浙大材料科學(xué)基礎(chǔ)課件part5

1、R3N BN OH ,FN AI(t)層狀硅酸鹽的判據(jù)：R Si,AI(t),B1N Si,AI (t)骨架狀硅酸鹽：一類SiO 44-四面體單元的四個(gè)角都相互連接的硅酸鹽礦物。典型代表氧化硅氧化硅的四種結(jié)構(gòu)：石英錯(cuò)誤!未找到引用源。、鱗石英錯(cuò)誤!未找到引用源。、方石英動(dòng)畫1，動(dòng)畫2，錯(cuò)誤!未找到 引用源。和柯石英四元環(huán)是根本單元，如 錯(cuò)誤!未找到引 用源。，晶胞有四個(gè)層面組成，如錯(cuò)誤!未找到引用源。所示， 具有很大的通道，是形成長(zhǎng)石和分子篩礦物的根底 長(zhǎng)石類礦物：基于柯石英的開(kāi)放結(jié)構(gòu)，1/4到1/2的SQ44-被AIO45-所取代但陽(yáng)離子M或M2+總數(shù)對(duì)Si和AI的總和比總 是1/4，缺乏電

2、荷由堿金屬(Li+,Na+,K+)或堿土金屬(Ca2+,Ba2+) 補(bǔ)充，陽(yáng)離子填充在柯石英骨架結(jié)構(gòu)的通道中氧化硅轉(zhuǎn)變成長(zhǎng)石礦物簡(jiǎn)式:SiO2(柯石英)Ca1/4。2CaAI2Si2O8(鈣長(zhǎng)石)Na1/4AI1/4Si3/4O2NaAISi3O8(鈉長(zhǎng)石)K1/4O2KAISi3O8(鉀長(zhǎng)石)五、高分子晶體高分子的根本形態(tài)是以雙鍵翻開(kāi)的有機(jī)分子為結(jié)構(gòu)單元的線 性連接，這些結(jié)構(gòu)單元鏈節(jié)是大分子中線性重復(fù)的根本單位。通 常這樣的大分子有數(shù)千或上萬(wàn)個(gè)結(jié)構(gòu)單元， 具有極高的分子量， 因此 這類材料稱為高分子材料或高聚物材料。(一 ) 高分子晶體的形成乙烯CH2二CH2、CH2二CHR R為取代H的有

3、機(jī)基團(tuán) n(CH2=CHR) ( CH2-CHR )n根本形態(tài)： 雙鍵翻開(kāi)的有機(jī)分子為結(jié)構(gòu)單元的線性重復(fù)連接，有數(shù) 千上萬(wàn)結(jié)構(gòu)單元，具極高分子量高分子材料特點(diǎn)： 很多獨(dú)立分子組成 。長(zhǎng)鏈大分子結(jié)構(gòu)單元完全一 致稱均聚 ；兩種以上的結(jié)構(gòu)單元混合組成稱 共聚。高分子結(jié)構(gòu)單元連接特點(diǎn)： 鏈節(jié)間通常飽和共價(jià)鍵一次鍵 。大 分子間或同一大分子不同鏈段間僅有二次分子力范氏力 等。結(jié)構(gòu)形態(tài)： 二次分子力弱，難使大分子形成有序的結(jié)晶結(jié)構(gòu)。易見(jiàn) 結(jié)構(gòu)是無(wú)規(guī)線團(tuán)和線團(tuán)的交纏非晶區(qū) 。結(jié)晶特性： 同一分子的不同鏈段或不同分子的某些鏈段間平行排列 時(shí)，弱二次分子力能將這些鏈段排列成局部的結(jié)晶區(qū)域?？?見(jiàn)一個(gè)結(jié)晶區(qū)域可

4、能由同一大分子不同鏈段組成折疊鏈晶區(qū) ，亦或不同分子的某些鏈段組成纓束狀晶區(qū)。如 錯(cuò)誤!未找到引用源。 所示結(jié)晶型高分子： 絕大多數(shù)情況下，高分子材料不具有 100% 的結(jié)晶 態(tài)。具有一定結(jié)晶度的高分子屬于結(jié)晶型高分子。 聚苯乙烯不含任何結(jié)晶區(qū)域，屬非結(jié)晶型高分子。低密度聚 乙烯有少量的結(jié)晶區(qū)域。高密度聚乙烯的結(jié)晶度可達(dá) 50% 。 聚丙烯的結(jié)晶度可達(dá) 60% 。尼龍 6/6 的結(jié)晶度更高。在某些 特殊場(chǎng)合，高密度聚乙烯在鏈段間二次力的作用下能形成高 分子單晶，實(shí)現(xiàn)高分子鏈段完全有序排列。二 高分子晶體的形態(tài)高分子晶體特點(diǎn)： 高分子晶體屬于分子晶體的類型 。 大分子包含假設(shè)干鏈節(jié)的鏈段的規(guī)那么

