晶体缺陷与强度(共33张PPT)

晶体缺陷与强度（研究生课程）主讲：李周第1页，共33页。第一章：金属及合金的结构

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。

第一节晶体的基本概念

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；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α、β、γ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。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。

第2页，共33页。第3页，共33页。常见纯金属的晶格类型

体心立方晶格

体心立方晶格的晶胞如下图所示。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α=β=γ=90o。在体心立方晶胞中，原子位于立方体的八个顶角和中心。属于这类晶格的金属有α-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：。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%。

第4页，共33页。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γ-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；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%。

第5页，共33页。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/a≈1.633；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%。

第6页，共33页。第二节原子的不规则排列在晶体内部原子排列并不是完全规则的，在局部一定尺寸范围内原子排列不规则的现象称为晶体缺陷，晶体缺陷在材料组织控制（如扩散、相变）和性能控制（如材料强化）中具有重要作用。就好象维纳斯“无臂”之美更深入人心，晶体缺陷赋予材料丰富内容第7页，共33页。意义：（对材料的力学行为如塑性变形、强度、断裂等起①由于熔体中杂质原子在凝固过程中不均匀分布使晶体的先后凝固部分（位错线//晶体滑移方向，位错线┻位错运动方向，晶体滑移方向┻位错运动方向。肖脱基空位－离位原子进入其低—具有平衡点缺陷的晶体比理想晶体在热力学上更为稳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。（2）点缺陷的平衡浓度C=Aexp(-∆Ev/kT)●一条位错线具有唯一的柏氏矢量。能量较高的位错通常倾向于分解为两个或多b12＞b22＋b32个能量较低的位错：b1→b2＋b3，并满足，以使系统的自由能下降。密排六方晶胞如图所示。第一章：金属及合金的结构

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。就好象维纳斯“无臂”之美更深入人心，晶体缺陷赋予材料丰富内容晶体缺陷：实际晶体中与理想点阵结构发生偏差的区域。按其作用范围可分为：点缺陷：在三维空间各方向上尺寸都很小的缺陷。如空位、间隙原子、异类原子等。线缺陷：在两个方向上尺寸很小，而另一个方向上尺寸较大的缺陷。主要是位错。面缺陷：在一个方向上尺寸很小，在另外两个方向尺寸较大的缺陷。如晶界、相界、表面第8页，共33页。一、点缺陷由于原子热振动造成的。1、点缺陷的类型（1）空位：肖脱基空位－离位原子进入其空位或迁移至晶界或表面。弗兰克尔空位－离位原子进入晶体间隙。（2）间隙原子：位于晶体点阵间隙的原子。（3）置换原子：位于晶体点阵位置的异类原子。第9页，共33页。第10页，共33页。置换原子第11页，共33页。2、点缺陷的平衡浓度（1）点缺陷是热力学平衡的缺陷,在一定温度下，晶体中总是存在着一定数量的点缺陷（空位），这时体系的能量最低—具有平衡点缺陷的晶体比理想晶体在热力学上更为稳定。（原因：晶体中形成点缺陷时，体系内能的增加将使自由能升高，但体系熵值也增加了，这一因素又使自由能降低。其结果是在G-n曲线上出现了最低值，对应的n值即为平衡空位数。）（2）点缺陷的平衡浓度C=Aexp(-∆Ev/kT)K：波尔兹曼常数，约为8.62×10-5ev/K或1.38×10-23J/K∆Ev：该种点缺陷的形成能。第12页，共33页。过饱和点缺陷(supersaturatedpointdefect)的产生在点缺陷的平衡浓度下晶体的自由能最低，系统最稳定。当在一定的温度下，晶体中点缺陷的数目明显超过其平衡浓度时，这些点缺陷称为过饱和点缺陷，通常它的产生方式有三种:淬火(quenching)冷加工(coldworking)辐照(radiation)1.淬火高温时晶体中的空位浓度很高，经过淬火后，空位来不及通过扩散达到平衡浓度，在低温下仍保持了较高的空位浓度。2.冷加工金属在室温下进行压力加工时，由于位错交割所形成的割阶发生攀移，从而使金属晶体内空位浓度增加。3.辐照当金属受到高能粒子（中子、质子、氘核、α粒子、电子等）辐照时，晶体中的原子将被击出，挤入晶格间隙中，由于被击出的原子具有很高的能量，因此还有可能发生连锁作用，在晶体中形成大量的空位和间隙原子第13页，共33页。3点缺陷的产生及其运动（1）点缺陷的产生平衡点缺陷：热振动中的能力起伏。过饱和点缺陷：外来作用，如高温淬火、辐照、冷加工等。（2）点缺陷的运动（迁移、复合－浓度降低；聚集－浓度升高－塌陷）第14页，共33页。4、点缺陷与材料行为（1）结构变化：晶格畸变（如空位引起晶格收缩，间隙原子引起晶格膨胀，置换原子可引起收缩或膨胀。）（2）性能变化：物理性能（如电阻率增大，密度减小。）

