第二章-晶体缺陷-PPT.ppt
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1、第二章 晶体缺陷晶体缺陷的概念:晶体缺陷的概念:晶体中的不完整区域晶体缺陷的种类: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、面缺陷概述概述50m22-1 点缺陷点缺陷一、点缺陷的种类及形成一、点缺陷的种类及形成 (一)空位及其特征与形成途径(一)空位及其特征与形成途径空位及其特征空位及其特征32-1 点缺陷点缺陷ab晶体中空位的形成晶体中空位的形成a肖脱基空位肖脱基空位;b弗仑克尔空位弗仑克尔空位42-1 点缺陷点缺陷间隙原子及其特征间隙原子及其特征(二)间隙原子及其特征与形成途径(二)间隙原子及其特征与形成途径52-1 点缺陷点缺陷ab晶体中间隙原子的形成晶体中间隙
2、原子的形成a与弗仑克尔空位同时形成与弗仑克尔空位同时形成;b表面原子直接进入间隙位置表面原子直接进入间隙位置62-1 点缺陷点缺陷 (三)置换原子及其特征与形成途径(三)置换原子及其特征与形成途径置换原子及其特征置换原子及其特征a置换原子半径较大时置换原子半径较大时;b置换原子半径较小时置换原子半径较小时ab7(四)点缺陷的形成能(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
3、位形成能或间隙原子形成能。2-1 点缺陷点缺陷8大家有疑问的,可以询问和交流大家有疑问的,可以询问和交流可以互相讨论下,但要小声点可以互相讨论下,但要小声点可以互相讨论下,但要小声点可以互相讨论下,但要小声点92-1 点缺陷点缺陷二、二、点缺陷的热力学平衡性及其平衡浓度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(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
4、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。102-1 点缺陷点缺陷(二)(二)点缺陷的平衡浓度点缺陷的平衡浓度 点缺陷的平衡浓度:为一个点缺陷的形成能。112-1 点缺陷点缺陷(三)过饱和(三)过饱和点缺陷点缺陷 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: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122-1 点缺陷点缺陷三、点缺陷的迁移三、点缺陷的迁移(一)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空
5、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(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(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间隙原子和空位在迁移过程中相遇时将同时消失 13思考题:思考题:1.按空间几何特征,晶体缺陷共分为几种类按空间几何特征,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。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?何谓点缺陷的热力学平衡性?2-1 点缺陷点缺陷14一、位错的基本类型和特征一、位错的基本类型和特征(一)位错理论的提出(一)位错理论的提出 晶体的理论切变
6、强度晶体的理论切变强度 约为 G/30 G为切变弹性模量 (103 104 MPa)晶体的实际切变强度晶体的实际切变强度 约为110 MPa2-2 位错位错152-2 位错位错晶体滑移与位错晶体滑移与位错的形成的形成 晶体的滑移过程晶体的滑移过程a未滑移未滑移;b滑移中滑移中已滑移区与未滑移区的界限,即定义为位错。16(二)两种基本位错(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。1.1.刃型位错刃型位错 (1)结构模型结构模型 2-2 位错位错17刃型位错的原子模型刃型位错的原子模型2-2 位错位错刃型位错线刃型位错线182-2 位错位错(2)结构特点结构
7、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。192-2 位错位错2.螺型位错螺型位错 (1)结构模型结构模型 20螺型位错线附近上、下两层原子面间原子移动情况螺型位错线附近上、下两层原子面间原子移动情况2-2 位错位错212-2 位错位错(2)结构特点结构特点 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。22二、柏氏矢量二、柏氏
8、矢量 (一)柏氏矢量及其确定(一)柏氏矢量及其确定 1.柏氏矢量: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 位错位错23刃型位错柏氏矢量的确定刃型位错柏氏矢量的确定2-2 位错位错xyoa实际晶体的柏氏回路实际晶体的柏氏回路 b完整晶体的相应回路完整晶体的相应回路242-2 位错位错螺型位错柏氏矢量的确定螺型位错柏氏矢量的确定a实际晶体的柏氏回路实际晶体的柏氏回路 b完整晶体的相应回路完整晶体的相应回路252-2 位错位错(二)柏氏矢量的表示方法(二)柏氏矢量的表示方法 1.柏氏矢量的表示方法柏
9、氏矢量的表示方法 2.位错强度位错强度uvw 262-2 位错位错(三)柏氏矢量的守恒性及其物理意义(三)柏氏矢量的守恒性及其物理意义 1.柏氏矢量的守恒性柏氏矢量的守恒性 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。做柏氏矢量的守恒性。272-2 位错位错2.柏氏矢量守恒性的推论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
10、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。282-2 位错位错3.柏氏矢量的物理意义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)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。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: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
