1、1,第三章 晶體缺陷 Imperfections (defects) in Crystals,“It is the defects that makes materials so interesting, just like the human being.”,“Defects are at the heart of materials science.”,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),2,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 （point defect) 三維空間的各個方向均很小,零

2、維缺陷 (zero-dimensional defect),線缺陷 （line defect) 在二個方向尺寸均很小,面缺陷 （plane defect) 在一個方向上尺寸很小,一維缺陷 (one-dimensional defect),二維缺陷 (two-dimensional defect),3,點缺陷,點缺陷：空位、間隙原子、溶質(zhì)原子、和雜質(zhì)原子、 +復(fù)合體（如：空位對、空位-溶質(zhì)原子對）,點缺陷的形成 （The production of point defects),原因：熱運動：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

3、 空位，-晶體表面,Frenkel 空位，-晶體間隙,4,與點缺陷有關(guān)的能量與頻率,空位形成能：DEv 原子-晶體表面 =電子能+畸變能,空位遷移能：DEm,空位遷移頻率：,N0: Z: K： T： DSm: 空位遷移熵,一般金屬的自擴散激活能= DEv+DEm,5,熱力學(xué)穩(wěn)定的缺陷： 產(chǎn)生與消亡達致平衡 *過飽和空位： 高溫淬火、冷加工、輻照,平衡濃度及對性能的影響,1。電阻增大,2。提高機械性能,3。有利于原子擴散,4。體積膨脹，密度減小,*對性能的影響,6,平衡濃度的推導(dǎo),板書！,7,空位平衡濃度的最新實驗觀察,下面三張幻燈片的來源： Prof. Peter M. Anderson in

4、 Department of Materials Sci DDDDD. 密排六方：ABABABAB；D D,54,堆垛層錯（一）,堆垛層錯: 實際晶體中的密排面的正常堆垛順序遭到破壞 面心立方晶體中存在的層錯 抽出型： 插入型:,特點: 一個插入型層錯相當于兩個抽出型層錯 面心立方晶體中存在層錯時相當于在其間形成了一薄層的hcp晶體結(jié)構(gòu),55,堆垛層錯（二）,密排六方晶體中的層錯,抽出型層錯,插入型層錯,56,層錯能,形成層錯幾乎不產(chǎn)生點陣畸變，但會破毀晶體的正常周期完整性= 晶體能量升高 增加的能量稱為“堆垛層錯能”或“層錯能”（J/m2) 層錯能越低，層錯出現(xiàn)的幾率越大，越易觀察到，例如奧

5、氏體不銹鋼中。,57,不全位錯,不全位錯：堆垛層錯與完整晶體的分界線（b矢量不等于點陣矢量）,肖克萊（Schckley)不全位錯: (a/6)*1,-2,1 (在(111)面上） 特點：1）b矢量永遠平行于層錯面 2）層錯為一平面=其邊界在一平面內(nèi) 3）可以為刃型、螺形、混和位錯 4）滑移的結(jié)果是層錯面的擴大或縮小。但不能攀移，因它必須和層錯始終相連,Fcc晶體中兩種重要的不全位錯,58,弗蘭克（Frank) 不全位錯,弗蘭克（Frank) 不全位錯：插入或抽出半原子面所形成的層錯與完整晶體的邊界, （a/3)*。 抽出：負弗蘭克（Frank) 不全位錯 插入：正弗蘭克（Frank) 不全位錯

6、,特點：a) (a/3)*，純?nèi)行臀诲e b）不能在滑移面上滑移，只能攀移 c）屬不動位錯（sessile dislocation),59,面心立方晶體中的位錯,湯普森（Thompson）四面體 FCC 中所有重要的位錯和位錯反應(yīng)均可用Thompson四面體表示。,(1) 四個面即為4個可能的滑移面(111), (-1,1,1), (1,-1,1), (1,1,-1) (2) 6條棱邊代表12個晶向，即FCC中所有可能的12個全位錯的b矢量,60,湯普森四面體的展開,*每個頂點與其中心的連線共代表24個(a/6) 肖克萊不全位錯的b矢量 *4個頂點到它所對的三角形中點連線代表8個(a/3)弗蘭克

