实际金属的晶体缺陷.ppt

材料科学基础,第三节 实际金属的晶体结构,图 对称平移性,1.3 实际金属的晶体结构,晶体结构的特点是长程有序。结构基元或者构成物体的粒子(原子、离子或分子等)完全按照空间点阵规则排列的晶体叫理想晶体。在实际晶体中，粒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。把实际晶体中偏离理想点阵结构的区域称为晶体缺陷。实际晶体中虽然有晶体缺陷存在，但偏离平衡位置很大的粒子数目是很少的，从总的来看，其结构仍可以认为是接近完整的。根据几何形态特征，可以把晶体缺陷分为三类：点缺陷、线缺陷和面缺陷。,1.3 实际金属的晶体结构,点缺陷的定义点缺陷：在三维方向上尺寸都很小（远小于晶体或晶粒的线度）的缺陷。1.点缺陷的类型金属中常见的基本点缺陷有空位、间隙原子和置换原子。空位：空位就是未被占据的原子位置；间隙原子：间隙原子可以是晶体中正常原子离位产生，也可以是外来杂质原子；,1.3.1.1 点缺陷的类型及形成,1.3.1 点缺陷,置换原子：位于晶体点阵位置的异类原子。,1.3.1 点缺陷,2.点缺陷的形成原子相互作用的两种作用力：(1)原子间的吸引力；(2)原子间的斥力 点缺陷形成最重要的环节是原子的振动 原子的热振动（以一定的频率和振幅作振动）原子被束缚在它的平衡位置上，但原子却在做着挣脱束缚的努力 点缺陷形成的驱动力：温度、离子轰击、冷加工 在外界驱动力作用下，哪个原子能够挣脱束缚，脱离平衡位置是不确定的，宏观上说这是一种几率分布,1.3.1 点缺陷,空位的两种类型：离位原子迁移到晶体的表面上，这样形成的空位通常称为肖脱基缺陷；可迁移到晶体点阵的间隙中，这样的空位称弗兰克尔缺陷。,图 晶体中的点缺陷(a)肖脱基空位(b)弗兰克尔空位,1.3.1 点缺陷,1.点缺陷的运动点缺陷并非固定不动，而是处在不断改变位置的运动过程中。空位周围的原子，由于热振动能量的起伏，有可能获得足够的能量而跳入空位，并占据这个平衡位置，这时在这个原子的原来位置上，就形成一个空位。这一过程可以看作是空位向邻近结点的迁移。在运动过程中，当间隙原子与一个空位相遇时，它将落入这个空位，而使两者都消失，这一过程称为复合，或湮没。,1.3.1.2 点缺陷的运动及平衡浓度,1.3.1 点缺陷,（a）原来位置；（b）中间位置；（c）迁移后位置图 空位从位置A迁移到B,1.3.1 点缺陷,2.点缺陷的平衡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，增大了晶体的热力学不稳定性；另一方面，由于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。熵值越大，晶体便越稳定。由于存在着这两个互为矛盾的因素，晶体中的点缺陷在一定温度下有一定的平衡数目，这时点缺陷的浓度就称为它们在该温度下的热力学平衡浓度。在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。,1.3.1 点缺陷,1.3.1.3 点缺陷对性能的影响,点缺陷的存在使晶体体积膨胀，密度减小。点缺陷引起电阻的增加，这是由于晶体中存在点缺陷时，对传导电子产生了附加的电子散射，使电阻增大。空位对金属的许多过程有着影响，特别是对高温下进行的过程起着重要的作用。金属的扩散、高温塑性变形的断裂、退火、沉淀、表面化学热处理、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。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。,1.3.1 点缺陷,1.3.2 线缺陷,线缺陷就是在两个方向上尺寸很小，在一个方向上尺寸很大的缺陷。线缺陷是各种类型的位错。位错是晶体内部一种有规律的管状畸变区。原子发生错排的范围，在一个方向上尺寸较大，而另外两个方向上尺寸较小，是一个直径为35个原子间距，长几百到几万个原子间距的管状原子畸变区。最简单的位错是刃型位错和螺型位错。,1.3.2 线缺陷,1.3.2.1 位错的基本概念,1.