1、2021-10-31材料科學基礎CAI課件-李克1緒論第一章 原子結構與鍵合第二章 固體結構第三章 晶體缺陷第四章 固體中原子及分子的運動第五章 材料的形變與再結晶第六章 單組元相圖及純晶體的凝固第七章 二元相圖及其合金的凝固材料科學基礎材料科學基礎2021-10-31材料科學基礎CAI課件-李克2第三章 晶體缺陷 Imperfections (defects) in Crystals It is the defects that makes materials so interesting, just like the human being.Defects are at the heart

2、 of materials science.材料中的缺陷宏觀缺陷：孔洞，裂紋，氧化，微觀缺陷：晶體缺陷晶體缺陷非晶體缺陷腐蝕，雜質2021-10-31材料科學基礎CAI課件-李克3實際晶體中的缺陷 晶體缺陷：晶體中各種偏離理想結構的區域根根據據幾幾何何特特征征分分為為三三類類點缺陷 （point defect) 三維空間的各個方向均很小零維缺陷 (zero-dimensional defect)線缺陷 （line defect) 在二個方向尺寸均很小面缺陷 （plane defect) 在一個方向上尺寸很小一維缺陷 (one-dimensional defect)二維缺陷 (two-dimen

3、sional defect)2021-10-31材料科學基礎CAI課件-李克43.1 點缺陷 點缺陷：空位、間隙原子、溶質原子、和雜質原子、 +復合體（如：空位對、空位-溶質原子對）1、點缺陷的形成 （production of point defects)原因：熱運動：熱振動強度是溫度的函數能量起伏=原子脫離原來的平衡位置而遷移別處=空位(vacancy)Schottky 空位，-晶體表面Frenkel 空位，-晶體間隙空位消失或移位2021-10-31材料科學基礎CAI課件-李克5*點缺陷分類：點缺陷分類：2021-10-31材料科學基礎CAI課件-李克6*點缺陷的形成原因點缺陷的形成原因

4、：由于熱起伏，形成熱力學穩定的缺陷： 產生與消亡達致平衡過飽和空位： 高溫淬火、冷變形加工、高能粒子輻照根據熱力學，對空位平衡濃度進行推導-課外自學2021-10-31材料科學基礎CAI課件-李克71。電阻增大2。提高機械性能，如屈服強度3。有利于原子擴散4。體積膨脹，密度減小*點缺陷對性能產生的影響點缺陷對性能產生的影響：2021-10-31材料科學基礎CAI課件-李克83.2 位錯 線缺陷 實驗觀察：位錯的“線索”或“影子”晶體中的生長螺旋生長螺旋二維球泡陣列中的位錯變形晶體表面的滑移位錯概念的提出（一）2021-10-31材料科學基礎CAI課件-李克9 單晶體強度：理論與實驗之間的巨大誤

5、差 理論值：根據剛性相對滑動模型得到tc=103104MPa 實驗值：tc=110 MPa，相差甚遠 位錯概念的提出（二）1934年，Taylor等提出位錯的概念，認為存在著某種缺陷-位錯，模型：位錯的運動（逐步傳遞）=晶體的逐步滑移，計算證實理論屈服強度接近實驗值。后來實驗觀察到實際位錯。 2021-10-31材料科學基礎CAI課件-李克103.2.1 位錯的基本類型和特征a. 刃型位錯 edge dislocationb. 螺型位錯 screw dislocation 根據幾何結構特征：2021-10-31材料科學基礎CAI課件-李克11特征特征： 1 1）有一額外原子面，）有一額外原子面

6、， 刃口處的原子列稱為位錯線。半原刃口處的原子列稱為位錯線。半原子面在上子面在上, ,正刃型位錯正刃型位錯 ； 下為負刃型位錯下為負刃型位錯 2 2）刃位錯的位錯線不一定是直線，）刃位錯的位錯線不一定是直線， 可以是折線，可以是折線， 也可以也可以是曲線，是曲線， 但位錯線必與滑移矢量垂直。但位錯線必與滑移矢量垂直。 3 3）位錯線垂直于）位錯線垂直于滑移矢量滑移矢量，位錯線與滑移矢量構成的面是，位錯線與滑移矢量構成的面是滑移面，滑移面， 刃位錯的滑移面是唯一的。刃位錯的滑移面是唯一的。 4 4）刃型位錯周圍的晶體產生畸變，上壓，）刃型位錯周圍的晶體產生畸變，上壓， 下拉，下拉， 半原子半原子

