引言---晶体缺陷和强度.ppt

2019/5/18,1,晶体缺陷与强度 Crystal Defect and Strength,王建华 材料科学与工程学院 2010.09.12,2019/5/18,2,Have You Ever Wondered? 为什么制造半导体的硅晶体含有大量的掺杂，如磷或硼？ 为什么能制造比纯铁硬度和强度高的钢呢？ 为什么面心立方金属（如铜、铝等）比体心立方和密排六方金属的塑性好呢？ 金属的变形是怎样产生的？ 裂纹是怎么形成的？,2019/5/18,3,第一章 绪 言,晶体，非晶体？ 晶体缺陷？ 强度？ 晶体缺陷与强度？,2019/5/18,4,晶体,非晶体,晶体，非晶体？,2019/5/18,5,晶 体,非 晶 体,规则几何外形,无定形,确定的熔点,各向异性,各向同性,无确定的熔点,对X射线的衍射效应 无 对称性 无,晶体与非晶体的区别,2019/5/18,6,金属材料是指以金属键来表征其特性的材料，它包括金属及其合金。 金属材料在固态下通常都是晶体状态(金属玻璃除外)，所以要研究金属及合金的结构就必须首先研究晶体结构。,1.1 金属及合金的结构,2019/5/18,7,晶体结构指晶体内部原子规则排列的方式。晶体结构不同，其性能往往相差很大。为了便于分析研究各种晶体中原子或分子的排列情况，通常把原子抽象为几何点，并用许多假想的直线连接起来，这样得到的三维空间几何格架称为晶格，晶格中各连线的交点称为结点。,晶体的基本概念,2019/5/18,8,组成晶格的最小几何单元称为晶胞，晶胞各边的尺寸 a、b、c称为晶格常数，其大小通常以为计量单位 （A），晶胞各边之间的相互夹角分别以、表示。 由于晶体中原子重复排列的规律性，因此晶胞可以表 示晶格中原子排列的特征。,2019/5/18,9,在研究晶体结构时，通常以晶胞作为代表来考查。 为了描述晶格中原子排列的紧密程度，通常采用配位数和致密度（K）来表示。配位数是指晶格中与任一原子处于相等距离并相距最近的原子数目；致密度是指晶胞中原子本身所占的体积百分数，即晶胞中所包含的原子体积与晶胞体积（V）的比值。,2019/5/18,10,2019/5/18,11,晶体由许多质点（包括原子、离子或分子）在三维空间呈周期性地规则排列所构成的固体。 晶体与非晶体的主要区别在于它们是否有三维长程有序的原子结构。 晶体的基本共性： 均匀性 各向异性 自限性 对称性 固定的熔点,2019/5/18,12,晶体的基本对称性,对称性是晶体最重要的基本特征之一。 对称操作 使各原子的位置发生变换，变换后晶体的结构状态与变换前正好相同的操作。 晶体基本的对称操作有点操作和平移操作。 点对称操作：在对称操作过程中保持空间至少有一个不动点的操作。 根据实际晶体主要的点对称特征可以把所有晶体划分成7种晶系，即三斜、单斜、正交、四方、立方、三方、六方。,2019/5/18,13,平移对称操作,晶体平移对称性表现为，晶体结构沿晶体单胞边长方向a、b、c作平移操作，平移量为边长的整数倍，且平移前后晶体结构状态相同。 在空间中由几何点排列成的无限阵列，其中每一点与其它所有的这种点有完全相同的环境，这种点的阵列称为点阵，点阵中规则排列的几何点称为阵点。 若从晶体的平移对称特性出发，则所有晶体对应着14种不同的点阵，称为14种布拉菲点阵。,2019/5/18,14,晶格的14种型式,简单立方,体心立方,面心立方,简单四方,体心四方,简单六方,简单菱形,2019/5/18,15,简单正交,底心正交,体心正交,面心正交,简单单斜,底心单斜,简单三斜,2019/5/18,16,常见纯金属的晶格类型 体心立方晶格： 它的形状是一个立方体，其晶格常数a=b=c，所以只要一个常数a即可表示；其=90o。在体心立方晶胞中，原子位于立方体的八个顶角和中心，原子半径为1.732a/4。属于这类晶格的金属有-Fe、Cr、V、W、Mo、Nb等。