浙大材料科學(xué)基礎(chǔ)課件part6

1、一純螺型和一純?nèi)行臀诲e(cuò)平行：由于螺型力場(chǎng)，而沒(méi)有刃型滑移和攀移所需的和；同樣，刃型力場(chǎng)、和中也沒(méi)有螺型滑移所需的，所以，兩位錯(cuò)間沒(méi)有相互作用任意柏格斯矢量的兩個(gè)平行的直線位錯(cuò)：分解為刃型分量和螺型分量，分別計(jì)算兩螺和兩刃間的相互作用，再疊加起來(lái)結(jié)論：若柏格斯矢量夾角<p/2，則兩位錯(cuò)互相排斥；若柏格斯矢量夾角>p/2，則兩位錯(cuò)互相吸引2、位錯(cuò)塞積：許多位錯(cuò)被迫堆積在某種障礙物前，如Error! Reference source not found.所示，它們來(lái)自同一位錯(cuò)源，具相同的柏格斯矢量，障礙物如晶界塞積群（在垂直于位錯(cuò)線方向的）長(zhǎng)度：對(duì)刃型為Nmb/pt(1-n)，對(duì)螺型為N

2、mb/pt。正比于位錯(cuò)總數(shù)N，反比于外加切應(yīng)力t塞積群的平衡：外加切應(yīng)力所產(chǎn)生的滑移力Fx=tb，使位錯(cuò)盡量靠緊；其他位錯(cuò)間的排斥力（每一對(duì)位錯(cuò)間的排斥力，式2-74）使位錯(cuò)盡量散開(kāi)；障礙物阻力（短程），僅作用在塞積群前端的位錯(cuò)上達(dá)很高的數(shù)值。三者間的平衡位錯(cuò)塞積群前端的應(yīng)力集中：受外力，同時(shí)受所有其它位錯(cuò)作用在領(lǐng)先位錯(cuò)與障礙物間擠壓產(chǎn)生局部應(yīng)力。n（塞積位錯(cuò)數(shù)）倍于外力的應(yīng)力集中,能使相鄰晶粒屈服，也可能在晶界處引起裂縫。3.位錯(cuò)反應(yīng)：位錯(cuò)之間的相互轉(zhuǎn)化。譬如一分為二或兩合為一，位錯(cuò)反應(yīng)條件：1、反應(yīng)前矢量和等于反應(yīng)后矢量和，即2、反應(yīng)后總能量小于反應(yīng)前總能量，即（因?yàn)槟芰空扔赽2）。反應(yīng)

3、使能量從4b2降為2b2變穩(wěn)定4.位錯(cuò)交割：位錯(cuò)互相切割的過(guò)程林位錯(cuò)：穿過(guò)運(yùn)動(dòng)位錯(cuò)的滑移面的其它位錯(cuò)。它會(huì)阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)或位錯(cuò)切它而過(guò)位錯(cuò)割階：交割過(guò)程中使位錯(cuò)被切割而產(chǎn)生的一小段不在原滑移面上的位錯(cuò)（Error! Reference source not found.）為兩刃交割：它的柏格斯矢量是原矢量；（Error! Reference source not found.）為一刃一螺交割：柏格斯矢量與螺位錯(cuò)相同(二)位錯(cuò)與點(diǎn)缺陷的相互作用點(diǎn)缺陷在晶體中引起彈性畸變，受到位錯(cuò)應(yīng)力場(chǎng)的作用。如正刃，滑移面上晶胞體積小一些，吸引比基體小的置換式溶質(zhì)原子和空位；下邊大一些，吸引間隙原子和比基體原子大

