緒論

第一章原子結(jié)構(gòu)與鍵合

第二章固體結(jié)構(gòu)

第三章晶體缺陷

第四章固體中原子及分子的運動

第五章材料的形變與再結(jié)晶

第六章單組元相圖及純晶體的凝固

第七章二元相圖及其合金的凝固

材料科學根底10/3/20231第三章晶體缺陷

Imperfections(defects)inCrystals

Itisthedefectsthatmakesmaterialssointeresting,justlikethehumanbeing.Defectsareattheheartofmaterialsscience.材料中的缺陷宏觀缺陷：孔洞，裂紋，氧化，微觀缺陷：晶體缺陷非晶體缺陷腐蝕，雜質(zhì)…10/3/20232實際晶體中的缺陷晶體缺陷：晶體中各種偏離理想結(jié)構(gòu)的區(qū)域根據(jù)幾何特征分為三類點缺陷〔pointdefect)三維空間的各個方向均很小零維缺陷(zero-dimensionaldefect)線缺陷〔linedefect)在二個方向尺寸均很小面缺陷〔planedefect)在一個方向上尺寸很小一維缺陷(one-dimensionaldefect)二維缺陷(two-dimensionaldefect)10/3/202333.1點缺陷點缺陷：空位、間隙原子、溶質(zhì)原子、和雜質(zhì)原子、+復合體〔如：空位對、空位-溶質(zhì)原子對〕1、點缺陷的形成〔productionofpointdefects)原因：熱運動：熱振動強度是溫度的函數(shù)能量起伏=〉原子脫離原來的平衡位置而遷移別處=〉空位(vacancy)Schottky空位，-〉晶體外表Frenkel空位，-〉晶體間隙空位消失或移位10/3/20234肖脫基缺陷——原子遷移到外表——僅在晶體內(nèi)部形成空位弗蘭克缺陷——原子遷移到間隙中——形成空位-間隙對雜質(zhì)或溶質(zhì)原子——間隙式〔小原子〕或置換式〔大原子〕*點缺陷分類：10/3/202353.2位錯–線缺陷實驗觀察：位錯的“線索〞或“影子〞晶體中的生長螺旋二維球泡陣列中的位錯變形晶體外表的滑移位錯概念的提出〔一〕10/3/20238單晶體強度：理論與實驗之間的巨大誤差理論值：根據(jù)剛性相對滑動模型得到tc=103~104MPa實驗值：tc=1~10MPa，相差甚遠位錯概念的提出〔二〕1934年，Taylor等提出位錯的概念，認為存在著某種缺陷--位錯，模型：位錯的運動〔逐步傳遞〕=>晶體的逐步滑移，計算證實理論屈服強度接近實驗值。后來實驗觀察到實際位錯。10/3/202393.2.1位錯的根本類型和特征a.刃型位錯edgedislocationb.螺型位錯screwdislocation根據(jù)幾何結(jié)構(gòu)特征：10/3/202310特征：1〕有一額外原子面，刃口處的原子列稱為位錯線。半原子面在上,正刃型位錯┻；下為負刃型位錯┳2〕刃位錯的位錯線不一定是直線，可以是折線，也可以是曲線，但位錯線必與滑移矢量垂直。3〕位錯線垂直于滑移矢量，位錯線與滑移矢量構(gòu)成的面是滑移面，刃位錯的滑移面是唯一的。4〕刃型位錯周圍的晶體產(chǎn)生畸變，上壓，下拉，半原子面是對稱的，位錯線附近畸變大，遠處畸變小。5〕位錯周圍的畸變區(qū)一般只有幾個原子寬〔一般點陣畸變程度大于其正常原子間距的1/4的區(qū)域?qū)挾?，定義為位錯寬度，約2~5個原子間距。〕*畸變區(qū)是狹長的管道，故位錯可看成是線缺陷。a.刃型位錯edgedislocation10/3/202311b.螺型位錯screwdislocation1〕無額外半原子面，原子錯排是軸對稱的2〕分左螺旋位錯，符合左手法那么；右螺旋位錯，符合右手法那么3〕位錯線與滑移矢量平行，且為直線，位錯線的運動方向與滑移矢量垂直4〕但凡以螺型位錯線為晶帶軸的晶帶所有晶面都可以為滑移面。5)點陣畸變引起平行于位錯線的切應變，無正應變。6〕螺型位錯是包含幾個原子寬度的線缺陷。位錯線bb’：已滑移區(qū)和未滑移區(qū)的邊界線特征：10/3/202312混合位錯滑移矢量既不平行也不垂直于位錯線，而是與位錯線相交成任意角度，一般混合位錯為曲線形式，故每一點的滑移矢量與位錯線的交角不同。位錯線不能終止于晶體內(nèi)部，只能露頭于晶體外表10/3/2023131。首先選定位錯的正向；(出紙面的方向)2。然后繞位錯線周圍作右旋閉合回路-------柏氏回路；在不含有位錯的完整晶體中作同樣步數(shù)和方向的路徑，3。由終點向始點引一矢量，即為此位錯線的柏氏矢量，記為3.2.2柏氏矢量〔BurgersVector〕1、柏氏矢量確實定刃型位錯10/3/202314各種位錯的柏氏矢量10/3/2023151、反映位錯周圍點陣畸變的總積累〔包括強度和方向〕2、該矢量的方向表示位錯運動導致晶體滑移的方向，而該矢量的模表示畸變的程度稱為位錯的強度。〔strengthofdislocation〕2、柏氏矢量的物理意義10/3/2023161、柏氏矢量的守恒性：與柏氏回路起點的選擇無關，也與回路的具體途徑無關2、柏氏矢量的唯一性：一根位錯線具有唯一的柏氏矢量，其各處的柏氏矢量都相同，且當位錯運動時，其柏氏矢量也不變。3、位錯的連續(xù)性：位錯線只能終止在晶體外表或界面上，而不能中止于晶體內(nèi)部〔單晶和多晶〕；在晶體內(nèi)部它只能形成封閉的環(huán)線或與其他位錯相交于結(jié)點上。3、柏氏矢量的特性10/3/202317柏氏矢量的大小和方向可用它在晶軸上的分量-------點陣矢量來表示在立方晶體中，可用于相同的晶向指數(shù)來表示：

