第一章金屬的實際結(jié)構(gòu)和晶體缺陷

1、1一、多晶體結(jié)構(gòu)一、多晶體結(jié)構(gòu)第二節(jié)第二節(jié) 金屬的實際結(jié)構(gòu)和晶體缺陷金屬的實際結(jié)構(gòu)和晶體缺陷2 實際晶體中由于晶體的生長條件、晶體中原子的熱運動、實際晶體中由于晶體的生長條件、晶體中原子的熱運動、材料加工過程中各種因素的影響，原子的排列不可能這樣規(guī)材料加工過程中各種因素的影響，原子的排列不可能這樣規(guī)則和完整，而是或多或少地存在偏離理想結(jié)構(gòu)的區(qū)域。通常則和完整，而是或多或少地存在偏離理想結(jié)構(gòu)的區(qū)域。通常把這種偏離平衡位置而出現(xiàn)把這種偏離平衡位置而出現(xiàn)不完整性的區(qū)域不完整性的區(qū)域稱為晶體缺陷。稱為晶體缺陷。 但必須指出，缺陷的存在只是晶體中局部的破壞，它只但必須指出，缺陷的存在只是晶體中局部的破壞

2、，它只是一個很小的量，從整體上看晶體還是完整的。是一個很小的量，從整體上看晶體還是完整的。二、晶格缺陷二、晶格缺陷3 根據(jù)晶體缺陷的幾何特征，晶體缺陷可分為三類：根據(jù)晶體缺陷的幾何特征，晶體缺陷可分為三類： （1）點缺陷點缺陷 ： 在三維空間各方向上尺寸都很小的在三維空間各方向上尺寸都很小的 缺缺陷，相當于原子數(shù)量級。如：空位、間隙原子、置換原陷，相當于原子數(shù)量級。如：空位、間隙原子、置換原子等子等。 （2）線缺陷線缺陷： 在兩個方向上尺寸很小，另外一個方在兩個方向上尺寸很小，另外一個方向上的尺寸很大的缺陷，主要指位錯。向上的尺寸很大的缺陷，主要指位錯。 （3）面缺陷面缺陷： 在一個方向上的尺

3、寸很小，另外兩個在一個方向上的尺寸很小，另外兩個方向上的尺寸很大的缺陷。如：晶界、相界、表面等。方向上的尺寸很大的缺陷。如：晶界、相界、表面等。4（一）（一） 點缺陷點缺陷點缺陷的類型點缺陷的類型（1）空位：）空位：肖脫基空位肖脫基空位離位原子進離位原子進入其它空位或遷移至晶界入其它空位或遷移至晶界或表面?；虮砻?。弗蘭克爾空位弗蘭克爾空位離位原子離位原子進入晶體間隙。進入晶體間隙。（2）間隙原子：位于晶體）間隙原子：位于晶體點陣間隙的原子（自間隙點陣間隙的原子（自間隙原子、異類間隙原子）。原子、異類間隙原子）。（3）置換原子：位于晶體）置換原子：位于晶體點陣位置的異類原子。點陣位置的異類原子。

4、5點缺陷的形成點缺陷的形成 晶體中位于晶格結(jié)點上的原晶體中位于晶格結(jié)點上的原子并非靜止不動的，而是以其子并非靜止不動的，而是以其平衡位置為中心作熱運動。晶平衡位置為中心作熱運動。晶體中存在體中存在能量起伏能量起伏，使得某一，使得某一瞬間，某個原子具有足夠大的瞬間，某個原子具有足夠大的能量，克服周圍原子對它的制能量，克服周圍原子對它的制約，跳出其所在的位置，使晶約，跳出其所在的位置，使晶格中形成空結(jié)點，稱格中形成空結(jié)點，稱空位空位。GmBAA晶格中的勢能分布晶格中的勢能分布 空位是一種熱平衡缺陷?？瘴皇且环N熱平衡缺陷。 溫度越高，空位濃度越大。溫度越高，空位濃度越大。6點陣畸變：點陣畸變：點缺陷

5、的存在，點缺陷的存在，使得周圍原子相互之間的作使得周圍原子相互之間的作用力失去平衡，為了達到新用力失去平衡，為了達到新的平衡，原子需要重新調(diào)整的平衡，原子需要重新調(diào)整其平衡位置，從而使點陣產(chǎn)其平衡位置，從而使點陣產(chǎn)生彈性畸變，即點陣畸變，生彈性畸變，即點陣畸變，又稱又稱晶格畸變晶格畸變。點缺陷周圍原子偏離了其平點缺陷周圍原子偏離了其平衡位置，形成衡位置，形成彈性應(yīng)力場彈性應(yīng)力場。 形成點缺陷后，晶體的內(nèi)能形成點缺陷后，晶體的內(nèi)能升高，增加的能量稱為升高，增加的能量稱為點缺點缺陷形成能陷形成能。7 點缺陷的形成與運動點缺陷的形成與運動（1 1）平衡點缺陷平衡點缺陷：熱振動中的能力起伏。：熱振動中