7、面是對稱的，面是對稱的， 位錯線附近畸變大，位錯線附近畸變大， 遠處畸變小。遠處畸變小。5 5）位錯周圍的畸變區一般只有幾個原子寬（一般點陣畸變）位錯周圍的畸變區一般只有幾個原子寬（一般點陣畸變程度大于其正常原子間距的程度大于其正常原子間距的1/41/4的區域寬度，的區域寬度， 定義為位錯定義為位錯寬度，寬度， 約約2525個原子間距。）個原子間距。）* * 畸變區是狹長的管道，畸變區是狹長的管道， 故位錯可看成是線缺陷。故位錯可看成是線缺陷。a. 刃型位錯 edge dislocation2021-10-31材料科學基礎CAI課件-李克12b. 螺型位錯 screw dislocation

8、1 1）無額外半原子面，）無額外半原子面， 原子錯排是軸對稱的原子錯排是軸對稱的2 2）分左螺旋位錯，符合左手法則；右分左螺旋位錯，符合左手法則；右螺旋位錯螺旋位錯 ，符合符合右手法則右手法則3 3）位錯線與位錯線與滑移矢量滑移矢量平行，且為直線，位錯線的運動方向與滑移矢量垂直平行，且為直線，位錯線的運動方向與滑移矢量垂直 4 4）凡是以螺型位錯線為晶帶軸的晶帶凡是以螺型位錯線為晶帶軸的晶帶 所有晶面都可以為滑移面。所有晶面都可以為滑移面。5) 5) 點陣畸變引起平行于位錯線的切應變，無正應變。點陣畸變引起平行于位錯線的切應變，無正應變。6 6）螺型位錯是包含幾個原子寬度的線缺陷。）螺型位錯是

9、包含幾個原子寬度的線缺陷。位錯線bb：已滑移區和未滑移區的邊界線特征：特征：2021-10-31材料科學基礎CAI課件-李克13混合位錯 滑移矢量既不平行也滑移矢量既不平行也不垂直于位錯線，不垂直于位錯線， 而而是與位錯線相交成任是與位錯線相交成任意角度，一般混合位意角度，一般混合位錯為曲線形式，錯為曲線形式， 故每故每一點的滑移矢量與位一點的滑移矢量與位錯線的交角不同。錯線的交角不同。 位錯線不能終止于晶體內位錯線不能終止于晶體內部，只能露頭于晶體表面部，只能露頭于晶體表面2021-10-31材料科學基礎CAI課件-李克141。首先選定位錯的正向 ； (出紙面的方向)2。然后繞位錯線周圍作右

10、旋閉合回路-柏氏回路；在不含有位錯的完整晶體中作同樣步數和方向同樣步數和方向的路徑，3。由終點向始點引一矢量， 即為此位錯線的柏氏矢量， 記為 3.2.2 柏氏矢量（Burgers Vector ）b1、柏氏矢量的確定刃型位錯2021-10-31材料科學基礎CAI課件-李克15各種位錯的柏氏矢量2021-10-31材料科學基礎CAI課件-李克161、反映位錯周圍點陣畸變的總積累（包括強度和方向）2、該矢量的方向表示位錯運動導致晶體滑移的方向， 而該矢量的模表示畸變的程度稱為位錯的強度。 （strength of dislocation） 2、柏氏矢量的物理意義2021-10-31材料科學基礎C