4、的置換式溶質(zhì)原子位錯(cuò)與溶質(zhì)原子的相互作用能：外力（被假定為球形的溶質(zhì)原子改變體積）反抗位錯(cuò)應(yīng)力場(chǎng)所作的功DV為溶質(zhì)與基體原子體積差。刃型位錯(cuò)的應(yīng)力場(chǎng)公式代入有：， 其中以此可分析得到吸引或排斥某種原子的區(qū)域，Error! Reference source not found.史諾克(Snoek)氣團(tuán)：螺型位錯(cuò)與周?chē)娜苜|(zhì)原子作用，原子在沿x、y、z的三種面心位置上發(fā)生擇優(yōu)分布（應(yīng)力感生有序），使系統(tǒng)能量降低。這是因?yàn)槊嫘奈恢蒙显釉?lt;100>方向相接鄰的基體原子距離近，在<110>方向相接鄰的基體原子距離遠(yuǎn)，所以產(chǎn)生四方性的畸變（Error! Reference sou

5、rce not found.），不但有正應(yīng)力分量，同時(shí)有切應(yīng)力分量，也與螺型位錯(cuò)發(fā)生相互作用柯垂耳(Cottrell)氣團(tuán)：若溫度和時(shí)間允許，溶質(zhì)原子向位錯(cuò)附近的聚集。使位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)受到限制，因?yàn)檫@時(shí)推動(dòng)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，或掙脫氣團(tuán)束縛，或拖著氣團(tuán)前進(jìn)電學(xué)相互作用：刃位錯(cuò)附近晶格的局部膨脹和壓縮引起自由電子的再分布，在膨脹一側(cè)濃度偏高，壓縮一側(cè)偏低，結(jié)果使得膨脹區(qū)荷負(fù)電，壓縮區(qū)荷正電，整個(gè)位錯(cuò)成為一個(gè)線狀的電偶極子?；瘜W(xué)相互作用：位錯(cuò)周?chē)苜|(zhì)原子的濃度滿足，其中C0為溶質(zhì)原子平均濃度，U為互作用能。超過(guò)溶解度極限時(shí)，沉淀物質(zhì)點(diǎn)在位錯(cuò)線上析出空位、間隙原子和位錯(cuò)的互相轉(zhuǎn)化：過(guò)飽和度太高的空位沿一定晶面聚成

6、片狀析出，如Error! Reference source not found.所示，太大后失穩(wěn)，崩塌并合，轉(zhuǎn)化成位錯(cuò)環(huán)；異號(hào)刃位錯(cuò)相遇，互相抵消，變成一列空位或填隙原子，如Error! Reference source not found.所示；當(dāng)兩個(gè)螺型位錯(cuò)相切割時(shí)會(huì)產(chǎn)生刃型的位錯(cuò)割階，帶有刃型割階的螺型位錯(cuò)繼續(xù)滑移時(shí)，它的割階將被迫攀移，結(jié)果在割階走過(guò)的地方產(chǎn)生一串空位或者間隙原子，如Error! Reference source not found.所示。五、位錯(cuò)源與位錯(cuò)增殖盡管位錯(cuò)是熱力學(xué)不穩(wěn)定的缺陷，但它們卻經(jīng)常存在于晶體之中，特別是金屬晶體，位錯(cuò)密度一般很高(一) 位錯(cuò)的來(lái)源位錯(cuò)

7、產(chǎn)生：位錯(cuò)的能量很大，除非晶體受到的應(yīng)力接近理論切變的強(qiáng)度，位錯(cuò)不能靠熱激活產(chǎn)生。位錯(cuò)不會(huì)在晶體中均勻形核1、過(guò)飽和空位可以凝聚成空位片（Error! Reference source not found.），空位片崩塌時(shí)便轉(zhuǎn)化成位錯(cuò)環(huán)2、結(jié)晶時(shí)若偏析顯著，點(diǎn)陣常數(shù)也不同，過(guò)渡區(qū)可能形成一系列刃型位錯(cuò)。3、另一種元素從表面向晶體中擴(kuò)散、沉淀物或夾雜物，也會(huì)因?yàn)閮?nèi)應(yīng)力形成位錯(cuò)4、位向有輕微差別的晶體相遇，結(jié)合處將形成位錯(cuò)。Error! Reference source not found.5、在裂縫尖端、夾雜物界面、表面損傷附近等應(yīng)力集中區(qū)會(huì)產(chǎn)生位錯(cuò)(二)位錯(cuò)的增殖退火金屬，位錯(cuò)密度約為1061

