第三章-晶体缺陷PPT文件格式下载.ppt
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,泰坦尼克号钢板和现代钢板的实际冲击结果示于下图。
在2的海水中,泰坦尼克号钢板纵、横向试验中吸收能仅有4焦耳。
同样温度下,现代钢板纵向试验中吸收能为325焦耳,横向试验中吸收能为100焦耳。
第三章晶体缺陷,晶体中的缺陷原子排列偏离完整性的区域晶体缺陷产生原因原子(或离子、分子)的热运动,以及晶体的形成条件、冷热加工过程和其他辐射、杂质等因素的影响晶体缺陷的影响晶体缺陷对晶体的性能,特别是对那些结构敏感的性能,如屈服强度、断裂强度、塑性、电阻率、磁导率等有很大的影响;
晶体缺陷还与扩散、相变、塑性变形、再结晶、氧化、烧结等有着密切关系。
晶体缺陷的几何特征,点缺陷其特征是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,故称零维缺陷,包括空位、间隙原子、杂质或溶质原子等;
线缺陷其特征是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;
面缺陷其特征是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。
体缺陷晶体中的孔洞,夹杂等缺陷经常共存,它们互相联系,互相制约,在一定条件下还能互相转化,从而对晶体性能产生复杂的影响,第一节点缺陷,12,包括空位、间隙原子、杂质或溶质原子,一、点缺陷的形成,局部点阵畸变,原子热振动,克服约束,迁移到新的位置,空位、间隙原子,肖脱基缺陷原子迁移到表面仅形成空位弗兰克缺陷原子迁移到间隙中形成空位-间隙对杂质或溶质原子间隙式(小原子)或置换式(大原子),二.分类,动画,空位形成能Ev在晶体内取出一个原子放在晶体表面上(但不改变晶体的表面和表面能)所需要的能量。
材料的熔点越高,结合能越大,Ev越大间隙原子的形成能量比空位形成能高,在晶体中的浓度一般比较低。
热平衡缺陷由于热起伏促使原子脱离点阵位置而形成的点阵缺陷。
过饱和点缺陷在一定的温度下,晶体中点缺陷的数目明显超过其平衡浓度时,这些点缺陷称为过饱和点缺陷。
它的产生方式有三种:
淬火(quenching)冷加工(coldworking)辐照(radiation),1-大的置换原子2-肖脱基空位3-异类间隙原子4-复合空位5-弗兰克尔空位6-小的置换原子,课堂练习:
指出下列晶格中缺陷的类型,晶体中点缺陷的存在造成点阵畸变,使晶体的内能升高,降低了晶体的热力学稳定性;
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,引起组态熵和振动熵的改变,使晶体熵值增大,增加了晶体的热力学稳定性。
这两个相互矛盾的因素使得晶体中的点缺陷在一定的温度下有一定的平衡浓度。
三.点缺陷的平衡浓度,17,点缺陷在T温度时的平衡浓度为:
ne平衡空位数,N原子总数Qf=NAEv为形成1摩尔空位所需要的功R-气体常数k玻尔兹曼常数T绝对温度,其中:
A由振动熵决定的系数,取110,通常取1。
T-C,18,在T温度时间隙原子的平衡浓度C为:
ne平衡空位数,N原子总数Ev为形成一个间隙原子所需的能量R-气体常数k玻尔兹曼常数T绝对温度,在一般的晶体中间隙原子的形成能Ev较大(约为空位形成能Ev的34倍)。
