1、概 述,晶體缺陷,點缺陷,線缺陷:位錯,面缺陷,空位,間隙原子與雜質(zhì)原子,刃型:,螺型:,混合型:,界面,表面,堆垛層錯,晶界,亞晶界,孿晶界,相界,b,t,b,t,t,返回,下頁,前邊討論的大都是理想的晶體結(jié)構(gòu)，在理想的晶體結(jié)構(gòu)中，所有的原子都處于規(guī)則的晶體學(xué)位置上，也就是平衡位置上。但人們很早就發(fā)現(xiàn)在實際晶體中，并不是那麼完整無缺的，原子的排列不可能絕對規(guī)則和完整，總是存在著偏離完整性的區(qū)域，對此稱為晶體缺陷。根據(jù)晶體缺陷的幾何形態(tài)特征，一般將它分為三類：點缺陷、線缺陷和面缺陷。,后退,下頁,（1）點缺陷 它在三維空間各方向上尺寸都很小，亦稱為零維缺陷，如空位間隙原子和異類原子等。 （2）

2、線缺陷 亦稱一維缺陷，在兩個方向上尺寸很小，主要是位錯。 （3）面缺陷 在空間一個方向上尺寸很小，另外兩個方向上尺寸較大的缺陷，如晶界、相界等。,后退,下頁,返回,第一節(jié) 點缺陷,一點缺陷類型,空位，間隙原子：肖脫基空位及間隙原子、弗蘭克缺陷（圖）,空位及間隙原子在熱力學(xué)上是平衡濃度為：,下頁,上頁,二、點缺陷的產(chǎn)生 1、平衡點缺陷及其濃度,點缺陷的類型,其中Ce為某一種類型點缺陷的平衡濃度，N為晶體的原子總數(shù)，A為材料常數(shù)，T熱力學(xué)溫度，k玻爾茲蔓常數(shù)，u該類型缺陷的形成能。 熵值的增加隨缺陷數(shù)量的變化是非線性的，（如圖4-3）所示少量點缺陷的存在使熵增快速增加，繼續(xù)增加點缺陷使熵增變化逐漸

3、變緩。U和S這兩項相反作用的結(jié)果使自由能變化A,下頁,上頁,的走向如圖4-3的中間曲線所示，先隨晶體中缺陷數(shù)目的增多，自由能逐漸降低，然后又逐漸增高，這樣體系中在一定溫度下存在著一個平衡的點缺陷濃度，在該濃度下體系的自由能最低。也就是說由熱振動產(chǎn)生的點缺陷屬于熱力學(xué)平衡缺陷，晶體中存在這些缺陷使自由能是降低的；相反，如果沒有這些卻陷，自由能反而升高。,下頁,上頁,返回,Cu晶體的空位形成能uv=0.9ev/atom或 1.44*10-19J/atom材料常數(shù)A取作1,k=1.38*10-23. 計算: 1)在下，每立方米中的空位數(shù)目; 2) 下的平衡空位濃度 。,例題,解：首先確定1m3體積內(nèi)

4、原子Cu原子總數(shù) （已知Cu的摩爾質(zhì)量MCu=63.54g/mol,500 下Cu的密度為.96*106g/m3）.,下頁,上頁,1)將N代入，計算空位數(shù)目ne,下頁,上頁,2)計算空位濃度,即在C時，每106個原子中才有.個空位。,下頁,上頁,2、過飽和點缺陷的產(chǎn)生 有時晶體中點缺陷的數(shù)目會明顯超過平衡值，這些點缺陷稱為過飽和點缺陷。產(chǎn)生過飽和點缺陷的原因有高溫淬火、輻照、冷加工等。 三、點缺陷及材料行為 空位和間隙原子的運動是晶體內(nèi)原子擴(kuò)散的內(nèi)部原因，原子（或分子）的擴(kuò)散就是靠點缺陷的運動而實現(xiàn)的。材料加工工藝中不少過程都是以擴(kuò)散作為基礎(chǔ)的，如改變表面,下頁,上頁,下頁,上頁,成分的化學(xué)熱