8、08/cm2，塑性形變時(shí)增加到10ll1012/cm2?？梢?jiàn)，增殖了弗蘭克一瑞德(Frank-Read)源：一段刃型位錯(cuò)AB，它的兩端被位錯(cuò)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)釘住，如Error! Reference source not found.所示，外加切應(yīng)力作用下，放出大量位錯(cuò)環(huán)，造成位錯(cuò)的增殖。動(dòng)作過(guò)程如Error! Reference source not found.所示，（以及它的動(dòng)畫(huà)演示）弗蘭克-瑞德源需要施加的應(yīng)力：利用滑移力Ft克服線張力作功的關(guān)系，（Error! Reference source not found.）平衡時(shí)有：，可見(jiàn)曲率半徑越小，要求與之相平衡的切應(yīng)力越大。位錯(cuò)彎成半圓形，相應(yīng)的

9、應(yīng)力達(dá)到最大值。所以，這時(shí)有：弗蘭克-瑞德源開(kāi)動(dòng)的臨界應(yīng)力：形成過(guò)程中所需的最大應(yīng)力，。l是位錯(cuò)線AB的長(zhǎng)度不僅位錯(cuò)網(wǎng)可產(chǎn)生節(jié)點(diǎn)、螺型位錯(cuò)交叉滑移中會(huì)自行提供。雙交滑移增殖機(jī)構(gòu)：螺位錯(cuò)開(kāi)始在P2面中滑移，遇障礙，位錯(cuò)的一段交叉滑移到Q面，繞過(guò)障礙后又回到與P2面相平行的P1面，Q面形成的兩段刃型位錯(cuò)不能隨P1、P2面上的位錯(cuò)一起前進(jìn)，成為釘扎點(diǎn)，位錯(cuò)增殖，如Error! Reference source not found.所示。單點(diǎn)源：滑動(dòng)位錯(cuò)只有一端被固定，切應(yīng)力的作用下形成蜷線并繞固定點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)它轉(zhuǎn)動(dòng)的圈數(shù)足夠多時(shí)，產(chǎn)生大量滑移的效果如果牽制位錯(cuò)端點(diǎn)的是一個(gè)螺型位錯(cuò)或具有螺型分量的位錯(cuò)，

10、那么位錯(cuò)的掃動(dòng)面將不是一個(gè)平面，而是一個(gè)螺旋面。位錯(cuò)每旋轉(zhuǎn)一周便上升到相鄰的一個(gè)原子面(Error! Reference source not found.)具有單個(gè)釘扎點(diǎn)時(shí)也會(huì)產(chǎn)生位錯(cuò)§2-3表面、界面結(jié)構(gòu)及不完整性處于晶體表面和界面上的質(zhì)點(diǎn)，其境遇與晶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)是不相同的，表面和界面通常是包含了幾個(gè)原子層厚的區(qū)域，故把它看作是一類(lèi)晶體缺陷，即面缺陷。物體的表面與界面行為，對(duì)固體材料的物理、化學(xué)等性質(zhì)有著重要的影響。一、 晶體的表面二、 表面力場(chǎng)固體表面力：晶體中每個(gè)質(zhì)點(diǎn)力場(chǎng)是對(duì)稱(chēng)的。固體表面，質(zhì)點(diǎn)排列的周期重復(fù)性中斷，力場(chǎng)對(duì)稱(chēng)性破壞，表現(xiàn)出的剩余鍵力1、化學(xué)力：本質(zhì)上是表面質(zhì)點(diǎn)的

