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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,*,晶体缺陷,晶体中的缺陷概论,晶体缺陷：即使在每个晶粒的内部，也并不完全象晶体学中论述的,(,理想晶体,),那样，原子完全呈现周期性的规则重复的排列。,实际晶体中原子排列与理想晶体的差别称为晶体缺陷。,晶体中的缺陷的数量相当大，但因原子的数量很多，在晶体中占有的比例还是很少，材料总体具有晶体的相关性能特点，而缺陷的数量将给材料的性能带来巨大的影响。,晶体中的缺陷概论,晶体缺陷按范围分类：,点缺陷,在三维空间各方向上尺寸都很小，在原子尺寸大小的晶体缺陷。,线缺陷,在三维空间的一个方向上的尺寸很大,(,晶粒数量级,),，另外两个方向上的尺寸很小,(,原子尺寸大小,),的晶体缺陷。其具体形式就是晶体中的位错,Dislocation,面缺陷,在三维空间的两个方向上的尺寸很大,(,晶粒数量级,),，另外一个方向上的尺寸很小,(,原子尺寸大小,),的晶体缺陷。,第一节 点缺陷,点缺陷：,在三维空间各方向上尺寸都很小，在原子尺寸大小的晶体缺陷。,一、点缺陷的类型,：,空位,在晶格结点位置应有原子的地方空缺，这种缺陷称为,“,空位,”,。,间隙原子,在晶格非结点位置，往往是晶格的间隙，出现了多余的原子。它们可能是同类原子，也可能是异类原子。,异类原子,在一种类型的原子组成的晶格中，不同种类的原子替换原有的原子占有其应有的位置。,三、点缺陷与材料行为,空位和间隙原子的,扩散,是晶体内原子扩散的内部原因，原子和分子的扩散就是依靠点缺陷的运动而实现的。,点缺陷还可以造成,金属物理性能与力学性能的变化。,最明显的是引起电阻的增加。,第二节 位错的基本概念,线缺陷：,在三维空间的一个方向上的尺寸很大,(,晶粒数量级,),，另外两个方向上的尺寸很小,(,原子尺寸大小,),的晶体缺陷。其具体形式就是晶体中的位错,Dislocation,一、位错的原子模型,将晶体的上半部分向左移动一个原子间距，再按原子的结合方式连接起来,(b),。除分界线附近的一管形区域例外，其他部分基本都是完好的晶体。在分界线的上方将多出半个原子面，这就是,刃型位错,。,一、位错的原子模型,若将上半部分向上移动一个原子间距，之间插入半个原子面，再按原子的结合方式连接起来，得到和,(b),类似排列方式,(,转,90,度,),，这也是刃型位错。,一、位错的原子模型,位错的形式,：,若将上半部分向上移动一个原子间距，之间插入半个原子面，再按原子的结合方式连接起来，得到和,(b),类似排列方式,(,转,90,度,),，这也是刃型位错。,二、柏氏矢量,确定方法：首先在原子排列基本正常区域作一个包含位错的回路，也称为柏氏回路，这个回路包含了位错发生的畸变。然后将同样大小的回路置于理想晶体中，回路当然不可能封闭，需要一个额外的矢量连接才能封闭，这个矢量就称为该位错的柏氏,(Burgers),矢量。,说明：这是一个并不十分准确的定义方法。柏氏矢量的方向与位错线方向的定义有关，应该首先定义位错线的方向，再依据位错线的方向来定柏氏回路的方向，再确定柏氏矢量的方向。在专门的位错理论中还会纠正。,三、位错的运动,滑移面,：过位错线并和柏氏矢量平行的平面,(,晶面,),是该位错的滑移面。,位错的滑移运动,：位错在滑移面上的运动。,三、位错的运动,螺型位错的滑移：在图示的晶体上施加一切应力，当应力足够大时，有使晶体的左右部分发生上下移动的趋势。假如晶体中有一螺型位错，显然位错在晶体中向后发生移动，移动过的区间右边晶体向下移动一柏氏矢量。因此，螺位错也是在外加切应力的作用下发生运动；位错移动的方向总是和位错线垂直；运动位错扫过的区域晶体的两部分发生了柏氏矢量大小的相对运动,(,滑移,),；位错移过部分在表面留下部分台阶，全部移出晶体的表面上产生柏氏矢量大小的完整台阶。这四点同刃型位错。