11、AI課件-李克171 1、柏氏矢量的守恒性：與柏氏回路起點的選擇無關，柏氏矢量的守恒性：與柏氏回路起點的選擇無關， 也與回路的具體途徑無關也與回路的具體途徑無關2 2、柏氏矢量的唯一性：柏氏矢量的唯一性：一根位錯線具有唯一的柏氏一根位錯線具有唯一的柏氏矢量，其各處的柏氏矢量都相同，且當位錯運動時，矢量，其各處的柏氏矢量都相同，且當位錯運動時，其柏氏矢量也不變。其柏氏矢量也不變。3 3、位錯的連續性：位錯線只能、位錯的連續性：位錯線只能終止終止在晶體表面或界在晶體表面或界面上，面上， 而不能中止于晶體內部（單晶和多晶）；而不能中止于晶體內部（單晶和多晶）；在晶體內部它只能形成封閉的環線或與其他位

12、錯相在晶體內部它只能形成封閉的環線或與其他位錯相交于結點上。交于結點上。3、柏氏矢量的特性2021-10-31材料科學基礎CAI課件-李克18 柏氏矢量的大小和方向可用它在晶軸上的分量-點陣矢量 來表示 在立方晶體中， 可用于相同的晶向指數來表示： 4、柏氏矢量的表示法222wvunab位錯強度位錯合并2021-10-31材料科學基礎CAI課件-李克193.2.3 位錯的運動人們為什么對位錯感興趣？人們為什么對位錯感興趣？ 大量位錯在晶體中的運動大量位錯在晶體中的運動 =晶體宏觀塑性變形晶體宏觀塑性變形 力學性能如強度、塑性、斷裂都與位錯運動有關力學性能如強度、塑性、斷裂都與位錯運動有關位錯運

13、動的兩種基本形式：滑移和攀移位錯運動的兩種基本形式：滑移和攀移2021-10-31材料科學基礎CAI課件-李克20滑移面：滑移面：位錯線與柏氏矢量所在平面位錯線與柏氏矢量所在平面刃位錯的滑移面：位錯線與滑移矢量構成的面是滑移面，刃位錯的滑移面：位錯線與滑移矢量構成的面是滑移面， 刃位錯的滑移面是唯一的刃位錯的滑移面是唯一的螺位錯的滑移面：凡是以螺型位錯線為晶帶軸的晶帶面螺位錯的滑移面：凡是以螺型位錯線為晶帶軸的晶帶面都可以為滑移面都可以為滑移面1、位錯的滑移、位錯的滑移滑移：在外加切應力的作用下，通過位錯中心附近的原子沿柏氏矢量方向在滑移面上，不斷地作少量的位移（小于一個原子間距）2021-1

14、0-31材料科學基礎CAI課件-李克21滑移時，刃型位錯的運動方向始終垂直于位錯線，滑移時，刃型位錯的運動方向始終垂直于位錯線，而平行于柏氏矢量而平行于柏氏矢量刃型位錯的滑移僅限于單一的滑移面上刃型位錯的滑移僅限于單一的滑移面上2021-10-31材料科學基礎CAI課件-李克22螺型位錯的滑移螺型位錯的滑移螺型位錯的滑移不僅限于不僅限于單一的滑移面上單一的滑移面上滑移時，螺型位錯的運動方向，垂直于位錯線和滑移時，螺型位錯的運動方向，垂直于位錯線和柏氏矢量柏氏矢量板書：板書：P942021-10-31材料科學基礎CAI課件-李克23螺型位錯的交滑移：螺型位錯的交滑移：當某一螺型位錯在原滑移面上運

15、動受阻時，從原滑移面轉移到與之相交的另一滑移面上去繼續滑移的過程。是滑移的一種特殊方式。滑移受阻后，滑移面的滑移受阻后，滑移面的轉移。轉移。涉及多個滑移面的滑移涉及多個滑移面的滑移2021-10-31材料科學基礎CAI課件-李克242、刃型位錯的攀、刃型位錯的攀移移攀移：刃型位錯滑移面 多余半原子面的擴大或縮小 原子或空位的擴散特點：(1)擴散需要熱激活，比滑移需要更大的能量 (2) 純剪應力不能引起體積變化，對攀移不起作用 (3) 高溫淬火等產生過飽和空位，有利于攀移進行過飽和空位，有利于攀移進行。 2021-10-31材料科學基礎CAI課件-李克253、運動位錯的相互作用、運動位錯的相互作