4、柏氏矢量的表示法位錯強度位錯合并10/3/2023183.2.3位錯的運動人們?yōu)槭裁磳ξ诲e感興趣？大量位錯在晶體中的運動=〉晶體宏觀塑性變形力學性能如強度、塑性、斷裂都與位錯運動有關位錯運動的兩種根本形式：滑移和攀移10/3/202319滑移面：位錯線與柏氏矢量所在平面刃位錯的滑移面：位錯線與滑移矢量構(gòu)成的面是滑移面，刃位錯的滑移面是唯一的螺位錯的滑移面：但凡以螺型位錯線為晶帶軸的晶帶面都可以為滑移面1、位錯的滑移滑移：在外加切應力的作用下，通過位錯中心附近的原子沿柏氏矢量方向在滑移面上，不斷地作少量的位移〔小于一個原子間距〕10/3/202320滑移時，刃型位錯的運動方向始終垂直于位錯線，而平行于柏氏矢量刃型位錯的滑移僅限于單一的滑移面上10/3/202321螺型位錯的滑移螺型位錯的滑移不僅限于單一的滑移面上滑移時，螺型位錯的運動方向，垂直于位錯線和柏氏矢量板書：P9410/3/202322螺型位錯的交滑移：當某一螺型位錯在原滑移面上運動受阻時，從原滑移面轉(zhuǎn)移到與之相交的另一滑移面上去繼續(xù)滑移的過程。是滑移的一種特殊方式?；剖茏韬?，滑移面的轉(zhuǎn)移。涉及多個滑移面的滑移10/3/2023232、刃型位錯的攀移攀移：刃型位錯⊥滑移面←多余半原子面的擴大或縮小←原子或空位的擴散特點：(1)擴散需要熱激活，比滑移需要更大的能量(2)純剪應力不能引起體積變化，對攀移不起作用(3)高溫淬火等產(chǎn)生過飽和空位，有利于攀移進行。