5、排列比金屬材料的原子排 列和無(wú)機(jī)材料中小分子的排列復(fù)雜得多。理想聚乙烯晶體的結(jié)構(gòu)： 如錯(cuò)誤! 未找到引用源。 中所示，并行排 列的三支聚乙烯鏈段中可找到斜方的晶胞， 它是晶體三維延 伸的最小周期。 C 原子外電子的色散和誘導(dǎo)作用實(shí)現(xiàn)結(jié)晶 化，結(jié)晶度低。尼龍6/6晶體的結(jié)構(gòu)：N H和O C形成鍵氫橋。周期出現(xiàn)的 氫橋有助于相鄰兩排鏈段平行排列結(jié)晶， 結(jié)晶度高 。尼龍 6/6晶體形成示意如 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 所示OO| |HO C (CH 2)4 C OHHN (CH 2)6 NH 2尼龍 6/6 的縮聚反響：OOHHHHH|HHHH|HHHO CCCCCCNCCCCCCNHH2OHHHHH

6、HHHHHHH6C6C高分子晶體形貌： 結(jié)晶高分子較多地具有球晶的形貌。一個(gè)球晶由沿半徑垂直方向的多層晶片組成。 晶片內(nèi)是纓束狀 晶區(qū)或折疊鏈晶區(qū)。晶片間是無(wú)定形的非晶區(qū)偏振光顯微鏡下聚乙 烯球晶如 錯(cuò)誤!未找到引用源。 所示高分子晶體的描述及特點(diǎn)： 用本章前述各種晶體參數(shù)描述。 但對(duì)稱性比金屬和無(wú)機(jī)材料差，內(nèi)含大量非晶區(qū)域。晶胞點(diǎn)陣參 數(shù)和晶面指數(shù)的定義欠明確，同質(zhì)異構(gòu)變化復(fù)雜第二章 晶體的不完整性實(shí)際晶體中原子的排列或多或少地存在著偏離理想結(jié)構(gòu)的區(qū)域，不可能象理想晶體一樣規(guī)那么和完整，而是出現(xiàn)了不完整性，例如：晶界，單晶也有微裂縫、雜質(zhì)、熱振動(dòng)缺陷：晶體中偏離完整性的區(qū)域，即造成晶體點(diǎn)陣周

7、期勢(shì)場(chǎng)畸變的一切因素缺陷的特征：缺陷是隨著各種條件的改變而不斷變動(dòng)的，有些缺陷可以產(chǎn)生、開(kāi)展、運(yùn)動(dòng)和交互作用，而且能合并和消失。缺陷的存在，會(huì)嚴(yán)重影響著晶體性質(zhì)；總體看晶體仍可認(rèn)為是接近完整的；晶體缺陷仍可以用相當(dāng)確切的幾何圖象來(lái)描述。晶體缺陷分類：(1) 點(diǎn)缺陷零維缺陷。其特點(diǎn)是在X、Y、Z三個(gè)方向上的 尺寸都很小(相當(dāng)于原子的尺寸)；(2) 線缺陷一維缺陷。其特點(diǎn)是在兩個(gè)方向上的尺寸很小， 另一個(gè)方向上的尺寸相對(duì)很長(zhǎng)；(3) 面缺陷二維缺陷。其特點(diǎn)是在一個(gè)方向上的尺寸很小， 另外兩個(gè)方向上的尺寸很大。不同缺陷的示意描示§ 2-1點(diǎn)缺陷理想晶體中的一些原子 被外界大、小原子所代替，