16、用-交割（略）交割（略）交割：位錯與穿過其滑移面的位錯彼此切割意義：有利于晶體強化及空位和間隙原子的產生。2021-10-31材料科學基礎CAI課件-李克26割階與扭折 Jog and Kink所有的割階都是刃位錯；所有的割階都是刃位錯；扭折可以是刃位錯也可以是扭折可以是刃位錯也可以是螺位錯螺位錯攀移會形成割階：已攀移段與未攀移段之間的臺階攀移會形成割階：已攀移段與未攀移段之間的臺階割階與扭折的定義：割階與扭折的定義：板書板書圖圖3.172021-10-31材料科學基礎CAI課件-李克273.2.4 位錯的彈性性質（略）2021-10-31材料科學基礎CAI課件-李克283.2.5 位錯的生成

17、和增殖 位錯密度：單位體積中的位錯線的總長度。 r = L/V （1/cm2）（1） r= nl/lA = n/A （2） （實際計算：面積A中所見的位錯線數目） （2）（1） 金屬晶體中的位錯密度：超純金屬單晶體：成分不同=晶塊點陣常數不同=位錯過渡 2、溫度濃度梯度、振動=生長晶體偏轉、彎曲=位相差=位錯過渡 3、相鄰晶粒碰撞、體積變化、熱應力=臺階或變形=產生位錯 快速凝固快速凝固=過飽和空位過飽和空位=聚集聚集=位錯位錯 熱應力和組織應力熱應力和組織應力=界面和微裂紋處應力集界面和微裂紋處應力集中中=局部滑移局部滑移=位錯位錯2021-10-31材料科學基礎CAI課件-李克303、位錯

18、的增殖 事實上：密度增加，可達4-5 個數量級-位錯因此，必有增殖！ 位錯滑移到表面=宏觀變形 （減少？） 2021-10-31材料科學基礎CAI課件-李克31F-R源動作過程源動作過程 刃位錯刃位錯AB的兩端的兩端A和和B被位錯用結點釘扎住被位錯用結點釘扎住 m,n兩處同屬純螺型位錯，但位錯性質恰好相兩處同屬純螺型位錯，但位錯性質恰好相反，兩者相遇時，彼此便會抵消，這使原來反，兩者相遇時，彼此便會抵消，這使原來整根位錯線斷開成兩部分，外面為封閉的位整根位錯線斷開成兩部分，外面為封閉的位錯環，里面為一段連接錯環，里面為一段連接A和和B的位錯線，在線的位錯線，在線張力作用下變直恢復到原始狀態。張

19、力作用下變直恢復到原始狀態。在外力的繼續作用下，它將重復上述過程，每在外力的繼續作用下，它將重復上述過程，每重復一次就產生一個位錯環，從而造成位錯的重復一次就產生一個位錯環，從而造成位錯的增殖，并使晶體產生可觀的滑移量。增殖，并使晶體產生可觀的滑移量。FR位錯增殖機制已為實驗所證實位錯增殖機制已為實驗所證實：Si，Al-Cu晶體中觀察到晶體中觀察到 主要增殖機制：主要增殖機制：Frank-Read Frank-Read 位錯源位錯源 其它增殖機制：1、雙交滑移增殖；2、攀移增殖2021-10-31材料科學基礎CAI課件-李克323.2.6 實際晶體結構中的位錯（略） 簡單立方晶體：柏氏矢量 =

20、 點陣矢量 實際晶體：柏氏矢量 = ，, 點陣矢量 全位錯（perfect dislocation：柏氏矢量 = n*點陣矢量 n=1時: 單位位錯 不全位錯（imperfect dislocation): 柏氏矢量 != n* 點陣矢量 n1時: 部分位錯(partial dislocation)1、實際晶體中位錯的柏氏矢量2021-10-31材料科學基礎CAI課件-李克333.3 表面及界面（面缺陷） 界面包括：外表面（自由表面）和內界面界面包括：外表面（自由表面）和內界面 表面：固體與氣體或液體的分界面。表面：固體與氣體或液體的分界面。對于低維材料很重要對于低維材料很重要 內界面：晶粒邊

