晶體缺陷與強度第1頁，課件共33頁，創作于2023年2月第一章：金屬及合金的結構

金屬材料是指以金屬鍵來表征其特性的材料，它包括金屬及其合金。金屬材料在固態下通常都是晶體狀態(金屬玻璃除外)，所以要研究金屬及合金的結構就必須首先研究晶體結構。

第一節晶體的基本概念

晶體結構指晶體內部原子規則排列的方式。晶體結構不同，其性能往往相差很大。為了便于分析研究各種晶體中原子或分子的排列情況，通常把原子抽象為幾何點，并用許多假想的直線連接起來，這樣得到的三維空間幾何格架稱為晶格，晶格中各連線的交點稱為結點；組成晶格的最小幾何單元稱為晶胞，晶胞各邊的尺寸a、b、c稱為晶格常數，其大小通常以為計量單位（A），晶胞各邊之間的相互夾角分別以α、β、γ表示。由于晶體中原子重復排列的規律性，因此晶胞可以表示晶格中原子排列的特征。在研究晶體結構時，通常以晶胞作為代表來考查。

為了描述晶格中原子排列的緊密程度，通常采用配位數和致密度（K）來表示。配位數是指晶格中與任一原子處于相等距離并相距最近的原子數目；致密度是指晶胞中原子本身所占的體積百分數，即晶胞中所包含的原子體積與晶胞體積（V）的比值。

第2頁，課件共33頁，創作于2023年2月第3頁，課件共33頁，創作于2023年2月常見純金屬的晶格類型

體心立方晶格

體心立方晶格的晶胞如下圖所示。它的形狀是一個立方體，其晶格常數a=b=c，所以只要一個常數a即可表示；其α=β=γ=90o。在體心立方晶胞中，原子位于立方體的八個頂角和中心。屬于這類晶格的金屬有α-Fe、Cr、V、W、Mo、Nb等。體心立方晶胞的每個角上的原子是同屬于與其相鄰的八個晶胞所共有，故只有1/8個原子屬于這個晶胞。所以體心立方晶胞中的原子數為：。每個原子的最近鄰原子數為8，所以其配位數為8。致密度可計算如下：或68%。

第4頁，課件共33頁，創作于2023年2月面心立方晶格面心立方晶胞如圖所示。它的形狀也是一個立方體。在面心立方晶胞中，原子位于立方體的八個頂角和六個面的中心。屬于這類晶格的金屬有γ-Fe、Al、Cu、Ni、Au、Ag、Pb等。從圖中可算出面心立方晶體的原子半徑為；每個晶胞所包含的原子數為4個；配位數為12；致密度為0.74或74%。

第5頁，課件共33頁，創作于2023年2月密排六方晶格

密排六方晶胞如圖所示。它是一個正六面柱體，在晶胞的12個角上各有一個原子，上底面和下底面的中心各有一個原子，上下底面的中間有三個原子。屬于這類晶格的金屬有Mg、Zn、Be、Cd等。其晶格常數用正六邊形底面的邊長a和晶胞的高度c來表示。兩者的比值c/a≈1.633；其原子半徑；每個晶胞所包含的原子數為6個；配位數為12；致密度為0.74或74%。

第6頁，課件共33頁，創作于2023年2月第二節原子的不規則排列在晶體內部原子排列并不是完全規則的，在局部一定尺寸范圍內原子排列不規則的現象稱為晶體缺陷，晶體缺陷在材料組織控制（如擴散、相變）和性能控制（如材料強化）中具有重要作用。就好象維納斯“無臂”之美更深入人心，晶體缺陷賦予材料豐富內容第7頁，課件共33頁，創作于2023年2月晶體缺陷：實際晶體中與理想點陣結構發生偏差的區域。按其作用范圍可分為：點缺陷：在三維空間各方向上尺寸都很小的缺陷。如空位、間隙原子、異類原子等。線缺陷：在兩個方向上尺寸很小，而另一個方向上尺寸較大的缺陷。主要是位錯。面缺陷：在一個方向上尺寸很小，在另外兩個方向尺寸較大的缺陷。如晶界、相界、表面第8頁，課件共33頁，創作于2023年2月一、點缺陷由于原子熱振動造成的。1、點缺陷的類型（1）空位：肖脫基空位－離位原子進入其空位或遷移至晶界或表面。弗蘭克爾空位－離位原子進入晶體間隙。（2）間隙原子：位于晶體點陣間隙的原子。（3）置換原子：位于晶體點陣位置的異類原子。第9頁，課件共33頁，創作于2023年2月第10頁，課件共33頁，創作于2023年2月置換原子第11頁，課件共33頁，創作于2023年2月