,三、位错的运动,刃、螺型位错滑移的比较：,因为位错线和柏氏矢量平行，所以螺型位错可以有多个滑移面，螺型位错无论在那个方向移动都是滑移。,晶体两部分的相对移动量决定于柏氏矢量的大小和方向，与位错线的移动方向无关。,三、位错的运动,综合位错的运动,：以位错环为例来说明。在一个滑移面上存在一位错环，如图所示，简化为一多边型。前后为刃位错，在切应力,的作用下，后部的半原子面在上方向后移动；前部的半原子面在下方，向前运动。左右为螺位错，但螺旋方向相反，左边向左，右边向右运动；其他为混合位错，均向外运动。所有运动都使上部晶体向后移动了一个原子间距。所有位错移出晶体，整个晶体上部移动了一个原子间距。可见无论那种位错，最后达到的效果是一样的。如果外加切应力相反，位错环将缩小，最后消失。位错环存在时，环所在区间原子已经偏后一原子间距，环缩小到消失，表明这个偏移的消失，而环扩大表明其他区间向后移动。可见位错的运动都将使扫过的区间两边的原子层发生柏氏矢量大小的相对滑动。,三、位错的运动,刃位错的攀移运动：,刃型位错在垂直于滑移面方向上的运动。刃位错发生攀移运动时相当于半原子面的伸长或缩短，通常把半原子面缩短称为正攀移，反之为负攀移。,滑移时不涉及单个原子迁移，即扩散。,刃型位错发生正攀移将有原子多余，大部分是由于晶体中空位运动到位错线上的结果，从而会造成空位的消失；而负攀移则需要外来原子，无外来原子将在晶体中产生新的空位。空位的迁移速度随,温度,的升高而加快，因此刃型位错的攀移一般发生在温度较高时；另外，温度的变化将引起晶体的平衡空位浓度的变化，这种空位的变化往往和刃位错的攀移相关。切应力对刃位错的攀移是无效的，正应力的存在有助于攀移,(,压应力有助正攀移，拉应力有助负攀移,),，但对攀移的总体作用甚小。,作用在位错上的力,F,ds,dl,dw=,(dsdl)b,dw,=Fds,Fd=F/dl=,b,单位长度位错线上的力,位错密度,单位体积晶体中所包含的位错线的总长度,=S/V,穿越单位截面积的位错线的数目,=n/A,常规方法生产的金属都含有相当数量的位错,位错密度较低,-10,9,-10,10,m/m,3,即,10,3,-10,4,m/cm,3,(,精心制备）,强度远比理想晶体低,位错密度较高,-10,14,-10,16,m/m,3,，冷变形等情况,强度反而大大增强。（位错线相互缠结）,不含位错或位错密度极低,-10m/cm,3,尺寸极细晶须（直径仅为几微米）,四、位错的观察,位错在晶体表面的露头,抛光后的试样在侵蚀时，由于易侵蚀而出现侵蚀坑，其特点是坑为规则的多边型且排列有一定规律。只能在晶粒较大，位错较少时才有明显效果。,薄膜透射电镜观察 将试样减薄到几十到数百个原子层,(500nm,以下,),，利用透射电镜进行观察，可见到位错线。,一、位错的应变能,第三节,位错的弹性特征,位错应变能的大小，以单位长度位错线上的应变能来表示，单位为,J,M,-1,。,在数值上,U=Gb,2,，其中,b,为柏氏矢量的大小，,G,为材料的剪切变模量。,为常数，螺位错为,0.550.73,，常用,0.5,来简算；刃型位错为,0.811.09,，常用,1.0,来简算。,由于位错存在应变能，为减小这能量，位错线的分布一方面在可能的情况下尽量减小单位长度上的能量，由位错结果决定的，只要晶体结构条件容许，柏氏矢量尽量小。另一方面就是减小位错线的长度，两点之间只要结构容许，以直线分布。好像沿位错线两端作用了一个线张力。线张力和位错的能量在数量上是等价的。,位错的线张力,位错在空间呈网络状分布,T,T,ds,R,d,b,=Gb/2R,位错的应力场,压应力,拉应力,切应力,切应变,=b/2,r,切应力,=G b/2,r,三、位错间的交互作用,每条位错线周围存在应力场，对附近的其他位错有力的作用和影响，这个影响较复杂，下面仅对简单情况加以说明。,一对在同一滑移面上平行刃位错，当其方向相同时，表现为互相排斥，有条件时相互移动来增加其距离。当其方向相反时，表现为互相吸引，有条件时相互靠近，最后可能互相中和而消失。