10/3/2023243、運動位錯的相互作用-交割〔略〕交割：位錯與穿過其滑移面的位錯彼此切割意義：有利于晶體強化及空位和間隙原子的產(chǎn)生。10/3/202325割階與扭折JogandKink所有的割階都是刃位錯；扭折可以是刃位錯也可以是螺位錯攀移會形成割階：已攀移段與未攀移段之間的臺階割階與扭折的定義：板書圖3.1710/3/2023263.2.4位錯的彈性性質(zhì)〔略〕10/3/2023273.2.5位錯的生成和增殖位錯密度：單位體積中的位錯線的總長度。r=L/V〔1/cm2〕〔1〕r=nl/lA=n/A〔2〕〔實際計算：面積A中所見的位錯線數(shù)目〕〔2〕<〔1〕金屬晶體中的位錯密度：超純金屬單晶體：<103/cm2充分退火的金屬多晶體：106~108/cm2劇烈冷變形的金屬：

1010~1012/cm21、位錯的密度10/3/2023282、位錯的生成-Important晶體凝固過程中產(chǎn)生的位錯：

1、凝固過程雜質(zhì)原子不均勻分布=>成分不同=>晶塊點陣常數(shù)不同=>位錯過渡2、溫度濃度梯度、振動=>生長晶體偏轉(zhuǎn)、彎曲=>位相差=>位錯過渡3、相鄰晶粒碰撞、體積變化、熱應力=>臺階或變形=>產(chǎn)生位錯快速凝固=>過飽和空位=>聚集=>位錯熱應力和組織應力=>界面和微裂紋處應力集中=>局部滑移=>位錯10/3/2023293、位錯的增殖事實上：密度增加，可達4-5個數(shù)量級-位錯因此，必有增殖！位錯滑移到外表=>宏觀變形〔減少？〕10/3/202330F-R源動作過程刃位錯AB的兩端A和B被位錯用結(jié)點釘扎住m,n兩處同屬純螺型位錯，但位錯性質(zhì)恰好相反，兩者相遇時，彼此便會抵消，這使原來整根位錯線斷開成兩局部，外面為封閉的位錯環(huán)，里面為一段連接A和B的位錯線，在線張力作用下變直恢復到原始狀態(tài)。在外力的繼續(xù)作用下，它將重復上述過程，每重復一次就產(chǎn)生一個位錯環(huán)，從而造成位錯的增殖，并使晶體產(chǎn)生可觀的滑移量。F－R位錯增殖機制已為實驗所證實：Si，Al-Cu…晶體中觀察到主要增殖機制：Frank-Read位錯源其它增殖機制：

1、雙交滑移增殖；2、攀移增殖10/3/2023313.2.6實際晶體結(jié)構(gòu)中的位錯〔略〕簡單立方晶體：柏氏矢量=點陣矢量實際晶體：柏氏矢量=，>,<點陣矢量全位錯〔perfectdislocation：柏氏矢量=n*點陣矢量n=1時:單位位錯不全位錯〔imperfectdislocation):柏氏矢量!=n*點陣矢量n<1時:局部位錯(partialdislocation)1、實際晶體中位錯的柏氏矢量10/3/2023323.3外表及界面〔面缺陷〕界面包括：外外表〔自由外表〕和內(nèi)界面外表：固體與氣體或液體的分界面。對于低維材料很重要內(nèi)界面：晶粒邊界、晶粒內(nèi)的亞晶界、孿晶界、層錯、相界面〔不同結(jié)構(gòu)，如固溶體與中間相的界面〕界面厚度為幾個原子層厚，原子排列于成分不同于內(nèi)部—二維面缺陷10/3/2023333.3.1外外表外表特征：**晶體中的外表張力是各向異性的**外表能與晶體外表原子排列致密度有關，一般為原子密度最大的面–密排面**外表能還與曲率有關：曲率越大，外表能越大〔比方納米粉體〕10/3/2023343.3.2晶界和亞晶界晶界定義：組成晶體的多個晶粒中，屬于同一固相〔具有相同結(jié)構(gòu)〕、但位向不同的晶粒之間的界面。大角度晶界和小角度晶界的區(qū)別。10o為界10/3/202335亞晶界定義：每個晶粒有時由位向稍有差異的亞晶粒組成，相鄰亞晶粒間的界面。事實上，每個晶粒中還可分成假設干個更為細小的亞晶粒〔0.001mm〕，亞晶粒之間存在著小的位相差，相鄰亞晶粒之間的界面成為亞晶界。亞晶粒更接近于理想的單晶體。位相差一般小于2o，屬于小角度晶界，具有晶界的一般特征。10/3/2023361、小角度晶界的結(jié)構(gòu)10/3/202337A、對稱傾斜晶界10/3/202338B、不對稱傾斜晶界兩個自由度10/3/202339C、扭轉(zhuǎn)晶界***一般小角度晶界都可看成兩局部晶體繞某一軸旋轉(zhuǎn)一角度而形成，不過該轉(zhuǎn)軸即不平行也不垂直晶界，故可看成一系列刃位錯，螺位錯或混合位錯的網(wǎng)絡組成。10/3/2023402、大角度晶界的結(jié)構(gòu)臺階模型〔左圖〕*相鄰晶粒在交界處的形狀不是光滑的曲面，而是由不規(guī)那么臺階組成的，A,B,C,D特征區(qū)域

