1、.,1,1,二、金屬晶體結(jié)構(gòu)及幾何特征,1.常見的三種晶體結(jié)構(gòu),面心立方,體心立方,密排六方,僅是晶體結(jié)構(gòu)，不是點(diǎn)陣,簡(jiǎn)單六方,.,2,2,配位數(shù)：,1)面心立方（fcc或A1）,晶胞原子數(shù)：,1/88,1/26,4,點(diǎn)陣常數(shù)：,最近原子間距：,方向,12,致密度：,.,3,3,2)體心立方（bcc或A2）,晶胞原子數(shù)：,1/88,1,2,點(diǎn)陣常數(shù)：,最近原子間距：,方向,配位數(shù)：,8,致密度：,.,4,4,3)密排六方（hcp或A3）,晶胞原子數(shù)：,1/612,1/22,點(diǎn)陣常數(shù)：,最近原子間距：,配位數(shù)：,66,致密度：,3,6,方向,.,5,5,2晶體結(jié)構(gòu)中的間隙,八面體間隙尺寸：,1）

2、面心立方,八面體間隙數(shù)目：1/412+1=4,.,6,6,四面體間隙尺寸：,四面體間隙數(shù)目：18=8,.,7,7,八面體間隙尺寸：,2）體心立方,八面體間隙數(shù)目：1/26+1/412=6扁八面體,.,8,8,四面體間隙尺寸：,四面體間隙數(shù)目：1/246=12,.,9,9,四面體間隙數(shù)目：1/312+1610,3）密排六方,八面體間隙數(shù)目：16=6,.,10,10,4）綜合比較,fcc與hcp相比，間隙尺寸相同，分布位置不同。fcc與bcc相比，間隙數(shù)量少，致密度大。,注：bcc晶體的八面體間隙是扁八面體，故雖然其間隙數(shù)量多，但溶解異類小原子的能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及fcc晶體。,.,11,11,1.離子晶

3、體結(jié)構(gòu),負(fù)離子配位多面體規(guī)則鮑林第一規(guī)則電價(jià)規(guī)則鮑林第二規(guī)則關(guān)于負(fù)離子多面體共用點(diǎn)、棱的規(guī)則鮑林第三規(guī)則,.,12,12,NaCl型CsCl型立方ZnS型（閃鋅礦）六方ZnS型（纖鋅礦）CaF2型（螢石）TiO2型（金紅石）,二元離子晶體不等徑剛球密堆理論,.,13,13,2.共價(jià)晶體結(jié)構(gòu)（原子晶體）,金剛石型（單質(zhì)型）ZnS型（AB型）SiO2型（AB2型）,.,14,14,第三節(jié)原子的不規(guī)則排列,晶體中的缺陷原子排列偏離完整性的區(qū)域,點(diǎn)缺陷在三個(gè)方向上尺寸都很小線缺陷在二個(gè)方向上尺寸很小面缺陷在一個(gè)方向上尺寸很小,.,15,15,一、點(diǎn)缺陷,包括空位、間隙原子、雜質(zhì)或溶質(zhì)原子,1.形成,局

4、部點(diǎn)陣畸變,原子熱振動(dòng),克服約束，遷移到新的位置,空位、間隙原子,.,16,16,肖脫基缺陷原子遷移到表面僅形成空位弗蘭克缺陷原子遷移到間隙中形成空位-間隙對(duì)雜質(zhì)或溶質(zhì)原子間隙式（小原子）或置換式（大原子）,2.分類,.,17,17,3.點(diǎn)缺陷的平衡濃度,Ne平衡空位數(shù)N原子總數(shù)Ev每增加一個(gè)空位的能量變化k玻爾茲曼常數(shù)T絕對(duì)溫度,其中：A由振動(dòng)熵決定的系數(shù)，取110，通常取1。T-C,.,18,18,附加電子散射電阻,4.點(diǎn)缺陷對(duì)晶體性能的影響,間隙原子體積膨脹12個(gè)原子體積空位體積膨脹0.5個(gè)原子體積,屈服強(qiáng)度對(duì)擴(kuò)散、內(nèi)耗、高溫形變和熱處理等過(guò)程有重要影響。,.,19,19,位錯(cuò)逐排依次運(yùn)