6、的能力起伏。 過飽和點缺陷過飽和點缺陷：外來作用，如高溫淬火、輻照、：外來作用，如高溫淬火、輻照、冷加工等。冷加工等。（2 2）點缺陷的運動）點缺陷的運動（遷移、復(fù)合濃度降低；聚集濃度升高塌陷）（遷移、復(fù)合濃度降低；聚集濃度升高塌陷）8點缺陷對晶體性能的影響點缺陷對晶體性能的影響 （1 1）結(jié)構(gòu)變化：晶格畸變（如空位引起晶格收縮，間）結(jié)構(gòu)變化：晶格畸變（如空位引起晶格收縮，間隙原子引起晶格膨脹，置換原子可引起收縮或膨脹）。隙原子引起晶格膨脹，置換原子可引起收縮或膨脹）。 （2 2）性能變化：物理性能（如電阻率增大）性能變化：物理性能（如電阻率增大） 。 （3 3）力學(xué)性能（屈服強度提高）。）力

7、學(xué)性能（屈服強度提高）。 （4 4）增大擴散系數(shù)。）增大擴散系數(shù)。9（二）（二） 線缺陷線缺陷 晶體中的線缺陷指各種類型的位錯，是晶體中某處一晶體中的線缺陷指各種類型的位錯，是晶體中某處一列和若干列原子發(fā)生了有規(guī)律的錯排現(xiàn)象，錯排區(qū)是細長列和若干列原子發(fā)生了有規(guī)律的錯排現(xiàn)象，錯排區(qū)是細長的管狀畸變區(qū)域，長度可達幾百至幾萬個原子間距，寬度的管狀畸變區(qū)域，長度可達幾百至幾萬個原子間距，寬度僅幾個原子間距。僅幾個原子間距。 位錯主要有兩種模型位錯主要有兩種模型 ：一種為：一種為刃型位錯刃型位錯，一種為，一種為螺型螺型位錯位錯。 位錯對材料的塑性變形、強度、斷裂等力學(xué)性能起著位錯對材料的塑性變形、強度

8、、斷裂等力學(xué)性能起著決定性的作用。同時，位錯對擴散、相變等過程也有較大決定性的作用。同時，位錯對擴散、相變等過程也有較大的影響。的影響。10（1 1）刃型位錯）刃型位錯模型：模型：1 1）有一多余半原子面；）有一多余半原子面； 2 2）位錯線）位錯線 晶體滑移方向。晶體滑移方向。 位錯類型位錯類型11（1 1）刃型位錯）刃型位錯12（1 1）刃型位錯）刃型位錯13 在位錯線周圍一個有限區(qū)域內(nèi)，原子離開了其平衡位在位錯線周圍一個有限區(qū)域內(nèi)，原子離開了其平衡位置，即產(chǎn)生了置，即產(chǎn)生了點陣畸變點陣畸變。點陣畸變區(qū)出現(xiàn)彈性應(yīng)力場。點陣畸變區(qū)出現(xiàn)彈性應(yīng)力場。（1 1）點陣畸變在多余半原子面兩側(cè)左右對稱。

9、）點陣畸變在多余半原子面兩側(cè)左右對稱。（2 2）在含有半原子面部分，晶體受壓應(yīng)力；在不含半原）在含有半原子面部分，晶體受壓應(yīng)力；在不含半原子面部分，晶體受拉應(yīng)力。子面部分，晶體受拉應(yīng)力。通常把點陣畸變程度大于正常通常把點陣畸變程度大于正常原子間距原子間距1/41/4的區(qū)域稱為位錯寬的區(qū)域稱為位錯寬度，約度，約3 35 5個原子間距。因此，個原子間距。因此，位錯線并不是一條幾何上的線，位錯線并不是一條幾何上的線，而是以位錯線為中心包含幾個原而是以位錯線為中心包含幾個原子間距的一個狹長管道。子間距的一個狹長管道。（1 1）刃型位錯）刃型位錯14分類：分類：正刃型位錯（正刃型位錯（）：多余半原子面在

