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,*,1,二、金属晶体结构及几何特征,1.常见三种晶体结构,面心立方,体心立方,密排六方,既是晶体结构，又是点阵,仅是晶体结构，不是点阵,简单六方,第1页,2,配位数：,1)面心立方（fcc 或 A1）,晶胞原子数：,1/8,8,1/2,6,4,点 阵 常 数：,最近原子间距：,方向,12,致密度：,第2页,3,2)体心立方（bcc 或 A2）,晶胞原子数：,1/8,8,1,2,点 阵 常 数：,最近原子间距：,方向,配位数：,8,致密度：,第3页,4,3),密排六方（hcp 或 A3）,晶胞原子数：,1/6,12,1/2,2,点 阵 常 数：,最近原子间距：,配位数：,6,6,致密度：,3,6,方向,第4页,5,2晶体结构中间隙,八面体间隙尺寸：,1）面心立方,八面体间隙数目：,1/4,12+1=4,第5页,6,四面体间隙尺寸：,四面体间隙数目：,1,8=8,第6页,7,八面体间隙尺寸：,2）体心立方,八面体间隙数目：,1/2,6+1/4,12=6,扁八面体,第7页,8,四面体间隙尺寸：,四面体间隙数目：,1/2,4,6=12,第8页,9,四面体间隙数目：,1/3,12 +1,6,10,3）密排六方,八面体间隙数目：,1,6 =6,第9页,10,4）综合比较,fcc,与,hcp,相比，间隙尺寸相同，分布位置不一样。,fcc,与,bcc,相比，间隙数量少，致密度大。,注：,bcc,晶体八面体间隙是扁八面体，故即使其间隙数量多，但溶解异类小原子能力远远不及,fcc,晶体。,八面体间隙,四面体间隙,数量,尺寸,数量,尺寸,fcc,4,0.414,8,0.225,bcc,6,0.15,12,0.29,hcp,6,0.414,12,0.225,第10页,11,三、陶瓷晶体结构,1.离子晶体结构,离子晶体结构规则,负离子配位多面体规则,鲍林第一规则,电价规则,鲍林第二规则,关于负离子多面体共用点、棱规则,鲍林第三规则,第11页,12,经典离子晶体结构,NaCl,型,CsCl,型,立方,ZnS,型（闪锌矿）,六方,ZnS,型（纤锌矿）,CaF,2,型（萤石）,TiO,2,型（金红石）,二元离子晶体,不等径刚球密堆理论,第12页,13,2.共价晶体结构（原子晶体）,经典共价晶体结构,金刚石型（单质型）,ZnS,型（,AB,型）,SiO,2,型（,AB,2,型）,第13页,14,第三节 原子不规则排列,晶体中缺点,原子排列偏离完整性区域,点缺点,在三个方向上尺寸都很小,线缺点,在二个方向上尺寸很小,面缺点,在一个方向上尺寸很小,第14页,15,一、点缺点,包含空位、间隙原子、杂质或溶质原子,1.形成,局部点阵畸变,原子热振动,克服约束，迁移到新位置,空位、间隙原子,部分原子取得足够高能量,形成,引发,第15页,16,肖脱基缺点,原子迁移到表面,仅形成空位,弗兰克缺点,原子迁移到间隙中,形成空位,-,间隙对,杂质或溶质原子,间隙式（小原子）或置换式（大原子）,2.分类,第16页,17,3.点缺点平衡浓度,N,e,平衡空位数,N ,原子总数,Ev,每增加一个空位能量改变,k ,玻尔兹曼常数,T ,绝对温度,其中：,A,由振动熵决定系数，取,110,，通常取,1,。,T,-C,第17页,18,附加电子散射,电阻,4.点缺点对晶体性能影响,间隙原子,体积膨胀,12,个原子体积,空位,体积膨胀,0.5,个原子体积,屈服强度,对扩散、内耗、高温形变和热处理等过程有主要影响。,点阵畸变,第18页,19,位错逐排依次运动,塑变,原子面整体滑移,塑变,理论强度远大于实测值,探求新理论,位错理论,发觉问题,促使,关键,计算强度值,实测值,结果,二、线缺点,第19页,20,1),刃位错,1.位错基本类型,形成,畸变区,多出（或少了）半排原子面,用,（或）表示,刃位错,正：上压下拉,负：上拉下压,称为,第20页,21,原子面部分错动一个原子间距,螺位错,不吻合过渡区,形成,畸变区,纯剪切应力区,形成,称作,2),螺位错,第21页,22,3),混合位错,刃型位错分量,螺型位错分量,第22页,23,第23页,-7-18,西北工业大学 材料科学基础CAI课件 王永欣主编,24,2.