5、動(dòng)塑變,原子面整體滑移塑變,理論強(qiáng)度遠(yuǎn)大于實(shí)測(cè)值,探求新理論位錯(cuò)理論,計(jì)算強(qiáng)度值實(shí)測(cè)值,二、線缺陷,.,20,20,1)刃位錯(cuò),1.位錯(cuò)基本類型,多出（或少了）半排原子面,用（或）表示,刃位錯(cuò),正：上壓下拉負(fù)：上拉下壓,.,21,21,原子面部分錯(cuò)動(dòng)一個(gè)原子間距,螺位錯(cuò),不吻合過(guò)渡區(qū),純剪切應(yīng)力區(qū),2)螺位錯(cuò),.,22,22,3)混合位錯(cuò),刃型位錯(cuò)分量螺型位錯(cuò)分量,.,23,23,.,24,2004-7-18,西北工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)基礎(chǔ)CAI課件王永欣主編,24,2.柏氏矢量,反映位錯(cuò)區(qū)畸變的方向與程度,1)柏氏矢量的求法,（1）包含位錯(cuò)線做一封閉回路,柏氏回路,（2）將同樣的回路置于完整晶體中

6、,不能閉合,（3）補(bǔ)一矢量（終點(diǎn)指向起點(diǎn)）使回路閉合,柏氏矢量,.,25,25,（1）包含位錯(cuò)線做一封閉回路柏氏回路（2）將同樣的回路置于完整晶體中不能閉合（3）補(bǔ)一矢量（終點(diǎn)指向起點(diǎn)）使回路閉合柏氏矢量,.,26,2004-7-18,西北工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)基礎(chǔ)CAI課件王永欣主編,26,（1）滿足右螺旋規(guī)則時(shí)，柏氏矢量與柏氏回路路徑無(wú)關(guān)唯一性（2）用柏氏回路求得的柏氏矢量為回路中包圍的所有位錯(cuò)柏氏矢量的總和（矢量和）可加性（3）同一位錯(cuò)，柏氏矢量處處相同同一性,2）柏氏矢量特性,.,27,27,3）柏氏矢量表示法,對(duì)于立方晶系a=b=c,模：,例：,.,28,28,例：,例：,.,29,29,

7、4）三種位錯(cuò)柏氏矢量的特點(diǎn),刃位錯(cuò),垂直,主要是正應(yīng)力,螺位錯(cuò),平行,純剪應(yīng)力,混合位錯(cuò),一定角度,復(fù)雜,.,30,30,5）位錯(cuò)正、負(fù)（左、右）的確定,刃位錯(cuò)：有晶體圖時(shí)用右手法則中指b方向，食指位錯(cuò)線方向，拇指：上正下負(fù)無(wú)晶體圖時(shí)用旋轉(zhuǎn)法b順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)90，與位錯(cuò)線方向：順正逆負(fù),人為規(guī)定位錯(cuò)線方向,.,31,31,螺位錯(cuò)：有晶體圖時(shí)與螺紋判斷方法一致左手左螺，右手右螺無(wú)晶體圖時(shí)用旋轉(zhuǎn)法b與位錯(cuò)線方向：順右逆左,正負(fù)（左右）均為相對(duì)而言，位錯(cuò)線方向改變，正負(fù)、左右隨之改變。,.,32,32,3.位錯(cuò)密度,單位體積晶體中所有位錯(cuò)線的總長(zhǎng)度,穿過(guò)單位截面積的位錯(cuò)線數(shù)目（穿過(guò)單位面積的位錯(cuò)線根數(shù)

