精编制作位错基本理论PPT课件

1、1 第二章位错理论 2 一 晶体中的缺陷晶体结构特点是长程有序 构成物体的原子 离子或分子等完全按照空间点阵规则排列的 将此晶体称为理想晶体 在实际晶体中 原子的排列不可能这样规则和完整 而是或多或少地存在着偏离理想结构的区域 出现了不完整性 通常把实际晶体中偏离理想点阵结构的区域称为晶体缺陷 3 根据几何形态特征 可把晶体缺陷分为三类 1 点缺陷 2 线缺陷 3 面缺陷 1 点缺陷 特征是在三维空间的各个方向上的尺寸都很小 亦称为零维缺陷 如空位 间隙原子等 2 线缺陷 特征是在两个方向上的尺寸很小 在一个方向上的尺寸较大 亦称为一维缺陷 如晶体中的各类位错 3 面缺陷 特征是在一个方向上的尺寸很小 在另外两个方向上的尺寸较大 亦称二维缺陷 如晶界 相界 层错 晶体表面等 4 研究晶体缺陷的意义 1 晶体中缺陷的分布与运动 对晶体的某些性能 如金属的屈服强度 半导体的电阻率等 有很大的影响 2 晶体缺陷在晶体的塑性和强度 扩散以及其它结构敏感性的问题上往往起主要作用 而晶体的完整部分反而处于次要地位 因此 研究晶体缺陷 了解晶体缺陷的基本性质 具有重要的理论与实际意义 5 二 点缺陷

2、 pointdefect 晶体中的点缺陷 包括空位 间隙原子和溶质原子 以及由它们组成的尺寸很小的复合体 如空位对或空位片等 点缺陷类型 有空位 间隙原子 置换原子三种基本类型 6 1 空位 vacancy 在晶体中 位于点阵结点的原子并非静止 而在其平衡位置作热振动 在一定温度下 原子热振动平均能量是一定 但各原子能量并不完全相等 经常发生变化 此起彼伏 在某瞬间 有些原子能量大到足以克服周围原子的束缚 就可能脱离其原平衡位置而迁移到别处 结果 在原位置上出现空结点 称为空位 7 离开平衡位置的原子可有两个去处 1 迁移到晶体表面 在原位置只形成空位 不形成间隙原子 此空位称为肖脱基缺陷 Schottkydefect 图a 2 迁移到晶体点阵间隙中 形成的空位称弗兰克尔缺陷 Frenkeldefece 同时产生间隙原子 图b a 肖脱基空位 b 弗兰克尔空位 8 2 间隙原子间隙原子 进入点阵间隙中的原子 可为晶体本身固有的原子 自间隙原子 也可为尺寸较小的外来异类原子 溶质原子或杂质原子 外来异类原子 若是取代晶体本身的原子而落在晶格结点上 称为置换原子 间隙原子 使其周围原子偏离

3、平衡位置 造成晶格胀大而产生晶格畸变 9 3 置换原子那些占据原基体原子平衡位置的异类原子称为置换原子 置换原子半径常与原基体原子不同 故会造成晶格畸变 a 半径较小的置换原子b 半径较大的置换原子 10 空位和间隙原子的形成与温度密切相关 一般 随着温度的升高 空位或间隙原子的数目也增多 因此 点缺陷又称为热缺陷 晶体中的点缺陷 并非都是由原子的热运动产生的 冷变形加工 高能粒子 如 粒子 高速电子 中子 轰击 辐照 等也可产生点缺陷 11 4 热平衡缺陷 热力学分析表明 在高于0K的任何温度下 晶体最稳定的状态并不是完整晶体 而是含有一定浓度的点缺陷状态 即在该浓度情况下 自由能最低 此浓度称为该温度下晶体中点缺陷的平衡浓度 具有平衡浓度的缺陷又称为热平衡缺陷 12 热平衡缺陷及其浓度 晶体中点缺陷的存在 一方面造成点阵畸变 使晶体的内能升高 增大了热力学不稳定性 另一方面 因增大了原子排列的混乱程度 并改变了其周围原子的振动频率 又使晶体的熵值增大 晶体便越稳定 因此这两互为矛盾因素 使晶体中点缺陷在一定温度下有一定的平衡数目 此点缺陷浓度称为其在该温度下的热力学平衡浓度 晶体在

