第二章-缺陷物理与性能.ppt
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第二章缺陷物理与性能缺陷的含义缺陷的含义:
晶体缺陷就是指实际晶体中与理想的点阵结构:
晶体缺陷就是指实际晶体中与理想的点阵结构发生偏差的区域。
发生偏差的区域。
理想晶体:
理想晶体:
质点严格按照空间点阵排列。
质点严格按照空间点阵排列。
实际晶体:
实际晶体:
存在着各种各样的结构的不完整性。
存在着各种各样的结构的不完整性。
晶体晶体非晶体非晶体晶晶体体非非晶晶体体规则几何外形规则几何外形无定形无定形确定的熔点确定的熔点各向异性各向异性各向同性各向同性无确定的熔点无确定的熔点对对X射线的衍射效应射线的衍射效应无无对称性对称性无无晶体与非晶体的区别晶体与非晶体的区别晶体缺陷的类型晶体缺陷的类型分类方式:
分类方式:
几何形态几何形态:
点缺陷、线缺陷、面缺陷等点缺陷、线缺陷、面缺陷等形成原因形成原因:
热缺陷、杂质缺陷、非化学计量缺陷等热缺陷、杂质缺陷、非化学计量缺陷等缺陷分类根据晶体缺陷的几何形态特征,可将它们分为以下三类:
根据晶体缺陷的几何形态特征,可将它们分为以下三类:
n点缺陷点缺陷特征是在三维方向上的尺寸都很小,约一个或特征是在三维方向上的尺寸都很小,约一个或几个原子间距,亦称为零维缺陷。
例如空位、填隙原子、杂几个原子间距,亦称为零维缺陷。
例如空位、填隙原子、杂质原子等。
质原子等。
n线缺陷线缺陷特征是在两维方向上的尺寸很小,仅在另一维特征是在两维方向上的尺寸很小,仅在另一维方向上的尺寸较大,亦称为一维缺陷。
例如位错。
方向上的尺寸较大,亦称为一维缺陷。
例如位错。
n面缺陷面缺陷特征是在两维方向上的尺寸较大,只在另一维特征是在两维方向上的尺寸较大,只在另一维方向上的尺寸很小,亦称为二维缺陷。
例如晶体表面、晶界、方向上的尺寸很小,亦称为二维缺陷。
例如晶体表面、晶界、相界和堆垛层错等。
相界和堆垛层错等。
一点缺陷根据点缺陷的形成机理,晶体中的点缺陷可以分为热缺根据点缺陷的形成机理,晶体中的点缺陷可以分为热缺陷和杂质缺陷两种。
陷和杂质缺陷两种。
热缺陷的三种形式热缺陷的三种形式:
图2.1弗伦克尔缺陷图2.2肖脱基缺陷图2.3只有填隙原子一点缺陷离子晶体的点缺陷结构特点:
正、负离子相间排列在格点上,尺寸较小的离子一般是正离子。
缺陷导致电导率增加一点缺陷离子晶体的点缺陷离子晶体的点缺陷离子晶体的点缺陷离子晶体的点缺陷填隙原子和肖脱基缺陷可以引起晶体密度的变化,弗伦克尔缺陷不会引起晶体密度的变化点缺陷可以引起晶体电导性能的变化点缺陷能加速与点缺陷能加速与扩散有关的相散有关的相变点缺陷可以引起晶体光学性能的变化点缺陷可以引起晶体比热容的“反常”对金属强度的影响点缺陷与材料性能点缺陷的平衡浓度点缺陷的平衡浓度nF=UTS自由能随点缺陷数量的变化空位形成能空位形成能空位形成能空位形成能(vacancyformationenergyvacancyformationenergyvacancyformationenergyvacancyformationenergy):
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点缺陷的平衡浓度点缺陷的平衡浓度点缺陷的平衡浓度点缺陷的平衡浓度通过热力学分析,在绝对零度以上的任何温度,通过热力学分析,在绝对零度以上的任何温度,通过热力学分析,在绝对零度以上的任何温度,通过热力学分析,在绝对零度以上的任何温度,晶体中最稳定的状态是含有一定浓度的点缺陷的晶体中最稳定的状态是含有一定浓度的点缺陷的晶体中最稳定的状态是含有一定浓度的点缺陷的晶体中最稳定的状态是含有一定浓度的点缺陷的状态,这个浓度称为该温度下晶体中状态,这个浓度称为该温度下晶体中状态,这个浓度称为该温度下晶体中状态,这个浓度称为该温度下晶体中点缺陷的平点缺陷的平点缺陷的平点缺陷的平衡浓度衡浓度衡浓度衡浓度(equilibriumconsistenceequilibriumconsistenceequilibriumconsistenceequilibriumconsistence)。
