材料科學(xué)基礎(chǔ)線缺陷ppt課件

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1,位錯逐排依次運(yùn)動——塑變,原子面整體滑移——塑變,理論強(qiáng)度遠(yuǎn)大于實(shí)測值,探求新理論——位錯理論,計(jì)算強(qiáng)度值 ? 實(shí)測值,二、線缺陷,,,,,1,2,1) 刃位錯,1. 位錯基本類型,,形成 畸變區(qū),多出（或少了）半排原子面,用┻（或┳）表示,,刃位錯,正：上壓下拉 負(fù)：上拉下壓,┻,2,3,原子面部分錯動一個原子間距,螺位錯,不吻合過渡區(qū),,形成 畸變區(qū),純剪切應(yīng)力區(qū),2) 螺位錯,3,4,3) 混合位錯,刃型位錯分量 ＋ 螺型位錯分量,4,5,,5,6,2. 柏氏矢量,——反映位錯區(qū)畸變的方向與程度,1) 柏氏矢量的求法,（1） 包含位錯線做一封閉回路,—— 柏氏回路,（2） 將同樣的回路置于完整晶體中,—— 不能閉合,（3） 補(bǔ)一矢量（終點(diǎn)指向起點(diǎn)）使回路閉合,—— 柏氏矢量,,6,7,（1） 包含位錯線做一封閉回路——柏氏回路 （2） 將同樣的回路置于完整晶體中——不能閉合 （3） 補(bǔ)一矢量（終點(diǎn)指向起點(diǎn)）使回路閉合——柏氏矢量,,7,8,（1） 滿足右螺旋規(guī)則時，柏氏矢量與柏氏回路路徑無關(guān) —— 唯一性 （2） 用柏氏回路求得的柏氏矢量為回路中包圍的所有位錯柏氏矢量的總和（矢量和） —— 可加性 （3） 同一位錯，柏氏矢量處處相同 —— 同一性,2）柏氏矢量特性,8,9,3）柏氏矢量表示法,對于立方晶系 a = b = c,模：,例：,9,10,例：,例：,位錯反應(yīng),10,11,4）三種位錯柏氏矢量的特點(diǎn),刃位錯,垂直,主要是正應(yīng)力,螺位錯,平行,純剪應(yīng)力,混合位錯,一定角度,復(fù)雜,11,12,,,5）位錯正、負(fù)（左、右）的確定,刃位錯： 有晶體圖時用右手法則 ——中指b方向，食指位錯線方向，拇指：上正下負(fù) 無晶體圖時用旋轉(zhuǎn)法 ——b順時針方向轉(zhuǎn)90，與位錯線方向：順正逆負(fù),人為規(guī)定位錯線方向,,,12,13,螺位錯： 有晶體圖時與螺紋判斷方法一致 ——左手左螺，右手右螺 無晶體圖時用旋轉(zhuǎn)法 ——b與位錯線方向：順右逆左,正負(fù)（左右）均為相對而言，位錯線方向改變，正負(fù)、左右隨之改變。,,,13,14,3. 位錯密度,單位體積晶體中所有位錯線的總長度,穿過單位截面積的位錯線數(shù)目（穿過單位面積的位錯線根數(shù)，將位錯簡化為直線）,cm/cm3,1/cm2,14,4. 位錯的運(yùn)動,滑移面：過位錯線并和柏氏矢量平行的平面(晶面)是該位錯的滑移面。 位錯的滑移運(yùn)動：位錯在滑移面上的運(yùn)動。,15,4. 位錯的運(yùn)動,16,17,,,17,18,┻,,,,位錯線運(yùn)動方向：在滑移面上，并且位錯線運(yùn)動方向ν//τ ， ν ⊥位錯線。以滑移面為分界面，ｌx ν所指向的那部分晶體必沿著 的方向運(yùn)動。,18,19,a） 位錯逐排依次前進(jìn)，實(shí)現(xiàn)兩原子面的相對滑移； b） 滑移量=柏氏矢量的模； c）外力τ // b，位錯線⊥τ ，位錯線運(yùn)動方向//τ d）τ一定時，正、負(fù)位錯運(yùn)動方向相反，但最終 滑移效果相同； e) 滑移面唯一。