位错学说的产生1926年弗兰克尔利用理想晶体的模型估算了理论切变强度，与实验结果相比相差34个数量级。1934年泰勒，波朗依和奥罗万三人几乎同时提出晶体中位错的概念。泰勒把位错与晶体塑变的滑移联系起来，认为位错在切应力作用下发生运动，依靠位错的逐步传递完成了滑移。与刚性滑移不同，位错的移动只需邻近原子作很小距离的弹性偏移就能实现，而晶体其他区域的原子仍处在正常位置，因此滑移所需的临界切应力大为减小。,1939年柏格斯提出用柏氏矢量来表征位错的特性，同时引入螺型位错。1947年柯垂耳利用溶质原子与位错的交互作用解释了低碳钢的屈服现象。1950年弗兰克与瑞德同时提出了位错增殖机制FR位错源。50年代后，透射电镜直接观测到了晶体中位错的存在、运动、增殖。,1.3.2 线缺陷,图 理想晶体的滑移模型和刃型位错的滑移过程,1.3.2 线缺陷,图 刃型位错与螺型位错,2.位错的基本类型位错可分为刃性位错和螺型位错。,1.3.2 线缺陷,（1）刃型位错,图 含有刃型位错的晶体,1.3.2 线缺陷,刃型位错的概念：在某一水平面以上多出了垂直方向的原子面，犹如插入的刀刃一样，EF称为刃型位错线。位错线附近区域发生了原子错排，因此称为“刃型位错”。把多余半原子面在滑移面以上的位错称为正刃型位错，用符号“”表示，反之为负刃型位错，用“”表示。含有多余半原子面的晶体受压，原子间距小于正常点阵常数；不含多余半原子面的晶体受张力，原子间距大于正常点阵常数。位错在晶体中引起的畸变在位错线中心处最大，随着离位错中心距离的增大，晶体的畸变逐渐减小。,1.3.2 线缺陷,刃型位错的特点：1).刃型位错有一个额外的半原子面。其实正、负之分只具相对意义而无本质的区别。2).刃型位错线可理解为晶体中已滑移区与未滑移区的边界线。它不一定是直线，也可以是折线或曲线，但它必与滑移方向相垂直，也垂直于滑移矢量。,图 不同形状的刃型位错,1.3.2 线缺陷,3).滑移面必定是同时包含有位错线和滑移矢量的平面，在其他面上不能滑移。由于在刃型位错中，位错线与滑移矢量互相垂直，因此，由它们所构成的平面只有一个。4).晶体中存在刃型位错之后，位错周围的点阵发生弹性畸变，既有切应变，又有正应变。就正刃型位错而言，滑移面上方点阵受到压应力，下方点阵受到拉应力;负刃型位错与此相反。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。但该区只有几个原子间距宽，畸变区是狭长的管道，所以刃型位错是线缺陷。,1.3.2 线缺陷,（a）立体图；（b）顶视图图 螺型位错的原子组态,（2）螺型位错,1.3.2 线缺陷,图 螺型位错原子模型及其形成示意,1.3.2 线缺陷,螺型位错的结构特征 无额外的半原子面，原子错排程轴对称，分右旋和左旋螺型位错；一定是直线，与滑移矢量平行，位错线移动方向与晶体滑移方向垂直；滑移面不是唯一的，包含螺型位错线的平面都可以作为它的滑移面；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而无正应变，即不引起体积的膨胀和收缩；位错畸变区也是几个原子间距宽度，同样是线位错。,1.3.2 线缺陷,3.柏氏矢量（1）柏氏矢量的确定方法先确定位错线的方向(一般规定位错线垂直纸面时，由纸面向外为正向)，按右手法则做柏氏回路，右手大拇指指位错线正向，回路方向按右手螺旋方向确定。从实际晶体中任一原子出发，避开位错附近的严重畸变区作一闭合回路，回路每一步连接相邻原子。按同样方法在完整晶体中做同样回路，步数、方向与上述回路一致，这时终点和起点不重合，由终点到起点引一矢量即为柏氏矢量b。,1.3.2 线缺陷,图 刃型位错柏氏矢量的确定,1.3.2 线缺陷,图 螺型位错柏氏矢量的确定,1.3.2 线缺陷,（2）柏氏矢量的物理意义及特征物理意义：代表位错，并表示其特征（强度、畸变量）；表示晶体滑移的方向和大小。反映出柏氏回路包含的位错所引起点阵畸变的总积累。通常将柏氏矢量称为位错强度，该矢量的模|b|表示了畸变的程度，称为位错的强度。位错的许多性质如位错的能量，所受的力，应力场，位错反应等均与其有关。它也表示出晶体滑移时原子移动的大小和方向。,1.3.2 线缺陷,柏氏矢量的特征用柏氏矢量可判断位错的类型。