体心立方晶胞的每个角上的原子是同属于与其相邻的八个晶胞所共有，故只有1/8个原子属于这个晶胞。所以体心立方晶胞中的原子数为2。 每个原子的最近邻原子数为8，所以其配位数为8。致密度可计算如下： 或68%。,2019/5/18,17,致密度=晶胞内原子的体积/晶胞体积（100%),2019/5/18,18,面心立方晶格 面心立方晶胞如图所示。它的形状也是一个立方体。在面心立方晶胞中，原子位于立方体的八个顶角和六个面的中心。属于这类晶格的金属有-Fe、Al、Cu、Ni、Au、Ag、Pb等。 从图中可算出面心立方晶体的原子半径为1.414a/4；每个晶胞所包含的原子数为4个；配位数为12；致密度为0.74或74%。,2019/5/18,19,密排六方晶格 密排六方晶胞如图所示。它是一个正六面柱体，在晶胞的12个角上各有一个原子，上底面和下底面的中心各有一个原子，上下底面的中间有三个原子。属于这类晶格的金属有Mg、Zn、Be、Cd等。其晶格常数用正六边形底面的边长a和晶胞的高度c来表示。两者的比值c/a1.633；其原子半径；每个晶胞所包含的原 子数为6个；配位数为12；致密度为0.74或74%。,2019/5/18,20,1.2 晶体缺陷概述,晶体缺陷是指实际晶体晶体结构中和理想的点阵结构发生偏差的区域。即在某些局部区域，原子排列是紊乱、不规则的，这些原子排列规则性受到严重破坏的区域统称为“晶体缺陷”。 相对于理想晶体结构的周期性和方向性而言，晶体缺陷显得十分活跃，它的状态易受外界的影响，晶体缺陷的数量及分布对材料的行为有十分重要的作用 。,第一章 绪言,2019/5/18,21,按照晶体缺陷区相对晶体的大小，可将晶体缺陷分为: 点缺陷（0-dimensional defects） 空位、间隙原子 线缺陷（1-dimensional Defects） 位错（螺型，刃型） 面缺陷（2-dimensional Defects） 界面（晶界，相界） ，表面21 体缺陷（3-dimensional Defects） 亚结构、沉淀相、空洞、气泡等,晶体缺陷分类,第一章 绪言,2019/5/18,22,a) Interstitial impurity atom, b) Edge dislocation, c) Self interstitial atom, d) Vacancy, e) Precipitate of impurity atoms, f) Vacancy type dislocation loop, g) Interstitial type dislocation loop, h) Substitutional impurity atom,2019/5/18,23,多晶材料中的晶界,2019/5/18,24,缺陷的性质 结构性质: 与理想晶体相比原子位置的变化？ 电子性质: 能带结构中缺陷？ 化学性质: 缺陷的化学能? 它是怎样参与化学反应的？ 相干性质: 缺陷与粒子（如声子、光子、电子、正电子等）的作用？相干区域? 热力学性质: 形成焓、形成熵 .,2019/5/18,25,1.3 固体材料的性能（强度） 材料的性能包括： （1）使用性能：材料在使用条件下表现出的性能 力学性能材料受到各种不同性质及大小的载荷作用时所反映出 来的性能。 物理性能材料的密度、熔点、热膨胀性、导热性和导电性等。 化学性能材料在室温或高温时抵抗各种化学侵蚀的能力。主要 有抗氧化性和抗腐蚀性。 （2）工艺性能：材料在加工过程中反映出的性能 如切削加工性能、铸造性能、压力加工性能、焊接性能、 热处理性能等,2019/5/18,26,固体材料的力学性能,材料的力学性能主要指材料在外加载荷作用下或载荷与环境因素联合作用下所表现出的力学行为，这些行为宏观上一般表现为变形和断裂。通常用材料的弹性、塑性和强度等来描述。 强度是材料对塑性变形和断裂的抵抗力。 