,19,20,,,,,,,正刃,負(fù)刃,左螺,右螺,,,,20,21,位錯滑移特征比較,一定角度,//,一定角度,混合位錯,無限多個,//,//,//,螺位錯,唯一,?,//,?,刃位錯,?,?,?,21,22,2）攀移,（1）方式,原子擴(kuò)散離開（到）位錯線 半原子面縮短（伸長） 正（負(fù)）攀移,空位擴(kuò)散離開（到）位錯線 半原子面伸長（縮短） 負(fù)（正）攀移,,,,,,,,22,23,（2）特點(diǎn),a） 刃位錯垂直于滑移面運(yùn)動——非守恒運(yùn)動 b） 屬擴(kuò)散過程——需熱激活——高溫易出現(xiàn),（3）作用,原滑移面上運(yùn)動受阻—攀移—新滑移面—滑移繼續(xù),攀移只能是刃位錯才能發(fā)生,說明：攀移不是塑性變形的主要機(jī)制—可避開障礙物—便于滑移 結(jié)論：攀移能力——影響滑移進(jìn)行——進(jìn)一步影響塑變能力,23,24,3）交滑移,（1）方式,24,25,（2）特點(diǎn),（3）作用,原滑移面上運(yùn)動受阻—交滑移—新滑移面—滑移繼續(xù),交滑移只能是螺位錯才能發(fā)生,說明：交滑移不是塑變的主要機(jī)制—可避開障礙物—便于滑移 結(jié)論：交滑移能力——影響滑移進(jìn)行——進(jìn)一步影響塑變能力,交滑移——仍在滑移面滑移——守恒運(yùn)動,25,26,攀移與交滑移比較,攀移：,只能刃位錯,非守恒運(yùn)動,避開障礙物的方式,交滑移：,只能螺位錯,守恒運(yùn)動,,26,27,5. 位錯的力學(xué)性質(zhì),1）位錯應(yīng)力場與應(yīng)變能,（1）應(yīng)力分量與應(yīng)變分量,完全彈性體，服從虎克定律 各向同性 連續(xù)介質(zhì)，可以用連續(xù)函數(shù)表示,對位錯線周圍r0以內(nèi)部分不適用 ——畸變嚴(yán)重，不符合上述基本假設(shè),27,28,（a）單元體應(yīng)力分量,正應(yīng)力：σxx，σyy，σzz 切應(yīng)力：σxy = σyx， σxz = σzx， σyz = σzy,σxy——作用面垂直于x，方向?yàn)閥,28,29,（b）單元體應(yīng)變分量,正應(yīng)變：εxx，εyy，εzz 切應(yīng)變：εxy = εyx，εxz = εzx,29,30,（c）柱坐標(biāo)下分量,正應(yīng)力：σzz，σrr，σθθ 切應(yīng)力：σzθ=σθz，σzr=σrz，σrθ=σθr,與直角坐標(biāo)的關(guān)系：,30,31,（2）位錯應(yīng)力場,（a）螺位錯應(yīng)力場,模型建立：,結(jié)果：,說明：,僅有z方向的切應(yīng)力，無正應(yīng)力。 切應(yīng)力與θ無關(guān)，隨r增大而減小。 化為直角坐標(biāo)時，僅存在與z有關(guān)的切應(yīng)力。,厚壁圓桶——沿徑向切開——沿z方向錯動b —— 膠合,31,32,（b）刃位錯應(yīng)力場,模型建立：,結(jié)果：,說明：,既有正應(yīng)力，也有切應(yīng)力。 與z軸有關(guān)的切應(yīng)力均為零。,厚壁圓桶——沿徑向切開——沿x軸錯動|b|——膠合,32,33,（3）位錯應(yīng)變能,單位長度螺位錯應(yīng)變能：,單位長度刃位錯應(yīng)變能：,單位長度混合位錯應(yīng)變能：,其中：,33,34,（a）比較,wE wS,（b）一般公式,其中：α為幾何因素系數(shù)，約0.5～1.0,34,35,（c）小結(jié),位錯——點(diǎn)陣畸變——應(yīng)變能,b↓——w↓——位錯能量↓——越穩(wěn)定,35,36,（d）螺位錯應(yīng)變能公式的推導(dǎo),柱坐標(biāo)下單位體積應(yīng)變能為：,對于螺位錯僅有εθz不為零,故，對體積為V（長為L）的螺位錯有,36,37,即：,積分,得：,37,38,2）作用在位錯線上的力與位錯線張力,（1）作用在位錯線上的力,38,39,（a）公式推導(dǎo),外力τ使長為l的位錯移動了ds， τ作功dw1,假想有一力F作用于位錯上，則F 作功dw2,有,單位長度位錯線上的力：,39,40,（b）說明,Fd∝τ，F(xiàn)d∝b Fd⊥位錯線，指向未滑移區(qū) Fd為假象力，其方向與τ不一定一致。