5、處理、成分均勻化處理，退火與正火、時效硬化處理、表面氧化及燒結(jié)等過程無一不與原子的擴(kuò)散相聯(lián)系，如果晶體中沒有缺陷，這些工藝將無法進(jìn)行。 點缺陷還可以造成金屬物理性能與力學(xué)性能的變化。 引起電阻的增加，晶體中存在點缺陷。,時破壞了原子排列的規(guī)律性，使電子在傳導(dǎo)時的散射增加，從而增加了電阻。 空位的存在使晶體的密度下降，體積膨脹。 空位的存在及其運動是晶體高溫下發(fā)生蠕變的重要原因之一。 高溫快速冷卻時保留的空位，或經(jīng)輻照處理后空位，這些過量空位往往沿一些晶面聚集，形成空位片，或它們與其他晶體缺陷發(fā)生交互作用，因而使材料強度有所提高，但同時也引起顯著的脆性。,下頁,上頁,返回,第二節(jié) 位錯的基本概念

6、,一位錯概念的引入,1926年 Frank計算了理論剪切強度，與實際剪切 強度相比，相差個數(shù)量級，當(dāng)時無法解釋， 此矛盾持續(xù)了很長時間 。,1934年 Taylor在晶體中引入位錯概念，將位錯與 晶體結(jié)構(gòu)、晶體的滑移聯(lián)系起來解釋了這種差異 。,下頁,上頁,1947年Cottrell發(fā)表了溶質(zhì)原子與位錯間交互作用 的研究報告 。,1950年Frank and Reed同時提出了位錯萌生機(jī)制。, 1957年公布了世界上第一張位錯照片。,今天，位錯理論已經(jīng)成為塑性變形及強化的理論基礎(chǔ), 1939年 Burgers提出柏氏矢量b以表征位錯的特征， 闡述了位錯彈性應(yīng)力場理論。,下頁,上頁,二位錯類型,刃

7、型位錯原子模型,刃型位錯的局部滑移,晶體的局部滑移,螺型位錯的原子組態(tài),晶體的局部滑移,混合型位錯的原子組態(tài),b,b,刃型位錯,混合型位錯：,螺型位錯,下頁,上頁,b,螺型位錯與刃型位錯的區(qū)別,（1）螺型位錯中不存在多余半原子面，而是垂直于位錯線的原子平面發(fā)生了螺旋狀的扭曲。 （2）螺位錯線的b與其位錯線相平行，而刃位錯線的b與其位錯線相互垂直，這是區(qū)別螺位錯與刃位的主要依據(jù)。 （3）螺型位錯可分為左螺型位錯和右螺型位錯，與正負(fù)刃位錯不同，左右螺型位錯是不能相互轉(zhuǎn)化的，不管從哪個。,下頁,上頁,（4）螺位錯與刃位錯的滑移運動有一個重要的差別，即刃位錯有確定的滑移面（1）它們都是線缺陷； （2）

8、它們都可以在外力的作用下發(fā)生滑移運動，而且運動的結(jié)果都是在位錯線滑移過的區(qū)域之中，造成了上下兩半晶,刃型位錯、螺型位錯和混合位錯在本質(zhì)上的共同點：,方向看，旋轉(zhuǎn)的方向是不會變的。,下頁,上頁,據(jù)位錯模型不難看出，晶體中有了位錯，滑移就十分容易進(jìn)行。由于位錯處原子能量高，不太穩(wěn)定，因此在切應(yīng)力作用下原子很容易位移，把位錯推進(jìn)一個原子距離。（圖4-12）,位錯的易動性,下頁,上頁,晶體整體相對位移過一個b的距離，這一點是非常重要的。,下頁,上頁,位錯就是按照這一方式逐漸前進(jìn)，最終便離開了晶體，此時左側(cè)表面形成了一個原子間距大小的臺階，同時在位錯移動過的區(qū)域內(nèi)，晶體的上部相對于下部也位移了一個原子間

