位錯基本理論PPT課件

1、第二章錯位理論。構(gòu)成物體的原子、離子或分子完全按照空間晶格規(guī)則排列，這種晶體被稱為理想晶體。在實際晶體中，原子的排列不可能如此規(guī)則和完整，但或多或少會有偏離理想結(jié)構(gòu)的區(qū)域，導(dǎo)致不完整。一般來說，實際晶體中偏離理想晶格結(jié)構(gòu)的區(qū)域稱為晶體缺陷。根據(jù)幾何特征，晶體缺陷可分為三種類型：(1)點缺陷，(2)線缺陷，(3)表面缺陷，(1)點缺陷：其特征是三維空間各個方向的尺寸都很小，也稱為零維缺陷。如空位、間隙原子等。(2)線缺陷：以兩個方向的小尺寸和一個方向的大尺寸為特征，也稱為一維缺陷。如晶體中的各種位錯。(3)表面缺陷：以一個方向的小尺寸和另兩個方向的大尺寸為特征，也稱為二維缺陷。例如晶界、相界、堆

2、垛層錯、晶體表面等。研究晶體缺陷的意義：(1)晶體中缺陷的分布和運動對晶體的某些性質(zhì)(如金屬的屈服強度、半導(dǎo)體的電阻率等)有很大的影響。)。(2)晶體缺陷通常對晶體的塑性、強度、擴散和其他結(jié)構(gòu)敏感性起主要作用，而晶體的整個部分處于次要位置。因此，研究晶體缺陷，了解晶體缺陷的基本性質(zhì)，具有重要的理論和現(xiàn)實意義。點缺陷：晶體中的點缺陷：包括空位、間隙原子和溶質(zhì)原子，以及小尺寸配合物(如空位對或空位片等)。)由它們組成。點缺陷類型：有三種基本類型：空位、間隙原子和替換原子。晶體中的空位，位于晶格結(jié)點的原子不是靜止的，而是在其平衡位置熱振動的。在一定的溫度下，原子熱振動的平均能量是恒定的，但每個原子的

3、能量并不完全相等，而且變化頻繁，一個接一個。在某個時刻，一些原子大到足以克服周圍原子的束縛，可能會離開它們原來的平衡位置。因此，在原始位置有空節(jié)點，這被稱為空缺。離開平衡位置的原子可以有兩個位置：(1)遷移到晶體表面，僅在原始位置形成空位，不形成間隙原子，這被稱為肖特基缺陷(圖A)；(2)遷移到晶格間隙中，形成的空位稱為Frenkeldefece，同時產(chǎn)生間隙原子(圖B)。肖特基空位。間隙原子間隙原子：進入晶格間隙的原子?？梢允蔷w本身固有的原子(自填隙原子)；它也可以是小尺寸的外來原子(溶質(zhì)原子或雜質(zhì)原子)。外星原子：如果它取代了晶體本身的原子并落在晶格結(jié)點上，它就被稱為替代原子。間隙原子：

4、它周圍的原子偏離平衡位置，導(dǎo)致晶格膨脹和晶格扭曲。取代原子那些占據(jù)原基體原子平衡位置的異質(zhì)原子稱為取代原子。替換原子的半徑通常不同于原始基體原子的半徑，從而導(dǎo)致晶格畸變?？瘴缓烷g隙原子的形成與溫度密切相關(guān)。通常，空位或間隙原子的數(shù)量隨著溫度的升高而增加。因此，點缺陷也稱為熱缺陷。晶體中的點缺陷并不都是由原子的熱運動引起的。高能粒子(如粒子、高速電子和中子)的冷變形加工和轟擊(輻照)也會產(chǎn)生點缺陷。熱平衡缺陷：熱力學(xué)分析表明，在高于0K的任何溫度下，晶體的最穩(wěn)定狀態(tài)不是完整晶體，而是具有一定濃度的點缺陷狀態(tài)，即該濃度下的最低自由能。這種濃度被稱為該溫度下晶體中點缺陷的平衡濃度。具有平衡濃度的缺陷