21、界、晶粒內的亞晶界、孿晶界、層錯、相內界面：晶粒邊界、晶粒內的亞晶界、孿晶界、層錯、相界面（不同結構，如固溶體與中間相的界面）界面（不同結構，如固溶體與中間相的界面） 界面厚度為幾個原子層厚，原子排列于成分不同于內部界面厚度為幾個原子層厚，原子排列于成分不同于內部二維面缺陷二維面缺陷2021-10-31材料科學基礎CAI課件-李克343.3.1 外表面表面特征：表面特征：* * *晶體中的表面張力是各向異性的晶體中的表面張力是各向異性的* * *表面能與晶體表面原子排列致密度有關，一表面能與晶體表面原子排列致密度有關，一般為原子密度最大的面般為原子密度最大的面 密排面密排面* * *表面能還與

22、曲率有關：曲率越大，表面能越表面能還與曲率有關：曲率越大，表面能越大大（比如納米粉體）（比如納米粉體）2021-10-31材料科學基礎CAI課件-李克353.3.2 晶界和亞晶界 晶界定義：組成晶體的多晶界定義：組成晶體的多個晶粒中，屬于同一固相個晶粒中，屬于同一固相（具有相同結構）、但位（具有相同結構）、但位向不同的晶粒之間的界面。向不同的晶粒之間的界面。 大角度晶界和小角度晶界的區別。10o為界2021-10-31材料科學基礎CAI課件-李克36 亞晶界定義：亞晶界定義：每個晶粒有時由位向稍有差異的亞每個晶粒有時由位向稍有差異的亞晶粒組成，相鄰亞晶粒間的界面。晶粒組成，相鄰亞晶粒間的界面。

23、 事實上，每個晶粒中還可分成若干個更為細小的事實上，每個晶粒中還可分成若干個更為細小的亞晶粒亞晶粒（0.001mm0.001mm），亞晶粒之間存在著），亞晶粒之間存在著小的位小的位相差相差，相鄰亞晶粒之間的界面成為，相鄰亞晶粒之間的界面成為亞晶界亞晶界。亞晶。亞晶粒粒更接近于理想更接近于理想的單晶體。的單晶體。 位相差一般小于位相差一般小于2 2o o，屬于小角度晶界，具有晶界，屬于小角度晶界，具有晶界的一般特征。的一般特征。2021-10-31材料科學基礎CAI課件-李克371、小角度晶界的結構2021-10-31材料科學基礎CAI課件-李克38A、對稱傾斜晶界2021-10-31材料科學基

24、礎CAI課件-李克39B、不對稱傾斜晶界兩個自由度2021-10-31材料科學基礎CAI課件-李克40C、扭轉晶界 * * * * 一般小角度晶界都可看成兩部分晶體繞某一軸旋轉一角一般小角度晶界都可看成兩部分晶體繞某一軸旋轉一角度而形成，不過該轉軸即不平行也不垂直晶界，故可看成度而形成，不過該轉軸即不平行也不垂直晶界，故可看成一系列刃位錯，螺位錯或混合位錯的網絡組成。一系列刃位錯，螺位錯或混合位錯的網絡組成。bD 2021-10-31材料科學基礎CAI課件-李克412、大角度晶界的結構 臺階模型（左圖） *相鄰晶粒在交界處的形狀不是光滑的曲面，而是由不規則臺階組成的，A,B,C,D特征區域 重

25、合位置點陣模型（右圖） *晶界能較低 *特殊位向 *晶界可看成是好區與壞區交替相間組合而成的。*一般大角度晶界的寬度一般不超過三個原子間距。2021-10-31材料科學基礎CAI課件-李克423、晶界能 晶界能：晶界能：等于接口區單位面積的能量減去無界面等于接口區單位面積的能量減去無界面時該區單位面積的能量。也可看成由于晶界上點時該區單位面積的能量。也可看成由于晶界上點陣畸變增加的那部分額外自由能。陣畸變增加的那部分額外自由能。dAdFr iiidAdnudAdFr在純金屬中 在合金中晶介面積A改變而引起的晶粒內i組元原子數的改變2021-10-31材料科學基礎CAI課件-李克43小角度晶界的