2、點缺陷的平衡濃度（1）點缺陷是熱力學平衡的缺陷,在一定溫度下，晶體中總是存在著一定數量的點缺陷（空位），這時體系的能量最低—具有平衡點缺陷的晶體比理想晶體在熱力學上更為穩定。（原因：晶體中形成點缺陷時，體系內能的增加將使自由能升高，但體系熵值也增加了，這一因素又使自由能降低。其結果是在G-n曲線上出現了最低值，對應的n值即為平衡空位數。）（2）點缺陷的平衡濃度

C=Aexp(-?Ev/kT)K：波爾茲曼常數，約為8.62×10-5ev/K或1.38×10-23J/K?Ev：該種點缺陷的形成能。第12頁，課件共33頁，創作于2023年2月過飽和點缺陷(supersaturatedpointdefect)的產生在點缺陷的平衡濃度下晶體的自由能最低，系統最穩定。當在一定的溫度下，晶體中點缺陷的數目明顯超過其平衡濃度時，這些點缺陷稱為過飽和點缺陷，通常它的產生方式有三種:

淬火(quenching)

冷加工(coldworking)

輻照(radiation)1.淬火高溫時晶體中的空位濃度很高，經過淬火后，空位來不及通過擴散達到平衡濃度，在低溫下仍保持了較高的空位濃度。2.冷加工金屬在室溫下進行壓力加工時，由于位錯交割所形成的割階發生攀移，從而使金屬晶體內空位濃度增加。3.輻照當金屬受到高能粒子（中子、質子、氘核、α粒子、電子等）輻照時，晶體中的原子將被擊出，擠入晶格間隙中，由于被擊出的原子具有很高的能量，因此還有可能發生連鎖作用，在晶體中形成大量的空位和間隙原子第13頁，課件共33頁，創作于2023年2月3點缺陷的產生及其運動（1）點缺陷的產生平衡點缺陷：熱振動中的能力起伏。過飽和點缺陷：外來作用，如高溫淬火、輻照、冷加工等。（2）點缺陷的運動（遷移、復合－濃度降低；聚集－濃度升高－塌陷）第14頁，課件共33頁，創作于2023年2月4、點缺陷與材料行為（1）結構變化：晶格畸變（如空位引起晶格收縮，間隙原子引起晶格膨脹，置換原子可引起收縮或膨脹。）（2）性能變化：物理性能（如電阻率增大，密度減小。）

力學性能（屈服強度提高）第15頁，課件共33頁，創作于2023年2月二、線缺陷（位錯）位錯：晶體中某處一列或若干列原子有規律的錯排。意義：（對材料的力學行為如塑性變形、強度、斷裂等起著決定性的作用，對材料的擴散、相變過程有較大影響。）位錯的提出：1926年，弗蘭克爾發現理論晶體模型剛性切變強度與實測臨界切應力的巨大差異（2～4個數級）。1934年，泰勒、波朗依、奧羅萬幾乎同時提出位錯的概念。1939年，柏格斯提出用柏氏矢量表征位錯。1947年，柯垂耳提出溶質原子與位錯的交互作用。1950年，弗蘭克和瑞德同時提出位錯增殖機制。之后，用TEM直接觀察到了晶體中的位錯。第16頁，課件共33頁，創作于2023年2月第17頁，課件共33頁，創作于2023年2月1、位錯的基本類型（1）刃型位錯模型：滑移面/半原子面/位錯線（位錯線┻晶體滑移方向，位錯線┻位錯運動方向，晶體滑移方向//位錯運動方向。）分類：正刃型位錯（┻）；負刃型位錯（┳）。產生：空位塌陷；局部滑移。第18頁，課件共33頁，創作于2023年2月（2）螺型位錯模型：滑移面/位錯線。（位錯線//晶體滑移方向，位錯線┻位錯運動方向，晶體滑移方向┻位錯運動方向。）分類：左螺型位錯；右螺型位錯。第19頁，課件共33頁，創作于2023年2月3、柏氏矢量（1）確定方法(避開嚴重畸變區)a在位錯周圍沿著點陣結點形成封閉回路。b在理想晶體中按同樣順序作同樣大小的回路。c在理想晶體中從終點到起點的矢量即為――。第20頁，課件共33頁，創作于2023年2月刃型位錯的柏氏矢量與位錯線垂直，其正負可用右手法則確定。（通常先人為地規定位錯線的方向，然后用右手食指表示位錯線的方向，中指表示柏氏矢量的方向，當拇指向上是為正刃型位錯，向下時為負刃型位錯。）螺型位錯的柏氏矢量與位錯線平行，且規定柏氏矢量與位錯線正向平行的為右旋；反向平行的為左旋。第21頁，課件共33頁，創作于2023年2月柏氏矢量的特征：●用柏氏矢量可判斷位錯的類型。柏氏矢量與位錯線垂直者為刃型錯，平行者為螺型位錯，既不垂直又不平行者為混合位錯?！癜厥鲜噶糠从澄诲e區域點陣畸變總累積的大小。柏氏矢量越大，位錯周圍晶體畸變越嚴重?！裼冒厥鲜噶靠梢员硎揪w滑移的方向和大小。位錯運動導致晶體滑移時，滑移量大小即柏氏矢量b，滑移方向即為柏氏矢量的方向。●一條位錯線具有唯一的柏氏矢量。它與柏氏回路的大小和回路在位錯線上的位置無關，位錯在晶體中運動或改變方向時，其柏氏矢量不變。

