[材料科学]材料科学基础课件.ppt

河北工业大学材料学院 理想晶体：原子完全规则地排列的晶体。 晶体缺陷：晶体中部分原子排列偏离理想状态， 局部产生不规则、不完整的原子排列。 晶体缺陷产生的原因：原子的热振动、晶体形成条件限制、施加的外部条件等。 晶体缺陷的分类 实际晶体存在晶体缺陷，按照几何特点这些缺陷可以分为三大类 点缺陷—缺陷在各方向的延伸都很小,亦称零维缺陷。如空位、间隙原子、杂质原子等。 线缺陷—缺陷只在一个方向延伸或称一维缺陷。如位错。 面缺陷－缺陷在二个方向延伸,或称二维缺陷。如表面、晶界、相界等。 2.1 点缺陷(1) 点缺陷类型 根据对理想晶体偏离的几何位置来分，有三类 (2)热运动与点缺陷 晶格原子围绕平衡位置作热振动，频率在1012 - 1013赫兹（德拜频率） 原子的能量不是平均的，也不恒定，原子动能近似服从Maxwell-Boltzman分布，即能量高于E原子所占比例 exp(-E/kt) 少数高能原子离开自己的平衡位置，在晶格节点出现空位。 晶体中空位 (3)点缺陷的运动 点缺陷运动方式 迁移 ─ 空位或间隙原子由一个位置运动到另一个位置的过程。 复合 ─ 间隙原子与空位相遇时，将落入空位，两者同时消失，这一过程称为复合。 点缺陷的运动 点缺陷从一个平衡位置移动到相邻位置，也要克服能量障碍 只有周围原子具有足够能量才可能实现移动 点缺陷的运动是一个热激活的过程 运动频率与温度有关。例如Cu中的空位，300K 10-5/s, 1300K 108/s 空位移动所造成的粒子迁移，即晶体中的自扩散。（以后会学到）自扩散激活能相当于空位形成能与移动能的总和。 点缺陷的动态平衡 点缺陷并不是固定不动的，而是处于不断的产生和消失过程中 在一定温度下，晶体中点缺陷的数目是一定的，保持动态平衡。 (4)空位的热力学分析 空位形成引起点阵畸变，亦会割断键力，故空位形成需能量，空位形成能（ΔEV）为形成一个空位所需能量； 形成空位又使晶体中混乱度增加，使熵增加。而熵的变化包括两部分： ① 空位改变它周围原子的振动引起振动熵，SV ② 空位在晶体点阵中的排列可有许多不同的几何组态，使排列熵SC增加。 设在温度T时，含有N个结点的晶体中形成n个空位，与无空位晶体相比 ΔF=n·ΔEV-T·ΔS ΔS=ΔSC+n·ΔSV n个空位引入，可能的原子排列方式 利用玻尔兹曼关系，SC=k·lnWC，并利用Stiring公式 令： 振动熵 根据统计热力学的爱因斯坦模型，振动熵 形成空位后，原子振动频率降低到?? 所以 式中A=exp(ΔSV/k)，约为1-10 若已知ΔEV和ΔSV，则可由上式计算出任一温度T下的浓度C. 由上式可得： 1）晶体中空位在热力学上是稳定的，一定温度T对应一平衡浓度C 2）C与T呈指数关系，温度升高，空位浓度增大 3）空位形成能ΔEV大，空位浓度小 例如：已知铜中ΔEV=1.7×10-19J，A取为1，则 点缺陷的平衡浓度 点缺陷是平衡缺陷，点缺陷与线、面缺陷的区别之一是后者为热力学不稳定的缺陷。在一定温度下，晶体中有一定平衡数量的空位和间隙原子 出现缺陷时，提高内能，但是也引起较大的熵增。 (5) 点缺陷及对性能的影响 高能射线辐射、严重变形、高温淬火等可以获得过饱和缺陷 空位引起点阵畸变，使传导电子受到散射，存在过饱和缺陷提高电阻; 存在过饱和缺陷降低密度 对室温力学性能影响“不大” 空位对材料的高温蠕变、沉淀、回复、表面氧化、烧结有重要影响 2.2位错的基本概念(1)位错理论产生背景 上世纪初，塑性变形已经成为制造金属制品和强化材料的重要手段，但是对于变形的微观过程、加工硬化等尚不能解释。 滑移带现象。当时，普遍认为金属塑性变形是晶体刚性滑移的结果，滑移面两侧的晶体借助于刚性滑动实现变形。 1926年弗兰克尔从刚性模型出发，估计了晶体的理论强度。 (2)理论强度 根据晶体的性质,阻力应是周期函数； 当x=0,?=0;x=b, ?=0 取 当x很小时， 由于切变量x/a, 根据虎克定律 两式比较得 因a?b,所以 进一步修正 晶体的理论切应力与实验值的比较（MN/m2） dislocation 一般金属的G=104~105MPa,理论剪切强度应为103~104MPa，实际只有1~10MPa 理论强度比实测值大1000倍以上！！ 1934年Taylor, Polanyi和Orowan几乎同时提出晶体中存在易动的缺陷－位错，借助于位错运动实现塑性变形 拖动地毯、昆虫的移动 位错属于一种线缺陷 位错是一个直径3～5个原子间距，长几千—几万个原子间距的管状原子畸变区 从几何上看，它是一个方向尺寸较大，而另外两个方向