经热力学推经热力学推经热力学推经热力学推导:
导:
导:
导:
C=n/N=C=n/N=C=n/N=C=n/N=AexpAexpAexpAexp(U/U/U/U/kTkTkTkT)CCCC与与与与TTTT、UUUU之间呈指数关系。
之间呈指数关系。
之间呈指数关系。
之间呈指数关系。
TTTT上升、上升、上升、上升、CCCC升高。
升高。
升高。
升高。
点缺陷与材料性能n1)填隙原子和肖脱基缺陷可以引起晶体密度的变化,弗伦克尔缺陷不会引起晶体密度的变化n理论计算结果表明,填隙原子引起的体膨胀为12个原子体积,而空位的体膨胀则约为0.5个原子体积。
金属晶体中出现空位,将使其体积膨胀、密度下降。
2)点缺陷可以引起晶体电导性能的变化点缺陷破坏了原子的规则排列,使传导电子受到散射,产生附加电阻。
附加电阻的大小与点缺陷浓度成正比,因而可用来标志点缺陷浓度。
从附加电阻和温度的关系可以确定空位的形成能。
测量方法:
测量方法:
一种是直接在高温测量电阻对温度的曲线,曲线上的异常部分就是由于空位的影响造成的;另一种方法是将样品淬火,使金属快速冷却,过饱和的空位就被冻结,这时就可以在室温下对不同淬火温度后的样品进行电阻的测量,测量结果也可以求出空位的形成能。
对于离子晶体,点缺陷增加电导点缺陷与材料性能n空位换位运动空位复合消失3)点缺陷能加速与扩散有关的相变n以各种目的进行的金属材料热处理,利用了金属中原子的扩散。
加工后的金属进行退火,是加工导致产生大量位错,由于原子扩散引起攀移、正负位错相互抵消的过程;为时效硬化进行热处理,通过扩散在母晶体中析出过饱和固溶状态的固溶原子等,都是点缺陷空位扩散的结果3)点缺陷能加速与扩散有关的相变无色透明晶体无色透明晶体4)点缺陷可以引起晶体光学性能的变化点缺陷电荷中心束缚态电荷中心束缚态透明晶体呈现颜色透明晶体呈现颜色(色心)(色心)n用途:
利用点缺陷可以引起晶体光学性能变化的原理,可以为透明材料和无机非金属材料进行着色和增色,用来制作红宝石、彩色玻璃、彩色水泥、彩釉、色料等。
例如,蓝宝石是Al2O3单晶,呈无色,而红宝石是在这种单晶氧化物中加入少量的Cr2O3。
这样,在单晶氧化铝禁带中引进了Cr3+的杂质能级,造成了不同于蓝宝石的选择性吸收,故显红色。
电子或空位在束缚态之间跃迁n含有点缺陷的晶体,其内能比理想晶体的内能大,这种由缺陷引起的在定容比热容基础上增加的附加比热容称为比热容的“反常”。
5)点缺陷可以引起比热容的反常6)对金属强度的影响n影响晶体力学性能的主要缺陷是非平衡点缺陷,在常温晶体中热力学平衡的点缺陷的浓度很小,因此点缺陷具有平衡浓度时对晶体的力学性能没有明显影响。
但过饱和点缺陷(超过平衡浓度的点缺陷)可以提高金属的屈服强度。
n获得过饱和点缺陷的方法:
n淬火法n辐照法n塑性变形淬火引起的点缺陷变化淬火引起的点缺陷变化n将晶体加热到高温,晶体中便形成较多的空位,然后从高温快速冷却到低温(称淬火)使空位在冷却过程中来不及消失,在低温形成过饱和空位。
辐照引起的点缺陷变化辐照引起的点缺陷变化未辐照和受辐照的多晶铜的应力-应变曲线(在20下的实验)线缺陷线缺陷线缺陷是发生在晶格中一条线周围,其特征是在两个方向上的尺寸很小,而另一个方向上的尺寸很大,晶体中的线缺陷主要是各种类型的位错,是晶体中某处的一列或几列原子发生错排产生的线形点阵畸变区。
位错还影响着晶体的力、电、光学等性质,对相变和扩散等过程也有重大的影响。
位错的运动位错的运动n位错的滑移:
位错的滑移:
指位错在外力作用下,在滑移面指位错在外力作用下,在滑移面上的运动,结果导致永久形变。
上的运动,结果导致永久形变。
n位错的攀移:
位错的攀移:
指在热缺陷的作用下,位错在垂指在热缺陷的作用下,位错在垂直滑移方向的运动,结果导致空位或间隙原子直滑移方向的运动,结果导致空位或间隙原子的增值或减少的增值或减少。
刃位错刃位错刃位错刃位错位错刃位错假设晶体内有一个原子平面在晶体内部中假设晶体内有一个原子平面在晶体内部中断,其中断处的边沿就是一个刃型位错。
