浙大材料科学基础课件.docx
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浙大材料科学基础课件
任意柏格斯矢量的两个平行的直线位错：
分解为刃型分量和螺型分量，分别计算两螺和两刃间的相互作用，再叠加起来
结论：
若柏格斯矢量夹角/2，则两位错互相吸引
2、位错塞积：
许多位错被迫堆积在某种障碍物前，如图2-40所示，它们来自同一位错源，具相同的柏格斯矢量，障碍物如晶界
塞积群（在垂直于位错线方向的）长度：
对刃型为Nb/（1-），对螺型为Nb/。
正比于位错总数N，反比于外加切应力
塞积群的平衡：
外加切应力所产生的滑移力Fx=b，使位错尽量靠紧；其他位错间的排斥力（每一对位错间的排斥力，式2-74）使位错尽量散开；障碍物阻力（短程），仅作用在塞积群前端的位错上达很高的数值。
三者间的平衡
位错塞积群前端的应力集中：
受外力，同时受所有其它位错作用在领先位错与障碍物间挤压产生局部应力。
n（塞积位错数）倍于外力的应力集中,能使相邻晶粒屈服，也可能在晶界处引起裂缝。
3.位错反应：
位错之间的相互转化。
譬如一分为二或两合为一，
位错反应条件：
1、反应前矢量和等于反应后矢量和，即
2、反应后总能量小于反应前总能量，即（因为能量正比于b2）。
反应使能量从4b2降为2b2变稳定
4.位错交割：
位错互相切割的过程
林位错：
穿过运动位错的滑移面的其它位错。
它会阻碍位错运动或位错切它而过
位错割阶：
交割过程中使位错被切割而产生的一小段不在原滑移面上的位错（图2-41）为两刃交割：
它的柏格斯矢量是原矢量；（图2-42）为一刃一螺交割：
柏格斯矢量与螺位错相同
（二）位错与点缺陷的相互作用
点缺陷在晶体中引起弹性畸变，受到位错应力场的作用。
如正刃，滑移面上晶胞体积小一些，吸引比基体小的置换式溶质原子和空位；下边大一些，吸引间隙原子和比基体原子大的置换式溶质原子
位错与溶质原子的相互作用能：
外力（被假定为球形的溶质原子改变体积）反抗位错应力场所作的功
V为溶质与基体原子体积差。
刃型位错的应力场公式代入有：
，其中
以此可分析得到吸引或排斥某种原子的区域，图2-43
史诺克（Snoek）气团：
螺型位错与周围的溶质原子作用，原子在沿x、y、z的三种面心位置上发生择优分布（应力感生有序），使系统能量降低。
这是因为面心位置上原子在<100>方向相接邻的基体原子距离近，在<110>方向相接邻的基体原子距离远，所以产生四方性的畸变（图2-44），不但有正应力分量，同时有切应力分量，也与螺型位错发生相互作用
柯垂耳（Cottrell）气团：
若温度和时间允许，溶质原子向位错附近的聚集。
使位错的运动受到限制，因为这时推动位错运动，或挣脱气团束缚，或拖着气团前进
电学相互作用：
刃位错附近晶格的局部膨胀和压缩引起自由电子的再分布，在膨胀一侧浓度偏高，压缩一侧偏低，结果使得膨胀区荷负电，压缩区荷正电，整个位错成为一个线状的电偶极子。
化学相互作用：
位错周围溶质原子的浓度满足，
其中C0为溶质原子平均浓度，U为互作用能。
超过溶解度极限时，沉淀物质点在位错线上析出
空位、间隙原子和位错的互相转化：
过饱和度太高的空位沿一定晶面聚成片状析出，如图2-45所示，太大后失稳，崩塌并合，转化成位错环；异号刃位错相遇，互相抵消，变成一列空位或填隙原子，如图2-46所示；当两个螺型位错相切割时会产生刃型的位错割阶，带有刃型割阶的螺型位错继续滑移时，它的割阶将被迫攀移，结果在割阶走过的地方产生一串空位或者间隙原子，如图2-47所示。
五、位错源与位错增殖
尽管位错是热力学不稳定的缺陷，但它们却经常存在于晶体之中，特别是金属晶体，位错密度一般很高
（一）位错的来源
位错产生：
位错的能量很大，除非晶体受到的应力接近理论切变的强度，位错不能靠热激活产生。
位错不会在晶体中均匀形核
1、过饱和空位可以凝聚成空位片（图2-45），空位片崩塌时便转化成位错环
2、结晶时若偏析显著，点阵常数也不同，过渡区可能形成一系列刃型位错。
3、另一种元素从表面向晶体中扩散、沉淀物或夹杂物，也会因为内应力形成位错
4、位向有轻微差别的晶体相遇，结合处将形成位错。
图2-48