8、或者在晶格間隙中摻入原子，或者留有原子空位，破壞了有規(guī)那么的周期性排列，引起質(zhì)點(diǎn)間勢(shì)場(chǎng)的畸變。點(diǎn)缺陷：晶體結(jié)構(gòu)的不完整僅僅局限在原子位置一、點(diǎn)缺陷的類型一熱缺陷，主要是產(chǎn)生了空位和間隙原子；二組成缺陷，即摻入了雜質(zhì)離子大、?。蝗娮尤毕?，電子的能量狀態(tài)發(fā)生了變化；四非化學(xué)計(jì)量結(jié)構(gòu)缺陷，由化合物的非化學(xué)計(jì)量引起空位和間隙 原子，常伴有電荷的轉(zhuǎn)移。一熱缺陷熱缺陷的產(chǎn)生：原子一定溫度下熱振動(dòng)，能量是按麥克斯威爾一波 茲曼分布出現(xiàn)起伏，總有一些高能量原子，離開(kāi)平衡位置，造 成缺陷熱缺陷兩種主要形態(tài)：弗倫克爾缺陷：原子離開(kāi)平衡位置后，擠到格子點(diǎn)的間隙中， 形成間隙離子，而原來(lái)位置上形成空位，成對(duì)產(chǎn)生。見(jiàn)

9、, 體積增加。a肖特基缺陷：原子獲得較大能量，移到外表外新的位置上去， 原來(lái)位置那么形成空位，空位逐漸轉(zhuǎn)移到內(nèi)部，體積增加。 見(jiàn)，體積增加。b上述熱缺陷是一種位置缺陷， 也即原子或離子離開(kāi)了自己原有 的位置而處在其它位置上。其它類型： 間隙離子從晶格外表跑到內(nèi)部去，這樣的缺陷就只有間 隙原子而無(wú)空位了；有幾個(gè)空位同時(shí)合并在一起的缺陷 在晶體中，幾種缺陷可以同時(shí)存在，但通常有一種是主要的。一般說(shuō)，正負(fù)離子半徑相差不大時(shí)，肖特基缺陷是主要的。兩種 離子半徑相差大時(shí)弗倫克爾缺陷是主要的。二組成缺陷組成缺陷的產(chǎn)生： 雜質(zhì)原子和本征原子的性質(zhì)不同，故它不僅破壞 了原子有規(guī)那么的排列，而且使雜質(zhì)離子周圍的

10、周期勢(shì)場(chǎng)發(fā)生改 變，從而形成缺陷。類型： 間隙雜質(zhì)原子及置換雜質(zhì)原子兩種， 見(jiàn)錯(cuò)誤!未找到引用源。三電荷缺陷缺陷的產(chǎn)生： 有些化合物，電子得到能量而被激發(fā)到高能量狀態(tài)， 此時(shí)在電子原來(lái)所處的能量狀態(tài)相當(dāng)于留下了一個(gè)電子空穴， 帶正電荷。因此在它們附近形成了一個(gè)附加電場(chǎng)，引起周期勢(shì) 場(chǎng)的畸變，造成了缺陷四非化學(xué)計(jì)量結(jié)構(gòu)缺陷缺陷的產(chǎn)生： 一些易變價(jià)的化合物，通過(guò)自身的變價(jià)電荷轉(zhuǎn)移 很容易形成空位和間隙原子，造成組成上的非化學(xué)計(jì)量化，引 起了晶體內(nèi)勢(shì)場(chǎng)的畸變。二、點(diǎn)缺陷的反響與濃度平衡一熱缺陷熱缺陷是熱起伏引起，在熱平衡條件下，熱缺陷多少僅和溫度 有關(guān)熱缺陷的平衡濃度：空位的形成自由焓變化：G HT

11、S nETS其中，完整單質(zhì)晶體原子數(shù)N，溫度TK,形成n個(gè)孤立空位,缺陷表示符號(hào)：Vk1空位；M：所討論的原子離子；e1 每個(gè)空位的形成能是DEG nET( 2n s )組態(tài)熵或混和熵SckBIn(Nn)!N!n!，振動(dòng)熵DSn。平衡時(shí),G 0,故有： nn(ET s )expGfN nexpkTkT當(dāng)*<N，有：n N expGf kT其它缺陷也可得出類似結(jié)果。電子；h1 空穴；下標(biāo)空位或原子所在的位置 i處于間隙位；上標(biāo)一一所討論原子或空位所帶的電荷；撇“'負(fù)電荷，點(diǎn)“ 一一正電荷。例：1、原子空位：Vm ；2、間隙原子：Mi； 3、置換原子：Mm2 , 4、自由電子及電子空

