缺陷11-3.1-3.3.2-1.5次17+27个.ppt

1,第3章 晶体缺陷,,分类(几何特征) 点缺陷--在三维空间的各个方面上尺寸都很小，尺寸范围约为一个或几个原子尺度(节点上或邻近的微观区域内)，包括空位、间隙原子、杂质或溶质原子等； 线缺陷--在两个方向上尺寸很小，另外一个方向上延伸较长，也称一维缺陷，如各类位错； 面缺陷--在一个方向上尺寸很小，另外两个方向上扩展很大，也称二维缺陷晶界、相界、孪晶界和堆垛层错等都属于面缺陷13/9,晶体中各种偏离理想结构的区域——晶体缺陷,2,晶体缺陷,扩散,塑形变形,烧结,相变,再结晶,氧化,,性能,屈服强度,断裂强度,塑性,电阻率,磁导率,,,,,,,3,3.1 点缺陷(Point defect),空位(vacancy) 间隙原子(interstitial atom),(a)肖脱基缺陷 (b)弗兰克尔缺陷 (c)间隙原子 Schottky空位 Frenkel空位+间隙原子,4,3.1.1 点缺陷的形成,原子热振动——热平衡缺陷——,,点阵弹性畸变 改变电子的动能和势能,,由于热起伏促使原子脱离点阵位置而形成的点缺陷（热平衡缺陷）,空位形成能E:在晶体内取出一个原子放在晶体表面所需的能量（不改变晶体的表面积和表面能）,(a)体系能量与原子间距的关系 (b)原子间作用力和距离的关系,,,5,点缺陷的其他形成方式,高温淬火,高能粒子(如中子、质子、α粒子等)的辐照效应,冷变形加工,晶体中的点缺陷数量超过了其平衡浓度—— 过饱和的点缺陷,6,3.1.2 点缺陷的平衡浓度,由热力学原理可知，在恒温下，系统的自由能F为 F=U-TS (3.1),△ F= △U-T△S △F= nEv –T(△Sc+n△Sf) (3.2),U为内能，S为总熵值(组态熵Sc和振动熵Sf)，T为绝对温度,设由N个原子组成的晶体中含有n个空位，形成一个空位所需能量为 Ev(空位形成能) 则晶体中含有n个空位时，其内能增量为△U=nEv n个空位造成晶体组态熵的改变为△Sc，振动熵的改变为△Sf 故自由能的改变为：,k为玻尔兹曼常数(1.38X10-23J／K)；W为微观状态数,根据统计热力学，组态熵可表示为 Sc =klnW (3.3),7,在晶体中N+n阵点位置上存在n个空位和N个原子时可能出现的不同排列方式数为,W=(N+n)!/N!n! (3.4),△Sc = S(n空位)-S(0空位) =k{ln[(N+n)!/N!n!]-ln1}=kln[(N+n)!/N!n!] (3.5),当N和n值都非常大时，可用Stirling近似公式(lnx!≈xlnx-x)将上式改写为,在平衡时自由能为最小，即(Ə△F/Ən)T=0 (Ə△F/Ən)T= Ev-T△Sf -kT[ln(N+n)-lnn]=0,则(3.2)式为 △F= nEv –T(△Sc+n△Sf) =n(Ev-T△Sf)-kT[(N+n)ln(N+n)-NlnN-nlnn],△Sc＝k[(N+n)ln(N+n)-NlnN-nlnn],ln[n/(N+n)] =-(Ev-T△Sf)/kT,当N≫n时， ≈ ln(n/N),故空位在T温度时的平衡浓度为 C=n/N=exp[-(Ev-T△Sf)/kT] =exp (△Sf/k)exp(-Ev/kT),8,A=exp (△Sf/k)，是由振动熵决定的系数，在1-10之间,C=Aexp(-Ev/kT) (3.6),将(3.6)式中指数的分子分母同乘以阿伏加德罗常数NA(6.023xl0-23)，有,C=Aexp(-NAEv/kNAT)=Aexp(-Qf/RT) (3.7),Qf=NAEv，为形成1摩尔空位所需作的功(J／mol) R=kN为气体常数(8.31J／mol),9,按照类似的计算，也可求得间隙原子的平衡浓度C’,C’=n’/N’=A’exp(-E’v/kT) (3.8),点缺陷平衡浓度的影响因素: Ev T,N’为晶体中间隙位置总数 n’为间隙原子数 E’v为间隙原子的形成能,10,3.1.3 点缺陷的运动,点缺陷,金属晶体的电阻增加，体积膨胀，密度减小 离子晶体的导电性改善 过饱和点缺陷(淬火空位，辐照缺陷)可提高金属的屈服强度,原子的自扩散,点缺陷的迁移能,11,晶体缺陷的分类(几何特征) 点缺陷的概念 点缺陷的平衡浓度及其公式推导,习题集 P14 3-1~3-5 3-9~3-15,12,3.2 位错(dislocation),弹性变形 塑性变形 ----主要方式是滑移(slip or glide) 在晶体表面有滑移线,3.2.1 位错理论的产生,3.2.1.1 理论切变强度(Theoretical Shear Strength) 的估算,弗兰克尔假设：（1 ）完整晶体 （2）刚性滑移,13,14,3.2.1.2 位错概念的引入,根据塑性变形的晶体学性、不均匀性和滑移行为是逐渐扩展等特点，人们设想在晶体中会存在某些缺陷，这些缺陷可以使形变过程在局部地方发生、滑移区逐渐扩展，而不需要2个晶面作整体的相对刚性滑动，这样就有可能降低晶体滑移所需要的力。

1934年，Taylor Orowan Planyi,位错,15,3.2.2 位错的基本类型和特征,3.2.2.1 刃型位错(edge dislocation),,,刃型位错的结构特点,(1)刃型位错有一个额外的半原子面 (2)位错线是己滑移区与未滑移区的边界线EF，可以是直线、折线或曲线,16,几种形状的刃型位错线,,,17,刃型位错的特点,(3)正、负之分（相对的）；,(4) 位错周围的点阵发生弹性畸变，有切(正) 应变，滑移面上下方应力符号相反；,(5)在位错线周围的过渡区(畸变区)原子具有较大的平均能量但该区只有几个原子间距宽，畸变区是狭长的管道,end,18,3.2.2.2 螺型位错(screw dislocation),,,螺型位错的特征,(4)分为右旋和左旋螺型位错(左右手法则),(1)无额外半原子面，原子错排是呈轴对称的 (2)位错线周围点阵发生弹性畸变，只有平行于位错线的切应变，无正应变 (3)位错线一定是直线，是已滑移区与未滑移区的边界线,19,螺型位错的结构特征,右旋螺位错 左旋螺位错 逆时针 顺时针,(4)分为右旋和左旋螺型位错(左右手法则) (5)位错周围的点阵畸变随离位错线距离的增加而急剧减小,20,3.2.2.3 混合型位错 (mixed dislocation),,,15/9,21,22stop,23,3.2.3 柏氏矢量,3.2.3.1 柏氏回路和柏氏矢量(Burgers Circuit and Burgers Vector),实际晶体的柏氏回路 完整晶体的相应回路,(正)刃型位错,,刃型位错的重要特征:柏氏矢量与位错线垂直。