5、也稱為熱平衡缺陷。熱平衡缺陷及其集中：一方面，晶體中點缺陷的存在導(dǎo)致晶格畸變，這增加了晶體的內(nèi)能，增加了熱力學(xué)不穩(wěn)定性。另一方面，原子排列越混亂，晶體越穩(wěn)定，因為它改變了周圍原子的振動頻率，增加了晶體的熵值。因此，這兩個矛盾的因素導(dǎo)致了在一定溫度下晶體中點缺陷的一定平衡數(shù)。點缺陷的濃度稱為該溫度下的熱力學(xué)平衡濃度。在一定溫度下，晶體具有一定的熱力學(xué)平衡濃度，這是區(qū)別點缺陷和其他類型晶體缺陷的一個重要特征。晶體中空位缺陷的平衡濃度：在溫度t和壓力p的條件下，從由n個原子組成的完整晶體中除去n個原子，即產(chǎn)生n個空位。晶體中空位缺陷的平衡濃度定義為：-是空位形成的能量，k-玻爾茲曼常數(shù)?？瘴缓烷g隙原

6、子的平衡濃度隨溫度的升高而急劇增加，呈指數(shù)關(guān)系。非平衡點缺陷：在點缺陷的平衡濃度下，晶體自由能最低且最穩(wěn)定。然而，在某些情況下，晶體中點缺陷的濃度可能高于平衡濃度。這種點缺陷稱為過飽和點缺陷或非平衡點缺陷。獲得過飽和點缺陷通常有幾種方法：(1)高溫淬火熱力學(xué)分析表明，隨著溫度的升高，晶體中的空位濃度急劇增加。如果晶體被加熱到高溫，然后迅速冷卻(淬火)，在高溫下形成的空位將不能擴散和消失，并且在高溫狀態(tài)下的空位濃度，即過飽和空位，將保持在低溫下。(2)冷加工金屬在室溫下的冷加工塑性變形也會產(chǎn)生大量的過飽和空位，這是由于位錯輸送形成的切削步驟的縮放。(3)在高能粒子的照射下，晶格上的原子被敲除，原

7、子發(fā)生位錯。此外，錯位原子的能量很高，其他原子在進入穩(wěn)定間隙之前將被撞擊，從而形成大量相等間隙的原子和空位(即弗蘭克爾缺陷)。一般來說，晶體點缺陷的平衡濃度極低，對金屬的機械性能影響很小。然而，在高能粒子的照射下，由于形成大量點缺陷，金屬將顯著硬化和脆化，這被稱為“輻射硬化”。點缺陷的運動：晶體中的點缺陷不是固定的，而是在不斷變化的位置上運動。由于熱振動能量的波動，空位周圍的原子躍遷到空位中，從而在原子的原始位置形成空位。這個過程是空位向相鄰節(jié)點的遷移。如圖所示，(一)原始位置；(b)中級職位；遷移后，職位空缺從職位A遷移到職位B，17歲。當原子在位置C時，它處于能量較高的不穩(wěn)定狀態(tài)。空位遷移

8、必須獲得足夠的能量來克服這一障礙，稱為空位遷移活化能Em。一些金屬晶體的空位遷移活化能Em和一些晶體的Em的實驗值如下表所示。晶體中的間隙原子：由于熱振動，它們也可以從一個間隙位置遷移到另一個間隙位置，只是它們的遷移活化能比空位的遷移活化能小得多。在間隙原子運動的過程中，當它遇到空位時，它會落入空位，兩者都會消失。這個過程叫做重組，也叫做“湮滅”。點缺陷對金屬性能的影響：(1)點缺陷的存在導(dǎo)致晶體體積膨脹，密度降低。如果形成肖特基缺陷，體積膨脹約為0.5原子體積。并產(chǎn)生一個間隙原子，約1 2個原子體積。(2)點缺陷導(dǎo)致電阻增加。晶體中存在點缺陷，這導(dǎo)致傳導(dǎo)電子的額外散射并增加電阻。例如，銅中每