9、距。當(dāng)很多位錯移出晶體時，會在晶體表面產(chǎn)生宏觀可見的臺階，使晶體發(fā)生塑性應(yīng)變。顯然按位錯滑移的方式塑變要比兩個相鄰原子面整體相對運動容易得多，因此晶體的實際強度比理論強度低得多。,后退,下頁,三柏氏矢量,位錯是b不為零的晶體缺陷，在完全晶體中做與含缺 陷的晶體封閉回路相同的回路，終點指向始點的矢量 即為b（柏氏回路）。,柏氏矢量確定方法：圖4-14,后退,下頁,柏氏矢量的物理意義,一般認(rèn)為它代表著位錯中心晶格畸變的總和，這種表述有一定的道理，但比較含混且不易理解。其實把柏氏矢量的物理意義理解為該位錯線運動后能夠在晶體中引起相對位移量，這種表述十分明確，而且更能反映位錯的本質(zhì)問題，因為位錯存在的

10、意義不僅限于它是一種晶體缺陷引起了晶格的局部畸變，更重要的是它的運動會引起晶體的宏觀形變。,后退,下頁,（1）一條位錯線可以是彎曲的任意形狀，因為位錯線的各個部分可以是不同性質(zhì)的位錯，但是它們的柏氏矢量缺頂只有一個，處處相同。 （2）如果有幾條位錯線相交于一點，如果把所有位錯線的方向都設(shè)定為指向交點（或相反），則每條位錯線的b矢量之和為零。,柏氏矢量是一個十分重要的概念：,下頁,上頁,柏氏矢量表示方法,一般表達(dá)式：,uvw,n,a,b,=,2,2,2,w,v,u,n,a,b,+,+,=,模(即位錯強度)：,位錯是柏氏矢量不為零的晶體缺陷,下頁,上頁,大拇指,多余半原子面,b正方向,位錯線方向,

11、食指,中指,注：b矢量有大小，是一個原子間距，也有方向，它的方向與所選定的位錯線的方向有關(guān)，一旦位錯線的方向規(guī)定以后，b矢量的方向不能任意?？捎糜沂侄▌t：,下頁,上頁,四位錯的運動,思路：位錯運動相當(dāng)于位錯的有力的結(jié)果，運用虛功原理，可得到作用于單位位錯長度上的作用力的大小和方向 。,作用在位錯上的力,位錯運動,刃型位錯,螺型位錯,滑移,攀移,滑移,交滑移,大?。?方向：,b,F=,t,t,F,下頁,上頁,1、位錯的滑移 位錯的滑移是在切應(yīng)力下進(jìn)行的，只有當(dāng)滑移面上的切應(yīng)力分量達(dá)到一定值后位錯才能滑移。刃、螺位錯滑移特征的不同之處在于： （1）開動位錯運動的切應(yīng)力方向不同，使刃型位錯運動的切應(yīng)

12、力方向必須與位錯線垂直；而使螺型位錯運動的切應(yīng)力方向卻是與螺型位錯平行的。 （2）位錯運動方向與晶體滑移方向之間的關(guān)系不同，不論是刃型,后退,下頁,或螺型，它們的運動方向總是與位錯線垂直的，而位錯通過后，晶體所產(chǎn)生的滑移方向就不同了，對于刃位錯，晶體的滑移方向與位錯運動方向是一致的，而螺位錯引起的晶體滑移方向與位錯運動方向垂直。 位錯環(huán)的滑移特征，如圖4-20，位錯在滑移面上自行封閉形成位錯環(huán)，位錯環(huán)的柏氏矢量正好處于滑移面上，所以可以理解為,下頁,上頁,滑移面上圓形區(qū)域內(nèi)沿著柏氏矢量方向局部滑移，位錯環(huán)就是滑移區(qū)與未滑移區(qū)的邊界。,后退,下頁,2、位錯的攀移 只有刃位錯才能發(fā)生攀移運動，螺型

13、位錯是不會攀移的。攀移的本質(zhì)是刃型位錯的半原子面向上或向下移動，于是位錯線也就跟著向上或向下運動，因此攀移時位錯線的運動方向正好與柏氏矢量垂直。 攀移是通過原子的擴(kuò)散來實現(xiàn)的。攀移是位錯線并不是同步向上或向下運,下頁,上頁,攀移是位錯線并不是同步向上或向下運動，因此攀移時位錯線的運動方向正好與柏氏矢量垂直。 攀移是通過原子的擴(kuò)散來實現(xiàn)的。攀移是位錯線并不是同步向上或向下運動，而是原子逐個的加入， 所以攀移時位錯線上帶有很多臺階稱為割階。,下頁,上頁,下頁,上頁,刃型位錯的運動,一、滑移運動 （1）使刃位錯線產(chǎn)生滑移運動的力是作用在滑移面上且平行于b的切應(yīng)力，滑移面由位錯線和b確定； （2）在上

