材料科學(xué)基礎(chǔ)-3晶體缺陷

材料科學(xué)基礎(chǔ)

第3章晶體缺陷合肥工業(yè)大學(xué)材料學(xué)院宣天鵬3.1點缺陷3.1.1點缺陷的形成3.1.2點缺陷的平衡濃度晶體的組態(tài)熵增值△Sc=kln[(N+n)!]/N!n!當(dāng)N和n非常大時，可用Stirling公式Lnx!≈xlnx-x所以：△Sc=k[(N+n)ln(N+n)–NlnN-nlnn]△F=n(Ev-T△Sv)-kT[(N+n)ln(N+n)–NlnN-nlnn]平衡時，當(dāng)N遠(yuǎn)大于

n時，lnN/n≈(Ev-T△Sv)/kT分子分母同乘于NA，C=Aexp(-Qv/RT)Qf=NAEv，是形成1摩爾空位所需作的功，即空位形成能。氣體常數(shù)R=kNA間隙原子平衡濃度C′=n′/N′=A′exp(-Ev′/kT)由于Ev′≈（3～4）Ev，所以，C′要比C小得多。間隙原子平衡濃度3.1.3點缺陷的運動3.2位錯原子發(fā)生錯排時，在某一方向是幾百到上萬個原子間距，另外兩個方向僅有3-5個間距位錯對金屬強度、相變影響顯著泰勒認(rèn)為位錯在切應(yīng)力作用下的運動完成晶體塑性形變的滑移過程3.2.1位錯的基本類型和特征1.刃型位錯演示2.螺型位錯J:\晶體缺陷\第1章動畫\螺位錯.wmv演示演示刃型位錯和螺型位錯的異同點

刃型位錯

螺型位錯類型正⊥、負(fù)┬左、右多余的半排原子面有無位錯線與滑移矢量關(guān)系垂直平行位錯線形狀直線、折線、曲線、環(huán)直線滑移面（由位錯線與滑移矢量決定）位錯線⊥滑移矢量構(gòu)成、唯一位錯線∥滑移矢量構(gòu)成、有限多位錯線運動方向與滑移矢量關(guān)系（晶體滑移方向）平行垂直應(yīng)力、應(yīng)變性質(zhì)有正應(yīng)力（變）、切應(yīng)力（變）

（上半部受壓、下半部受拉）僅有切應(yīng)力（變）位錯線滑移的結(jié)果在滑移面上沿滑移矢量方向產(chǎn)生一個原子間距的臺階3.混合位錯4.位錯的重要性質(zhì)（1）位錯線不能中止的晶體內(nèi)部。（2）若中止在晶體內(nèi)部，必然與其它位錯線相連。（3）若不與其它位錯線相連，則在晶體內(nèi)部形成閉合位錯環(huán)。3.2.2柏氏矢量1.柏氏矢量的確定刃位錯的右手法則2.柏氏矢量的物理意義3.柏氏矢量的特性b1=b2+b34.柏氏矢量的表示方法★b=a/n<uvw>，n為正整數(shù)；★若b1=a/n[u1v1w1]，b2=a/n[u2v2w2]b=b1+b2=a/n[u1v1w1]+a/n[u2v2w2]=a/n[u1+u2v1

+v2w1

+w2]★︱b︱=a/n(u2+v2+w2)1/23.2.3位錯的運動

1.刃位錯的滑移和攀移刃位錯的攀移2.螺位錯的滑移

在切應(yīng)力作用下，異號位錯運動方向相反，滑移效應(yīng)相同。同一滑移面上的異號位錯如果相遇，位錯消失，刃型、螺型位錯都是如此。刃型位錯線的方向與柏氏矢量方向垂直，與位錯線運動方向垂直，與切應(yīng)力方向垂直。最終掃出晶體，在與位錯線垂直方向上形成一個b臺階。螺型位錯線的方向與柏氏矢量方向平行，與位錯線運動方向垂直，與切應(yīng)力方向垂直。最終掃出晶體，在與位錯線平行方向上形成一個b臺階。刃型位錯線的攀移是半排原子面向上移或下移一個前者稱為，后者稱為，是在應(yīng)力作用下進行的。3.混合位錯的滑移4.位錯環(huán)的運動6.運動位錯的交截割階：垂直于原滑移面上的折線。扭折：位于原滑移面上的折線。割階及扭折的大小和方向均與對方的b相同，一般扭折可動，割階不可動。6.1兩個柏氏矢量相互垂直刃位錯的交截柏氏矢量相互垂直刃位錯交截XY對AB作用AB對XY作用產(chǎn)生臺階PP′XY∥b2，2根位錯交截后，在位錯XY上不會產(chǎn)生割階。臺階方向b1臺階大小︱b1︱臺階柏氏矢量b2臺階所在面與原滑移面關(guān)系不同類型PP′⊥b2；刃型、割階臺階的可動性一般不可動6.2兩根柏氏矢量相互平行刃位錯的交截柏氏矢量相互平行刃位錯交截XY對AB作用AB對XY作用產(chǎn)生臺階PP′QQ′臺階方向b1b2臺階大小︱b1︱︱b2︱臺階柏氏矢量b2b1臺階所在面與原滑移面關(guān)系相同相同類型PP′∥b2；螺型、扭折QQ′∥b1；螺型、扭折臺階的可動性可動，最終拉直消失可動，最終拉直消失6.3柏氏矢量相互垂直刃、螺位錯交截柏氏矢量相互垂直刃、螺位錯交截BB′(螺)對AA′(刃)作用AA′(刃)對BB′(螺)作用產(chǎn)生臺階MM′NN′臺階方向b2b1臺階大小︱b2︱︱b1︱臺階柏氏矢量b1b2臺階所在面與原滑移面關(guān)系不同相同類型MM′⊥b1；刃型、割階NN′⊥b2；刃型、扭折臺階的可動性不可動可動，最終拉直消失6.4柏氏矢量相互垂直兩根螺位錯交截柏氏矢量相互垂直兩根螺位錯交截BB′對AA′作用AA′

