材料科学基础课件 (1)PPT资料.ppt

1、原子的热振动、晶体形成条件限制、施加的外部条件等。条件限制、施加的外部条件等。1河北工业大学材料学院晶体缺陷的分类w实际晶体存在晶体缺陷，实际晶体存在晶体缺陷，按照几何特点这些缺按照几何特点这些缺陷可以分为三大类陷可以分为三大类w点缺陷点缺陷缺陷在各方向的延伸都很小缺陷在各方向的延伸都很小,亦称零亦称零维缺陷。如空位、间隙原子、杂质原子等。维缺陷。w线缺陷线缺陷缺陷只在一个方向延伸或称一维缺陷。缺陷只在一个方向延伸或称一维缺陷。如位错。w面面缺缺陷陷缺缺陷陷在在二二个个方方向向延延伸伸,或或称称二二维维缺缺陷陷。如表面、晶界、相界等。2河北工业大学材料学院根据对理想晶体偏离的几何位置来分，有三

2、类空空 位位间间 隙隙 原原 子子杂杂 质质 原原 子子正常结点位置没有被质点占据，称为正常结点位置没有被质点占据，称为空位空位。同类质点进入间隙位置成为同类质点进入间隙位置成为间隙原子间隙原子。进入进入间隙位置间隙位置间隙杂质原子间隙杂质原子正常结点正常结点取代（置换）杂取代（置换）杂质原子质原子。固固溶溶体体2.1 2.1 点缺陷点缺陷（1）（1）点缺陷类型点缺陷类型（2）（2）热运动与点缺陷w晶格原子围绕平衡位置作热振动，频率晶格原子围绕平衡位置作热振动，频率在在1012-1013赫兹（德拜频率）赫兹（德拜频率）w原子的能量不是平均的，也不恒定，原原子的能量不是平均的，也不恒定，原子动能

3、近似服从子动能近似服从Maxwell-Boltzman分分布，即能量高于布，即能量高于E原子所占比例原子所占比例exp（-E/kt）w少数高能原子离开自己的平衡位置，在少数高能原子离开自己的平衡位置，在晶格节点出现空位。晶格节点出现空位。4河北工业大学材料学院晶体中空位5河北工业大学材料学院（3）点缺陷的运动6河北工业大学材料学院点缺陷运动方式w迁移迁移 空位或间隙原子由一个位置运空位或间隙原子由一个位置运动到另一个位置的过程。动到另一个位置的过程。w复合复合 间隙原子与空位相遇时，将落间隙原子与空位相遇时，将落入空位，两者同时消失，这一过程称为入空位，两者同时消失，这一过程称为复合。复合。7

4、河北工业大学材料学院点缺陷的运动w点缺陷从一个平衡位置移动到相邻位置，也要点缺陷从一个平衡位置移动到相邻位置，也要克服能量障碍克服能量障碍w只有周围原子具有足够能量才可能实现移动只有周围原子具有足够能量才可能实现移动8河北工业大学材料学院w点缺陷的运动是一个热激活的过程点缺陷的运动是一个热激活的过程w运动频率与温度有关。例如运动频率与温度有关。例如Cu中的空位，中的空位，300K10-5/s,1300K108/sw空位移动所造成的粒子迁移，即晶体中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。能相当于空位

5、形成能与移动能的总和。9河北工业大学材料学院点缺陷的动态平衡w点缺陷并不是固定不动的，而是处于不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断的产生和消失过程中w在一定温度下，晶体中点缺陷的数目是在一定温度下，晶体中点缺陷的数目是一定的，保持动态平衡。一定的，保持动态平衡。10河北工业大学材料学院（4）（4）空位的热力学分析空位的热力学分析w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（EV）为形成一个空位所需能量；w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：空位改变它周围原子的振动引起振动熵，SV 空位在晶体点阵中的排列可有许多不同的几何组态

