第二章晶体缺陷.ppt
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第二章晶体缺陷,晶体缺陷的概念:
晶体中的不完整区域晶体缺陷的种类:
按照其空间几何特征,晶体缺陷可分为点缺陷、线缺陷、面缺陷,概述,2-1点缺陷,一、点缺陷的种类及形成
(一)空位及其特征与形成途径,空位及其特征,2-1点缺陷,2-1点缺陷,间隙原子及其特征,
(二)间隙原子及其特征与形成途径,2-1点缺陷,2-1点缺陷,(三)置换原子及其特征与形成途径,(四)点缺陷的形成能形成空位或间隙原子等点缺陷时,其周围区域的原子偏离平衡位置必然使晶体能量变高,这种由点阵畸变造成的能量增加称为畸变能。
形成点缺陷时,还将导致电子运动状态发生变化而使晶体能量升高,这种能量增加称为电子能。
形成一个空位或间隙原子所需提供的能量,称为空位形成能或间隙原子形成能。
2-1点缺陷,2-1点缺陷,二、点缺陷的热力学平衡性及其平衡浓度
(一)点缺陷的热力学平衡性根据,晶体中空位和间隙原子等点缺陷的存在,一方面会导致晶体的内能升高,使晶体的自由能增加,但另一方面也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,使晶体的熵值增大,晶体的自由能降低。
一定温度下,当空位或间隙原子达到一定数目时,这两方面的能量变化可以达到平衡。
2-1点缺陷,
(二)点缺陷的平衡浓度点缺陷的平衡浓度:
为一个点缺陷的形成能。
2-1点缺陷,(三)过饱和点缺陷晶体中的点缺陷数量往往超过其平衡浓度,通常称为过饱和点缺陷。
产生途径:
高温淬火高能粒子(如中子、质子、粒子等)辐照冷变形加工,2-1点缺陷,三、点缺陷的迁移
(一)点缺陷的迁移间隙原子的迁移是由一个间隙位置到另一个间隙位置空位的迁移是由空位与周围结点位置原子换位实现的
(二)点缺陷的迁移激活能点缺陷迁移时所需克服的能垒(三)点缺陷的复合间隙原子和空位在迁移过程中相遇时将同时消失,思考题:
1.按空间几何特征,晶体缺陷共分为几种类型?
列举出每种类型晶体缺陷的具体实例。
2.何谓点缺陷的热力学平衡性?
2-1点缺陷,一、位错的基本类型和特征
(一)位错理论的提出晶体的理论切变强度约为G/30G为切变弹性模量(103104MPa)晶体的实际切变强度约为110MPa,2-2位错,2-2位错,晶体滑移与位错的形成,晶体的滑移过程a未滑移;b滑移中,已滑移区与未滑移区的界限,即定义为位错。
(二)两种基本位错根据位错的几何结构特征可分为两种基本类型即刃型位错和螺型位错。
1.刃型位错
(1)结构模型,2-2位错,刃型位错的原子模型,2-2位错,2-2位错,
(2)结构特点1)刃型位错有一个多余半原子面。
2)刃型位错线与形成位错的晶体滑移矢量垂直。
3)刃型位错是以位错线为中心轴半径为23个原子间距的一个圆筒状区域。
4)刃型位错有正、负之分。
2-2位错,2.螺型位错
(1)结构模型,螺型位错线附近上、下两层原子面间原子移动情况,2-2位错,2-2位错,
(2)结构特点1)无多余半原子面,而且与位错线垂直的面为一螺旋面。
2)螺型位错线与形成位错的晶体滑移矢量平行。
3)螺型位错也是一个圆筒状区域,其直径一般为34个原子间距。
4)螺型位错有左、右之分。
二、柏氏矢量
(一)柏氏矢量及其确定1.柏氏矢量:
形成一个位错的晶体滑移矢量。
2.柏氏矢量的确定方法通过围绕位错作柏氏回路的方法确定改该位错的柏氏矢量。
2-2位错,刃型位错柏氏矢量的确定,2-2位错,a实际晶体的柏氏回路b完整晶体的相应回路,2-2位错,螺型位错柏氏矢量的确定,a实际晶体的柏氏回路b完整晶体的相应回路,2-2位错,
(二)柏氏矢量的表示方法1.柏氏矢量的表示方法2.位错强度,uvw,2-2位错,(三)柏氏矢量的守恒性及其物理意义1.柏氏矢量的守恒性不论所做柏氏回路的大小、形状、位置如何变化,怎样任意扩大、缩小或移动,只要它不与其他位错线相交,对给定的位错所确定的柏氏矢量是一定的。
一定位错的柏氏矢量是固定不变的,这一特性叫做柏氏矢量的守恒性。
2-2位错,2.柏氏矢量守恒性的推论1)同一条位错线上各点处的柏氏矢量均相同。
2)若数条位错线相交于一点(称为位错结点),则指向结点的各位错线的柏氏矢量之和应等于离开结点的各位错线的柏氏矢量之和。
3)位错线不可能中断于晶体内部。
即位错在晶体内部或自成一个闭合的位错环,或与其他位错相交于一个结点,或贯穿整个晶体而终止于晶体表面。
2-2位错,3.柏氏矢量的物理意义
(1)柏氏矢量是位错区别于其它晶体缺陷的一个特征。
故可把位错定义为柏氏矢量不为零的晶体缺陷。
(2)柏氏矢量与位错线之间的关系决定位错类型:
1)柏氏矢量与位错线垂直时,是刃型位错,其位错线可以是任意形状的平面曲线(可以是直线,也可以是折线或曲线)。
2)柏氏矢量与位错线平行时,是螺型位错,其位错线必定为一直线。
3)柏氏矢量与位错线既不垂直也不平行时,是混合位错。
2-2位错,2-2位错,4.混合位错,2-2位错,思考题:
1.指出刃型位错与螺型位错在结构方面的不同之处。
2.一个环形位错能否各部分均为刃型位错或螺型位错?