力学性能（屈服强度提高）第15页，共33页。二、线缺陷（位错）位错：晶体中某处一列或若干列原子有规律的错排。意义：（对材料的力学行为如塑性变形、强度、断裂等起着决定性的作用，对材料的扩散、相变过程有较大影响。）位错的提出：1926年，弗兰克尔发现理论晶体模型刚性切变强度与实测临界切应力的巨大差异（2～4个数级）。1934年，泰勒、波朗依、奥罗万几乎同时提出位错的概念。1939年，柏格斯提出用柏氏矢量表征位错。1947年，柯垂耳提出溶质原子与位错的交互作用。1950年，弗兰克和瑞德同时提出位错增殖机制。之后，用TEM直接观察到了晶体中的位错。第16页，共33页。第17页，共33页。1、位错的基本类型（1）刃型位错模型：滑移面/半原子面/位错线（位错线┻晶体滑移方向，位错线┻位错运动方向，晶体滑移方向//位错运动方向。）分类：正刃型位错（┻）；负刃型位错（┳）。产生：空位塌陷；局部滑移。第18页，共33页。（2）螺型位错模型：滑移面/位错线。（位错线//晶体滑移方向，位错线┻位错运动方向，晶体滑移方向┻位错运动方向。）分类：左螺型位错；右螺型位错。第19页，共33页。3、柏氏矢量（1）确定方法(避开严重畸变区)a在位错周围沿着点阵结点形成封闭回路。b在理想晶体中按同样顺序作同样大小的回路。c在理想晶体中从终点到起点的矢量即为――。第20页，共33页。刃型位错的柏氏矢量与位错线垂直，其正负可用右手法则确定。（通常先人为地规定位错线的方向，然后用右手食指表示位错线的方向，中指表示柏氏矢量的方向，当拇指向上是为正刃型位错，向下时为负刃型位错。）螺型位错的柏氏矢量与位错线平行，且规定柏氏矢量与位错线正向平行的为右旋；反向平行的为左旋。第21页，共33页。柏氏矢量的特征：●用柏氏矢量可判断位错的类型。柏氏矢量与位错线垂直者为刃型错，平行者为螺型位错，既不垂直又不平行者为混合位错。●柏氏矢量反映位错区域点阵畸变总累积的大小。柏氏矢量越大，位错周围晶体畸变越严重。●用柏氏矢量可以表示晶体滑移的方向和大小。位错运动导致晶体滑移时，滑移量大小即柏氏矢量b，滑移方向即为柏氏矢量的方向。●一条位错线具有唯一的柏氏矢量。它与柏氏回路的大小和回路在位错线上的位置无关，位错在晶体中运动或改变方向时，其柏氏矢量不变。

●若位错可分解，则分解后各分位错的柏氏矢量之和等于原位错的柏氏矢量。●位错可定义为柏氏矢量不为零的晶体缺陷，它具有连续性，不能中断于晶体内部。其存在形态可形成一个闭合的位错环，或连接于其他位错，或终止在晶界，或露头于晶体表面。第22页，共33页。同一晶体中，柏氏矢量愈大，表明该位错导致点阵畸变愈严重，它所在处的能量也愈高。能量较高的位错通常倾向于分解为两个或多b12＞b22＋b32个能量较低的位错：b1→b2＋b3，并满足，以使系统的自由能下降。第23页，共33页。第24页，共33页。柏氏矢量的表示方法柏氏矢量的表示方法与晶向指数相似，只不过晶向指数没有“大小”的概念，而柏氏矢量必须在晶向指数的基础上把矢量的模也表示出来，因此柏氏矢量的大小和方向要用它在各个晶轴上的分量，即点阵矢量a，b和c来表示。

a表示:b=a[uvw]/n（可以用矢量加法进行算）。b求模：/b/=a[u2+v2+w2]1/2/n（全位错）。第25页，共33页。4.位错的密度（1）单位体积中位错线的总长度，ρ＝ΣL/V式中：ρ为位错密度,单位为m-2，ΣL为位错线总长度,单位为m,V为体积,单位为m3。

（2）晶体强度与位错密度的关系（3）位错观察：浸蚀法、电境法。第26页，共33页。●若位错可分解，则分解后各分位错的柏氏矢量之和等于原位错的柏氏肖脱基空位－离位原子进入其1950年，弗兰克和瑞德同时提出位错增殖机制。在研究晶体结构时，通常以晶胞作为代表来考查。晶体结构不同，其性能往往相差很大。体中的位错来源可有以下几种：低—具有平衡点缺陷的晶体比理想晶体在热力学上更为稳或膨胀。柏氏矢量的表示方法与晶向指数相似，只不过晶向指（2）晶体强度与位错密度的关系力学性能（屈服强度提高）③晶体生长过程中由于相邻晶粒发生碰撞或因液流冲击，以及冷却时体4、点缺陷与材料行为（3）位错观察：浸蚀法、电境法。密排六方晶胞如图所示。实验结果表明，一般经充分退火的多晶体金属中，位错密度约为106～108cm-2;但经精心制备和处理的超纯金属单晶体（晶须），位错密度低于103cm-2；而经过剧烈冷变形的金属，位错密度可高达1010～1012cm-2。陶瓷晶体中也有位错，但是由于其结合键为共价键或离子键，键能很强，发生局部滑移很困难，因此陶瓷晶体的位错密度远低于金属晶体，要使陶瓷发生塑性变形需要很大的应力。第27页，共33页。5.位错的生成上节曾讲到大多数晶体的位错密度都很大，即使精心制备的纯单晶体中也存在许多位错。这些原始位错究竟是通过哪些途径产生的呢？晶体中的位错来源可有以下几种：１、晶体生长过程中产生位错。其主要来源有：①由于熔体中杂质原子在凝固过程中不均匀分布使晶体的先后凝固部分成分不同，从而点阵常数也有差异，可能形成位错作为过渡；②由于温度梯度、浓度梯度、机械振动等的影响，致使生长着的晶体偏转或弯曲