[理学]第三章_晶体缺陷.ppt

《材料科学基础》CAI课件-李克 第三章 晶体缺陷 Imperfections (defects) in Crystals It is the defects that makes materials so interesting, just like the human being. 实际晶体中的缺陷 晶体缺陷：晶体中各种偏离理想结构的区域 3.1 点缺陷 点缺陷：空位、间隙原子、溶质原子、和杂质原子、 +复合体（如：空位对、空位-溶质原子对） 2、点缺陷的平衡浓度及对性能的影响 热力学稳定的缺陷： 产生与消亡达致平衡 *过饱和空位： 高温淬火、冷加工、辐照 3.2 位错 实验观察：位错的“线索”或“影子” 单晶体强度：理论与实验之间的巨大误差 理论值：tc=103~104MPa 实验值：tc=1~10 MPa 3.2.1 位错的基本类型和特征 螺型位错 screw dislocation 混合位错 3.2.2 柏氏矢量（Burgers Vector ） 各种位错的柏氏矢量 2、柏氏矢量的物理意义 3、柏氏矢量的特性 4、柏氏矢量的表示法 柏氏矢量的大小和方向可用它在晶轴上的分量-------点阵矢量 来表示 在立方晶体中， 可用于相同的晶向指数来表示： 3.2.3 位错的运动 1、位错的滑移 2、位错的攀移 3、运动位错的相互作用-交割（略） 割阶与扭折 Jog and Kink 3.2.5 位错的生成和增殖 位错密度：单位体积中的位错线的总长度。 r = L/V （1/cm2）（1） r= nl/lA = n/A （2） （面积A中所见的位错线数目） （2）（1） 2、位错的生成-Important 晶体生长过程中产生的位错： 1。凝固过程杂质原子不均匀分布=成分不同=晶块点阵常数不同=位错过渡 2。温度浓度梯度、振动=生长晶体偏转、弯曲=位相差=位错过渡 3。相邻晶粒碰撞、体积变化、热应力=台阶或变形=产生位错 快速凝固=过饱和空位=聚集=位错 热应力和组织应力=界面和微裂纹处应力集中=局部滑移=位错 3、位错的增殖 事实上：密度增加，可达4-5 个数量级-位错必有增殖！ 其它增殖机制：1、双交滑移增殖2、攀移增殖 3.2.6 实际晶体结构中的位错（略） 简单立方晶体：柏氏矢量 = 点阵矢量 实际晶体：柏氏矢量 = ，, 点阵矢量 3.3 表面及界面 界面包括：外表面（自由表面）和内界面 表面：固体与气体或液体的分界面 内界面：晶粒边界、晶粒内的亚晶界、孪晶界、层错、相界面（不同结构，如固溶体与中间相的界面） 界面厚度为几个原子层厚，原子排列于成分不同于内部—二维面缺陷 3.3.1 外表面 3.3.2 晶界和亚晶界 晶界：组成晶体的多个晶粒中，属于同一固相（具有相同结构）、但位向不同的晶粒之间的界面。 取向不同的晶粒之间的界面（内界面），如图 晶界具有5个自由度： 两晶粒的位相差（3），界面的取向（2） 亚晶界（Sub-grain boundary） 每个晶粒有时由位向稍有差异的亚晶粒组成，相邻亚晶粒间的界面称为亚晶界。 事实上每个晶粒中还可分成若干个更为细小的亚晶粒（0.001mm），亚晶粒之间存在着小的位相差，相邻亚晶粒之间的界面成为亚晶界。亚晶粒更接近于理想的单晶体。 位相差一般小于2o，属于小角度晶界，具有晶界的一般特征。 1、小角度晶界的结构 A、对称倾斜晶界 B、不对称倾斜晶界 C、扭转晶界 2、大角度晶界的结构 High-angle grain boundary 台阶模型（左图） *相邻晶粒在交界处的形状不是光滑的曲面，而是由不规则台阶组成的，A,B,C,D特征区域 3、晶界能 晶界能：等于接口区单位面积的能量减去无界面时该区单位面积的能量。也可看成由于晶界上点阵畸变增加的那部分额外自由能。 小角度晶界的界面能 大角度晶界的界面能 4、晶界的特性（Important） 1）晶界处点阵畸变变大，存在晶界能，故晶粒长大和晶界平直化是一个自发过程 2）晶界处原子排列不规则→阻碍塑性变形→Hb，sb↑（细晶强化） 3）晶界处存在较多缺陷（位错、空位等）→有利原子扩散 4）晶界能量高→固态相变先发生，d↓形核率↑ 5）成分偏析和内吸附，又富集杂质原子→晶界熔点低→“过热”现象 6）晶界能高→晶界腐蚀速度↑ 3.3.3 孪晶界 Twin boundary 孪晶——指两个晶体（或一个晶体的两部分）沿一个公共晶面构成对称的位相关系，这两个晶体就称为