弗兰克-瑞德.PPT

第三章 晶体缺陷 引 言 晶体缺陷概述及类型 第一节 点缺陷 第二节 位错-线缺陷 第三节 表面及界面 第二节 位 错 2.1、位错的基本类型和特征 2.2、位错的运动与弹性性质 2.3、实际晶体中的位错 2.3、实际晶体中的位错 一、位错的密度 二、位错的生成与增殖 三、位错的观察 四、位错的分解与合成 五、实际晶体中的位错 一、位错的密度 1、位错密度的概念 晶体中位错的数量用位错密度ρ表示，它的意义是单位体积晶体中所包含的位错线总长度，或穿越单位截面积的位错线数目。 2、位错密度的计算公式 3、位错与材料强度的关系 （1）位错少，材料强度极高，但不能直接应用。（晶须） （2）位错增加，使位错线之间相互缠结难以移动，亦可增加材料强度（材料强化途径：晶体经过冷变形或者引入第二相，会使位错的密度大大升高）。 （3）陶瓷晶体的位错密度远远低于金属晶体。 一般退火金属晶体中?为104~108cm-2数量级，经剧烈冷加工的金属晶体中，?为1012~1014cm-2 二、位错的生成与增殖 1、位错的生成 （1）晶体生长过程中产生位错 非平衡凝固，导致点阵常数存在差异； 温度梯度、浓度梯度、机械振动等； 相邻晶粒的碰撞、液流冲击、热应力等。 （2）高温快速冷却，大量过饱和空位聚集形成位错 （3）晶体内部的某些界面和微裂纹附近，滑移时产生位错 三、位错的观察 （1）浸蚀技术 浸蚀条件下，金相显微镜 浸蚀法只适于位错密度很低的晶体。 （2）透射电镜 试样制成金属薄膜，其厚度约100～500nm。 判定下列位错反应能否进行？ 五、实际晶体中的位错 （1）实际晶体中，位错的柏氏矢量都是与连接点阵中最近邻两个原子的点阵矢量相等，这是由体系尽可能趋于最低能量的原理所决定的。 （2）通常把柏氏矢量等于单位点阵矢量的位错称为单位位错；把柏氏矢量等于点阵矢量整数倍的位错称为全位错。 （3）把柏氏矢量不等于点阵矢量整数倍的位错称为不全位错；把柏氏矢量小于点阵矢量的位错称为部分位错。 堆垛层错 堆垛层错(以下简称层错),就是指正常堆垛顺序中引入不正常顺序堆垛的原子面而产生的一类面缺陷。 以面心立方结构为例： 当正常层序中抽走一原子层, 相应位置出现一个逆顺序堆层……ABCACABC……称抽出型(或内禀)层错； 如果正常层序中插入一原子层，相应位置出现两个逆顺序堆层……ABCACBCAB……称插入型(或外禀)层错。 分位错非点阵矢量的滑移破坏了原子的正常排列次序，在晶体内产生了堆垛层错； 若堆垛层错不是发生在晶体的整个原子面上，而只是在部分局部区域存在，则在层错与完整晶体的交界处就出现柏氏矢量b不等于点阵矢量的不全位错。 本节重点与难点 1、位错密度的概念与计算 2、位错密度与材料强度的关系 3、位错的生成与增殖 4、位错反应的条件，会计算 5、实际晶体中的位错 * * V为体积， S为晶体中位错线的总长度； A为截面积， n为穿过面积A的位错线数目。 2、位错的增殖 图 弗兰克-瑞德（F—R）源动作过程 弗兰克-瑞德(Frank-Read)位错源 刃型位错的两端被位错网点钉住不能运动。若沿柏氏矢量b方向施加一切应力，使位错沿滑移面向前滑移运动。 作用于位错线上的力，总是与位错线本身垂直，所以弯曲后的位错每一小段继续沿它的法线方向向外扩展。 当两端弯出来的线段相互靠近时，由于该两线段平行于柏氏矢量b，但位错线方向却相反，分别属于左螺和右螺位错，因此会互相抵消，形成一闭合的位错环以及位错环内的一小段弯曲位错线。 使弗兰克-瑞德源发生作用的临界切应力： 1、位错反应的概念 位错之间相互转换(即柏氏矢量的合成与分解)称为位错反应。 2、位错反应能否进行取决于两个条件： （1）必须满足几何条件即柏氏矢量的守恒性： （2）必须满足能量条件，反应后诸位错的总能量小于反应前诸位错的总能量： 四、位错的分解与合成 （1）几何条件 反应前 反应后 （2）能量条件 反应前 反应后 3 密排六方 4 体心立方 6 面心立方 3 简单立方 数量 |b| 方向 柏氏矢量 结构类型 实际晶体结构中的单位位错 这种结构变化，并不改变层错处原子最近邻的关系(包括配位数、键长、键角)，只改变次邻近关系，