为什么?
2-2位错,三、位错的滑移与攀移位错的运动方式有两种最基本形式,即滑移和攀移。
(一)位错的滑移1.有关概念
(1)位错滑移:
位错沿着由位错线和柏氏矢量所决定的面的运动。
(2)位错的滑移面可滑移面:
平行于位错线和柏氏矢量的面。
易滑移面:
晶体的最密晶面。
2-2位错,2-2位错,2.位错的滑移机制和实质
(1)滑移机制
(2)位错滑移的实质:
已滑移区的扩大或缩小,2-2位错,3.位错的滑移方向位错线的法线方向(垂直于位错线的方向)。
4.位错滑移与晶体滑移,2-2位错,晶体的滑移方向为位错柏氏矢量方向,滑移量大小为|b|。
(二)位错的交滑移1.位错交滑移:
保持晶体的滑移方向不变,位错从原滑移面转移到与之相交的另一个滑移面上继续滑移。
2.位错交滑移的条件螺型位错除可发生滑移外,也可以发生交滑移。
螺型位错交滑移前后的两个滑移面必须属于以螺型位错柏氏矢量所在晶向为轴的晶带。
2-2位错,2-2位错,
(二)位错的攀移1.基本概念位错在垂直于滑移面方向上运动,或离开滑移面的运动,或沿着多余半原子面的运动。
刃型位错除可发生滑移外,也可发生攀移。
2-2位错,2.位错攀移的机制,2-2位错,刃型位错的攀移a正攀移;b未攀移;c负攀移,3.位错攀移的实质多余半原子面面积的扩大或缩小。
4.影响位错攀移的因素
(1)作用于刃型位错多余半原子面上的正应力:
有助于刃型位错的攀移。
(2)温度:
高温有助于刃型位错的攀移。
2-2位错,思考题:
1.面心立方晶体中(111)晶面上的螺型位错在滑移过程中受阻时,将通过交滑移转移到哪一个111晶面上继续滑移?
为什么?
2.何谓位错滑移与攀移?
其实质各是什么?
2-2位错,四、位错的交割
(一)基本概念林位错:
穿过某一晶面S的所有位错即称为S面的林位错。
位错交割:
位错间交叉通过的行为。
交割位错被交割位错(原位错),2-2位错,2-2位错,扭折线段:
为一段位错。
扭折:
随原位错滑移可消失。
割阶:
随原位错滑移不可消失。
可动割阶(滑移割阶)不动割阶(攀移割阶),交割前,
(二)几种典型的位错交割1.位错交割的分析方法1)位错被交割后是否形成扭折线段?
被交割位错是否变成折线2)扭折线段是扭折还是割阶?
扭折线段的滑移面与被交割位错的滑移面重合为扭折,不重合(通常呈垂直关系)则为割阶3)割阶是可动割阶还是不动割阶?