由于承受载荷的形式不同，强度可分为： 拉伸强度、压缩强度、弯曲强度 主要强度指标：抗拉强度、屈服强度、疲劳强度 评定高温强度时用蠕变强度和持久强度,第一章 绪言,2019/5/18,27,材料的强度用拉伸试验测定,圆形拉伸试样,2019/5/18,28,低碳钢和铸铁的拉伸曲线,弹性变形阶段,强化阶段,颈缩阶段,2019/5/18,29,为应力, P / A0（MPa） 为应变， 式中：P载荷， A0 试样原始截面积， l0试样原始标距长度， l试样变形后标距长度， l 伸长量。,2019/5/18,30,弹性极限（e）：表示材料保持弹性变形，不产生永久变形的最大应力，是弹性零件的设计依据。 屈服极限（ 屈服强度s）：表示金属开始发生明显塑性变形的抗力，铸铁等材料没有明显的屈服现象，则用条件屈服点（0.2 ）来表示：产生0.2%残余应变时的应力值。 强度极限（抗拉强度b ）：表示金属受拉时所能承受的最大应力。 e 、s 、b 是机械零件和构件设计和选材的主要依据。,2019/5/18,31,疲劳强度,交变应力(也称循环应力)：轴、齿轮、轴承、叶片、弹簧等零件，在工作过程中各点的应力随时间作周期性的变化，这种随时间作周期性变化的应力称为在交变应力。 金属的疲劳：在交变应力作用下，虽然零件所承受的应力低于材料的屈服点，但经过较长时间的工作而产生裂纹或突然发生完全断裂的过程。 疲劳曲线：表征材料承受的交变应力( )与材料断裂前承受交变应力的循环次数(N)之间的关系。,2019/5/18,32,疲劳极限(亦叫疲劳强度)：金属承受的交变应力越大，则断裂时应力循环次数N越少。当应力低于一定值时, 试样可以经受无限周期循环而不破坏， 此应力值称为材料的疲劳极限（疲劳强度），用-1 表示。,2019/5/18,33,实际上，金属材料不可能作无限次交变载荷实验。那么： 黑色金属：N107而试样不断裂时的max 为疲劳极限。 有色金属、不锈钢：N108而试样不断裂时的max 为疲劳极限。 金属疲劳极限的影响因素：工作条件、表面状态、材质、残余内应力等。,2019/5/18,34,1.4 固体材料的性能与缺陷 按照缺陷对性能影响的程度大体划分为两类： （1）非结构敏感性的：如弹性模量、密度、热容量等 （2）结构敏感性的：如屈服强度、断裂强度等 结构敏感性反映了晶体中的缺陷对于性能的影响 绝对的非结构敏感的性能是不存在的，或多或少地都受到晶体缺陷的影响。 强度是对结构敏感的性能指标,第一章 绪言,2019/5/18,35,金属材料的强化方法和晶体缺陷的关系,陶瓷材料和聚合物材料虽然比较脆，但也有滑移面的存在。 金属材料的变形主要是通过滑移实现的，位错对于理解金属材料的一些力学行为特别有用。而位错理论可以解释材料的各种性能和行为，特别是变形、损伤和断裂机制，相应的学科为塑性力学、损伤力学和断裂力学。另外，位错对晶体的扩散和相变等过程也有较大影响。,2019/5/18,36,通过合金化、塑性变形和热处理等手段提高金属材料 的强度，称为金属的强化。,金属的强化 (strengthening of metals),所谓强度是指材料对塑性变形和断裂的抗力，用给定 条件下材料所能承受的应力来表示。随试验条件不 同，强度有不同的表示方法，如室温准静态拉伸试验 所测定的屈服强度、流变强度、抗拉强度、断裂强度等。,压缩试验中的抗压强度；,弯曲试验中的抗弯强度；,疲劳试验中的疲劳强度,高温条件静态拉伸所测的持久强度。,2019/5/18,37,每一种强度都有其特殊的物理本质，所以金属的强化不是笼统的概念，而是具体反映到某个强度指标上。一种手段对提高某一强度指标可能是有效的，而对另一强度指标未必有效。,注意：,2019/5/18,38,1、材料本身的成分、表面状态； 如:W(C) 0.9%时，碳钢随含碳量的增加，其强度增加。 钢中加入一些合金元素，低合金高强度合金钢。表面粗糙，强度低。 