12、 穴：e，和h? ； 5、帶電缺陷：Vm和V； ； Mm2和Mm2 缺陷反響：可以用化學(xué)反響式，質(zhì)量作用定律描述缺陷方程遵守的根本原那么：1、位置關(guān)系2、位置增殖3、質(zhì)量平衡4、電中性5、外表位置肖特基缺陷平衡方程：Mm Mm Vm或0 VmG fKs Vm ，因?yàn)?Gf RTInKs，故此 Ks Vm exp ：；RT假設(shè)氧化物MO形成肖特基缺陷：0 Vm V。；Ks2 嘰V。? expS2kT?對(duì) MgO: MgMgOoVMg Vo?Mg Mg(外表)OO(外表)? ?0VMgV。Ks VMgV。?弗倫克爾缺陷平衡方程：Mm Mi? Vm , Kf1Vm對(duì) AgBr: AgAg M?VMM

13、jMm?Mi exp(KfVm Mi?Agi VAg ; KfAgi?VAg AgAgV二組成缺陷和電子缺陷雜質(zhì)原子破壞了周期勢(shì)場(chǎng)形成不同類型的缺陷對(duì)硅晶體:摻五價(jià)磷和三價(jià)硼?PsiePsiPsie 有 KePSiKhBsih?BsiBsiBsi h反響方程可對(duì)缺陷形成進(jìn)行分析，但最終還需經(jīng)實(shí)際判別確認(rèn) 例如：確定實(shí)際缺陷形成方程CaCl2(S) KCICaKVk一 k位是空的CaCl2(S)KciCaKVkCaCl2(S)KCI?Ca2VkCaCl2在KCI中的可能溶解過(guò)程： 2ClciCa占K位，據(jù)位置關(guān)系,2Cld2CIci三非化學(xué)計(jì)量缺陷與色心非化學(xué)計(jì)量化合物：不符合定比定律。負(fù)離子與

14、正離子的比，不是 一個(gè)簡(jiǎn)單固定的關(guān)系色心：由電子補(bǔ)償而引起的一種缺陷，常產(chǎn)生顏色幾種典型非化學(xué)計(jì)量缺陷：1、負(fù)離子缺位，金屬離子過(guò)剩TQ2、ZrO2就會(huì)產(chǎn)生這種缺陷。分子式可以寫為TiO2-x, ZrO2-x 化學(xué)的觀點(diǎn)看：“2。3在TiO2中的固溶體 化學(xué)計(jì)量的觀點(diǎn)看：存在氧空位。也可看作為了保持電中性， 局部Ti4+由于得到電子降價(jià)為Ti3+注意：這個(gè)電子并不是固定在一個(gè)特定的鈦離子上，而是容易從一 個(gè)位置遷移到另一個(gè)位置；可看作是負(fù)離子空位周圍束縛了 過(guò)剩電子，如 錯(cuò)誤!未找到引用源。所示 色心F-色心：一個(gè)負(fù)離子空位和一個(gè)在此位置上的電子組成。如錯(cuò)誤!未找到引用源。所示，NaCI在Na

15、汽中加熱，得到黃棕色 缺陷反響：1 2 VQ?P°22e2 KV角iPq2Oq2、間隙正離子，金屬離子過(guò)剩Zn i+xO和Cdi+xO屬于這種類型。過(guò)剩的金屬間隙正離子， 束縛等價(jià)電子，這也是一種色心。如(錯(cuò)誤!未找到引用源。a) 所示缺陷反響：? 1ZnQ Zn2e -02(g)ZnZn? 2eK Zni e2PZn77Zni'j如Zn離子化缺乏，有Zn(g)Zni e2TiQ22。2?2TiTi V。?3Qq2TiQ22TiTi?V。3Q06222TiTi40 q?2TiTi V。？3Qq如1QqVQ 2e Q2實(shí)驗(yàn)符3、間隙負(fù)離子，負(fù)離子過(guò)剩目前只發(fā)現(xiàn)U02+X具有這樣