割阶的滑移方向与被交割位错的滑移方向平行为可动割阶,不平行(通常呈垂直关系)则为不动割阶,2-2位错,2.两个柏氏矢量和位错线均互相垂直的刃型位错间的交割,2-2位错,交割前,交割后,2-2位错,3.柏氏矢量互相平行、位错线互相垂直的刃型位错间的交割,交割前,交割后,4.柏氏矢量互相垂直的刃型与螺型位错间的交割,2-2位错,5.柏氏矢量互相垂直的螺型位错间的交割,2-2位错,(三)带割阶的螺型位错运动1.带小割阶的螺型位错运动割阶高度为12个原子间距,2-2位错,2-2位错,2.带中等尺寸割阶的螺型位错运动割阶高度为几个20个原子间距,2-2位错,3.带大割阶的螺型位错运动割阶高度为2030个原子间距,思考题:
1.何谓位错交割?
2.分析位错线互相垂直的两个刃型位错的交割过程。
2-2位错,五、位错的弹性性质
(一)位错的应力场1.弹性连续介质模型该模型对晶体作如下假设:
(1)完全服从虎克定律,即不存在塑性变形;
(2)是各向同性的;(3)为连续介质,不存在结构间隙。
2-2位错,2-2位错,2.应力分量介质中任一点的应力状态,可以通过该点的一个小体元(直角坐标系下为小立方体、圆柱坐标系下为小切块)表示出来。
作用于小体元的每个面上的应力分量有两种:
与体元表面(或应力作用面)垂直的应力为正应力;与体元表面平行的应力为切应力。
2-2位错,2-2位错,3.螺型位错的应力场
(1)弹性连续介质模型将一个圆管的一侧沿轴向切开,然后使被切开的晶面相对上、下滑动一个柏氏矢量b,再焊合起来,即对应着一个以Z轴(圆管中心轴线)为位错线、柏氏矢量为b的螺型位错。
2-2位错,
(2)螺型位错应力场的数学表达式圆柱坐标系下:
2-2位错,4.刃型位错的应力场
(1)弹性连续介质模型将一个圆管的一侧沿轴向切开,使两个切面沿圆管径向滑移一个柏氏矢量b,再焊合起来,即对应着一个以位错线为Z轴、Z-Y平面为多余半原子面、Z-X平面为滑移面的刃型位错。
2-2位错,
(2)刃型位错应力场的数学表达式直角坐标系下:
其中:
2-2位错,
(二)位错的应变能位错在周围晶体中引起畸变,使晶体产生畸变能,这部分能量称为位错的能量。
位错的能量包括中心区域错排能以及位错中心区域以外部分的应变能,而中心区域错排能大约只占位错总能量的1/151/10,故通常忽略不计。
一般地,以单位长度的位错所具有的能量来度量位错应变能的高低,故其量纲为J/m。
2-2位错,螺型位错的应变能为:
刃型位错的应变能为:
混合位错的应变能为:
位错应变能的统一表达式为:
(三)位错的受力1.位错的线张力位错的能量与位错线的长度成正比,所以位错线有尽量缩短长度或自动变直的趋势,好像有个张力沿着位错线作用,这个张力叫位错的线张力。
位错的线张力可定义为使位错线增长一定长度dl所做的功W,故它等于位错的应变能:
一般情况下,取近似为1/2,故,2-2位错,2.外加应力作用在位错线上的力
(1)使位错滑移的力外力作用在位错滑移面上的分切应力可使位错线在其滑移面上向着与之垂直的方向滑移,就好象有个力垂直作用在位错线上,称之为外加应力场作用在位错线上使位错滑移的力。
这个力是一个假想的力,是以单位长度位错线上的作用力来度量的,其量纲为N/m。
2-2位错,外力作用在位错线上使位错滑移的力(a)运动前;(b)运动后利用虚功原理可以推导出外力作用在位错线上使位错滑移的力为:
F=b,2-2位错,
(2)使位错攀移的力外力作用在刃型位错多余半原子面上的正应力可使位错线在其多余半原子面上向着与之垂直的方向攀移,就好象有个力垂直作用在位错线上使之发生攀移,称之为外加应力场作用在位错线上使位错攀移的力。
这个力也是一个假想的力,也是以单位长度位错线上的作用力来度量的,其量纲为N/m。
2-2位错,外力作用在位错线上使位错攀移的力利用虚功原理可以推导出外力作用在位错线上使位错攀移的力为:
F=-b,多余半原子面,F,2-2位错,3.位错运动的晶格阻力派-纳力当位错在没有任何外加应力场的晶体中滑移时,也要受到阻力:
因为位错中心存在着极大的畸变,当位错滑移时,必定要伴之以原子的重新排列,这就要克服一定的能垒,即位错滑移受到阻力。
这项阻力应等于使位错滑移所必须施加的最小切应力,被定义为晶格阻力,亦常称之为派-纳力。
2-2位错,晶格阻力(派-纳力)的数学表达式为:
其中:
a为位错滑移面的面间距,b为位错
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