2、受力状态，如加力快慢、加载方式，是简单拉伸还是 反复受力，都会表现出不同的强度； 3、试样几何形状和尺寸及试验介质也都有很大的影响， 有时甚至是决定性的，如超高强度钢在氢气氛中的拉伸强度可能成倍地下降（应力腐蚀断裂和氢脆） 。,影响强度的因素：,2019/5/18,39,4、加工工艺过程 纯Cu和纯Al的b分别为60MPa和40MPa，经过冷加工后强度明显增加。大变形措施。 5、热处理工艺和组织结构 W(C) 0.4%的碳钢经淬火和高温回火（调质处理）后，其强度由500MPa增至700800MPa。 通过热处理工艺改变材料的显微组织结构。,2019/5/18,40,一般是指金属材料的室温流变强度的提高，即光滑试样在大气中、按给定的变形速率、室温下拉伸时所能承受应力的提高。 应强调指出：提高强度并不是改善金属材料性能惟一的目标，即使对金属结构材料来说，除了不断提高强度以外，也还必须注意材料的综合性能，即根据使用条件，要有足够的塑性和韧性以及对环境与介质的适应性。,一般意义上的强化,2019/5/18,41,1、从根本上讲，金属强度来源于原子间结合力。 如：纯铁强度高于纯铝，钢的强度高于铝合金。 2、如果一个理想晶体，在切应力作用下沿一定晶面和晶向发生滑移形变，根据计算，此时金属的理论切变强 度一般是其切变模量的1/101/30。 3、金属的实际强度只是这个理论强度的几十分之一，甚至几千分之一。,强化的理论基础,2019/5/18,42,例如, 纯铁单晶的室温切变强度约为5kgf/mm2, 而按铁的切变模量(5900kgf/mm2)来估算, 其理论切变强度 应达650kgf/mm2。 造成这样大差异的原因曾是人们长期关注的课题。 直到1934年，奥罗万(E.Orowan)、波拉尼(M.Polanyi) 和泰勒 (G.I.Taylor)分别提出晶体位错的概念； 位错理论的发展揭示了晶体实际切变强度（和屈服强 度）低于理论切变强度的本质。,2019/5/18,43,在有位错存在的情况下，切变滑移是通过位错的运动 来实现的，所涉及的是位错线附近的几列原子。 而对于无位错的近完整晶体，切变时滑移面上的所有 原子将同时滑移，这时需克服的滑移面上下原子之 间的键合力无疑要大得多。 金属的理论强度与实际强度之间的巨大差别，为金属 的强化提供了可能性和必要性 可以认为实测的纯金属单晶体在退火状态下的临界分 切应力表示了金属的基础强度，是材料强度的下限 值；而估算的金属的理论强度是经过强化之后所能 期望达到的强度的上限。,2019/5/18,44,金属材料的强化途径不外两个： 一是提高合金的原子间结合力，提高其理论强度，并制得无缺陷的完整晶体，如晶须。已知铁的晶须的强度接近理论值，可以认为这是因为晶须中没有位错，或者只包含少量在形变过程中不能增殖的位错。可惜当晶须的直径较大时(如大于5m)，强度会急剧下降。有人解释为大直径晶须在生长过程中引入了可动位错，一旦有可动位错存在，强度就急剧下降了。从目前来看，只有少数几种晶须作为结构材料得到了应用。,金属材料强化途径,2019/5/18,45,另一强化途径是向晶体内引入大量晶体缺陷，如位错、点缺陷、异类原子、晶界、高度弥散的质点或不均匀性（如偏聚）等，这些缺陷阻碍位错运动，也会明显地提高金属强度。事实证明，这是提高金属强度最有效的途径。对工程材料来说，一般是通过综合的强化效应以达到较好的综合性能。具体方法有固溶强化、形变强化、沉淀强化和弥散强化、细化晶粒强化、择优取向强化、复相强化、纤维强化和相变强化等,这些方法往往是共存的。材料经过辐照后,也会产生强化效应，但一般不把它作为强化手段。,2019/5/18,46,2019/5/18,47,结构用的金属材料很少是纯金属,一般都要合金。 合金化的主要目的之一是产生固溶强化，另外，也可 能产生沉淀强化、细化晶粒强化、相变强化和复相强化等，这要看合金元素的作用和热处理条件而定。 