10、上；負刃型）：多余半原子面在上；負刃型位錯（位錯（） ：多余半原子面在下。：多余半原子面在下。刃型位錯的正負之分并無本質(zhì)區(qū)別，只是為了表示兩者刃型位錯的正負之分并無本質(zhì)區(qū)別，只是為了表示兩者的相對位置，便于以后討論。的相對位置，便于以后討論。（1 1）刃型位錯）刃型位錯15（2 2）螺型位錯）螺型位錯 screw dislocationscrew dislocation模型：模型：1 1）無多余半原子面；）無多余半原子面； 2 2）位錯線）位錯線/晶體滑移方向。晶體滑移方向。分類：分類：左螺型位錯；右螺型位錯。左螺型位錯；右螺型位錯。16（2 2）螺型位錯）螺型位錯 screw disloca

11、tionscrew dislocation17（2 2）螺型位錯）螺型位錯 screw dislocationscrew dislocation(c) 2003 Brooks/Cole Publishing / Thomson Learning18（3 3）混合型位錯）混合型位錯 模型：模型：位錯線既不垂直于滑移方向，也不平行于滑移位錯線既不垂直于滑移方向，也不平行于滑移方向?；旌闲臀诲e可以分解為刃型位錯和螺型位錯。方向?；旌闲臀诲e可以分解為刃型位錯和螺型位錯。19位錯的性質(zhì)：位錯的性質(zhì)：1 1）是已滑移區(qū)和未滑移區(qū)的邊界。）是已滑移區(qū)和未滑移區(qū)的邊界。2 2）位錯線不能在晶體內(nèi)部中斷。在晶體

12、內(nèi)，位借可以自位錯線不能在晶體內(nèi)部中斷。在晶體內(nèi)，位借可以自成閉合的位錯環(huán)，或者和其他位錯相連接，或者穿過晶成閉合的位錯環(huán)，或者和其他位錯相連接，或者穿過晶體終止在晶界或晶體表面。體終止在晶界或晶體表面。203 3 位錯密度位錯密度（1 1）表示方法：）表示方法：L/VL/V n/An/A式中式中 L L 位錯線的總長度；位錯線的總長度； V V 晶體體積。晶體體積。 A A 晶體的截面面積；晶體的截面面積； n n 過過A A面積的位錯線數(shù)目。面積的位錯線數(shù)目。 位錯密度的單位為位錯密度的單位為1/m2。一般經(jīng)過充分退火的金屬中。一般經(jīng)過充分退火的金屬中位錯密度為位錯密度為10101012m

13、-2；而經(jīng)劇烈冷變形的金屬中位錯；而經(jīng)劇烈冷變形的金屬中位錯密度高達密度高達10151016m-2以上。以上。213 3 位錯密度位錯密度（2 2）晶體強度與位錯密度的關(guān)系）晶體強度與位錯密度的關(guān)系 （-圖）圖）c兩種提高工程材料強度的途徑：兩種提高工程材料強度的途徑：（1 1）盡量減小位錯密度，制造幾乎不含位錯的結(jié)構(gòu)完整）盡量減小位錯密度，制造幾乎不含位錯的結(jié)構(gòu)完整的小晶體，比如晶須（絲狀單晶體）。例如直徑為的小晶體，比如晶須（絲狀單晶體）。例如直徑為1.61.6m m的的鐵晶須，其抗拉強度高達鐵晶須，其抗拉強度高達13400MN/mm13400MN/mm2 2，而工業(yè)純鐵的抗拉，而工業(yè)純鐵

14、的抗拉強度僅有強度僅有300MN/mm300MN/mm2 2；（2）盡量增大位錯密度，比如制造非晶態(tài)材料。）盡量增大位錯密度，比如制造非晶態(tài)材料。 22位錯觀察：浸蝕后電鏡下觀察位錯觀察：浸蝕后電鏡下觀察(c) 2003 Brooks/Cole Publishing / Thomson Learning23位錯觀察：浸蝕后電鏡下觀察位錯觀察：浸蝕后電鏡下觀察24Smith W F. Foundations of Materials Science and Engineering. McGRAW.HILL.3/E位錯觀察：浸蝕后電鏡下觀察位錯觀察：浸蝕后電鏡下觀察25位錯組態(tài)位錯組態(tài) 位錯在晶體

15、中的分布形式很多。位錯在晶體中的分布形式很多。 位錯在經(jīng)充分退火的位錯在經(jīng)充分退火的金屬中，相互連接成網(wǎng)絡(luò)，稱之為金屬中，相互連接成網(wǎng)絡(luò)，稱之為位錯網(wǎng)位錯網(wǎng)；也可以垂直排；也可以垂直排列成列成小角度晶界小角度晶界 ；經(jīng)塑性變形的金屬中，位錯可以在滑；經(jīng)塑性變形的金屬中，位錯可以在滑移面上形成移面上形成塞積群塞積群；也可能在夾雜物或沉淀物周圍形成；也可能在夾雜物或沉淀物周圍形成位位錯環(huán)錯環(huán)；也可能形成更復(fù)雜的；也可能形成更復(fù)雜的位錯纏結(jié)位錯纏結(jié)等等26 （三）（三） 面缺陷面缺陷 晶體的面缺陷包括晶體的外表面和晶體的晶體的面缺陷包括晶體的外表面和晶體的內(nèi)界面（包括晶界、亞晶界、孿晶界、相界、內(nèi)界