5、在裂缝尖端、夹杂物界面、表面损伤附近等应力集中区会产生位错
（二）位错的增殖
退火金属，位错密度约为106～108/cm2，塑性形变时增加到10ll～1012/cm2。
可见，增殖了
弗兰克一瑞德（Frank-Read）源：
一段刃型位错AB，它的两端被位错网节点钉住，如图2-49所示，外加切应力作用下，放出大量位错环，造成位错的增殖。
动作过程如图2-50所示，（以及它的动画演示）
弗兰克-瑞德源需要施加的应力：
利用滑移力Ft克服线张力作功的关系，（图2-51）平衡时有：
，可见曲率半径越小，要求与之相平衡的切应力越大。
位错弯成半圆形，相应的应力达到最大值。
所以，这时有：
弗兰克-瑞德源开动的临界应力：
形成过程中所需的最大应力，
。
l是位错线AB的长度
不仅位错网可产生节点、螺型位错交叉滑移中会自行提供。
双交滑移增殖机构：
螺位错开始在P2面中滑移，遇障碍，位错的一段交叉滑移到Q面，绕过障碍后又回到与P2面相平行的P1面，Q面形成的两段刃型位错不能随P1、P2面上的位错一起前进，成为钉扎点，位错增殖，如图2-52所示。
单点源：
滑动位错只有一端被固定，切应力的作用下形成蜷线并绕固定点转动，当它转动的圈数足够多时，产生大量滑移的效果
如果牵制位错端点的是一个螺型位错或具有螺型分量的位错，那么位错的扫动面将不是一个平面，而是一个螺旋面。
位错每旋转一周便上升到相邻的一个原子面（图2-53）
具有单个钉扎点时也会产生位错
§2-3表面、界面结构及不完整性
处于晶体表面和界面上的质点，其境遇与晶体内部结构是不相同的，表面和界面通常是包含了几个原子层厚的区域，故把它看作是一类晶体缺陷，即面缺陷。
物体的表面与界面行为，对固体材料的物理、化学等性质有着重要的影响。
一、晶体的表面
二、表面力场
固体表面力：
晶体中每个质点力场是对称的。
固体表面，质点排列的周期重复性中断，力场对称性破坏，表现出的剩余键力
1、化学力：
本质上是表面质点的不饱和价键引起的静电力
2、分子引力：
表面与被吸附质点间相互作用的范德华力
分子间引力主要来源：
A、定向作用，发生在极性分子（离子）之间，相邻两个极化电矩因极性不同而相互作用，平均位能E0：
，其中为电矩；
B、诱导作用，发生在极性分子与非极性分子之间。
非极性分子被极化诱导出一个暂时的极化电矩，随后与原来的极性分子产生定向作用。
位能：
，其中为非极性分子的极化率。
C、分散作用，发生在非极性分子之间。
瞬间极化电矩之间以及它对相邻分子的诱导引起的相互作用。
位能ED：
对不同物质，上述三种作用并非均等，三种作用力均与分子间距离的七次方成反比
（二）晶体表面状态
系统要降低表面过剩能量，导至表面质点的极化、变形、重排并引起原来晶格的畸变，这种过程可示意如图2-54。
对于离子晶体：
外侧不饱和，电子云向内正离子方变形，使该负离子诱导成偶极子，降低了晶表负电场。
接着，表面负离子被推向外侧，形成表面双电层。
如图2-55和图2-56所示。
同时，表面被一层负离子屏蔽并导致表面层在组成上成为非化学计量。
NaCl表面几层离子的分布如图2-57。
与晶体内部相比，表面层离子排列的有序程度降低了，键强数值变得分散，分布在一个甚宽的数值范围。
这种影响可以用键强B对导数dN/dB（N为键数目）作图，所得的分布曲线示于图2-58。
对于理想晶体（或大晶体），曲线是很陡峭的，而对于表面层部分（或微细粉体），曲线则变得十分平坦。
表面能：
能量高的原子层组成的表面的单位面积自由能的增加，即产生单位表面所作的功
（三）晶体表面的不均匀性
本身不同结晶面上的原子密度存在着很大的差别，具有不同的吸附性、晶体生长、溶解度及反应活性。
图2-59是一个具有面心立方结构的晶体的表面构造
完美晶格结构的晶体表面：
分成两种类型：
1、紧密堆积表面：
表面平坦，没有波折，所有的原子距离该表面的平行平面的距离都相等
2、不紧密堆积的表面：
即台阶式的表面，表面有波折。
由于表面要求能量低，所以有台阶出现在表面；另有空位，位错露头，吸附原子。
生长时有些位置易填入原子，所以表面是不均匀的。
如图2-60所示。
二、晶界
晶界：
属于同一固相但位相不同的晶粒间的界面，它是一种内界面。
动画示意