11、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。292-2 位错位错tttttb螺螺b刃刃302-2 位错位错4.混合位错混合位错312-2 位错位错32思考题:思考题:1.指出刃型位错与螺型位错在结构方面的不指出刃型位错与螺型位错在结构方面的不同之处。同之处。2.一个环形位错能否各部分均为刃型位错或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?螺型位错?为什么?2-2 位错位错33三、位错的滑移与攀移三、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(一)
12、位错的滑移 1.有关概念有关概念 (1)位错滑移:)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)位错的滑移面 可滑移面:可滑移面:平行于位错线和柏氏矢量的面。易滑移面:易滑移面:晶体的最密晶面。2-2 位错位错342-2 位错位错2.位错的滑移机制和实质位错的滑移机制和实质 (1)滑移机制)滑移机制 (2)位错滑移的实质:)位错滑移的实质:已滑移区的扩大或缩小352-2 位错位错3.位错的滑移方向位错的滑移方向 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位错滑移与晶体滑移刃型位错的滑移与晶体滑移刃型位错的滑移与晶体滑移362-2 位错位错晶体
13、的滑移方向为位错柏氏矢量方向,滑移量大小为|b|。螺型位错的滑移与晶体滑移螺型位错的滑移与晶体滑移混合位错的滑移与晶体滑移混合位错的滑移与晶体滑移37(二)位错的交滑移(二)位错的交滑移 1.位位错交滑移: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.位位错交滑移的条件错交滑移的条件 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 位错位错382-2 位错位错3.螺型位螺型位错的交滑移过程错的交滑移过程aca沿沿A面滑移面滑移;b交滑移到交滑移到B面面;c再次交滑移到再次
14、交滑移到A面面b39(二)位错的攀移(二)位错的攀移 1.基本概念基本概念 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 位错位错402.位错攀移的机制位错攀移的机制 2-2 位错位错刃型位错的攀移刃型位错的攀移a 正攀移正攀移;b 未攀移未攀移;c 负攀移负攀移413.位错攀移的实质位错攀移的实质 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 位错位错42思考题:思考题:1.面心立
15、方晶体中(面心立方晶体中(111)晶面上的螺型位错)晶面上的螺型位错 在滑移过程中受阻时,将通过交滑移在滑移过程中受阻时,将通过交滑移转移到哪一个转移到哪一个111晶面上继续滑移?为什么?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?何谓位错滑移与攀移?其实质各是什么?2-2 位错位错43四、位错的交割四、位错的交割 (一)基本概念(一)基本概念 林位错: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:位错交割:位错间交叉通过的行为。交割位错交割位错 被交割位错被交割位错(原位错)2-2 位错位错442-2 位错位错 扭折线段:扭折线段:为一段位错。扭折:扭折
16、:随原位错滑移可消失。割阶:割阶:随原位错滑移不可消失。可动割阶可动割阶(滑移割阶)不动割阶不动割阶(攀移割阶)交割前交割前交割后交割后45(二)(二)几种典型的位错交割几种典型的位错交割 1.位错交割的分析方法位错交割的分析方法 1)位错被交割后是否形成扭折线段?)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
17、为不动割阶 2-2 位错位错462.两个柏氏矢量和位错线均互相垂直的刃型位错间的交割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 位错位错交割前交割前交割后交割后472-2 位错位错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 交割前交割前交割后交割后484.柏氏矢量互相垂直的刃型与螺型位错间的交割柏氏矢量互相垂直的刃型与螺型位错间的交割2-2 位错位错交割前交割前交割后交割后495.柏氏矢量互相垂直的螺型位错间的交割柏氏矢量互相垂直的螺型位错间的交割2-2 位错位错交割前交割前交割后交割后D 50(三)带割阶的螺型位错运
18、动(三)带割阶的螺型位错运动 1.带小割阶的螺型位错运动带小割阶的螺型位错运动 割阶高度为12个原子间距 2-2 位错位错bAOO B512-2 位错位错2.带中等尺寸割阶的螺型位错运动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 bCOPDCO P DbOP522-2 位错位错3.带大割阶的螺型位错运动带大割阶的螺型位错运动 割阶高度为2030个原子间距 bNO OMS1S253思考题:思考题:1.何谓位错交割?何谓位错交割?2.分析位错线互相垂直的两个刃型位错的分析位错线互相垂直的两个刃型位错的 交割过程。交割过程。2-2 位错位错54五、位错的弹性性质五、位错的弹性性质 (
19、一)位错的应力场(一)位错的应力场 1.1.弹性连续介质模型弹性连续介质模型 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 位错位错552-2 位错位错2.应力分量应力分量 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。562-2 位错位错572-2 位错位错3.螺型螺型位错的应力场位错的应力场 (1)弹性连续介质模型)弹性连续介质模型 将
20、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。582-2 位错位错 (2)螺型位错应力场的数学表达式)螺型位错应力场的数学表达式 圆柱坐标系下:592-2 位错位错4.刃型刃型位错的应力场位错的应力场 (1)弹性连续介质模型)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 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。602-2 位错位错(2)刃型位错应力场的数学表达式)刃型位错应力场的数学
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