给出晶体中具体的晶向、晶面时会标注“指数”；若给出具体的“指数”时，能在三维空间图上找出其位置。,认识晶体缺陷的基本类型、基本特征、基本性质。,注意位错线和柏氏矢量，位错线移动方向、晶体滑移方向与外加切应力之间的关系。了解位错应力场的特点及应变能的计算；位错的增殖、塞积和交割。了解晶界的特性和分类。,