16、的缺陷，兩個(gè)電子空穴被吸引到這空位的周圍，形成一種 V-色心。如錯(cuò)誤!未找到引用源。b 所示缺陷反響：1 ? 22。2 Oi 2h? Oi Po264、正離子空位，負(fù)離子過(guò)剩CU2O、FeO屬于這種類型的缺陷。如錯(cuò)誤!未找到引用源。c所示2 FeFe OO VFe? 2O°VFeh?1Po2缺陷反響：12FeFe嚴(yán)§ 2-2位錯(cuò)位錯(cuò)：原子行列間相互滑移，不再符合理想晶格的有序的排列，為線缺陷實(shí)際位錯(cuò)移動(dòng)示意圖一、位錯(cuò)的結(jié)構(gòu)類型位錯(cuò)最重要、最根本的形態(tài)有刃形位錯(cuò)和螺形位錯(cuò)兩種， 另有介于它 們之間的混合型位錯(cuò)等一 刃型位錯(cuò)刃型位錯(cuò)：滑移面和未滑移面交界處的一條交界線如動(dòng)畫所示

17、丨，也即一個(gè)多余半原子面與滑移面相交的交線上，由于原子失掉正常的相鄰關(guān)系，形成的晶格缺陷。它與滑移方 向垂直。如錯(cuò)誤!未找到引用源。表示一塊單晶體中刃型位錯(cuò)的情況動(dòng)畫，相應(yīng)的原子關(guān)系如 錯(cuò)誤!未找到引用源。所示。在錯(cuò)誤!未找到引用源。中畫出了包含位錯(cuò)線并與滑移面垂直的一組原子面，通過(guò)它可以進(jìn)一步看清與刃型位錯(cuò)相聯(lián)系的多余半原子面，及其產(chǎn)生。刃型位錯(cuò)的正負(fù)：多余半原子面在滑移面上邊的刃型位錯(cuò)稱為正刃型位錯(cuò)，反之稱為負(fù)刃型位錯(cuò)位錯(cuò)核心：畸變?cè)谖诲e(cuò)中心處最大，隨著距離的增大逐漸減小。一般是原子錯(cuò)排嚴(yán)重到失掉正常相鄰關(guān)系的區(qū)域二螺型位錯(cuò)螺型位錯(cuò)：滑移面和未滑移面交界處的一條交界線如動(dòng)畫所示丨， 它所貫

18、穿的一組原來(lái)是平行的晶面變成了一個(gè)以此為軸的螺 旋面，原子失掉正常的相鄰關(guān)系，形成的晶格缺陷。它與滑移 方向平行。如錯(cuò)誤!未找到引用源。表示一塊單晶體中螺型位 錯(cuò)的情況，相應(yīng)的原子關(guān)系如 錯(cuò)誤!未找到引用源。所示。在 錯(cuò)誤!未找到引用源。中畫出了被位錯(cuò)線所貫穿的一組原來(lái)是 平行的晶面變成了一個(gè)以位錯(cuò)線為軸的螺旋面。螺型位錯(cuò)的左右旋：螺旋面為右旋的為右旋螺型位錯(cuò)，反之為左旋螺型位錯(cuò)兩種位錯(cuò)的不同：螺型位錯(cuò)只引起剪切畸變，而不引起體積的膨脹 和收縮。與刃型位錯(cuò)不同螺型位錯(cuò)的晶體生長(zhǎng)特點(diǎn)： 蜷線臺(tái)階，如錯(cuò)誤!未找到引用源。三混合型位錯(cuò)位錯(cuò)線既不是平行也不是垂直于滑移方向的特殊情況混合型位錯(cuò)：位錯(cuò)線與

19、滑移方向既不平行也不垂直，原子排列介于螺型位錯(cuò)與刃型位錯(cuò)之間，其在晶體中的情況如錯(cuò)誤!未找到引用源。所示，原子狀態(tài)如 錯(cuò)誤!未找到引用源。所示，位錯(cuò) 的移動(dòng)狀態(tài)如動(dòng)畫所示。四Burgers回路與位錯(cuò)的結(jié)構(gòu)特征Burgers回路：在好區(qū)中圍繞位錯(cuò)作一閉合回路，回路的每一步，都連接相鄰的同類原子，并且始終保持在晶體的好區(qū)，這個(gè)回路稱Burgers回路螺型位錯(cuò)與刃型位錯(cuò)Burgers矢量：反映含與不含位錯(cuò)的兩個(gè)晶體的差異， 表達(dá)實(shí)際晶體所含位錯(cuò)根本特征的矢量。為閉合在兩種晶體上繞走同樣步數(shù)而無(wú)法閉合的回路所附加的矢量。如錯(cuò)誤!未找到引用源。所如 a(010)柏格斯矢量的表示：通常用其沿晶體主軸的分量