,位错的分解和合成,位错反应,-,一根位错自发分解为几根位错,几根位错自发合成为一根位错,条件：,（,1,）几何条件,b,前,=,b,后,（,2,）能量条件,b,2,前,b,2,后,b1=2a,b2=a,b3=a,大位错分解为小位错的情况,一、晶界,2.,晶界的结构：,根据晶界两侧晶粒的位向差不同，晶界的结构大致可分为二类。,1.,晶界：,晶界就是空间取向,(,或位向,),不同的相邻晶粒之间的分界面。,1,）小角度晶界,晶界两侧的晶粒位向差很小。可看成是一系列刃位错排列成墙，晶界中位错排列愈密，则位向差愈大。,一、晶界,2,）大角度晶界,晶界两侧的晶粒位向差较大，不能用位错模型。关于大角度晶界的结构说法不一，晶界可视为,2,3(5),个原子的过渡层，这部分的原子排列尽管有其规律，但排列复杂，暂以相对无序来理解。,一、晶界,3.,晶界能：,晶界面上的原子相对正常晶体内部的原子而言，均处于较高的能量状态，因此，晶界也存在界面能。,小角度晶界的晶界能随位向差的增大而提高。,大角度晶界的晶界能可以近似看成材料常数，与材料的弹性模量有很好的对应关系。,二、表面及表面能,1.,晶体的表面,：就是晶体的外表面，一般是指晶体与气体,(,气相或液相,),的分界面。,2.,晶体的表面能：,同体积晶体的表面高出晶体内部的能量称为晶体的表面自由能或表面能。计量单位为,J/m,2,。表面能就是表面张力，单位为,N/m,。晶体的表面能在有些意义和大家已知液体表面张力是一样的。,二、表面及表面能,3.,表面能的来源：,材料表面的原子和内部原子所处的环境不同，内部在均匀的力场中，能量较低，而表面的原子有一个方向没有原子结合，处在与内部相比较高的能量水平。另一种设想为一完整的晶体，按某晶面为界切开成两半，形成两个表面，切开时为破坏原有的结合键单位面积所吸收的能量。由于不同的晶面原子的排列方式不同，切开破坏的化学键的量也不同，所以用不同的晶面作表面对应的表面能也不相同，一般以原子的排列面密度愈高，对应的表面能较小。,二、表面及表面能,4.,表面能与晶体形状之间的关系：,在晶体形成的过程中，为了使系统的自由能最低，尽量降低表面的总能量，即,A,最小。为此一方面尽量让,最小的晶面为表面，当然也可能是表面能略高但能明显减小表面积的晶面为表面。例如,fcc,结构的晶体自由生长就为,14,面体。,5.,粗糙表面与平滑表面：,晶体的表面在宏观为一能量较低的平面，但表面原子的缺陷，局部表面原子的缺少或部分表面有多余原子，以表面存在的阵点数与实有原子数的比,x,来表示，这些缺陷的存在可提高表面的熵，是必然存在的。每种材料有特定的,x,值下表面能最低，其中,x=0.5,的表面稳定的称为粗糙表面，大多数的金属材料是属于粗糙表面；,x,值仅在,0,或,1,附近稳定的称为平滑表面，大多是非金属材料。,三、表面吸附与晶界内吸附,吸附是指外来原子或气体分子在界面富集的现象,原因,:,抵消表面原子的不平衡力场。,固体表面吸附按其作用力的性质：,物理吸附和化学吸附,三、表面吸附与晶界内吸附,在材料的研究中，发现少量杂质或合金元素在晶体内部的分布也是不均匀的，它们常偏聚于晶界，称这种现象为,晶界内吸附,。,产生的原因可参见位错与点缺陷的作用，一般杂质原子与晶体的尺寸或性质差别愈大，这种偏聚愈严重。,四、润湿行为与晶界的平衡形貌,平衡形貌：,以二维空间为例，可以理解三维的状态。,作用原理：,系统以减小界面的总能量来减小体系的自由能。,1.,为维持界面能的平衡，三晶粒交会点应满足图中公式的关系。均为大角晶界时应互为,120,度角，注意，在显微镜下截面不一定垂直三晶交线而有一定的差别。,2.,第二相处于晶界时，一方面界面能不相等，另一方面为减小总界面能，形成图示的透镜状，其中二切线的夹角,，且调整到满足,3.,第二相处于三晶粒交会处时，依接触角不同其形状也不同。,夹角,则称为接触角,(,也称润湿角,),。,3.,多晶体材料的晶界均属于大角晶界，界面能大致相
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