（一）晶界几何
晶界位置的确定：
（1）两个点阵相对的位向；
（2）晶界相对于一个点阵的位向。
二维点阵的晶界有两个自由度，图2-61。
三维点阵的晶界有五个自由度，三个自由度确定一个晶粒相对于另一晶粒的位向，另两个确定晶界相对于其中某一晶粒的位向。
图2-62
晶界分类：
根据位向差（）的不同，晶界分为两类：
（1）小角度晶界-两相邻晶粒的位向差约小于10；
（2）大角度晶界-两晶粒间的位向差较大，一般大于10以上。
两种晶界差异：
除位向差外，晶界结构和性质也不相同。
小角晶界由位错组成；大角晶界结构复杂，还不十分清楚。
晶粒之间的晶界通常属于大角度晶界，30～40范围
（二）小角度晶界
倾侧晶界：
一系列相隔一定距离的刃型位错垂直排列构成。
如图2-63，相当于晶界两边的晶体绕平行于位错线的轴各自旋转了一个方向相反的角。
只有一个变量，是一个自由度晶界，图2-64
位错间距：
，值很小时，有：
不对称倾侧晶界：
界面绕X轴转了一个角度，图2-65，倾侧角度为小，界面相对于两晶粒不对称。
有和两个自由度。
由柏氏矢量b⊢与b⊥垂直的两组位错排列而成。
两组位错各自间距分别为：
和
扭转晶界：
右半晶体绕Y轴转过角，界面与旋转轴垂直，是一个自由度晶界，如图2-66所示。
图2-67为两个简立方晶，由两组螺型位错交叉网络所构成
单纯的倾侧晶界或扭转晶界是小角度晶界的两种简单型式
一般小角度晶界：
旋转轴和界面可任意取向，由刃型和螺型位错组合构成。
晶界能：
晶界上原子排列畸变，增高的能量。
主要来自位错能量（位错密度又决定于晶粒间的位向差），随位向差增加而增大，仅适用于<15。
式中为常数，A取决于位错中心的原子错排能，图2-68
（三）大角度晶界
根据晶界的各种性质，提出了各种晶界模型，虽能解释晶界一些性质，但没给出晶界结构细节，缺乏直接实验证明
“重合位置点阵”模型：
（具有一定意义）。
具大角度晶界两晶粒中，一晶粒中部分原子位于另一晶粒点阵的重合位置上，这些重合位置构成的一个比原来晶体点阵大的新点阵。
图2-69为“1/5重合位置点阵”；图2-70，“1/11重合位置点阵”
“重合位置密度”：
重合位置的原子占晶体原子的比例
晶界面的形成特征：
晶界上重合位置多，畸变程度就小，晶界能低，晶界力求和重合位置点阵的密排面重合。
若有偏离时，密排面间出现台阶来满足偏离的角度
表2-2，金属中重要的重合位置点阵的晶轴、要求转动的角度和重合位置密度
表2-2金属中的重要“重合位置点阵”
晶体结构
体心立方
面心立方
六方点阵（c/a=）
旋转轴
[100]
[110]
[110]
[110]
[111]
[111]
[100]
[110]
[111]
[111]
[001]
[210]
[210]
[001]
[001]
转动角度
重合位置密度
重合位置点阵的扩展：
两晶粒的位向稍偏离能出现重合位置点阵的位向时，在界面上加入一组重合位置点阵位错。
晶界也同时是重合位置点阵的小角度晶界，图2-71
重合位置点阵模型可以解释大部分任意位向的晶体结构。
但仍然不能说明全部大角度晶界
（四）晶界能
晶界能：
金属多晶体的晶界一般为大角度晶界，金属大角度晶界能约在～m2范围内，与晶粒之间的位向差无关，大体上为定值。
如图2-68所示。
晶界能可以以界面张力的形式表现出来，可以通过取某一晶界能为基准及测定界面交角求出。
图2-72，作用于O点的界面张力应彼此平衡或，通常有1=2=3=120
（五）孪晶界
孪晶面：
两个晶体（或一晶体的两部分）构成镜面对称位向关系的一公共晶面
共格孪晶界：
面上原子位于两晶体点阵结点上，为孪晶的两部分共有的，这种界面称共格界面，即共格孪晶界。
图2-73及动画示意
非共格孪晶界：
孪晶界不与孪晶面相重合的情况。
图2-74
孪晶形成与堆垛层错的关系：
图2-73，面心（111）ABCACBACBA……CAC…；图2-75，体心（112）ABCDEFAB…EDCBAFABCDE…
孪晶面界面能：
无原子错排现象，共格孪晶界面能小，铜为m2；非共格界面能高，接近二分之一大角度晶界能
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