●若位錯可分解，則分解后各分位錯的柏氏矢量之和等于原位錯的柏氏矢量。●位錯可定義為柏氏矢量不為零的晶體缺陷，它具有連續性，不能中斷于晶體內部。其存在形態可形成一個閉合的位錯環，或連接于其他位錯，或終止在晶界，或露頭于晶體表面。第22頁，課件共33頁，創作于2023年2月同一晶體中，柏氏矢量愈大，表明該位錯導致點陣畸變愈嚴重，它所在處的能量也愈高。能量較高的位錯通常傾向于分解為兩個或多b12＞b22＋b32個能量較低的位錯：b1→b2＋b3，并滿足，以使系統的自由能下降。第23頁，課件共33頁，創作于2023年2月第24頁，課件共33頁，創作于2023年2月柏氏矢量的表示方法柏氏矢量的表示方法與晶向指數相似，只不過晶向指數沒有“大小”的概念，而柏氏矢量必須在晶向指數的基礎上把矢量的模也表示出來，因此柏氏矢量的大小和方向要用它在各個晶軸上的分量，即點陣矢量a，b和c來表示。

a表示:b=a[uvw]/n（可以用矢量加法進行算）。

b求模：/b/=a[u2+v2+w2]1/2/n（全位錯）。第25頁，課件共33頁，創作于2023年2月4.位錯的密度（1）單位體積中位錯線的總長度，ρ＝ΣL/V式中：ρ

為位錯密度,單位為m-2，ΣL

為位錯線總長度,單位為m,V為體積,單位為m3。

（2）晶體強度與位錯密度的關系（3）位錯觀察：浸蝕法、電境法。第26頁，課件共33頁，創作于2023年2月實驗結果表明，一般經充分退火的多晶體金屬中，位錯密度約為106～108cm-2;但經精心制備和處理的超純金屬單晶體（晶須），位錯密度低于103cm-2；而經過劇烈冷變形的金屬，位錯密度可高達1010～1012cm-2。陶瓷晶體中也有位錯，但是由于其結合鍵為共價鍵或離子鍵，鍵能很強，發生局部滑移很困難，因此陶瓷晶體的位錯密度遠低于金屬晶體，要使陶瓷發生塑性變形需要很大的應力。第27頁，課件共33頁，創作于2023年2月5.位錯的生成上節曾講到大多數晶體的位錯密度都很大，即使精心制備的純單晶體中也存在許多位錯。這些原始位錯究竟是通過哪些途徑產生的呢？晶體中的位錯來源可有以下幾種：１、晶體生長過程中產生位錯。其主要來源有：①由于熔體中雜質原子在凝固過程中不均勻分布使晶體的先后凝固部分成分不同，從而點陣常數也有差異，可能形成位錯作為過渡；②由于溫度梯度、濃度梯度、機械振動等的影響，致使生長著的晶體偏轉或彎曲引起相鄰晶塊之間有位相差，它們之間就會形成位錯；③晶體生長過程中由于相鄰晶粒發生碰撞或因液流沖擊，以及冷卻時體積變化的熱應力等原因會使晶體表面產生臺階或受力