20、來(lái)表示,錯(cuò)誤!未找到引用源。或a100錯(cuò)誤!未找到引用源。刃型位錯(cuò)與其柏格斯矢量互相垂直， 而螺型位錯(cuò)與其柏格斯矢量互 相平行。位錯(cuò)強(qiáng)度： 指柏格斯矢量的大小。 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 、錯(cuò)誤!未找到引用源。 中強(qiáng)度為 a柏格斯矢量方向確定： 回路的正向與位錯(cuò)線正向組成右手螺旋關(guān)系 。位錯(cuò)正向?yàn)閺募埍车郊埫嫖诲e(cuò)柏格斯矢量的守恒性：1、一個(gè)位錯(cuò)只具有唯一的柏格斯矢量。 位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)或形態(tài)變化矢 量不變，矢量的大小及方向完全決定于位錯(cuò)本身，而與回路 之大小與形狀無(wú)關(guān)2、位錯(cuò)線不能在晶體內(nèi)部中斷。 可連接晶體外表，形成封閉位 錯(cuò)環(huán)等3、位錯(cuò)與其他位錯(cuò)相聯(lián)，指向節(jié)點(diǎn) 即位錯(cuò)線交點(diǎn) 的諸位錯(cuò)的柏格斯矢量之和

21、， 必然等于離開(kāi)節(jié)點(diǎn)的諸位錯(cuò)的柏格斯矢量之和。 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 中，從 A 開(kāi)始，繞復(fù)合回路一 周回到 A 點(diǎn)，有復(fù)合回路之柏格斯矢量為 b2+b 3-b 1=0 ，實(shí)際有bi0i五位錯(cuò)密度位錯(cuò)密度：在單位體積晶體中所包含的位錯(cuò)線的總長(zhǎng)度S。V簡(jiǎn)便起見(jiàn)，位錯(cuò)密度等于穿過(guò)單位截面積的位錯(cuò)線數(shù)目n丨 nl_A A、位錯(cuò)的應(yīng)力場(chǎng)討論位錯(cuò)時(shí)，把晶體分兩個(gè)區(qū)域：位錯(cuò)中心附近，考慮晶體結(jié)構(gòu) 和原子間的相互作用；在遠(yuǎn)離位錯(cuò)中心區(qū)，簡(jiǎn)化成為連續(xù)彈性介 質(zhì)，用線彈性理論進(jìn)行處理，并采用簡(jiǎn)單的各向同性近似一位錯(cuò)的應(yīng)力場(chǎng)應(yīng)力分量：物體中任意一點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)均可用九個(gè)應(yīng)力分量描述xx、 yy、 zz xy、 y

22、z、 zx、 yx、 zy、 xz ° 如錯(cuò)誤!未找到 引用源。所示，平衡時(shí)：應(yīng)力應(yīng)變各為六個(gè)刃型位錯(cuò)：連續(xù)彈性介質(zhì)模型：設(shè)一內(nèi)半徑rc，外半徑R的無(wú)限長(zhǎng)的空心彈 性圓柱，圓柱軸與z軸重合。將它沿徑向切開(kāi)至中心，將切面 兩側(cè)沿x軸相對(duì)移動(dòng)一個(gè)距離b，然后再粘合起來(lái)，如錯(cuò)誤!未 找到引用源。所示?；儬顟B(tài)與含正刃型位錯(cuò)晶體相似，可通 過(guò)它求出刃型位錯(cuò)的應(yīng)力場(chǎng)這一平面應(yīng)變問(wèn)題。需要解的應(yīng)力分量只有：xx、 yy、XXyyxyzzD y(3x2 y2)D (x2 y2)2D y(x2 y2)D/2 2、2(x y )*(x(x2y2)yx(xx22y )yy)螺型位錯(cuò)：連續(xù)彈性介質(zhì)模型：彈