用柏氏矢量可以表示晶体滑移的方向和大小。位错运动导致晶体滑移时，滑移量大小即柏氏矢量b，滑移方向即为柏氏矢量的方向。一条位错线具有唯一的柏氏矢量。若位错可分解，则分解后各分位错的柏氏矢量之和等于原位错的柏氏矢量。位错具有连续性，不能中断于晶体内部。其存在形态可形成一个闭合的位错环，或连接于其他位错，或终止在晶界，或露头于晶体表面。,1.3.2 线缺陷,图 三种类型位错的矢量图解法,1.3.2 线缺陷,（3）混合位错晶体中已滑移区与未滑移区的边界线（即位错线）既不平行也不垂直于滑移方向，即滑移矢量与位错线成任意角度，这种晶体缺陷称为混合型位错。混合型位错可分解为刃型位错分量和螺型位错分量。,图 晶体局部滑移形成混合位错,1.3.2 线缺陷,图 混合位错的原子组态,1.3.2 线缺陷,（4）柏氏矢量的表示方法柏矢量对于柏矢量b沿晶向uvw的位错柏矢量的模柏矢量的模的计算就是矢量模的计算，同第一章中介绍的晶向长度计算。对于立方晶系：位错的加法按照矢量加法规则进行。,1.3.2 线缺陷,4.位错密度晶体中所含位错的多少可用位错密度来表示。位错密度定义为单位体积晶体中所含位错线的总长度，其表达式为若为了简便起见，可把晶体中的位错线视为一些直线，而且是平行地从晶体的一端延伸到另一端，于是位错密度就可被视为垂直于位错线的单位截面中所穿过的位错线数目，即,1.3.2 线缺陷,图 晶体位错密度和强度关系示意图,1.3.2 线缺陷,1.位错的滑移位错沿滑移面的移动称为滑移。,图 位错的滑移,1.3.2.2 线缺陷的类型及形成,1.3.2 线缺陷,（a）正刃型位错（b）负刃型位错 图 刃位错的滑移,1.3.2 线缺陷,当一个刃型位错沿滑移面滑过整个晶体，就会在晶体表面产生宽度为一个柏氏矢量b的台阶，造成晶体的塑性变形。在滑移时，刃型位错的移动方向一定是与位错线相垂直，即与其柏氏矢量相一致。位错线沿着滑移面移动时，它所扫过的区域是已滑移区，而位错线未扫过的区域为未滑移区。,图 刃型位错滑移导致晶体塑性变形的过程,1.3.2 线缺陷,（a）原始位置；（b）位错向左移动一个原子间距图 螺型位错滑移,1.3.2 线缺陷,图 螺型位错滑移导致晶体塑性变形的过程,在切应力作用下，螺型位错的移动方向是与其柏氏矢量相垂直。对于螺型位错，由于位错线与柏氏矢量平行，所以它不象刃型位错那样具有确定的滑移面，而可在通过位错线的任何原子平面上滑移。如果螺型位错在某一滑移面滑移后转到另一通过位错线的临近滑移面上滑移的现象称为交滑移。,1.3.2 线缺陷,图 刃型位错与螺型位错,1.3.2 线缺陷,由于混合位错可以分解为刃型和螺型两部分，因此，不难理解，混合位错在切应力作用下，也是沿其各线段的法线方向滑移，并同样可使晶体产生与其柏氏矢量相等的滑移量。,（a）位错环（b）位错环运动后产生的滑移图 位错环的滑移,1.3.2 线缺陷,位错的滑移特征,（1）可以通过柏氏矢量和位错线的关系来判断位错特征。bt时为刃型位错，bt为螺型位错，对于混合型位错，b和t的角度在0和90。（2）位错的滑移面包含柏氏矢量和位错线。（3）对于一根位错线而言，柏氏矢量是固定不变的。（4）位错线不能终止于完整晶体之中。,1.3.2 线缺陷,2.位错的攀移刃型位错除了可以在滑移面上滑移外，还可垂直于滑移面发生攀移。当半原子面下端的原子跳离，即空位迁移到半原子面下端时，半原子面将缩短，表现为位错向上移动，这种移动叫做正攀移。反之叫做负攀移。位错攀移时伴随着物质的迁移，需要扩散才能实现。因为攀移需要原子扩散，所以较之滑移所需的能量更大。对于大多数金属，这种运动在室温下很难进行。因此，位错攀移时需要热激活，也就是比滑移需要更大的能量。通常称攀移为“非守恒运动”，滑移则称为“守恒运动”。,1.3.2 线缺陷,3.位错运动的交割对于在滑移面上运动的位错来说，穿过此滑移面的其它位错称为林位错。林位错会阻碍位错的运动，但是若应力足够大，滑动的位错将切过林位错继续前进。位错互相切割的过程称为位错交割或位错交截。一般情况下，两个位错交割时，每个位错上都要新产生一小段位错，它们的柏氏矢量与携带它们的位错相同，它们的大小与方向决定于另一位错的柏氏矢量。