7、不全位錯的b矢量 *4個面中心相連即為(a/6) 壓桿位錯,61,FCC中的位錯反應(yīng),位錯反應(yīng)：位錯之間的合并與分界 1）幾何條件：b矢量總和不變 2）能量條件：反應(yīng)降低位錯總能量,62,擴展位錯的寬度,吸引力：層錯能， g 排斥力：兩位錯間的斥力,可見：d 與g成反比， 與G成正比,擴展位錯：一種特殊的位錯組態(tài)，系由兩個不全位錯以及在兩個不全位錯之間的一片層錯所構(gòu)成。一般由全位錯分解而成,63,擴展位錯的束集,束集：在外切應(yīng)力作用下，層錯寬度減小至零，局部收縮成原來的全位錯：位錯擴展的反過程,64,擴展位錯的交滑移,擴展位錯=束集=交滑移=重新擴展（在新滑移面上）,擴展位錯的交滑移比全位錯困

8、難，層錯能越低，擴展位錯越寬，交滑移越困難,65,位錯網(wǎng)絡(luò),實際晶體中的不同b矢量的位錯可組成二維或三圍的位錯網(wǎng)絡(luò),b1:一組位錯 b2 一個螺型位錯 b1 與b2 成120o夾角， 相互吸引,66,本周作業(yè),第一題：已知方程3.12，請根據(jù)張量對坐標系的變換法則推導(dǎo)出3.11中的sxx分量。 第三題：對于同一種晶體，它的表面能與晶界能（相同的面積）哪一個較高？為什么？ 思考題：請將下面三處的擴散系數(shù)排序，晶體表面、晶界、位錯線附近。 第四題：請復(fù)印圖3.38，在原圖上標示出肖克萊位錯附近的完整平面和多余的半原子面，并請標明位錯的位置（核心區(qū)域）。,67,上周內(nèi)容回顧,作用在位錯上的力 位錯間

9、的作用力 位錯的密度、生成、增殖 面心立方晶體中層錯、不全位錯、擴展位錯（束集與交滑移） 湯姆森四面體 肖克萊不全位錯（再仔細看）,68,面心立方晶體中的肖克萊不全位錯：再看仔細點！,兩個多余的半原子面！,(1,-2,1),(111),目視方向,69,面角位錯（Lomer-Cottrell 位錯）,（111）面上,（1,1,-1）面上,（1,1,-1）,-1,1,0,滑移面: （001）,70,體心立方晶體中的位錯,單位位錯：(a/2), 滑移方向, 通?？赡艿幕泼嬗?10，112，123，隨成分、溫度計變形速度而異。 交滑移=滑移線呈波紋形螺位錯的核心具有獨特的性質(zhì),71,密排六方晶體中的

10、位錯,最短的點陣矢量沿,次短的點陣矢量 單位位錯：(a/3),c, (1/3) 滑移面: (0001) （當c/a=1.633時） 1,0,-1,0, 1,0,-1,1 （當c/a1.633時）,擴展位錯： (1/3)1,1,-2,0-(1/3)1,0,-1,0+(1/3)0,1,-1,0 全位錯-肖克萊不全位錯,72,表面及界面,界面包括：外表面（自由表面）和內(nèi)界面 表面：固體與氣體或液體的分界面 界面：幾個原子層厚，原子排列于成分不同于內(nèi)部,表面能：,定義為形成單位面積的新表面所需做的功,*晶體中的表面張力是各向異性的 *原子密度最大的面具有最低的r值晶體表面一般為原子密度最大的面 *表面

11、能與曲率有關(guān)：曲率越大，表面能越大,73,晶界,晶界：取向不同的晶粒之間的界面（內(nèi)界面） 晶界具有5個自由度：兩晶粒的位相差（3），界面的取向（2）,74,扭轉(zhuǎn)晶界,* 一般小角度晶界都可看成兩部分晶體繞某一軸旋轉(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(luò)組成。,75,大角度晶界 High-angle grain boundary,重合位置點陣模型 *相鄰晶粒在交界處的形狀不是光滑的曲面，而是由不規(guī)則臺階組成的，A,B,C,D特征區(qū)域,重合位置點陣模型 *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