（如螺位錯Fd⊥τ）,40,41,（2）位錯線張力,位錯受力,彎曲,伸長,線張力,位錯變直,能量↓,能量↑,,,,,（a）線張力的概念,（b）作用,使位錯變直——降低位錯能量 相當(dāng)于物質(zhì)彈性——稱之為位錯彈性性質(zhì) 類似于液體的表面張力。,41,42,（c）公式,C ——曲線形狀因子,42,43,（d）實(shí)例—— 兩端固定位錯在τ下彎曲的問題,τ使位錯彎曲，即r↓ T使位錯變直，即r↑,當(dāng)二者平衡時,43,44,重要公式,44,45,3）位錯間的交互作用與位錯塞積,（1）相互平行的位錯之間的交互作用,,同號位錯相斥,體系能量下降,,（a）同號位錯：,45,46,異號位錯相吸,,,（b）異號位錯：,體系能量下降,異號位錯合并，抵消或 b 減小,46,47,（2）相互垂直的位錯之間的交互作用,—— 形成大小、方向等于對方 b 的割階或扭折,割階：不在原滑移面上的拐折。,扭折：在原滑移面上的拐折，不穩(wěn)定，易消失，不影響滑移。,—— 位錯交割,47,,位錯交割的過程：有兩個相互垂直的刃位錯AB，CD。假定CD不動，AB向右掃過其滑移面，晶體上下兩部分發(fā)生b1的切變。CD被切成Cm和nD兩段，并相對位移mn，整條位錯線變?yōu)檎劬€CmnD。,,,,,,,,,,,,,,C,D,A,B,,交割前,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,C,D,m,n,,,,b1,交割后,48,49,兩柏氏矢量相互垂直的刃位錯相互交截,49,50,刃位錯、螺位錯相互交截,50,（3）位錯塞積——位錯與面缺陷的交互作用,51,52,位錯滑移,障礙物,位錯塞積,前端應(yīng)力高度集中,交滑移、攀移,越過障礙物繼續(xù)滑移,應(yīng)力松弛,破裂,障礙物另側(cè)塑變,,52,53,6. 位錯的增殖,1）問題的提出：,位錯數(shù)量減少,位錯劃出晶體 位錯相互抵消,一定溫度,位錯數(shù)量一定 （熱力學(xué)平衡條件）,變形,,,,,變形↑,位錯數(shù)量↑,增殖機(jī)制,,猜想：,實(shí)際：,53,54,彎曲,卷曲,分裂增殖,變直,,,,2）弗蘭克-瑞德源（F-R源）,,……,（a）增殖過程,54,55,（b）F－R源開動的最小應(yīng)力,F－R源開動條件： 推動力（外力） 位錯運(yùn)動點(diǎn)陣摩擦力和障礙物阻力,當(dāng)外力作用在兩端不能自由運(yùn)動的位錯上時，位錯將發(fā)生彎曲。 由位錯線張力與外力平衡關(guān)系：,即，彎曲半徑r與外力τ成反比。,當(dāng)位錯彎曲成半圓時，r最小， τ最大。,55,,7. 實(shí)際晶體中的位錯 (1) 常見金屬中的位錯：分全位錯和不全位錯。 1) 全位錯和不全位錯：實(shí)際晶體中，位錯的柏氏矢量應(yīng)符合晶體的結(jié)構(gòu)條件和能量條件。 結(jié)構(gòu)條件：柏氏矢量必須連接相鄰兩個原子平衡位置。 能量條件：柏氏矢量必須使位錯處于最低能量。,56,57,7. 實(shí)際晶體中的位錯,——由簡單立方，深化到面心立方、體心立方和密排六方晶體中的位錯。