11、不飽和價(jià)鍵引起的靜電力2、分子引力：表面與被吸附質(zhì)點(diǎn)間相互作用的范德華力分子間引力主要來(lái)源：A、定向作用，發(fā)生在極性分子(離子)之間，相鄰兩個(gè)極化電矩因極性不同而相互作用，平均位能E0：，其中m為電矩；B、誘導(dǎo)作用，發(fā)生在極性分子與非極性分子之間。非極性分子被極化誘導(dǎo)出一個(gè)暫時(shí)的極化電矩，隨后與原來(lái)的極性分子產(chǎn)生定向作用。位能Ei：，其中a為非極性分子的極化率。C、分散作用，發(fā)生在非極性分子之間。瞬間極化電矩之間以及它對(duì)相鄰分子的誘導(dǎo)引起的相互作用。位能ED：對(duì)不同物質(zhì)，上述三種作用并非均等，三種作用力均與分子間距離的七次方成反比(二)晶體表面狀態(tài)系統(tǒng)要降低表面過(guò)剩能量，導(dǎo)至表面質(zhì)點(diǎn)的極化、變

12、形、重排并引起原來(lái)晶格的畸變，這種過(guò)程可示意如Error! Reference source not found.。對(duì)于離子晶體：外側(cè)不飽和，電子云向內(nèi)正離子方變形，使該負(fù)離子誘導(dǎo)成偶極子，降低了晶表負(fù)電場(chǎng)。接著，表面負(fù)離子被推向外側(cè)，形成表面雙電層。如Error! Reference source not found.和Error! Reference source not found.所示。同時(shí)，表面被一層負(fù)離子屏蔽并導(dǎo)致表面層在組成上成為非化學(xué)計(jì)量。NaCl表面幾層離子的分布如Error! Reference source not found.。與晶體內(nèi)部相比，表面層離子排列的有序程度降

13、低了，鍵強(qiáng)數(shù)值變得分散，分布在一個(gè)甚寬的數(shù)值范圍。這種影響可以用鍵強(qiáng)B對(duì)導(dǎo)數(shù)dN/dB(N為鍵數(shù)目)作圖，所得的分布曲線示于Error! Reference source not found.。對(duì)于理想晶體(或大晶體)，曲線是很陡峭的，而對(duì)于表面層部分(或微細(xì)粉體)，曲線則變得十分平坦。表面能：能量高的原子層組成的表面的單位面積自由能的增加，即產(chǎn)生單位表面所作的功(三)晶體表面的不均勻性本身不同結(jié)晶面上的原子密度存在著很大的差別，具有不同的吸附性、晶體生長(zhǎng)、溶解度及反應(yīng)活性。Error! Reference source not found.是一個(gè)具有面心立方結(jié)構(gòu)的晶體的表面構(gòu)造完美晶格結(jié)構(gòu)的

14、晶體表面：分成兩種類(lèi)型：1、 緊密堆積表面：表面平坦，沒(méi)有波折，所有的原子距離該表面的平行平面的距離都相等2、 不緊密堆積的表面：即臺(tái)階式的表面，表面有波折。由于表面要求能量低，所以有臺(tái)階出現(xiàn)在表面；另有空位，位錯(cuò)露頭，吸附原子。生長(zhǎng)時(shí)有些位置易填入原子，所以表面是不均勻的。如Error! Reference source not found.所示。二、晶界晶界：屬于同一固相但位相不同的晶粒間的界面，它是一種內(nèi)界面。動(dòng)畫(huà)示意(一) 晶界幾何晶界位置的確定：(1)兩個(gè)點(diǎn)陣相對(duì)的位向q；(2)晶界相對(duì)于一個(gè)點(diǎn)陣的位向f。二維點(diǎn)陣的晶界有兩個(gè)自由度，Error! Reference source n

15、ot found.。三維點(diǎn)陣的晶界有五個(gè)自由度，三個(gè)自由度確定一個(gè)晶粒相對(duì)于另一晶粒的位向，另兩個(gè)確定晶界相對(duì)于其中某一晶粒的位向。Error! Reference source not found.晶界分類(lèi)：根據(jù)位向差(q)的不同，晶界分為兩類(lèi)：(1)小角度晶界-兩相鄰晶粒的位向差約小于10°；(2)大角度晶界-兩晶粒間的位向差較大，一般大于10°以上。兩種晶界差異：除位向差外，晶界結(jié)構(gòu)和性質(zhì)也不相同。小角晶界由位錯(cuò)組成；大角晶界結(jié)構(gòu)復(fù)雜，還不十分清楚。晶粒之間的晶界通常屬于大角度晶界，3040°范圍(二)小角度晶界傾側(cè)晶界：一系列相隔一定距離的刃型位錯(cuò)垂直排列