24,实际晶体的柏氏回路 完整晶体的相应回路,(负)刃型位错,,右手法则确定刃型位错的正、负 即食指指向位错线的方向，中指指向柏氏矢量的方向，则拇指的指向代表多余半原子面的位向，且规定拇指向上者为正刃型位错；反之为负刃型位错25,(右旋)螺型位错,实际晶体的柏氏回路 完整晶体的相应回路,,螺型位错的重要特征:柏氏矢量与位错线平行,,,26,左旋螺型位错,实际晶体的柏氏回路 完整晶体的相应回路,,柏氏矢量与位错线同向平行为右螺旋位错 柏氏矢量与位错线反向平行为左螺旋位错,,,27,混合型位错,28,刃型位错： b ·L=0 φ=90° 右螺旋位错： b ·L=b φ=0°(b x L x cos φ) 左螺旋位错：b ·L=-b φ=180° 混合位错 b =bs+be 螺型分量：bs=bcosφ 刃型分量：be=bsinφ,位错类型的定义,STOP,29,立方晶系 其中n为正整数,3.2.3.2 柏氏矢量的表示法,如果有二个柏氏矢量,则按矢量加法法则有,柏氏矢量的大小或模， 即位错的强度30,3.2.3.3 柏氏矢量的特性,(1) 柏氏矢量是一个反映位错周围点阵畸变总累积的物理量。

由此，可把位错定义为柏氏矢量不为零的晶体缺陷b|表示畸变的程度，称为位错的强度2)柏氏矢量的守恒性一根位错线的柏氏矢量是恒定不 变的，与回路无关31,(3)柏氏矢量的唯一性一根不分岔的位错线，不论其形状如何变化、各处的位错类型是否相同，其各部位的柏氏矢量都相同；而且当位错运动改变方向时，其柏矢量不变，一根位错线具有唯一的柏氏矢量4)位错的连续性位错线不可终止于晶体内部位错结点b2+b3=b1 柏氏矢量的总和为零的情况,32stop,(5) 柏氏矢量为b的位错分解后各位错柏氏矢量之和等于原位错的柏氏矢量，即 （柏氏回路确定的柏氏矢量是该回路包含的n个位错的伯氏矢量之和）,33,3.3 位错的运动,3.3.1 位错的滑移 3.3.1.1 刃型位错的滑移,,正刃型位错,位错在切应力作用下从一个亚稳定状态迁移至另一个亚稳定状态，移动距离不超过一个原子间距,两种最基本形式--滑移(slip)和攀移(climb),切应力平行于位错滑移面、垂直于多余半原子面 刃型位错只有一个滑移面,不均匀的滑移,,,,,,17/9,34,3.3.1.1 刃型位错的滑移,,正刃型位错,,,,,,右手定则: 判断位错运动方向,35,负刃型位错,,,,,36,位错运动的滑移过程和结果 1根位错产生1个b大小的滑移台阶,37,右旋螺型位错,切应力平行于位错滑移面平行于柏氏矢量,,,L,b,3.3.1.2 螺型位错的滑移,38,(a)原始位置 (b)位错向左移动一个原子间距,上层原子 右旋螺型位错,,39,螺型位错的滑移过程和结果 1根位错产生1个b大小的滑移台阶,40,左旋和右旋螺型位错相抵消,左旋螺型位错 右旋螺型位错,切应力平行于位错滑移面平行于柏氏矢量 螺型位错有多个滑移面,,,L,b,,,L,b,41,交滑移--螺型位错从原滑移面转移到与之相交的另 一滑移面上去继续滑移的过程 双交滑移--交滑移后的位错再转回和原滑移面平行 的滑移面上继续运动,42,3.3.1.3 混合型位错的滑移,43,晶体的局部滑移形成位错环 位错环各部分的结构,晶体中的位错环,,,,,滑移为守恒运动，不产生体积变化,思考题：混合型位错环滑移的特点,44,45,3.3.2 位错的攀移,(a)未攀移的位错 (b)空位运动引起半 (c)间隙原子运动引起半 原子面收缩叫正攀移 原子面扩展叫负攀移,刃型位错的攀移运动模型,攀移的特点,44,1 非守恒运动，体积变化 2 刃型位错有正负攀移 3 正（压、拉）应力促进（正、负）攀移 4 点缺陷（空位、间隙原子）密度提高有利于（正、负）攀移 5 温度升高有利于攀移,,,,,_,+,思考题,1、柏氏矢量的物理意义、特性和表示方法 2、刃形位错与螺型位错的异同点 3、滑移与攀移的异同点,47 end,。