材料科学基础试题课件第三章

Imperfections(defects)in“Itisthedefectsthatmakesmaterialssointeresting,justlikethehumanbeing.”“Defectsareattheheartofmaterials1a)Interstitialimpurityatom,b)Edgedislocation,c)Selfinterstitiald)Vacancy,e)Precipitateofimpurityatoms,f)Vacancytypedislocationg)Interstitialtypedislocationloop,h)Substitutionalimpurity2几 点缺陷（pointdefect) 零维缺陷(zero-dimensionaldefect)几何分 线缺陷（linedefect) 一维缺陷(one-dimensionaldefect)分为 面缺陷 ne 在一个方向上尺寸很 二维缺陷(two-dimensional （Theproductionofpoint原因

Frenkel空位，-〉晶体间 =电子能+畸变空位个数n位置点数n n

(Nn)!Sck[lnW

kln(NlnN!NlnNNlnNlnN10Sck[ln(Nn)!]k[ln(Nn)!lnn!lnSck[(Nn)ln(Nn)nlnnNlnN] FUTS

Unnn

F=U

n8FnEvT(ScnSfFn(EvTSf)kT[(Nn)ln(Nn)nlnnNlnN]

T（T

）T

（n）

TSfkT[ln(Nn)lnn]lnNnlnNEv

TSfkT

CCnexpS exp(Ev)Aexp(EvNkkTkT9CAexp(Ev =0.70kT C

030090000ReprintedwithpermissionfromNature(K.F.McCarty,J.A.Nobel,andN.C.Bar t,"VacanciesinSolidsandtheStabilityofSurfaceMorphology",Nature,Vol.412,pp.622-625(2001).Imageis5.75mby5.75m.)Copyright(2001)Macmillan2

（迁移和复合

/

/

实验值：c=10-8~10-4h

x aam m

sin(2x

d2

ddd xhdddGdxdh dx

aa

G G mm0.01

edge移面，刃位错的滑移面是唯一的。是对称的，位错线附近畸变大，远处畸变小。 tb||b||b screw5)分左螺旋位错left-handed 错线相交成任意角度，。 柏氏矢量的确定Burgers bFS/RH

bs(b

bsb

r

rrr

bbsin

)e bt bt CanaloopbeentirelybbCylindrical ne2（strengthof

Burgers推论：1推论：1）bb1b2b3,bnbrnr， ，rb

auvw n

b

u2v2r

auvw

auvw 1

b46 1 1 1 1 1 2b3b43[111]6[112](3a3b3c)(6a6b6c)11

a b 01 b62 b5b62[101]2[011]2DislocationsinTitanium.(CourtesyofB.K.DislocationsinAl2O3andDislocationsin(a)Al2O3and(b)TiC.(CourtesyofJ.C.DislocationinAtomicresolutiontransmissionelectronmicrographofdislocationinmolybdenumwithaBurgerscircuitaroundit.(CourtesyofR.Gronsky.)？GlideofanGlideofanGlideofanGlideofan

crssisstressontheslipneindirectionofGlideofanGlideofan

crssisstressontheslipneindirectionofGlideofanGlideofan

crssisstressontheslipneindirectionofGlideofanGlideofan

crssisstressontheslipneindirectionofGlideofanGlideofanAsurfacestepofbiscreatedifaovertheentireslip

Surfacestep,nota（5）刃性位错的滑移面是位错线及b确定的唯一平面，而螺型位错，CrossSlip） 的扩大或缩小〈的扩大或缩小〈=原子或空位的扩散

b r

r

r化

移动部分的移动方向： v移动部分v vb,

割阶和扭折（Jogand 能其中一部分线段首先进行滑移，若由此造成的曲折线段就 Directionofscrew

edge

Bof Thisendofedgegoescreatesjog

Edgejogisindirectionofbs.Jogsslowmotionofdislocation.Screw-EdgeScrew-EdgeDislocationInctions:createsedgeWhydoesscrewalsohaveDirectionofscrew

EdgejogisindirectionofJogsslowmotionofeB e

edgeedgeScrew-EdgeScrew-EdgeDislocationInctions:createsedgeScrewjogisindirectionofbe.Whyisthereajoginscrew?

screw

TimesnapScrew-ScrewScrew-ScrewDislocationctions:createsedgeEnergycostofjogJogsslowmotionofInscrew-screwcase,joghastomoveviaCLIMB,orgeneratearowVACANCIESorINTERSTITIALS.Climbisnon-conservative,andpoint-defectscostsmoreenergy.

ux(x,y,u(x,y,

uy(x,y,uz(x,y,σσzx=zy=xy=

εzx=εzy=εxy=

Poisson'sratio,νbulkmodulus,K.λ：LaméG：shearYλ：LaméG：shearY=(40-600)GNm–2ν=(0.2–0.45),=G=2σ=θ=θzr=rθyx

εzθ=εrθ=εzr=zrθyxzrθyx(1)(1)ux=uy=应变：z=b/2r=z应力：zzGzGb/2r1/r规律；r->0,应力无穷大，b1b12D2D y22x2y2D y22x2y2zz(xxyy y22Dx2y2xxzxyzzy0rr

sinrzz(rrD

r

cos

rzzrzz0 G g1

2(1 x

xxyyy Strain (E=Ec+Es≈EsEsGblne EeW dxdr

0 r 0

r

21dxdr41lnEsGbln0 0

Gb2sin2

ln

Gb2cos2lnR

lnEe

混合位错角度因素： 螺K=1刃K=1- 1cos21）应变能与b2成正比b的位错最稳定b，的位错有可能分解为b小的位错，以降低系统能量。 Es螺/Es刃1常用金属材料1/3，Es螺/Es 直线为最短，位错总有被拉直的趋势，产生一线张力。

: T= bgds2Tsin

b

或 滑移力： 攀移力：FyFF1->2=1-FFr=

稳 稳

介稳斥

稳 稳 bb1b2/2:b2b1+b2:22b1b2/2:b2b1+b2:22= =nl/lA= 超纯金属单晶体：<103/cm2 Frank-ReadbAbAB GbGb

“钉扎”作用，使原位错在新滑移面（111）上滑移时成为一个克-瑞德 简单立方晶体：柏氏矢量=点阵矢量，点阵矢量n=1n<1部分位错(partial实际晶体中的位错须满足两大条件能量条件：bb实际晶体中的堆垛顺序：密排原子面按一定顺序堆垛而成代表：AB，BC，CA

▽ 抽出型插入型

(▽)(▽▽) 正常周期完整性=>晶体能量升高 不全位错：若堆垛层错不是发生在晶体的整个原子面上而只是部分区域存在，那么，在层错与完整晶体的交界处就存在柏氏（b矢量不等于点阵矢量(a/6)*<121>(在(111)面上[121][121]

2

层错与完整晶体的边界,（a/3)*<111>。 克（Frank)不全位错属不动位错（sessile222

(111),(-1,1,1),(1,-1,1),(1,1,-6条棱边代表12个晶向，即 (a/6)<110（stair

：层错能，FG(b1b2)dG(b1b2可见：d成反比，与G

aa

滑移面 单位位错：(a/2)<111<111 ((0001)（当c/a>=1.633时{1,0,-1,0},{1,0,-1,1}（当c/a<1.633时 Grainboundary，Stackingfault，Twinboundary，InterphasedWdA.V.U恒温恒容，组温恒容，组元 i被割断的化学键数目能量形成了新的表面

每个键

AreaAArea1 n1 n2 小的表面能。所以自由晶体在**DD 2sin2DD 2sin2 b bD大角度晶界（High-anglegrain rdFrdFdAui