在同一温度下,晶体中间隙原子的平衡浓度C要比空位的平衡浓度C低得多。
在通常情况下,相对于空位,间隙原子可以忽略不计;
但是在高能粒子辐照后,产生大量的弗兰克尔缺陷,间隙原子数就不能忽略了。
19,附加电子散射电阻,四.点缺陷对晶体性能的影响,间隙原子体积膨胀12个原子体积空位体积膨胀0.5个原子体积,屈服强度对扩散、内耗、高温形变和热处理等过程有重要影响。
位错概念的提出-用于解释晶体的塑性变形。
Dislocation,位错是原子的一种特殊组态,是一种具有特殊结构的晶格缺陷,也称为线缺陷。
第二节线缺陷,晶体的理论切变强度:
一般金属:
m=104105MPa,实际金属单晶:
110MPa,Cu单晶体的理论剪切屈服强度约为1540MPa,但它实际的屈服强度仅为1Mpa,二者相差巨大。
GeoffreyTaylor爵士1934年提出位错的概念,动画,23,位错逐排依次运动塑变,原子面整体滑移塑变,理论强度远大于实测值,探求新理论位错理论,计算强度值实测值,设有一简单立方结构的晶体,在切应力的作用下发生局部滑移,发生局部滑移后晶体内在垂直方向出现了一个多余的半原子面,显然在晶格内产生了缺陷,这就是位错,,一、位错基本类型,25,正刃型位错,负刃型位错,动画,1.刃型位错,正刃型位错,位错线,负刃型位错,透射电镜下观察到的位错线,29,原子面部分错动一个原子间距,螺位错,不吻合过渡区,纯剪切应力区,2.螺形位错,动画,螺型位错示意图,31,刃型位错分量螺型位错分量,3.混合型位错,32,混合位错示意图,34,二.柏氏矢量,反映位错区畸变的方向与程度,1)柏氏矢量的求法,
(1)包含位错线做一封闭回路,柏氏回路,
(2)将同样的回路置于完整晶体中,不能闭合,(3)补一矢量(终点指向起点)使回路闭合,柏氏矢量,动画,35,
(1)包含位错线做一封闭回路柏氏回路
(2)将同样的回路置于完整晶体中不能闭合(3)补一矢量(终点指向起点)使回路闭合柏氏矢量,动画,柏氏矢量是一个反映位错周围点阵畸变总累积的物理量。
该矢量的方向表示位错的性质与位错的取向,即位错运动导致晶体滑移的方向;
而该矢量的模|b|表示了畸变的程度,称为位错的强度。
柏氏矢量与回路起点及其具体途径无关。
柏氏矢量是唯一的,这就是柏氏矢量的守恒性。
一根不分岔的位错线,不论其形状如何变化(直线、曲折线或闭合的环状),也不管位错线上各处的位错类型是否相同,其各部位的柏氏矢量都相同;
而且当位错在晶体中运动或者改变方向时,其柏氏矢量不变,即一根位错线具有唯一的柏氏矢量。
若一个柏氏矢量为b的位错可以分解为柏氏矢量分别为b1,b2.bn的n个位错,则分解后各位错柏氏矢量之和等于原位错的柏氏矢量,即位错在晶体中存在的形态可形成一个闭合的位错环,或连接于其他位错(交于位错结点),或终止在晶界,或露头于晶体表面,但不能中断于晶体内部。
这种性质称为位错的连续性。
三、伯氏矢量特性,37,四、柏氏矢量表示法,对于立方晶系a=b=c,模:
例:
1.柏氏矢量摸的表示法,38,2.位错反应位错的合并与分解,几何条件:
能量条件:
反应前后柏氏矢量和相等(方向、大小),反应后能量降低,判断方法:
几何条件判断方法:
求反应前后各个位错柏氏矢量的矢量和,能量条件判断方法:
求反应前后各位错|b|2的和,40,例:
41,例:
几何条件:
即:
满足几何条件和能量条件,反应可以发生(自发进行),即:
42,例:
判断下列位错反应能否进行?