6、，使排列熵SC增加。11河北工业大学材料学院设在温度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F=nEV-TSS=SC+nSVn个空位引入，可能的原子排列方式利用玻尔兹曼关系，SC=klnWC，并利用Stiring公式令：12河北工业大学材料学院振动熵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（SV/k），约为1-1013河北工业大学材料学院若已知EV和SV，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EV

7、大，空位浓度小例如：已知铜中EV=1.710-19J，A取为1，则 T/K1003005007009001000n/N10-57 10-1910-1110-8.1 10-6.3 10-5.714河北工业大学材料学院点缺陷的平衡浓度w点缺陷是平衡缺陷，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w出现缺陷时，提高内能，但是也引起较出现缺陷时，提高内能，但是也引起较大的熵增。大的熵增。15河北工业大学材料学院（5）点缺陷及对性能的影响w高能射线辐射、严重变形、高能射线辐射、严重变形、高温淬火等可以获得过饱高温淬火等可以

8、获得过饱和缺陷和缺陷w空位引起点阵畸变，使传空位引起点阵畸变，使传导电子受到散射，导电子受到散射，存在过存在过饱和缺陷提高电阻饱和缺陷提高电阻;w存在过饱和缺陷降低密度存在过饱和缺陷降低密度w对室温力学性能影响对室温力学性能影响“不不大大”w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16河北工业大学材料学院2.2位错的基本概念（1）位错理论产生背景w上世纪初，塑性变形已经成为制造金属制品和上世纪初，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。程、加工硬化等尚不能解释。w滑移带现象。当时，

9、普遍认为金属塑性变形是滑移带现象。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。于刚性滑动实现变形。w1926年弗兰克尔从刚性模型出发，估计了晶年弗兰克尔从刚性模型出发，估计了晶体的理论强度体的理论强度。17河北工业大学材料学院（2）理论强度w根据晶体的性质根据晶体的性质,阻力应是阻力应是周期函数；周期函数；当当x=0,=0;x=b,=0取取w当当x很小时，很小时，18河北工业大学材料学院w由于切变由于切变量量x/a,根据虎克定律根据虎克定律ww两式比较得两式比较得w因因a b,所以所以w进一步修正进一步修正19

10、河北工业大学材料学院晶体的理论切应力与实验值的比较（晶体的理论切应力与实验值的比较（MN/m2）金 属理论切应力实验值切变模量Al38300.78624400Ag39800.37225000Cu64800.49040700-Fe110002.7568950Mg26300.3931640020河北工业大学材料学院dislocationw一一般般金金属属的的G=104105MPa,理理论论剪剪切切强强度度应为应为103104MPa，实际只有实际只有110MPaw理论强度比实测值大理论强度比实测值大1000倍以上倍以上！w1934年年Taylor,Polanyi和和Orowan几几乎乎同同时时提提出

11、出晶晶体体中中存存在在易易动动的的缺缺陷陷位位错错，借助于位错运动实现塑性变形借助于位错运动实现塑性变形21河北工业大学材料学院拖动地毯、昆虫的移动22河北工业大学材料学院位错属于一种线缺陷w位错是一个直径位错是一个直径35个原子间距，长几个原子间距，长几千千几万个原子间距的管状原子畸变区几万个原子间距的管状原子畸变区w从几何上看，它是一个方向尺寸较大，从几何上看，它是一个方向尺寸较大，而另外两个方向上尺寸较小的线缺陷。而另外两个方向上尺寸较小的线缺陷。w位错对晶体生长、相变、塑性变形、扩位错对晶体生长、相变、塑性变形、扩散、再结晶等一系列行为及材料的物理、散、再结晶等一系列行为及材料的物理、