断,其中断处的边沿就是一个刃型位错。
位错刃位错示意图位错刃位错(a)螺位错(b)位错线周围原子螺型排列螺位错及其原子结构模型螺位错及其原子结构模型螺型位错则是原子面沿一根轴线盘旋上升,每绕轴线盘旋一螺型位错则是原子面沿一根轴线盘旋上升,每绕轴线盘旋一周而上升一个晶面间距。
在中央轴线处就是一个周而上升一个晶面间距。
在中央轴线处就是一个螺型位错。
螺型位错。
位错螺位错n螺型位错的形成位错螺位错刃位错的运动方式滑移滑移n刃型位错的滑移n(a)正刃型位错(b)负刃型位错n滑移过程中,原子的滑移方向、位错线的运动方向和滑移过程中,原子的滑移方向、位错线的运动方向和外加应力方向三者是平行的外加应力方向三者是平行的刃位错的运动方式滑移滑移螺位错的运动方式滑移滑移n螺型位错的运动n滑移过程中,原子滑移方向与外加应力方向相同,滑移过程中,原子滑移方向与外加应力方向相同,而与位错线运动方向垂直而与位错线运动方向垂直刃位错的运动刃位错的运动螺位错的运动螺位错的运动位错滑移对比:
位错滑移对比:
n刃位错滑移过程中,原子的滑移方向、位错线的运动方向和外加刃位错滑移过程中,原子的滑移方向、位错线的运动方向和外加应力方向三者是平行的;应力方向三者是平行的;n螺位错滑移过程中,原子滑移方向与外加应力方向相同,而与位螺位错滑移过程中,原子滑移方向与外加应力方向相同,而与位错线运动方向垂直错线运动方向垂直位错的运动方式攀移攀移刃型位错可以在滑移面内运动,也可以垂直于滑移面运动,这后一种运动称为位错的“攀移”。
由于螺型位错没有附加的半原子平面,因此不能直接攀移。
刃位错攀移示意图刃位错攀移示意图(a)正攀移(半原子)正攀移(半原子面缩短)面缩短)(b)未攀移未攀移(c)负攀移(半)负攀移(半原子面伸长)原子面伸长)位错的弹性性质位错的弹性性质位错的应力场与应变能位错的应力场与应变能理论基础:
理论基础:
连续弹性介质模型连续弹性介质模型假设:
假设:
1.完全服从虎克定律,即不存在塑性变形;完全服从虎克定律,即不存在塑性变形;2.各向同性;各向同性;3.连续介质,不存在结构间隙。
连续介质,不存在结构间隙。
位错的应力场位错的应力场:
刃位错上面的原子处于压应力状态,为压应力场,刃位错刃位错上面的原子处于压应力状态,为压应力场,刃位错下面的原子处于张应力状态,为张应力场。
下面的原子处于张应力状态,为张应力场。
围绕一个螺位错的晶体圆柱体区域也有应力场存在。
围绕一个螺位错的晶体圆柱体区域也有应力场存在。
混合位错混合位错(补充)(补充)位错线与滑移矢量两者方向夹角呈任意角度滑移面ABC范围内原子发生了位移,其滑移矢量用b表示混合位错的形成位错线上任一点的滑移矢量相同晶体右上角在外力F作用下发生切变弧线AC即是位错线,为已滑移区和未滑移区的边界,与滑移矢量成任意角度是晶体中较常见的一种位错混合位错AC位错线中混合位错原子组态靠近A端的位错线段平行于滑移矢量,属于纯螺型位错靠近C端的位错线段垂直于滑移矢量,属于纯刃型位错其余部分线段与滑移矢量成任意角度,属混合位错每一段位错线均可分解为刃型和螺型两个分量混合位错每一段位错线均可分解为刃型和螺型两个分量2.32.3柏氏矢量柏氏矢量柏氏矢量是描述位错性质的一个重要物理量表示位错区原子的畸变特征,包括畸变的位置和畸变的程度是矢量1939年Burgers提出,故称该矢量为“柏格斯矢量”或“柏氏矢量”用b表示柏氏矢量的确定方法柏氏矢量的确定方法1)人为假定位错线方向2)用右手螺旋法则来确定柏格斯回路的旋转方向3)将含有位错的实际晶体和理想的完整晶体相比较在实际晶体中作柏氏回路,在完整晶体中按相同的路线和步法作回路,路线终点指向起点的矢量,即“柏氏矢量”使位错线的正向与右螺旋的正向一致一般是从纸背向纸面或由上向下为位错线正向刃型位错的柏氏回路与柏氏矢量刃型位错的柏氏回路和柏氏矢量(a)含有位错的晶体;(b)供比较用的理想晶体
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- 第二 缺陷 物理 性能