16、面（包括晶界、亞晶界、孿晶界、相界、堆垛層錯等）。堆垛層錯等）。 面缺陷對金屬的物理性能、化學(xué)性能和力學(xué)面缺陷對金屬的物理性能、化學(xué)性能和力學(xué)性能都有著重要影響。性能都有著重要影響。27 1 1 晶界晶界 晶界：兩個空間位向不同的相鄰晶粒之間的界面。晶界：兩個空間位向不同的相鄰晶粒之間的界面。28 1 1 晶界晶界 根據(jù)相鄰晶粒位向差的大小，可把晶界分為根據(jù)相鄰晶粒位向差的大小，可把晶界分為小角晶界小角晶界和和大角晶界大角晶界兩種類型：兩種類型：（1 1）小角度晶界）小角度晶界：晶粒位向差小于：晶粒位向差小于1010的晶界。其結(jié)構(gòu)的晶界。其結(jié)構(gòu)為位錯列，又分為為位錯列，又分為對稱傾側(cè)晶界對稱傾

17、側(cè)晶界和和扭轉(zhuǎn)晶界扭轉(zhuǎn)晶界。（2 2）大角度晶界：）大角度晶界：當兩個相鄰晶粒之間的位向差大于當兩個相鄰晶粒之間的位向差大于1010的晶界。的晶界。29 （1 1）小角度晶界小角度晶界對稱傾側(cè)晶界對稱傾側(cè)晶界30（1 1）小角度晶界小角度晶界對稱傾側(cè)晶界對稱傾側(cè)晶界對稱傾側(cè)晶界對稱傾側(cè)晶界31 （1 1）小角度晶界小角度晶界扭轉(zhuǎn)晶界扭轉(zhuǎn)晶界扭轉(zhuǎn)晶界扭轉(zhuǎn)晶界32（1 1）小角度晶界小角度晶界33 （2 2）大角度晶界大角度晶界其結(jié)構(gòu)為幾個原子范圍其結(jié)構(gòu)為幾個原子范圍內(nèi)的原子的混亂排列，內(nèi)的原子的混亂排列，可視為一個過渡區(qū)?？梢暈橐粋€過渡區(qū)。34 （2 2）大角度晶界大角度晶界界面不是光滑的曲面，

18、界面不是光滑的曲面，而是由不規(guī)則的臺階組而是由不規(guī)則的臺階組成的。分界面上既包含成的。分界面上既包含有同時局于兩晶粒的原有同時局于兩晶粒的原于于D，也包含有不屬于，也包含有不屬于任一晶粒的原子任一晶粒的原子A；既；既包含有壓縮區(qū)包含有壓縮區(qū)B，也包，也包含有擴張區(qū)含有擴張區(qū)C。35 晶界是原子或離子擴散的快速通道，也是空位晶界是原子或離子擴散的快速通道，也是空位消除的地方，這種特殊作用對固相反應(yīng)、燒結(jié)起消除的地方，這種特殊作用對固相反應(yīng)、燒結(jié)起重要作用，對陶瓷、耐火材料等多晶材料性能如重要作用，對陶瓷、耐火材料等多晶材料性能如蠕變、強度等力學(xué)性能影響較大。蠕變、強度等力學(xué)性能影響較大。36 （3 3）界面能界面能小角度晶界界面能：小角度晶界界面能：大角度晶界界面能大角度晶界界面能基本為一恒定值?；緸橐缓愣ㄖ?。37 2 2 亞晶界亞晶界亞晶界亞晶界：位向差小于：位向差小于1 1度度的亞晶粒之間的邊界。為的亞晶粒之間的邊界。為刃型位錯結(jié)構(gòu)。刃型位錯結(jié)構(gòu)。38 3 3 孿晶界孿晶界孿晶孿晶：孿晶是指相鄰兩個晶?；蛞粋€晶粒內(nèi)部的相鄰兩部分孿晶是指相鄰兩個晶?；蛞粋€晶粒內(nèi)部的相鄰兩部分的原子相對于一個公共晶面呈鏡面對稱排列，此公共晶面稱的原子相對于一個公共晶面呈鏡面對稱排列，此公共晶面稱為為孿晶