對BB′作用產(chǎn)生臺階MM′NN′臺階方向b2b1臺階大小︱b2︱︱b1︱臺階柏氏矢量b1b2臺階所在面與原滑移面關(guān)系不同不同類型MM′⊥b1；刃型、割階NN′⊥b2；刃型、割階臺階的可動性不可動不可動4.扭轉(zhuǎn)、割階的大小和方向取決于另一根位錯的

柏氏矢量。3.2.3位錯的彈性性質(zhì)

1.位錯的應(yīng)力場正應(yīng)力：σxx，σyy，σzz切應(yīng)力：τxy=τyx；τxz=τzx；τyz=τzya.螺位錯應(yīng)力場★G：切變彈性模量。除Z方向外，其余方向無位移，應(yīng)力為零；應(yīng)力場只與半徑有關(guān)，是徑向?qū)ΨQ的；★

r→0，應(yīng)力無窮大－－不適用于位錯中心的嚴(yán)重畸變區(qū)?！镉捎诼菸诲e的正應(yīng)變等于零，所以其體膨脹率等于零，即形成螺位錯時體積不發(fā)生變化。b.刃位錯應(yīng)力場★正應(yīng)力分量與切應(yīng)力分量同時存在，與Z無關(guān)，即與刃位錯平行的直線各點應(yīng)力狀態(tài)相同★

y>0,滑移面以上，σ

xx<0是壓應(yīng)力★

y<0,滑移面以下，σxx>0是拉應(yīng)力★

y=0,無正應(yīng)力，切應(yīng)力最大★任一點|σxx|>|σyy|★以上關(guān)系不適用于刃位錯中心區(qū)2.位錯的應(yīng)變能We/Ws==一般金屬材料的υ≈1/3，所以We/Ws≈1.5K≈1~0.753.位錯的線張力

為了降低能量，位錯有盡可能縮短其長度的傾向，這時產(chǎn)生了一種稱為線張力的組態(tài)力。因此，位錯力求變直。線張力是一種組態(tài)的作用力，與位錯線附近的個別原子所受的作用力不同。位錯線有應(yīng)變能=>位錯線有縮短趨勢以減少應(yīng)變能=>位錯線張力線張力等于單位長度位錯的應(yīng)變能

4.作用在位錯上的力攀移作用力xxxxxx5.位錯間的交互作用力a.兩平行螺位錯b.兩平行刃位錯同號位錯y＞0,fy

＞0,正攀移y＜0,fy

＜0,負(fù)攀移即沿y軸方向相互排斥異號位錯y＞0,fy＜0,負(fù)攀移y＜0,fy＞0,正攀移即沿y軸方向相互吸引，最終位錯可能合并消失3.2.5位錯的生成和增殖

1.位錯的密度2.位錯的生成3.位錯的增殖★見雙交滑移swf3.2.6堆垛層錯3.3表面及界面

3.3.1外表面由于另一側(cè)無原子，配位數(shù)少于晶體內(nèi)部，表面幾層原子點陣畸變，能量高于晶體內(nèi)部表面能γ－－晶體表面單位面積能量的增加，與表面張力σ相等，γ＝dW/dS（J/m2）不同的晶面為外表面時，被破壞的結(jié)合鍵的數(shù)目不同→表面能各向異性密排面的表面能低：體心立方{110}，面心立方{111}表面能最低外表面雜質(zhì)的吸附顯著影響表面能，雜質(zhì)在外表面的物理吸附(分子鍵)，化學(xué)吸附(離子鍵、共價