4、一定温度下 有一定的热力学平衡浓度 这是点缺陷区别于其它类型晶体缺陷的重要特点 13 晶体中空位缺陷的平衡浓度 设温度T和压强P条件下 从N个原子组成的完整晶体中取走n个原子 即生成n个空位 定义晶体中空位缺陷的平衡浓度为 为空位的生成能 K 玻尔兹曼常数 空位和间隙原子的平衡浓度 随温度的升高而急剧增加 呈指数关系 14 非平衡点缺陷 在点缺陷平衡浓度下 晶体自由能最低 也最稳定 但在有些情况下 晶体中点缺陷浓度可高于平衡浓度 此点缺陷称为过饱和点缺陷 或非平衡点缺陷 通常 获得过饱和点缺陷的方法有以下几种 1 高温淬火热力学分析可知 晶体中空位浓度随温度升高而急剧增加 若将晶体加热到高温 再迅速冷却 淬火 则高温时形成的空位来不及扩散消失 则在低温下仍保留高温状态的空位浓度 即过饱和空位 15 2 冷加工金属在室温下的冷加工塑性变形也会产生大量的过饱和空位 其原因是由于位错交割所形成的割阶发生攀移 3 辐照在高能粒子辐射下 晶体点阵上原子被击出 发生原子离位 且离位原子能量高 在进入稳定间隙前还会击处其他原子 从而形成大量的等量间隙原子和空位 即弗兰克尔缺陷 一般地 晶体点缺陷平衡

5、浓度极低 对金属力学性能影响较小 但在高能粒子辐照下 因形成大量的点缺陷 会引起金属显著硬化和脆化 称为 辐照硬化 16 点缺陷的移动 晶体中点缺陷并非固定不动 而在不断改变位置的运动中 空位周围的原子 因热振动能量起伏而获得足够能量而跳入空位 则在该原子原位置上 形成一个空位 此过程为空位向邻近结点的迁移 如图 a 原来位置 b 中间位置 c 迁移后位置空位从位置A迁移到B 17 当原子在C处时 为能量较高不稳定状态 空位迁移须获足够能量克服此障碍 称该能量为空位迁移激活能 Em 一些金属晶体的空位迁移激活能 的实验值 一些晶体的 Em的实验值如下表 18 晶体中的间隙原子 也可因热振动 由一个间隙位置迁移到另一个间隙位置 只不过其迁移激活能比空位小得多 间隙原子运动过程中 当与一个空位相遇时 它将落入这个空位 而使两者都消失 此过程称为复合 亦称 湮没 19 点缺陷对金属性能的影响 1 点缺陷存在使晶体体积膨胀 密度减小 如形成一个肖脱基缺陷 体积膨胀约为0 5原子体积 而产生一个间隙原子 约达1 2原子体积 2 点缺陷引起电阻的增加 晶体中存在点缺陷 对传导电子产生了附加的散射

6、使电阻增大 如铜中每增加1 的空位 电阻率约增1 5 cm 3 空位对金属的许多过程有着影响 特别在高温下 金属的扩散 高温塑变与断裂 退火 沉淀 表面氧化 烧结等过程都与空位的存在和运动有着密切的联系 4 过饱和点缺陷 如淬火空位 辐照缺陷 还提高了金属的屈服强度 20 二 线缺陷 位错 位错 是晶体中普遍存在的一种线缺陷 它对晶体生长 相变 塑性变形 断裂及其它物理 化学性质具有重要影响 位错理论是现代物理冶金和材料科学的基础 位错概念 并不是空想的产物 相反 对它的认识是建立在深厚的科学实验基础上 人们最早提出对位错的设想 是在对晶体强度作了一系列的理论计算 发现在众多实验中 晶体的实际强度远低于其理论强度 因而无法用理想晶体的模型来解释 在此基础上才提出来的 21 塑性变形 是提高金属强度和制造金属制品的重要手段 早在位错被认识前 对晶体塑性变形的宏观规律已作了广泛的研究 发现 塑性变形的主要方式是滑移 即在切应力作用下 晶体相邻部分彼此产生相对滑动 晶体滑移 总沿一定的滑移面 密排面 和其上的一个滑移方向进行 且只有当切应力达到一定临界值时 滑移才开始 此切应力被称为临界分切

7、应力 即晶体的切变强度 22 1926年 弗兰克 Frankel 从刚体滑移模型出发 推算晶体的理论强度 设滑移面上沿滑移方向的外加剪切应力为 滑移面上部晶体相对下部发生位移为x 则所需的 设为周期函数 当位移很小 x a 可得 由虎克定律 可得 其中 是晶体的理论强度 23 比较两式得 若取a b 则为晶体滑移的理论临界分切应力 理论切变强度 当后 理想完整晶体就开始发生滑移变形了 与晶体的实际强度相比 G 2 显得太大了 一般金属 104 105MPa m 103 104MPa 但一般纯金属单晶体实际切变强度只有1 10MPa 实验测得的实际强度比理论强度低了至少3个数量级 24 理论切变强度与实际切变强度间的巨大差异 从根本上否定理想完整晶体的刚性相对滑移的假设 即实际晶体是不完整的 而有缺陷的 滑移也不是刚性的 而是从晶体中局部薄弱地区 即缺陷处 开始 而逐步进行的 晶体的逐步滑移 25 1934年 泰勒 G I Taylor 波朗依 M Polanyi 和奥罗万 E Orowan 几乎同时从晶体学角度提出位错概念 特别是 泰勒把位错和晶体塑性变形联系起来 开始建立并逐步发展了