9、有1%的空位，電阻率就會增加1.5cm。(3)位錯是晶體中常見的線性缺陷，對晶體生長、相變、塑性變形、斷裂等物理化學(xué)性質(zhì)有重要影響。位錯理論是現(xiàn)代物理冶金和材料科學(xué)的基礎(chǔ)。錯位概念：它不是幻想的產(chǎn)物，相反，它的理解是基于深刻的科學(xué)實驗。位錯的概念是人們在對晶體強度進行一系列理論計算后首次提出的。在許多實驗中發(fā)現(xiàn)，晶體的實際強度遠低于其理論強度，因此不能用理想晶體模型來解釋。在此基礎(chǔ)上，有人提出。塑性變形是提高金屬強度和制造金屬產(chǎn)品的重要手段。早在位錯被認識之前，晶體塑性變形的宏觀規(guī)律就已被廣泛研究。發(fā)現(xiàn)塑性變形的主要方式是滑移，即在剪應(yīng)力的作用下，晶體的相鄰部分相對滑動。晶體滑移：總是沿著某一

10、滑移面(緊密堆積面)及其上方的一個滑移方向，只有當剪切應(yīng)力達到某一臨界值時，滑移才開始。這種剪應(yīng)力稱為臨界剪應(yīng)力，即晶體的剪切強度。1926年，弗蘭克爾根據(jù)剛性滑移模型計算了晶體的理論強度。假設(shè)滑動面上沿滑動方向施加的剪切應(yīng)力為，滑動面上上部晶體相對于下部晶體的位移為x。然后將所需的設(shè)置為周期函數(shù)：當位移很小時(xa)，我們可以得到：從胡克定律，我們可以得到：其中：是晶體的理論強度。如果取ab，則為晶體滑移的理論臨界剪切應(yīng)力(理論剪切強度)。之后，理想的完整晶體開始滑動和變形。與晶體的實際強度相比，G/2顯得太大，平均金屬： g 104 105 MPa， m 103 104 MPa，但平均純金

11、屬單晶的實際剪切強度只有1 10 MPa。通過實驗測得的實際強度至少比理論強度低3個數(shù)量級。理論剪切強度和實際剪切強度之間的巨大差異從根本上否定了理想完整晶體剛性相對滑移的假設(shè)，即實際晶體是不完整的和有缺陷的?；埔膊皇莿傂缘?，而是從晶體中的局部薄弱區(qū)域(即缺陷)開始逐步進行的。1934年，泰勒、波蘭尼和奧羅萬幾乎同時從晶體學(xué)的角度提出了位錯的概念。特別是，泰勒把位錯和晶體的塑性變形聯(lián)系起來，并開始建立和逐漸發(fā)展位錯理論。直到1950年，電子顯微鏡實驗技術(shù)的發(fā)展才證實了位錯的存在和運動。在透射電鏡下觀察了316L(00Cr17Ni14Mo2)不銹鋼的位錯線和位錯纏結(jié)。位錯型：位錯：本質(zhì)上是原子

12、的一種特殊構(gòu)型。熟悉其結(jié)構(gòu)特征是掌握位錯各種性質(zhì)的基礎(chǔ)。根據(jù)原子滑移方向和位錯線取向的不同幾何特征，位錯分為邊緣位錯、螺旋位錯和混合位錯。27，1，邊緣位錯，在外部剪切應(yīng)力的作用下，晶體以ABCD面為滑移面滑移，EFGH面向左滑移，尚未向右滑移，導(dǎo)致ABCD面上下晶體之間的原子位錯?；瑒用娣譃榛瑒訁^(qū)和非滑動區(qū)，稱為“位錯”。EFGH晶面被稱為多重半原子面。刃形位錯圖，這種位錯就像一把插入晶體的刀，有一個刃形多余的半原子表面，所以稱為“刃形位錯”(或刃形位錯)?！扒邢魅小盓F被稱為刃位錯線。嘿。28，邊緣位錯的結(jié)構(gòu)特征，1)還有一個附加的半原子平面。晶體上半部分具有更多原子平面的位錯稱為正邊緣位

13、錯，用符號“”表示，而負邊緣位錯用“.”表示這種積極和消極的區(qū)別只是相對的意義，沒有本質(zhì)的區(qū)別。如果晶體旋轉(zhuǎn)180度，同一位錯的符號就會改變。邊緣位錯平面圖正邊緣位錯-負邊緣位錯-，。231和3)邊緣位置位錯線EF垂直于滑移矢量B，滑移面是位錯線EF和滑移矢量B形成的唯一平面.位錯不能在其他表面滑動。32，4)晶體中存在邊緣位錯，導(dǎo)致其周圍晶格的彈性變形，包括剪切應(yīng)變和正應(yīng)變。正邊緣位錯：滑動面上方晶格的壓應(yīng)力和滑動面下方晶格的拉應(yīng)力。負邊緣位錯是相反的。33，5)位錯線周圍的過渡區(qū)(畸變區(qū))中的每個原子具有較大的平均能量。但是只有2 5個原子有很寬的間距，并且是又長又窄的管道。嘿。34，螺絲