当交割产生的小段位错不在所属位错的滑移面上时，则成为位错割阶，如果小段位错位于所属位错的滑移面上，则相当于位错扭折。,1.3.2 线缺陷,思考题,怎样判断位错线的移动方向？,1.3.3 面缺陷,面缺陷的定义面缺陷：在两个方向上尺寸很大，在一个方向上尺寸很小的缺陷。面缺陷的类型金属中常见的面缺陷有表面、晶界、亚晶界和相界。,从原子结合的角度看，表面原子的结合键数也减少，因此表面原子有强烈的倾向与环境中的原子或分子相互作用。晶体表层原子在不均匀力场作用下会偏离其平衡位置而移向晶体内部，但是正、负离子(或正、负电荷)偏离的程度不同，结果在晶体表面产生了双电层。,图 离子晶体表面的双电层,外表面,1.3.3 面缺陷,晶体内部的原子处于其他原子的包围中，处于均匀的力场中，总合力为零，处于能量最低的状态。而表面原子却不同，它与气相(或液相)接触，处于不均匀的力场之中，其能量较高，高出的能量称为表面自由能。晶体中不同晶面的表面能数值不同，这是由于表面能的本质是表面原子的不饱和键，而不同晶面上的原子密度不同，密排面的原子密度最大，则该面上任一原子与相邻晶面原子的作用键数最少，故以密排面作为表面时不饱和键数最少，表面能量低。晶体总是力图处于最低的自由能状态，所以一定体积的晶体的平衡几何外形应满足表面能总和为最小。,1.3.3 面缺陷,属于同一固相但位向不同的晶粒之间的界面称为晶界；而每个晶粒有时又由若干个位向稍有差异的亚晶粒所组成，相邻亚晶粒间的界面称为亚晶界。,图 晶界与亚晶界示意图,1.3.3 面缺陷,1.小角度晶界相邻晶粒的位向差小于10的晶界称为小角度晶界。最简单的小角度晶界是对称倾斜晶界，其晶界可看成是由一列平行的刃型位错所构成。,图 对称倾斜晶界,1.3.3 面缺陷,扭转晶界是小角度晶界的一种类型，它可看成是两部分晶体绕某一轴在一个共同的晶面上相对扭转一个角所构成的，扭转轴垂直于这一共同的晶面。扭转晶界的结构可看成是由互相交叉的螺型位错所组成。,图 扭转晶界的形成,1.3.3 面缺陷,2.大角度晶界相邻晶粒的位向差大于10的晶界称为大角度晶界。大角度晶界的结构较复杂，原子排列很不规则，由不规则的台阶组成的。晶界可看成坏区与好区交替相间组合而成。,图 大角度晶界模型,1.3.3 面缺陷,大角度晶界的“重合位置点阵”模型。在二维正方点阵中，当两个相邻晶粒的位向差为37时，设想两晶粒的点阵彼此通过晶界向对方延伸，其中一些原子将出现有规律的相互重合，由这些原子重合位置所组成比原来晶体点阵大的新点阵，通常称为重合位置点阵。,图 重合位置点阵模型,1.3.3 面缺陷,3.孪晶界孪晶是指两个晶体(或一个晶体的两部分)沿一个公共晶面构成镜面对称的位向关系，这两个晶体就称为“孪晶(twin)”，此公共晶面就称孪晶面。,图 孪晶界,1.3.3 面缺陷,1.3.3 面缺陷,4.相界具有不同结构的两相之间的分界面称为“相界”。按结构特点，相界面可分为共格、半共格和非共格相界三种类型。,图 具有完善共格关系的相界,图 具有弹性畸变的共格相界,1.3.3 面缺陷,图 半共格界面,图 非共格界面,1.3.3 面缺陷,4.晶界特性1.晶界处点阵畸变大，存在晶界能。晶粒的长大和晶界的平直化都能减少晶界面积，从而降低晶界的总能量。2.晶界处原子排列不规则，在常温下晶界的存在会对位错的运动起阻碍作用，致使塑性变形抗力提高，宏观表现为晶界较晶内具有较高的强度和硬度。晶粒越细,材料的强度越高，这就是细晶强化。3.晶界处原子偏离平衡位置，具有较高的动能，并且晶界处存在较多的缺陷如空穴、杂质原子和位错等，故晶界处原子的扩散速度比在晶内快得多。,1.3.3 面缺陷,4.在固态相变过程中,由于晶界能量较高且原子活动能力较大,所以新相易于在晶界处优先形核.原始晶粒越细,晶界越多,则新相形核率也相应越高。5.由于成分偏析和内吸附现象，特别是晶界富集杂质原子的情况下，往往晶界熔点较低，故在加热过程中，因温度过高将引起晶界熔化和氧化，导致“过热”现象产生。6.由于晶界能量较高、原子处于不稳定状态，以及晶界富集杂质原子的缘故，与晶内相比晶界的腐蚀速度一般较快。这就是用腐蚀剂显示金相样品组织的依据，也是某些金属材料在使用中发生晶间腐蚀破坏的原因。,1.3.3 面缺陷,