8、位错理论 直到1950年后 电子显微镜实验技术的发展 才证实了位错的存在及其运动 TEM下观察到不锈钢316L 00Cr17Ni14Mo2 的位错线与位错缠结 26 位错类型 位错 实质上是原子的一种特殊组态 熟悉其结构特点是掌握位错各种性质的基础 根据原子滑移方向和位错线取向几何特征不同 位错 分为刃位错 螺位错和混合位错 27 一 刃型位错 晶体在外切应力 作用下 以ABCD面为滑移面发生滑移 EFGH面以左发生了滑移 以右尚未滑移 致使ABCD面上下两部分晶体间产生了原子错排 EF 将滑移面分成已滑移区和未滑移区 即是 位错 EFGH晶面称多余半原子面 刃位错示意图 此位错犹如一把刀插入晶体中 有一个刀刃状多余半原子面 故称 刃位错 或棱位错 刃口 EF称为刃型位错线 28 刃型位错结构特点 1 有一个额外半原子面 晶体上半部多出原子面的位错称正刃型位错 用符号 表示 反之为负刃型位错 用 表示 此正 负之分只具相对意义而无本质区别 如将晶体旋转180 同一位错的正负号发生改变 刃形位错平面示意图正刃型位错 负刃型位错 29 刃形位错立体示意图 30 2 刃位错线不一定是直线 也

9、可是折线或曲线或环 但必与滑移方向相垂直 也垂直于滑移矢量b 31 3 刃型位错位错线EF与滑移矢量b垂直 滑移面是位错线EF和滑移矢量b所构成唯一平面 位错在其他面上不能滑移 32 4 刃位错存在晶体中 使其周围点阵发生弹性畸变 既有切应变 又有正应变 正刃位错 滑移面上方点阵受压应力 下方点阵受拉应力 负刃型位错与此相反 33 5 在位错线周围的过渡区 畸变区 每个原子具有较大的平均能量 但只有2 5个原子间距宽 呈狭长的管道 34 螺型位错 晶体在外切应力 作用下 右端晶体上下区在滑移面 ABCD 发生一个原子间距的切变 BC为已滑移区与未滑移区的交界处 即位错线 在BC线和aa 线间的原子失去正常相邻关系 连接则成了一个螺旋路径 该路径所包围的呈长管状原子排列紊乱区即成螺型位错 螺型位错的原子组态 35 根据旋进方向的不同 螺型位错有左 右之分 右手法则 即以右手拇指代表螺旋的前进方向 其余四指代表螺旋的旋转方向 凡符合右手定则的称为右螺型位错 符合左手定则的则称为左螺型位错 36 螺型位错特点 1 无额外半原子面 原子错排是呈轴对称的 2 螺位错线与滑移矢量平行 故一定是直线

10、 且位错线的移动方向与晶体滑移方向互相垂直 3 纯螺位错滑移面不唯一的 凡包含螺型位错线的平面都可为其滑移面 故有无穷个 但滑移通常在原子密排面上 故也有限 37 4 螺位错周围点阵也发生弹性畸变 但只有平行于位错线的切应变 5 螺位错周围点阵畸变 随离位错线距离的增加而急剧减少 故它也是包含几个原子宽度的线缺陷 38 6 螺位错形成后 所有原来与位错线相垂直的晶面 都将由平面变成以位错线为中心轴的螺旋面 与螺位错垂直的晶面的形状 39 混合位错 除两种基本位错外 还有一种形式更为普遍 其滑移矢量既不平行也不垂直于位错线 而与位错线相交成任意角度 此位错称为混合位错 如图为晶体局部滑移形成混合位错及其原子组态 晶体局部滑移形成混合位错 混合位错的原子组态 40 由图可看出 混合位错线AC是一条曲线 在A处 位错线与滑移矢量b平行 故为螺型位错 在C处 位错线与滑移矢量b垂直 因此是刃型位错 在A与C间位错线 既不垂直也不平行于滑移矢量b 其中每一小段位错线都可分解为刃型和螺型两个分量 41 因位错线是已滑移区和未滑移区的边界线 因此 位错具有一个很重要的性质 即位错线不能在晶体内部中断

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