26、界面能：小角度晶界的界面能：P127單位長度刃型位錯的能量：單位長度刃型位錯的能量：cErRvGbE0ln)1 (4刃 bD DE1D1E 而c0Ebln)1 (4rRvGbbr0DR )(lnA0令則 ，2cGbv-14EA）（刃2Gbv-14）（0故小角度晶界能故小角度晶界能 是相鄰兩晶粒之間位相差是相鄰兩晶粒之間位相差 的函數，的函數，隨位向差增加而增大。隨位向差增加而增大。（3.42）2021-10-31材料科學基礎CAI課件-李克44大角度晶界的界面能大角度晶界的界面能313123231212sinsinsin大角度晶界能與晶粒間的位向差無關，以界面張力形式表現。可通過測定界面交角求

27、出其相對值：如圖3.69，三個晶粒相遇，在達到平衡時，在o點處接口張力必須達到力學平衡 故測得在平衡狀態下，三叉晶界的各面在平衡狀態下，三叉晶界的各面角均趨于最穩定的角均趨于最穩定的120120。圖3.692021-10-31材料科學基礎CAI課件-李克454、晶界的特性（Important） 1 1）晶界處點陣畸變變大，存在晶界能，故晶粒長）晶界處點陣畸變變大，存在晶界能，故晶粒長大和晶界平直化是一個大和晶界平直化是一個自發自發過程過程 2 2）晶界處原子排列不規則）晶界處原子排列不規則阻礙塑性變形阻礙塑性變形HHb b，s sb b（細晶（細晶強化強化） 3 3）晶界處存在較多缺陷（位錯、

28、空位等）晶界處存在較多缺陷（位錯、空位等）有利有利原子原子擴散擴散 4 4）晶界能量高）晶界能量高固態固態相變相變先發生，先發生，dd形核率形核率 5 5）成分偏析和內吸附，又富集雜質原子）成分偏析和內吸附，又富集雜質原子晶界熔晶界熔點低點低“過燒過燒”現象現象 6 6）晶界能高）晶界能高晶界晶界腐蝕腐蝕速度速度2021-10-31材料科學基礎CAI課件-李克463.3.3 孿晶界 Twin boundary 孿晶孿晶指兩個晶體（或一個晶體的兩部分）沿一個公指兩個晶體（或一個晶體的兩部分）沿一個公共晶面構成對稱的位相關系，這兩個晶體就稱為孿晶，這共晶面構成對稱的位相關系，這兩個晶體就稱為孿晶，

29、這個公共的晶面即成為孿晶面個公共的晶面即成為孿晶面 共格孿晶界：共格孿晶界：即孿晶面，其上的原子即孿晶面，其上的原子同時位于同時位于兩側晶兩側晶體點陣的節點上，體點陣的節點上，為兩者共有為兩者共有。無畸變的完全共格界。無畸變的完全共格界面，面，界面能界面能（約為普通晶界能（約為普通晶界能1/101/10）很低很穩定很低很穩定 非共格孿晶界：非共格孿晶界：孿晶界相對于孿晶面旋轉一角度，孿晶界相對于孿晶面旋轉一角度，其上的原子只有部分為兩者共有，其上的原子只有部分為兩者共有，原子錯排較嚴原子錯排較嚴重重，孿晶能量相對較高孿晶能量相對較高，約為普通晶界的，約為普通晶界的1/21/2孿孿晶晶界界圖見講義圖見講義2021-10-31材料科學基礎CAI課件-李克47孿晶的形成 孿晶的形成與堆垛層錯堆垛層錯密度相關，如fcc的111面發生堆垛層錯時為ABCACBACBA CAC處為堆垛層錯 孿晶與層錯密切相關孿晶與層錯密切相關一般層錯能高的晶體不易產生孿晶 生長孿晶生長孿晶退火孿晶退火孿晶孿孿晶晶的的形形成成形變孿