,1）全位錯與不全位錯,（1）實(shí)際晶體中的位錯類型,簡單立方：,b≡點(diǎn)陣矢量,——只有全位錯,實(shí)際晶體：,b, = ,點(diǎn)陣矢量,b＝點(diǎn)陣矢量整數(shù)倍,—— 全位錯,其中b＝點(diǎn)陣矢量,——單位位錯,b≠點(diǎn)陣矢量整數(shù)倍,——不全位錯,其中b 點(diǎn)陣矢量,——部分位錯,,57,58,58,59,（2）形成單位位錯的條件,結(jié)構(gòu)條件： 柏氏矢量為兩原子平衡位置連線,能量條件： b越小，位錯能量越小，穩(wěn)定性越高,柏氏矢量＝最短點(diǎn)陣矢量,bcc：,fcc：,hcp：,59,60,2）堆垛層錯,（1）形成,密排堆垛次序有誤,層錯,面缺陷,,,60,61,復(fù)習(xí)：fcc、bcc、hcp的堆垛次序,61,62,fcc晶體的層錯類型：,抽出型：,插入型：,（2）特點(diǎn),畸變很小，但仍有畸變能。 材料的層錯能越低，層錯數(shù)量越多。,62,63,3）不全位錯（以面心立方為例）,局部區(qū)域?qū)渝e,——邊界,——b不等于點(diǎn)陣矢量,——不全位錯,63,64,肖克萊位錯： 柏氏矢量在滑移面上——可以滑移 位錯運(yùn)動——相當(dāng)于層錯面的擴(kuò)大或縮小 肖克萊位錯類型——刃位錯、螺位錯、混合位錯 位錯線、柏氏矢量、滑移面共面——肖克萊位錯線為平面曲線,64,65,弗蘭克位錯： 柏氏矢量垂直于滑移面——不可滑移，只能攀移 位錯運(yùn)動——相當(dāng)于層錯面的擴(kuò)大或縮小 弗蘭克位錯類型——純?nèi)形诲e 可以是空間曲線,65,66,8. 位錯反應(yīng),—— 位錯的合并與分解,幾何條件：,能量條件：,反應(yīng)前后柏氏矢量和相等（方向、大?。?反應(yīng)后能量降低,判斷方法：,幾何條件判斷方法：求反應(yīng)前后各個位錯柏氏矢量的矢量和,能量條件判斷方法：,求反應(yīng)前后各位錯 |b|2 的和,66,67,例：,幾何條件：,即：,能量條件：,滿足幾何條件和能量條件，反應(yīng)可以發(fā)生（自發(fā)進(jìn)行）,即：,67,68,例：,幾何條件：,即：,能量條件：,滿足幾何條件和能量條件，反應(yīng)可以發(fā)生（自發(fā)進(jìn)行）,即：,68,[101]a/2 [011]a/2 [110]a/2,,,例題1.3.4 在單晶鋁的(111)面上, 有一柏氏矢量為[101]a/2的位錯; 在(111)面上有一柏氏矢量為[011]a/2的位錯, 兩位錯發(fā)生反應(yīng). 試說明兩位錯反應(yīng)后形成的新位錯的性質(zhì). 解: b=b1+b2=[101]a/2+[011]a/2=[110]a/2 此位錯為面心立方結(jié)構(gòu)中 的單位位錯, 位錯線為[110], 與(111)兩晶面的交線[110], 由于此位錯的柏氏矢量在 (001)面上, 而(001)不是面心 立方結(jié)構(gòu)的滑移面, 所以此 位錯是固定位錯.,,,,,,,,,,,,,,,,,,,(111) (111),,,,,,,69,70,三、面缺陷,晶 界,孿晶界,相 界,小角度晶界,大角度晶界,70,71,1. 小角度晶界,1) 類型,（1）對稱傾側(cè)晶界,相鄰晶粒各轉(zhuǎn)θ/2,同號刃位錯垂直排列,（2）不對稱傾側(cè)晶界,相互垂直的兩組刃位錯垂直排列,71,72,（3）扭轉(zhuǎn)晶界,兩組螺位錯構(gòu)成,72,73,2) 小角度晶界特點(diǎn),θ10 由位錯構(gòu)成 位錯密度↑—— 位向差↑——晶格畸變↑——晶界能↑,位錯密度 —— 決定位向差與晶界能 位錯類型與排列方式 —— 決定小角晶界的類型,注：,73,74,2. 大角度晶界,——10以上，一般在30～40,重合點(diǎn)陣模型 ↓ 重合點(diǎn)陣+臺階模型 ↓ 重合點(diǎn)陣+臺階+小角晶界模型,74,75,1）孿晶界 兩晶粒沿公共晶面形成鏡面對稱關(guān)系 2）相界 相鄰兩相之間的界面,3．孿晶界與相界,3）分類 孿晶界(相界)點(diǎn)陣完全重合——共格 孿晶界(相界)點(diǎn)陣基本重合——部分共格+位錯——半共格 孿晶界(相界)點(diǎn)陣完全不重合——非共格,75,76,4．晶界能,表現(xiàn)形式：界面張力,76,