23、性圓柱切開(kāi)至中心，然后將切面兩側(cè)沿 z 軸相對(duì)移動(dòng)b,再粘合起來(lái)，就得到沿z軸的螺型位錯(cuò)模型。如錯(cuò)誤!未找到引用源。所示,可通過(guò)它求出螺型位錯(cuò)的應(yīng)力場(chǎng)需要解的應(yīng)力分量有：xzzx，xyyx，在直用坐標(biāo)卜的解為：b yxzzx2 x2y2b xyzzy2x2y2二 位錯(cuò)的應(yīng)變能與線張力位錯(cuò)的能量：位錯(cuò)在晶體中引起畸變，具有能量。包括位錯(cuò)核心能 和應(yīng)變能核心以外的能量?jī)删植繎?yīng)變能計(jì)算：利用在連續(xù)介質(zhì)模型中制造一個(gè)位錯(cuò)時(shí)所作的功， 位錯(cuò)形成后，此功就轉(zhuǎn)變?yōu)槲诲e(cuò)的應(yīng)變能對(duì)刃型位錯(cuò)：功:剖面上一面積元加切應(yīng)力，變形過(guò)程中外力在此面積元上所作的功應(yīng)為b yxdx其中1/2是表示變形過(guò)程中應(yīng)力是從 0 變到

24、yx，所以取一半；面積元在z方向取1, x方向取dx單位長(zhǎng)度位錯(cuò)線應(yīng)變能1 REe 2c b yxdx 可得:對(duì)螺型位錯(cuò)：螺型位錯(cuò)的應(yīng)變能E: EsEe圓柱體剖面上的總功：b2REe、ln()4(1)rc1 Rb “ R、bzdrln()2 rc4rc對(duì)混合型位錯(cuò)：想象地分解為一個(gè)刃型位錯(cuò)分量和一個(gè)螺型位錯(cuò)分量，如錯(cuò)誤!未找到引用源。必須滿足守恒關(guān)系b be bs，即bs bcos有：be bsin為混合型位錯(cuò)與柏格斯矢量夾角混合位錯(cuò)應(yīng)變能：分別算出兩個(gè)位錯(cuò)分量的應(yīng)變能再疊加2 2 2(bsin 廠 / R、 (bcos ) , z R b , ZR2、Ee sln()ln()ln()(1 c

25、os )4 (1)rc4匚 4 (1)匚因?yàn)槲诲e(cuò)能量與其長(zhǎng)度成正比，所以它有盡量縮短其長(zhǎng)度的趨勢(shì)，可以用位錯(cuò)的線張力T來(lái)描述位錯(cuò)線張力：位錯(cuò)線長(zhǎng)度增加一個(gè)單位時(shí)，晶體能量的增加直線形位錯(cuò)：T大約等于b2彎曲位錯(cuò)線：如錯(cuò)誤!未找到引用源。所示正、負(fù)位錯(cuò)在遠(yuǎn)處1 2會(huì)局部抵消，系統(tǒng)能量變化小于b2，常取T 2 b2三位錯(cuò)核心位錯(cuò)核心錯(cuò)排嚴(yán)重，不能再簡(jiǎn)化為連續(xù)彈性體。以點(diǎn)陣模型解派納 (Peierls-Nabarro) 模型： 實(shí)際上是不完全的點(diǎn)陣模型。設(shè)晶體由被滑移面隔開(kāi)的兩個(gè)半塊晶體組成。 銜接處直接考慮原子間相互作用，內(nèi)部簡(jiǎn)化成連續(xù)彈性介質(zhì) 。原子的平衡與錯(cuò)排： 滑移面兩側(cè)原子最終位置決定于兩

26、種因素之間的平衡，一方面是A面與B面上的原子由于原子之間的相互作用力圖上下對(duì)齊，另一方面是簡(jiǎn)化成連續(xù)彈性介質(zhì)的兩半塊晶體對(duì)變形的對(duì)抗。 同時(shí)，原子在水平方向上偏離原位 稱為錯(cuò) 排，無(wú)限遠(yuǎn)處錯(cuò)排為零，如 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 、錯(cuò)誤 !未 找到引用源。 所示， 錯(cuò)排值沿滑移面的分布派- 納模型中位錯(cuò)的能量組成： 兩局部。一是兩半晶體中的彈性應(yīng)變能主要分布于位錯(cuò)核心之外 ；另一是滑移面兩側(cè)原子互 作用能 錯(cuò)排能根本集中于位錯(cuò)核心范圍內(nèi) 位錯(cuò)核心能： 錯(cuò)排能 原子互作用能 位錯(cuò)總能量： 包括應(yīng)變能和核心能。 核心能約為應(yīng)變能的 1/10 位錯(cuò)熱力學(xué)不穩(wěn)定晶格缺陷： 位錯(cuò)的應(yīng)變能、 核心能都使自由能