12、化学性质都有十分重要的影响。化学性质都有十分重要的影响。23河北工业大学材料学院（3）刃型位错模型位错：一列或相邻的几列原子发生有规律的错排24河北工业大学材料学院刃型位错的产生25河北工业大学材料学院刃型位错特征w1）刃型位错有一额外半原子面刃型位错有一额外半原子面n多出的半原子面在滑移面上边（严格说来，半原子面与坐标轴正方向一致）的称为正刃型位错，记为“”；n多出半原子面在下边的称为负刃型位错，记为“。w2）刃型位错线可理解为晶体中已滑移区与未滑移区的刃型位错线可理解为晶体中已滑移区与未滑移区的边界线。边界线。w3）位错线不一定是直线，可以是平面折线或曲线位错线不一定是直线，可以是平面折线

13、或曲线;刃型刃型位错线必与滑移矢量垂直，位错线必与滑移矢量垂直，w4）滑移面是包含位错线和滑移矢量的唯一平面。滑移面是包含位错线和滑移矢量的唯一平面。w5）位错周围的点阵发生弹性畸变，既有正应变，又有位错周围的点阵发生弹性畸变，既有正应变，又有切应变切应变26河北工业大学材料学院（4）螺型位错空间形态w假设外力使晶体作假设外力使晶体作另一种局部滑移另一种局部滑移（撕裂），滑移面（撕裂），滑移面上下两部分晶体作上下两部分晶体作切滑移切滑移w滑移区与未滑移区滑移区与未滑移区的边界就是螺型位的边界就是螺型位错。错。w滑移方向与位错线滑移方向与位错线平行。平行。28河北工业大学材料学院螺型位错模型29

14、河北工业大学材料学院螺型位错附近两层原子面30河北工业大学材料学院垂直于位错线的晶面形状31河北工业大学材料学院螺型位错的特征w1）螺型位错无额外半原子面，但是一些晶面变成了螺旋面，原子错排呈轴对称w2）位错线与滑移矢量平行，故一定是直线 w3）包含螺位错线的面必然包含滑移矢量，故螺位错的滑移面不是唯一的；w4）螺位错周围的点阵也发生了弹性畸变，但只有平行于位错线的切应变，无正应变（在垂直于位错线的平面投影上，看不出缺陷）w5）分左右螺旋 32河北工业大学材料学院（5）混合混合位错位错n如果滑移方向与位错线两者方向夹角呈任意角度，就是混合位错33河北工业大学材料学院滑移面附近的原子面34河北工

15、业大学材料学院位错线的一些性质w（1）位错线是已滑移区和未滑移区的边界;w（2）位错及其畸变区是一条管道,位错线附近的原子偏离了平衡位置。w（3）位错线具有连续性，即位错线不能中断于晶体内部。只可在表面露头，或终止于晶界和相界，或与其它位错相交，或自行封闭成环。35河北工业大学材料学院ttttbttbSlip Motion of the dislocation位错的滑移36河北工业大学材料学院bbtSlip Mixed dislocationMotion of the dislocation混合位错滑移37河北工业大学材料学院混合位错滑移38河北工业大学材料学院（6）柏氏矢量 Burgers

16、vectorw1939年柏格斯（年柏格斯（J.M.Burgers）提出了采用柏提出了采用柏氏回路来定义位错，借助一个规定的矢量即柏氏回路来定义位错，借助一个规定的矢量即柏氏矢量来揭示位错的本质。氏矢量来揭示位错的本质。w位错从晶体移出，滑移台阶的大小方向用滑移位错从晶体移出，滑移台阶的大小方向用滑移矢量矢量 表示，滑移矢量也称柏氏矢量表示，滑移矢量也称柏氏矢量w柏氏矢量反应了位错中心区点阵畸变的程度和柏氏矢量反应了位错中心区点阵畸变的程度和方向方向w柏氏矢量柏氏矢量=位错运动时的原子位移位错运动时的原子位移39河北工业大学材料学院柏氏矢量确定w1）首先选定位错线的正向，例如出纸面的方向首先选定位错线的正向，例如出纸面的方向w2）在实际晶体中，从任一