第一章第三节实际金属的晶体结构.ppt
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1、第三节 实际金属的晶体结构,前面讨论的晶体是所谓的理想晶体,即原子或分子在空间呈绝对规则的排列。但实际上晶体的某些区域总是存在原子或分子的不规则排列,这就是晶体结构缺陷,以下简称晶体缺陷。 晶体缺陷对晶体的性能和物理化学变化(如强度、塑性、扩散、固态相变等)都有着重大的影响。,引言,晶体结构缺陷的类型,缺陷的 类型,点缺陷,线缺陷,面缺陷,其特点:在三维方向上的尺寸都很小,缺陷的尺寸处在一、两个原子大小的级别,又称零维缺陷。,其特点:仅在一维方向上的尺寸较大,而另外二维方向上的尺寸都很小,故也称一维缺陷,通常是指位错。,其特点:仅在二维方向上的尺寸较大,而另外一维方向上的尺寸很小,故也称二维缺
2、陷。,点缺陷,间隙原子、空位、置换原子,面缺陷,晶体表面、晶界、相界面等,线缺陷,位错(刃型、螺旋),晶体中的各种点缺陷 1大置换原子 2肖脱基空位 3异类间隙原子 4复合空位 5弗兰克尔空位 6小的置换原子, 点缺陷,1 空位,形成原因:原子的热运动导致能量起伏,使一些原子脱离原有位置迁移到别处,在原位形成空结点。,脱离平衡位置的原子去处: 移至表面肖脱基空位 间隙 弗兰克尔空位 其它空位处使空位变换位置, 是一种热平衡缺陷,空位,肖脱基空位,肖脱基空位: 如原子在热起伏过程中获得足够能量离开平衡位置,跳跃到晶体的表面,在原位置上留下空位,这种缺陷称为肖脱基空位。 金属中大部分为此空位。,弗
3、兰克尔空位: 在晶格内原子热振动时,一些能量足够大的原子离开平衡位置后,进入晶格点的间隙位置,变成间隙原子,而在原来的位置上形成一个空位,这种缺陷称为弗兰克尔空位。,弗兰克尔缺陷,处于不断的运动、消失和形成过程中 遇到周围空位 换位 迁移至晶体表面 消失 遇到间隙原子 消失,空位的移动:,空位的浓度:,温度,浓度; 温度,浓度。 但空位的平衡浓度是很小的(如铜:一般为10-5数量级)。,浓度随温度变化而改变,在空位周围的原子会偏离平衡位置出现弹性畸变区。 晶格畸变,空位引起的晶格畸变,2 间隙原子,处于晶格间隙中的原子,间隙原子可以为晶格中的原子(发生严重晶格畸变),也可能为异类原子(如:H、
4、N、C、B等,晶格畸变较空位严重)。,间隙原子也是一种热平衡缺陷 平衡浓度为固溶度或溶解度, 产生晶格畸变,如果间隙原子是其它 元素就称为异类原子 (杂质原子),间隙原子,间隙原子引起的 晶格畸变,3 置换原子,占据原来基体原子平衡位置的异类原子,产生晶格畸变,是一种热平衡缺陷 平衡浓度为固溶度或溶解度 (比间隙原子的固溶度要大得多),三种点缺陷均为热平衡缺陷,均造成晶格畸变,对金属的性能产生影响。,小原子置换引起的 晶格畸变, 线缺陷,线缺陷:即位错(分为刃型位错和螺旋位错)。它是指晶体中的原子发生了有规律的错排现象。,特点:原子发生错排的范围只在一维方向上很大,直径为35个原子间距,长数百
5、个原子间距以上的管状原子畸变区。,1 刃型位错,形成及定义:晶体在大于屈服值的切应力作用下,以ABCD面为滑移面发生滑移。滑移后产生额外半原子面EFGH,EF是晶体已滑移部分和未滑移部分的交线,EF线犹如砍入晶体的一把刀的刀刃,即刃位错(或棱位错)。,刃型位错分类:,正刃位错:额外半原子面位于晶体的上半部,“” 负刃位错:额外半原子面位于晶体的下半部,“”,正刃位错,负刃位错,刃型位错的重要特征:, 刃型位错有一额外半原子面 位错线是一个具有一定宽度的细长晶格畸变管道,既有切应变,又有正应变,对于正刃型位错,滑移面之上晶格受到压应力,滑移面之下受到拉应力。负刃型位错与此相反。,注意:额外半原子
6、面不一定是平面,可以是曲面。但是位错线一定是垂直于滑移方向的,这是刃型位错的特征之一。, 位错线与晶体的滑移方向相垂直,位错线运动的方向垂直于位错线。,形成及定义:晶体在外加切应力作用下,沿ABCD面滑移,由于位错线EF周围的一组原子面形成了一个连续的螺旋形坡面,故称为螺型位错。图中EF线为已滑移区与未滑移区的分界处。,2 螺型位错,分类:有左螺旋和右螺旋。 根据螺旋面旋转方向,符合右手法则(即以右手拇指代表螺旋面前进方向,其他四指代表螺旋面的旋转方向)的称为右旋螺型位错。符合左手法则的称为左旋螺型位错.,螺型位错的重要特征:, 螺型位错没有额外半原子面。 位错线是一个具有一定宽度的细长晶格畸
7、变管道,其中只有切应变,没有正应变。 位错线EF与晶体的滑移方向相平行。位错线运动的方向垂直于位错线。,位错线运动方向,位 错 线,刃型位错与螺型位错的区别:, 螺型位错没有额外半原子面,而刃型位错有; 螺型位错只有切应变,没有正应变,而刃型位错均有; 螺型位错的位错线与晶体的滑移方向相平行,而刃型位错则垂直。 刃型位错的滑移面是唯一的,而螺型位错可以从一个滑移面滑移到另一个滑移面。,在实际晶体中,从距离位错一定距离的任一原子M出发,以到相邻原子为一步,沿逆时针方向环绕位错线作一闭合回路,称之为柏氏回路。 在完整晶体中以同样方向和步数作回路,但未封闭。 由完整晶体的回路终点Q到始点M引一矢量b
8、,使该回路闭合,矢量b即为柏氏矢量。,3 柏氏矢量,柏氏矢量的确定方法:P24图1-36,柏氏矢量:既可表示位错的性质,也可表示晶格畸变的大小和方向。,从柏氏回路可知:刃型位错的柏氏矢量与其位错线相垂直 刃位错的重要特征,刃型位错柏氏矢量的确定,从柏氏回路可知:螺型位错的柏氏矢量与其位错线相平行 螺位错的重要特征,螺旋位错柏氏矢量的确定,柏氏矢量的特征:, 可判定位错性质: 位错线柏氏矢量刃型 位错线柏氏矢量螺旋型 描述了晶格畸变总量的大小b与晶体滑移的方向,即指出了滑移后晶体上下部相对位移的大小与方向。 一条位错线的柏氏矢量是恒定不变的。 对于一个位错来说,同时包含位错线和柏氏矢量的晶面是潜
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