14、錯位。在外部剪切應(yīng)力的作用下，晶體右端的上下區(qū)域在ABCD處發(fā)生原子間距剪切。BC是滑動帶和非滑動帶的結(jié)合點，即錯誤的線。當BC線和aa線之間的原子失去正常的相鄰關(guān)系時，該連接變成螺旋路徑，并且被該路徑包圍的長管狀原子的無序區(qū)域變成螺旋位錯。螺旋位錯的原子組態(tài)，35，根據(jù)進動方向的不同，螺旋位錯有左、右兩點。右手法則：右手的拇指代表螺旋的前進方向，另外四個手指代表螺旋的旋轉(zhuǎn)方向。任何右旋位錯都稱為右旋位錯。那些符合左手法則的稱為左旋錯位。嘿。36、螺旋位錯特性，1)沒有附加的半原子表面，原子的位錯是軸對稱的。2)螺旋位錯線平行于滑移矢量，所以它必須是一條直線，位錯線的移動方向和晶體的滑移方向相

15、互垂直。3)純螺位錯的滑移面不是唯一的。任何包含螺旋位錯線的平面都可以是它的滑移面，所以存在無限，但滑移通常是在原子緊密堆積的面上，所以它也是有限的。螺旋位錯周圍的晶格也經(jīng)歷彈性變形，但只有平行于位錯線的剪切應(yīng)變。5)螺旋位錯周圍的晶格畸變隨著離位錯線的距離的增加而急劇減小，因此它也是一種具有幾個原子寬度的線缺陷。在螺旋位錯形成之后，所有垂直于位錯線的晶面將以位錯線為中心軸從平面變?yōu)槁菪矫?。晶體平面的形狀垂直于螺旋位錯，39、混合位錯，除了兩種基本位錯之外，還有一種更常見的形式，它的滑移矢量既不平行也不垂直于位錯線，而是以任何角度與位錯線相交，這種位錯稱為混合位錯。圖中顯示了由晶體局部滑移形

16、成的混合位錯及其原子構(gòu)型。晶體的局部滑移形成混合位錯，混合位錯的原子構(gòu)型如下：混合位錯線AC為曲線。在，位錯線平行于滑移矢量，所以它是螺旋位錯。在C，位錯線垂直于滑移矢量B，所以它是邊緣位錯。A和C之間的位錯線：既不垂直也不平行于滑移矢量B，其中每一小段位錯線可分解為兩個分量：葉片型和螺旋型。因為位錯線是滑移區(qū)和非滑移區(qū)之間的邊界線，所以位錯具有非常重要的性質(zhì)，即位錯線不能在晶體內(nèi)部中斷。位錯線：只能連接到晶體表面(包括晶界)，或者連接到其他位錯，或者形成閉合的位錯環(huán)。該圖是晶體中位錯環(huán)ACBDA的俯視圖?？梢钥闯觯篈和B是數(shù)量不同的邊緣位錯；c和D是不同數(shù)目的螺旋位錯?；旌衔诲e隨處可見?；旌衔诲e：可分為螺旋分量bs和邊緣分量be，bs=bcos，be=bsin?；旌衔诲e(a)立體圖(b)俯視圖。43，伯杰矢量：1939年，J.M.Burgers提出用伯杰環(huán)來定義位錯。位錯的特征可以用伯杰矢量來表示，這可以更準確地揭示位錯的本質(zhì)，方便地描述位錯的各種行為。這個向量叫做“伯杰向量”或“伯杰向量”，用B表示.貝爾德矢量的確定：1)首先確定方向按照同樣的方法，在完整的晶體中做同樣的循環(huán)，步驟的數(shù)目和方向與上述循環(huán)相同，那么終點q和起點m不重合，從終點q到起點m的矢量QM就是伯恩斯坦矢量