8、，將位錯(cuò)簡(jiǎn)化為直線）,cm/cm3,1/cm2,.,33,33,.,34,34,.,35,35,a）位錯(cuò)逐排依次前進(jìn)，實(shí)現(xiàn)兩原子面的相對(duì)滑移；b）滑移量=柏氏矢量的模；c）外力/b，位錯(cuò)線，位錯(cuò)線運(yùn)動(dòng)方向/d）一定時(shí)，正、負(fù)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)方向相反，但最終滑移效果相同；e)滑移面唯一。,.,36,36,正刃,負(fù)刃,左螺,右螺,.,37,37,位錯(cuò)滑移特征比較,一定角度,/,法線,一定角度,混合位錯(cuò),無(wú)限多個(gè),/,/,法線,/,螺位錯(cuò),唯一,/,法線,刃位錯(cuò),.,38,38,2）攀移,（1）方式,原子擴(kuò)散離開（到）位錯(cuò)線半原子面縮短（伸長(zhǎng)）正（負(fù)）攀移,空位擴(kuò)散離開（到）位錯(cuò)線半原子面伸長(zhǎng)（縮短）負(fù)（正

9、）攀移,.,39,39,（2）特點(diǎn),a）刃位錯(cuò)垂直于滑移面運(yùn)動(dòng)非守恒運(yùn)動(dòng)b）屬擴(kuò)散過(guò)程需熱激活高溫易出現(xiàn),（3）作用,原滑移面上運(yùn)動(dòng)受阻攀移新滑移面滑移繼續(xù),攀移只能是刃位錯(cuò)才能發(fā)生,說(shuō)明：攀移不是塑性變形的主要機(jī)制可避開障礙物便于滑移結(jié)論：攀移能力影響滑移進(jìn)行進(jìn)一步影響塑變能力,.,40,40,3）交滑移,（1）方式,.,41,41,（2）特點(diǎn),（3）作用,原滑移面上運(yùn)動(dòng)受阻交滑移新滑移面滑移繼續(xù),交滑移只能是螺位錯(cuò)才能發(fā)生,說(shuō)明：交滑移不是塑變的主要機(jī)制可避開障礙物便于滑移結(jié)論：交滑移能力影響滑移進(jìn)行進(jìn)一步影響塑變能力,交滑移仍在滑移面滑移守恒運(yùn)動(dòng),.,42,42,攀移與交滑移比較,攀移：

10、,只能刃位錯(cuò),非守恒運(yùn)動(dòng),避開障礙物的方式,交滑移：,只能螺位錯(cuò),守恒運(yùn)動(dòng),.,43,43,5.位錯(cuò)的力學(xué)性質(zhì),1）位錯(cuò)應(yīng)力場(chǎng)與應(yīng)變能,（1）應(yīng)力分量與應(yīng)變分量,完全彈性體，服從虎克定律各向同性連續(xù)介質(zhì)，可以用連續(xù)函數(shù)表示,對(duì)位錯(cuò)線周圍r0以內(nèi)部分不適用畸變嚴(yán)重，不符合上述基本假設(shè),.,44,44,（a）單元體應(yīng)力分量,正應(yīng)力：xx，yy，zz切應(yīng)力：xy=yx，xz=zx，yz=zy,xy作用面垂直于x，方向?yàn)閥,.,45,45,（b）單元體應(yīng)變分量,正應(yīng)變：xx，yy，zz切應(yīng)變：xy=yx，xz=zx,.,46,46,（c）柱坐標(biāo)下分量,正應(yīng)力：zz，rr，切應(yīng)力：z=z，zr=rz，r