合金元素对基体的固溶强化作用决定于溶质原子和溶 剂原子在尺寸、弹性性质、电学性质和其他物理化学性质上的差异，此外，也和溶质原子的浓度和分布 有关。,固溶强化,2019/5/18,48,固溶强化的实现主要是通过溶质原子与位错的交互作用。这些交互作用可分为四种： 溶质原子与位错的弹性交互作用 在固溶体中,无论是固溶原子或是位错，在其周围都存在着应力和点阵畸变，两个应力场之间的作用就属于弹性交互作用。这种弹性交互作用力代表固溶原子所提供的阻碍位错运动的力。其最大值取决于溶质原子的大小、浓度和分布，特别是使点阵发生畸变的对称程度。,2019/5/18,49,电学交互作用 晶体中的自由电子分布对应力有敏感性,电子会较多地集中到受张应力的区域。 例如,在刃位错的受胀区，电子浓度较高,具有电负性；相反,在受压地区，浓度较低，具有电正性。 由于电子浓度分布不均而使刃位错相当于电学上的一个电偶极子。这种电偶极子与溶质原子的电荷产生静电作用，从而引起溶质原子与位错的交互作用而产生强化。,2019/5/18,50,一般来说，电学交互作用比弹性交互作用要弱，如铜在锌、镓、锗或砷中固溶后,电学交互作用能最多只有弹性交互作用能的1/61/3。但在某些情况下,电学交互作用也可以是主要的，如银溶于铝中，点阵变化很小，但银对铝的强化作用却是可观的，反映出此时电学交互作用成为决定性的因素。,2019/5/18,51,化学交互作用 在密排点阵金属晶体中，经常出现堆垛层错层错边界为不全位错，层错的宽度和数目由层错能的大小来决定。在层错能较低的金属中层错数目多，层错的宽度大。层错结构与基体不同，在面心立方点阵中，层错为密排六方排列；密排六方点阵中，层错为面心立方排列。,2019/5/18,52,一般来说，固溶原子在两种不同的密排点阵结构中的溶解度不相同；在热力学平衡状态下，溶质原子在层错区和正常基体中的浓度也不一样。当晶体发生滑移时，不管是沿着这些层错扩张的平面，或者是这些层错发生束集和截割，都要打破平衡状态；也就是说，位错运动要求外界提供更大的能量，从而表现出强化作用。,2019/5/18,53,几何交互作用 固溶体中的溶质原子有时会出现有序化现象，当存在短程序时，塑性变形将改变原来的有序排列而增加势能，表现为短程序强化作用。 在有长程序的固溶体中，位错倾向于两两相随地通过晶体。第一个位错通过时，使有序结构中跨越滑移面的不同类原子对A-B改变为同类原子对A-A和B-B,引起能量升高；当后随的一个位错经过时，A-A和B-B原子对又恢复为A-B对,能量又降下来。,2019/5/18,54,在前后相随的两个位错之间的这段距离上，A-A和B-B原子对尚未恢复，形成所谓反相畴界(antiphase boundary)。为减少反相畴界的能量，两相随位错倾向于尽量靠近；但是当两个同号位错靠近时，它们之间的斥力急剧上升。在这两个因素的共同作用下，两个位错间有一个平衡距离，它与两个不全位错间存在的层错很相似。在塑性变形过程中，有序合金的反相畴界的面积不断增加，从而提高了体系的能量，表现为长程序引起的强化作用。,2019/5/18,55,形变强化: 随着塑性变形（或称范性形变）量增加，金属的流变强度也增加，这种现象称为形变强化或加工硬化。形变强化是金属强化的重要方法之一，它能为金属材料的应用提供安全保证，也是某些金属塑性加工工艺所必须具备的条件（如拔制）。,形变强化,2019/5/18,56,形变强化：是位错运动受到阻碍的结果。目前对金属单晶体的形变强化机制已有一定了解，特别对面心立方纯金属研究较为深入。多晶金属情况比较复杂，除晶界以外，晶粒取向也多种多样，对其形变强化的细节至今还不很清楚。,一般来说，退火单晶的位错密度为106cm-2，变形量很大的金属可在1012cm-2以上。层错能低的金属比层错能高的金属加工硬化更为显著。细晶粒、有淀淀相、高速形变和低温形变都表现出较高的形变强化