16、構(gòu)成。如Error! Reference source not found.，相當(dāng)于晶界兩邊的晶體繞平行于位錯(cuò)線的軸各自旋轉(zhuǎn)了一個(gè)方向相反的角。只有一個(gè)變量q，是一個(gè)自由度晶界，Error! Reference source not found.位錯(cuò)間距： ，q值很小時(shí)，有：不對(duì)稱(chēng)傾側(cè)晶界：界面繞X軸轉(zhuǎn)了一個(gè)角度f(wàn)，Error! Reference source not found.，傾側(cè)角度為小q，界面相對(duì)于兩晶粒不對(duì)稱(chēng)。有f和q兩個(gè)自由度。由柏氏矢量b與b垂直的兩組位錯(cuò)排列而成。兩組位錯(cuò)各自間距分別為：和扭轉(zhuǎn)晶界：右半晶體繞Y軸轉(zhuǎn)過(guò)q角，界面與旋轉(zhuǎn)軸垂直，是一個(gè)自由度晶界，如Error!

17、Reference source not found.所示。Error! Reference source not found.為兩個(gè)簡(jiǎn)立方晶，由兩組螺型位錯(cuò)交叉網(wǎng)絡(luò)所構(gòu)成單純的傾側(cè)晶界或扭轉(zhuǎn)晶界是小角度晶界的兩種簡(jiǎn)單型式一般小角度晶界：旋轉(zhuǎn)軸和界面可任意取向，由刃型和螺型位錯(cuò)組合構(gòu)成。晶界能：晶界上原子排列畸變，增高的能量。主要來(lái)自位錯(cuò)能量（位錯(cuò)密度又決定于晶粒間的位向差），隨位向差增加而增大，僅適用于q<15°。式中為常數(shù)，A取決于位錯(cuò)中心的原子錯(cuò)排能，Error! Reference source not found.(三)大角度晶界根據(jù)晶界的各種性質(zhì)，提出了各種晶界模型

18、，雖能解釋晶界一些性質(zhì)，但沒(méi)給出晶界結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)，缺乏直接實(shí)驗(yàn)證明 “重合位置點(diǎn)陣”模型：（具有一定意義）。具大角度晶界兩晶粒中，一晶粒中部分原子位于另一晶粒點(diǎn)陣的重合位置上，這些重合位置構(gòu)成的一個(gè)比原來(lái)晶體點(diǎn)陣大的新點(diǎn)陣。Error! Reference source not found.為“1/5重合位置點(diǎn)陣”； 圖2-70，“1/11重合位置點(diǎn)陣”“重合位置密度”：重合位置的原子占晶體原子的比例晶界面的形成特征：晶界上重合位置多，畸變程度就小，晶界能低，晶界力求和重合位置點(diǎn)陣的密排面重合。若有偏離時(shí)，密排面間出現(xiàn)臺(tái)階來(lái)滿足偏離的角度表2-2，金屬中重要的重合位置點(diǎn)陣的晶軸、要求轉(zhuǎn)動(dòng)的角度和重

19、合位置密度表2- 2 金屬中的重要“重合位置點(diǎn)陣”晶體結(jié)構(gòu)體心立方面心立方六方點(diǎn)陣(c/a=)旋 轉(zhuǎn) 軸100110110110111111100110111111001210210001001轉(zhuǎn)動(dòng)角度36.9°70.5°38.9°50.5°60.0°38.2°36.9°38.9°60.0°38.2°21.8°78.5°63.0°86.6°27.8°重合位置密度重合位置點(diǎn)陣的擴(kuò)展：兩晶粒的位向稍偏離能出現(xiàn)重合位置點(diǎn)陣的位向時(shí)，在界面上加入一組重合位置點(diǎn)陣位錯(cuò)。晶界也同時(shí)是重合位置點(diǎn)陣的小角度晶界， 圖2-71重合位置點(diǎn)陣模型