11、=r,與直角坐標(biāo)的關(guān)系：,.,47,47,（2）位錯(cuò)應(yīng)力場(chǎng),（a）螺位錯(cuò)應(yīng)力場(chǎng),模型建立：,結(jié)果：,說(shuō)明：,僅有z方向的切應(yīng)力，無(wú)正應(yīng)力。切應(yīng)力與無(wú)關(guān)，隨r增大而減小?；癁橹苯亲鴺?biāo)時(shí)，僅存在與z有關(guān)的切應(yīng)力。,厚壁圓桶沿徑向切開沿z方向錯(cuò)動(dòng)b膠合,.,48,48,（b）刃位錯(cuò)應(yīng)力場(chǎng),模型建立：,結(jié)果：,說(shuō)明：,既有正應(yīng)力，也有切應(yīng)力。與z軸有關(guān)的切應(yīng)力均為零。,厚壁圓桶沿徑向切開沿x軸錯(cuò)動(dòng)|b|膠合,.,49,49,（3）位錯(cuò)應(yīng)變能,單位長(zhǎng)度螺位錯(cuò)應(yīng)變能：,單位長(zhǎng)度刃位錯(cuò)應(yīng)變能：,單位長(zhǎng)度混合位錯(cuò)應(yīng)變能：,其中：,.,50,50,（a）比較,wEwS,（b）一般公式,其中：為幾何因素系數(shù)，約0

12、.51.0,.,51,51,（c）小結(jié),位錯(cuò)點(diǎn)陣畸變應(yīng)變能,bw位錯(cuò)能量越穩(wěn)定,.,52,52,（d）螺位錯(cuò)應(yīng)變能公式的推導(dǎo),柱坐標(biāo)下單位體積應(yīng)變能為：,對(duì)于螺位錯(cuò)僅有z不為零,故，對(duì)體積為V（長(zhǎng)為L(zhǎng)）的螺位錯(cuò)有,.,53,53,即：,積分,得：,.,54,54,2）作用在位錯(cuò)線上的力與位錯(cuò)線張力,（1）作用在位錯(cuò)線上的力,.,55,55,（a）公式推導(dǎo),外力使長(zhǎng)為l的位錯(cuò)移動(dòng)了ds，作功dw1,假想有一力F作用于位錯(cuò)上，則F作功dw2,有,單位長(zhǎng)度位錯(cuò)線上的力：,.,56,56,（b）說(shuō)明,Fd，F(xiàn)dbFd位錯(cuò)線，指向未滑移區(qū)Fd為假象力，其方向與不一定一致。（如螺位錯(cuò)Fd）,.,57,57

13、,（2）位錯(cuò)線張力,位錯(cuò)受力,彎曲,伸長(zhǎng),線張力,位錯(cuò)變直,能量,能量,（a）線張力的概念,（b）作用,使位錯(cuò)變直降低位錯(cuò)能量相當(dāng)于物質(zhì)彈性稱之為位錯(cuò)彈性性質(zhì)類似于液體的表面張力。,.,58,58,（c）公式,C曲線形狀因子,.,59,59,（d）實(shí)例兩端固定位錯(cuò)在下彎曲的問(wèn)題,使位錯(cuò)彎曲，即rT使位錯(cuò)變直，即r,當(dāng)二者平衡時(shí),.,60,60,重要公式,.,61,61,3）位錯(cuò)間的交互作用與位錯(cuò)塞積,（1）相互平行的位錯(cuò)之間的交互作用,位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)點(diǎn)陣摩擦力和障礙物阻力,當(dāng)外力作用在兩端不能自由運(yùn)動(dòng)的位錯(cuò)上時(shí)，位錯(cuò)將發(fā)生彎曲。由位錯(cuò)線張力與外力平衡關(guān)系：,即，彎曲半徑r與外力成反比。,當(dāng)位錯(cuò)彎曲成