重合位置點陣模型〔右圖〕**晶界能較低**特殊位向*晶界可看成是好區(qū)與壞區(qū)交替相間組合而成的。*一般大角度晶界的寬度一般不超過三個原子間距。10/3/2023413、晶界能晶界能：等于接口區(qū)單位面積的能量減去無界面時該區(qū)單位面積的能量。也可看成由于晶界上點陣畸變增加的那局部額外自由能。在純金屬中在合金中晶介面積A改變而引起的晶粒內(nèi)i組元原子數(shù)的改變10/3/202342小角度晶界的界面能：P127單位長度刃型位錯的能量：

而令那么

，故小角度晶界能g是相鄰兩晶粒之間位相差q的函數(shù)，隨位向差增加而增大。〔3.42〕10/3/202343大角度晶界的界面能大角度晶界能與晶粒間的位向差無關，以界面張力形式表現(xiàn)?？赏ㄟ^測定界面交角求出其相對值：如圖3.69，三個晶粒相遇，在到達平衡時，在o點處接口張力必須到達力學平衡故測得在平衡狀態(tài)下，三叉晶界的各面角均趨于最穩(wěn)定的120°。圖3.6910/3/2023444、晶界的特性〔Important〕1〕晶界處點陣畸變變大，存在晶界能，故晶粒長大和晶界平直化是一個自發(fā)過程2〕晶界處原子排列不規(guī)那么→阻礙塑性變形→Hb，sb↑〔細晶強化〕3〕晶界處存在較多缺陷〔位錯、空位等〕→有利原子擴散4〕晶界能量高→固態(tài)相變先發(fā)生，d↓形核率↑5〕成分偏析和內(nèi)吸附，又富集雜質(zhì)原子→晶界熔點低→“過燒〞現(xiàn)象6〕晶界能高→晶界腐蝕速度↑10/3/2023453.3.3孿晶界Twinboundary孿晶——指兩個晶體〔或一個晶體的兩局部〕沿一個公共晶面構(gòu)成對稱的位相關系，這兩個晶體就稱為孿晶，這個公共的晶面即成為孿晶面共格孿晶界：即孿晶面，其上的原子同時位于兩側(cè)晶體點陣的節(jié)點上，為兩者共有。無畸變的完全共格界面，界面能〔約為普通晶界能1/10〕很低很穩(wěn)定非共格孿晶界：孿晶界相對于孿晶面旋轉(zhuǎn)一角度，其上的原子只有局部為兩者共有，原子錯排較嚴重，孿晶能量相對較高，約為普通晶界的1/2孿晶界圖見講義10/3/202346孿晶的形成孿晶的形成與堆垛層錯密度相關，如fcc的{111}面發(fā)生堆垛層錯時為ABCACBACBA△△△△△△△→△△△▽▽▽▽▽