若能,在晶胞图上作出矢量关系图a/2111+a/2111a001a/2110a/6112+a/3111a/2101+a/2011a/2110a/3112+a/6111a/2111,课堂练习,解:
几何条件都满足,只判断能否满足能量条件.(3/2)a2a2(1/2)a2=(1/2)a2a2(1/2)a2(3/4)a2=(3/4)a2几何条件和能量条件全部满足,故所列位错反应都能进行.,a/2111+a/2111a001,(3)a/2110a/6112+a/3111,110,112,111,(4)a/2101+a/2011a/2110,(5)a/3112+a/6111a/2111,49,五、位错正、负(左、右)的确定,刃位错:
有晶体图时用右手法则,人为规定位错线方向(一般规定位错线垂直纸面时,由纸面向外为正)中指b方向食指位错线方向拇指半原子面的位相,上正下负(外正内负),正半原子面,负半原子面,50,螺位错:
以大拇指代表螺旋面前进方向,其他四指代表螺旋面的旋转方向,符合右手法则的称右旋螺旋位错,符合左手法则的称左旋螺旋位错。
左手左螺,右手右螺(同右异左),正负(左右)均为相对而言,位错线方向改变,正负、左右随之改变。
右螺,左螺,52,六、位错密度,单位体积晶体中所有位错线的总长度,穿过单位截面积的位错线数目(穿过单位面积的位错线根数,将位错简化为直线),cm/cm3,1/cm2,位错密度与材料强度的关系,强度,位错密度,接近理想晶体,退火状态,各种缺陷强化机制,位错的运动有两种基本形式:
滑移和攀移。
在一定的切应力的作用下,位错在滑移面上受到垂至于位错线的作用力。
当此力足够大,足以克服位错运动时受到的阻力时,位错便可以沿着滑移面移动,这种沿着滑移面移动的位错运动称为滑移。
刃型位错的位错线还可以沿着垂直于滑移面的方向移动,刃型位错的这种运动称为攀移。
七、位错的运动,1.刃型位错的滑移刃型位错:
对含刃型位错的晶体加切应力,切应力方向平行于柏氏矢量,位错周围原子只要移动很小距离,就使位错由位置(a)移动到位置(b)。
当位错运动到晶体表面时,整个上半部晶体相对下半部移动了一个柏氏矢量晶体表面产生了高度为b的台阶。
刃型位错的柏氏矢量b与位错线t互相垂直,故滑移面为b与t决定的平面,它是唯一确定的。
刃型位错移动的方向与b方向一致,和位错线垂直。
56,滑移面,滑移台阶,a)位错逐排依次前进,实现两原子面的相对滑移;
b)滑移量=柏氏矢量的模;
c)外力/b,位错线,位错线运动方向/d)一定时,正、负位错运动方向相反,但最终滑移效果相同;
e)滑移面唯一。
刃位错滑移特点,螺位错滑移特点,a)位错逐排依次滑移,实现原子面的滑移;
c)/b,位错线/,位错线运动方向;
d)一定时,左、右螺位错位错运动方向相反,但最终滑移效果相同;
e)滑移面不唯一。
60,右螺位错,左螺位错,(3)混合位错滑移,由于位错线是已滑移区与未滑移区的边界线,因此一根位错线不能终止于晶体内部,而只能露头于晶体表面(包括晶界)。
若它终止于晶体内部,则必与其他位错线相连接,或在晶体内部形成封闭线。
形成封闭线的位错称为位错环。
图中的阴影区是滑移面上一个封闭的已滑移区。
显然,位错环各处的位错结构类型也可按各处的位错线方向与滑移矢量的关系加以分析,如A,B两处是刃型位错,C,D两处是螺型位错,其他各处均为混合位错。
63,正刃,负刃,左螺,右螺,1已知位错环ABCD的柏氏矢量为b,外应力为和,求:
(1)位错环的各边分别是什么位错?
(2)设想在晶体中怎样才能得到这个位错?
(3)在足够大的切应力作用下,位错环将如何运动?
课堂练习,
(1)根据位错线与柏氏矢量关系判断:
为刃型位错(BC,DA)再根据右手定则确定正负:
(令顺时针方向为位错环线的正方向)DA负刃型位错BC正刃型位错为螺型位错(AB,CD)再根据规定确定左右:
CD左螺型位错AB右螺型位错,b,设想在完整晶体中有一个贯穿晶体上下表面的正四棱柱,它和滑移面MNPQ交于ABCDA。
现让ABCDA上部的柱体相对于下部的柱体滑移b,柱体外的各部分晶体均不滑移。
ABCDA就是在滑移面上已滑移区(环内)和未滑移区(环外)的边界
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- 第三 晶体缺陷