12、一般不超過三個原子間距。,76,晶界能,晶界能：形成單位面積晶面時，系統(tǒng)Helmholtz自由能的變化，即dg/dA。它等于接口區(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部分額外自由能。,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,77,小角度晶界的界面能,單位長度刃型位錯的能量：,而,令,則,，,故小角度晶界g是相鄰兩晶粒之間位相差q的函數(shù),78,晶界的界面能的測量,晶界能可通過測定界面交角求出其相對值： 三個晶粒相遇，在達到平衡時，在o點處接口張力必須達到力學(xué)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

13、。,79,晶界偏聚內(nèi)吸附（熱力學(xué)平衡的偏聚） 特點：1）溶質(zhì)濃度不變時，一定的T對應(yīng)一定平衡晶界偏聚量 2）T偏聚量 ， DE：溶質(zhì)原子在晶界上的能量差, C：晶界濃度 C0：晶內(nèi)濃度 3）晶界平衡偏聚量可以很顯著 4）晶界偏聚區(qū)的范圍約為4-幾百埃 5）在某種情況下可產(chǎn)生晶界上溶質(zhì)原子的貧化負吸附 6）產(chǎn)生晶界偏聚的原因，有一種解釋：固溶體中溶質(zhì)原子和溶劑原子的尺寸不同，晶界偏聚可使系統(tǒng)能量降低,晶界的平衡偏聚,80,上周主要內(nèi)容回顧,面心立方晶體中的肖克萊位錯與面角位錯 體心立方、密排六方晶體中的位錯 表面及界面：二維缺陷 表面能：兩種計算方法 晶界的5個自由度 小角度晶界 大角度晶界 晶

14、界偏聚,81,晶界特性,1）晶界處點陣畸變大，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)則阻礙塑性變形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）晶界能高晶界腐蝕速度,82,亞晶界（Sub-grain boundary）,事實上每個晶粒中還可分成若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。,83,孿晶界 Twin boundary,孿晶指兩個晶體（

15、或一個晶體的兩部分）沿一個公共晶面構(gòu)成對稱的位相關(guān)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，其上的原子只有部分為兩者共有，原子錯排校嚴重，孿晶能量相對較高，約為普通晶界的1/2,孿晶界,84,孿晶的形成,孿晶的形成與堆垛層錯密度相關(guān)，如fcc的111面發(fā)生堆垛層錯時為ABCACBACBA CAC處為堆垛層錯 孿晶與層錯密切相關(guān) 一般層錯能高的晶體不易產(chǎn)生孿晶,形變孿晶：連續(xù)的(1/6)類型的滑移,生長

16、孿晶,退火孿晶,孿晶的形成,85,錯配度： 位錯間距：,相界Phase Boundary,相界具有不同結(jié)構(gòu)的兩相之間的分界面稱為相界,共格界面：界面上的原子同時位于兩相晶格 的節(jié)點上，彈性畸變,彈性應(yīng)變能： 共格時以應(yīng)變能為主,化學(xué)交互作用能： 非共格時的化學(xué)能為主,相界能,半共格相界：兩相結(jié)構(gòu)相近而原子間距相差較大時，部分保持匹配,非共格相界：兩相在界面處的原子排列相差很大， 相界與大角度晶界相似,86,習題與討論,位錯的塞集(Pile up),每個位錯的受力平衡及平衡位置,領(lǐng)先位錯所受的阻力：F=ntb,計算遠處的應(yīng)力場時，塞集位錯可看成一個超位錯（nb）,tyz,87,位錯的鏡像力,靠近晶體表面的位錯的應(yīng)力場不同于其在晶體內(nèi)部的情形（無限大晶體中的位錯的應(yīng)力場）：鏡像力 螺位錯的鏡像-鏡面位置上放置一負位錯-簡單構(gòu)造。 刃位錯沒有這樣的簡單構(gòu)造的鏡像。