14、述切應(yīng)力作用下，位錯線在滑,滑移面上向著垂直于位錯線的方向運動，位錯線的方向于外切應(yīng)力平行，但在同一切應(yīng)力作用下，正負(fù)刃位錯的運動方向相反； （3）刃位錯運動的結(jié)果使位錯線掃過區(qū)上下兩半晶體產(chǎn)生一其值為b的相對位移，位移的方向完全取決于外切應(yīng)力，位移方向與位錯線方向平行，也與b方向平行，但不能單純由位錯線的運動方,下頁,上頁,方向或b的方向來確定晶體的相對運動方向。 二、攀移運動 刃型位錯線在垂直于滑移面的方向上的運動稱為攀移運動。 （1）攀移運動一定伴隨著原子的擴(kuò)散，從位錯多余半原子面擴(kuò)散出去的原子，可能成為間隙原子，或躍入空位，因此,下頁,上頁,可以說正攀移將使晶體中的空位濃度降低，負(fù)攀移

15、則會使空位濃度增大。 （2）刃位錯的攀移運動是比較難于進(jìn)行的，只有在高溫下，原子擴(kuò)散能力很強，或空位濃度很大的情況下，攀移運動才是可能的。外加應(yīng)力可以促進(jìn)刃位錯的攀移運動，壓應(yīng)力有利于正攀移，拉應(yīng)力有利于負(fù)攀移。,下頁,上頁,滑移面上向著垂直于位錯線的方向運動，位錯線的方向于外切應(yīng)力平行，但在同一切應(yīng)力作用下，正負(fù)刃位錯的運動方向相反； （3）刃位錯運動的結(jié)果使位錯線掃過區(qū)上下兩半晶體產(chǎn)生一其值為b的相對位移，位移的方向完全取決于外切應(yīng)力，位移方向與位錯線方向平行，也與b方向平行，但不能單純由位錯線的運動方,下頁,上頁,（3）對攀移運動起作用的是正應(yīng)力，而且是垂直作用在多余半原面上的正應(yīng)力分量

16、，或著說平行于b的正應(yīng)力分量。 （4）刃位錯的攀移運動同樣會引起晶體的宏觀變形，因為位錯線正攀移所經(jīng)過的區(qū)域中，少了一排原子，則整個晶體將縮短一個原子層（一個b），而負(fù)攀移使晶體中多出一排原子，則整個晶體將伸長一個b。,下頁,上頁,螺型位錯線的運動,一、滑移運動 （1）引起螺位錯滑移運動的力是平行于b的切應(yīng)力，位錯線的滑移面不能由位錯線和b來確定，因位b和位錯線是平行的。 （2）位錯線的運動方向依然是在滑移面上垂直于位錯線的方向。,下頁,上頁,（3）位錯線運動的結(jié)果使位錯線掃過區(qū)上下兩半晶體產(chǎn)生其值為 B的相對位移，位移的方向完全取決于外切應(yīng)力方向，位移方向與位錯線的運動方向垂直，但與b平行。,二、交滑移 如果由于某種原因，螺位錯在某一平面上的滑移運動受阻，那麼只要應(yīng)力條件,下頁,上頁,具備，它可以繞過障礙向另一個滑移面上繼續(xù)滑移，稱為交滑移。螺位錯交滑移時，滑移面改變了，但b矢量不變。,混合位錯的運動,對于混合位錯，在切應(yīng)力作用下，位錯運動的方向也是處垂直于位錯線。處,下頁,上頁,位錯的滑移特征,下頁,上頁,3、作用在位錯上的力 F d= =b 式中Fd為作用于單位長度位錯線上的力，方向垂直于位錯線，即指向位錯運動方