27、增加 ，直到晶體熔點(diǎn)仍具有正值三、位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)位錯(cuò)最重要的性質(zhì)之一是它可以在晶體中運(yùn)動(dòng) 位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)方式：刃型位錯(cuò)：滑移：位錯(cuò)線沿著滑移面移動(dòng)；攀移：位錯(cuò)線垂直于 滑移面的移動(dòng)。螺型位錯(cuò)：只作滑移位錯(cuò)移動(dòng)的形象描述： 如動(dòng)畫所示，利用肥皂水中的泡泡也可觀察位錯(cuò)的移動(dòng)1，2，3一位錯(cuò)的滑移刃型位錯(cuò)滑移特性:位錯(cuò)移動(dòng)一個(gè)原子間距，但原子移動(dòng)很小。如錯(cuò)誤!未找到引用源。，需切應(yīng)力很小。正刃型位錯(cuò)滑移與柏 格斯矢量原子移動(dòng)同向，負(fù)刃型位錯(cuò)反向，但造成的晶體 滑移完全相同。滑過(guò)整個(gè)晶體外表 產(chǎn)生寬度為一個(gè)柏格斯矢量b的臺(tái)階，如塑性變形。所示，造成晶體的塑性變形。螺型位錯(cuò)滑移特性:位錯(cuò)線向垂直于柏格斯矢量 原

28、子移動(dòng)方向位錯(cuò)的側(cè)向滑移。見(jiàn)錯(cuò)誤!未找到引用源。，原子的移動(dòng)量很小，位錯(cuò)移動(dòng)所需的力也很小。晶體因滑移而產(chǎn)生的臺(tái)階擴(kuò)大一個(gè)原子間距，滑過(guò)整個(gè)晶體產(chǎn)生臺(tái)階寬度為一個(gè)柏格斯混合型位錯(cuò)滑移特性：分析圓環(huán)形，如錯(cuò)誤!未找到引用源。錯(cuò)誤!未找到引用源。A、B、C、D分別為正、負(fù)、右、左位錯(cuò)。切應(yīng)力作用下，各位錯(cuò)線分別向外擴(kuò)展，一直到達(dá)晶體邊緣。晶體滑移由柏格斯矢量b決定，產(chǎn)生一個(gè)b的滑移，位錯(cuò)的 移動(dòng)狀態(tài)如動(dòng)畫所示。位錯(cuò)滑移的驅(qū)動(dòng)力：設(shè)想位錯(cuò)受到一種力而運(yùn)動(dòng)實(shí)際上位錯(cuò)是一種原子組態(tài)，力是作用于晶體中的原子。使位錯(cuò)發(fā)生運(yùn)動(dòng)的 力。稱為位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力。注意：驅(qū)動(dòng)力不必一定是外力，晶體內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)、界面或其它位

29、錯(cuò)引起的應(yīng)力位錯(cuò)滑移的驅(qū)動(dòng)力性質(zhì)：僅當(dāng)有切應(yīng)力作用在一個(gè)位錯(cuò)的滑移面上，并且平行于它的柏格斯矢量方向的時(shí)候， 位錯(cuò)才受滑移驅(qū)動(dòng)力的作用，這個(gè)位錯(cuò)才會(huì)運(yùn)動(dòng)或者趨于運(yùn)動(dòng)。 柏格斯矢量方 向沒(méi)有切應(yīng)力分量的所有位錯(cuò)不運(yùn)動(dòng)位錯(cuò)受力的定量處理：可以證明滑移驅(qū)動(dòng)力Ft等于作用在滑移面上而且沿柏格斯矢量的切應(yīng)力分量與位錯(cuò)強(qiáng)度的乘積Ftb并非任意小的上述切應(yīng)力都能使位錯(cuò)滑移，滑移要越過(guò)勢(shì)壘即 點(diǎn)陣阻力，錯(cuò)誤!未找到引用源。谷表示處于穩(wěn)定位置， 滑 移示意如動(dòng)畫所示如錯(cuò)誤!未找到引用源。中的對(duì)稱狀態(tài)錯(cuò)排 能最小點(diǎn)陣阻力：源于晶格結(jié)構(gòu)的周期性，滑移面兩側(cè)原子之間的相互作用力派-納應(yīng)力：派-納模型，提出了為 克服點(diǎn)陣阻力推動(dòng)位錯(cuò)前進(jìn)所必2須的滑移