14、半圓時(shí)，r最小，最大。,.,74,74,3）其它增殖方式,（1）螺位錯(cuò)的雙交滑移增殖,.,75,75,7.實(shí)際晶體中的位錯(cuò),由簡(jiǎn)單立方，深化到面心立方、體心立方和密排六方晶體中的位錯(cuò)。,1）全位錯(cuò)與不全位錯(cuò),（1）實(shí)際晶體中的位錯(cuò)類型,簡(jiǎn)單立方：,b點(diǎn)陣矢量,只有全位錯(cuò),實(shí)際晶體：,b,=,點(diǎn)陣矢量,b點(diǎn)陣矢量整數(shù)倍,全位錯(cuò),其中b點(diǎn)陣矢量,單位位錯(cuò),b點(diǎn)陣矢量整數(shù)倍,不全位錯(cuò),其中b點(diǎn)陣矢量,部分位錯(cuò),.,76,76,.,77,77,（2）形成單位位錯(cuò)的條件,結(jié)構(gòu)條件：柏氏矢量為兩原子平衡位置連線,能量條件：b越小，位錯(cuò)能量越小，穩(wěn)定性越高,柏氏矢量最短點(diǎn)陣矢量,bcc：,fcc：,hcp：

15、,.,78,78,2）堆垛層錯(cuò),（1）形成,密排堆垛次序有誤,層錯(cuò),面缺陷,.,79,79,復(fù)習(xí)：fcc、bcc、hcp的堆垛次序,.,80,80,fcc晶體的層錯(cuò)類型：,抽出型：,插入型：,（2）特點(diǎn),畸變很小，但仍有畸變能。材料的層錯(cuò)能越低，層錯(cuò)數(shù)量越多。,.,81,81,3）不全位錯(cuò)（以面心立方為例）,局部區(qū)域?qū)渝e(cuò),邊界,b不等于點(diǎn)陣矢量,不全位錯(cuò),.,82,82,肖克萊位錯(cuò)：柏氏矢量在滑移面上可以滑移位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)相當(dāng)于層錯(cuò)面的擴(kuò)大或縮小肖克萊位錯(cuò)類型刃位錯(cuò)、螺位錯(cuò)、混合位錯(cuò)位錯(cuò)線、柏氏矢量、滑移面共面肖克萊位錯(cuò)線為平面曲線,.,83,83,弗蘭克位錯(cuò)：柏氏矢量垂直于滑移面不可滑移，只能攀移

16、位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)相當(dāng)于層錯(cuò)面的擴(kuò)大或縮小弗蘭克位錯(cuò)類型純?nèi)形诲e(cuò)可以是空間曲線,.,84,84,8.位錯(cuò)反應(yīng),位錯(cuò)的合并與分解,幾何條件：,能量條件：,反應(yīng)前后柏氏矢量和相等（方向、大?。?反應(yīng)后能量降低,判斷方法：,幾何條件判斷方法：求反應(yīng)前后各個(gè)位錯(cuò)柏氏矢量的矢量和,能量條件判斷方法：,求反應(yīng)前后各位錯(cuò)|b|2的和,.,85,85,例：,幾何條件：,即：,能量條件：,滿足幾何條件和能量條件，反應(yīng)可以發(fā)生（自發(fā)進(jìn)行）,即：,.,86,86,例：,幾何條件：,即：,能量條件：,滿足幾何條件和能量條件，反應(yīng)可以發(fā)生（自發(fā)進(jìn)行）,即：,.,87,87,三、面缺陷,晶界,孿晶界,相界,小角度晶界,大角度晶界,.,88,88,1.小角度晶界,1)類型,（1）對(duì)稱傾側(cè)晶界,相鄰晶粒各轉(zhuǎn)/2,同號(hào)刃位錯(cuò)垂直排列,（2）不對(duì)稱傾側(cè)晶界,相互垂直的兩組刃位錯(cuò)垂直排列,.,89,89,（3）扭轉(zhuǎn)晶界,兩組螺位錯(cuò)構(gòu)成,.,90,90,2)小角度晶界特點(diǎn),10由位錯(cuò)構(gòu)成位錯(cuò)密度位向差晶格畸變晶界能,位錯(cuò)密度決定位向差與晶界能位錯(cuò)類型與排列方式?jīng)Q定小角晶界的類型,注：,.,91,91,2.大角度晶界,10以上，一般在3040,重合點(diǎn)陣模型重合點(diǎn)陣+臺(tái)階模型重合點(diǎn)陣+臺(tái)階+小角晶界模型,.,92,92,1）