柏氏矢量,反应位错区畸变方向与程度,1),柏氏矢量求法,（,1,）,包含位错线做一封闭回路,柏氏回路,（,2,）,将一样回路置于完整晶体中,不能闭合,（,3,）,补一矢量（终点指向起点）使回路闭合,柏氏矢量,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,第24页,25,（,1,）,包含位错线做一封闭回路,柏氏回路,（,2,）,将一样回路置于完整晶体中,不能闭合,（,3,）,补一矢量（终点指向起点）使回路闭合,柏氏矢量,1,2,1,2,3,4,1,2,3,1,2,3,4,1,1,1,2,1,2,3,4,1,2,3,1,2,3,4,1,1,第25页,-7-18,西北工业大学 材料科学基础CAI课件 王永欣主编,26,（,1,）,满足右螺旋规则时，柏氏矢量与柏氏回路路径无关,唯一性,（,2,）,用柏氏回路求得柏氏矢量为回路中包围全部位错柏氏矢量总和（矢量和）,可加性,（,3,）,同一位错，柏氏矢量处处相同,同一性,2,）柏氏矢量特征,第26页,27,3,）柏氏矢量表示法,对于立方晶系,a=b=c,模：,例：,第27页,28,例：,例：,第28页,29,4,）三种位错柏氏矢量特点,刃位错,垂直,主要是正应力,螺位错,平行,纯剪应力,混合位错,一定角度,复杂,位错类型,柏氏矢量与位错线关系,畸变应力场,第29页,30,5,）位错正、负（左、右）确实定,刃位错：,有晶体图时用右手法则,中指,b,方向，食指位错线方向，拇指：上正下负,无晶体图时用旋转法,b,顺时针方向转,90,，与位错线方向：顺正逆负,人为要求位错线方向,L,L,第30页,31,螺位错：,有晶体图时与螺纹判断方法一致,左手左螺，右手右螺,无晶体图时用旋转法,b,与位错线方向：顺右逆左,正负（左右）均为相对而言，位错线方向改变，正负、左右随之改变。,L,L,第31页,32,3.位错密度,单位体积晶体中全部位错线总长度,穿过单位截面积位错线数目（穿过单位面积位错线根数，将位错简化为直线）,cm/cm,3,1/cm,2,第32页,33,第33页,34,第34页,35,a,）,位错逐排依次前进，实现两原子面相对滑移；,b,）,滑移量,=,柏氏矢量模；,c,）,外力,/,b,，位错线,，位错线运动方向,/,d,）,一定时，正、负位错运动方向相反，但最终滑移效果相同；,e),滑移面唯一。,第35页,36,正刃,负刃,左螺,右螺,第36页,37,位错滑移特征比较,一定角度,/,法线,一定角度,混合位错,无限多个,/,/,法线,/,螺位错,唯一,/,法线,刃位错,滑移面,个数,位错线运动方向,与,位错线,与,b,b,与,位错线,类型,第37页,38,2,）攀移,（,1,）方式,原子扩散离开（到）位错线,半原子面缩短（伸长）,正（负）攀移,空位扩散离开（到）位错线,半原子面伸长（缩短）,负（正）攀移,第38页,39,（,2,）特点,a,）,刃位错垂直于滑移面运动,非守恒运动,b,）,属扩散过程,需热激活,高温易出现,（,3,）作用,原滑移面上运动受阻,攀移,新滑移面,滑移继续,攀移只能是刃位错才能发生,说明：,攀移不是塑性变形主要机制,可避开障碍物,便于滑移,结论：,攀移能力,影响滑移进行,深入影响塑变能力,第39页,40,3,）交滑移,（,1,）方式,第40页,41,（,2,）特点,（,3,）作用,原滑移面上运动受阻,交滑移,新滑移面,滑移继续,交滑移只能是螺位错才能发生,说明：,交滑移不是塑变主要机制,可避开障碍物,便于滑移,结论：,交滑移能力,影响滑移进行,深入影响塑变能力,交滑移,仍在滑移面滑移,守恒运动,第41页,42,攀移与交滑移比较,攀移：,只能刃位错,非守恒运动,避开障碍物方式,交滑移：,只能螺位错,守恒运动,第42页,43,5.位错力学性质,1,）位错应力场与应变能,（,1,）应力分量与应变分量,完全弹性体，服从虎克定律,各向同性,连续介质，能够用连续函数表示,基本假设,（连续介质模型）,对位错线周围,r,0,以内部分不适用,畸变严重，不符合上述基本假设,第43页,44,（,a,）单元体应力分量,正应力：,xx,，,yy,，,zz,切应力：,xy,=,yx,，,xz,=,zx,，,yz,=,zy,xy,作用面垂直于,x,，方向为,y,第44页,45,（,b,）单元体应变分量,正应变：,xx,，,yy,，,zz,切应变：,xy,=,yx,，,xz,=,zx,第45页,46,（,c,）柱坐标下分量,正应力：,zz,，,rr,，,切应力：,z,=,z,，,zr,=,rz,，,r,=,r,与直角坐标关系：,第46页,47,（,2,）位错应力场,（,a,）螺位错应力场,模型建立：,结果：,说明：,仅有,z,方向切应力，无正应力。,切应力与无关，随,r,增大而减小。,化为直角坐标时，仅存在与,z,相关切应力。,厚壁圆桶,沿径向切开,沿,z,方向错动,b,胶合,第47页,48,（,b,）刃位错应力场,模型建立：,结果：,说明：,现有正应力，也有切应力。,与,z,轴相关切应力均为零。,厚壁圆桶,沿径向切开,沿,x,轴错动,|,b|,胶合,第48页,49,（,3,）位错应变能,单位长度螺位错应变能：,单位长度刃位错应变能：,单位长度混合位错应变能：,其中：,第49页,50,（,a,）比较,w,E,w,S,（,b,）普通公式,其中：,为几何原因系数，约,0.5,1.0,第50页,51,（,c,）小结,位错,点阵畸变,应变能,b,w,位错能量,越稳定,其大小,说明,第51页,52,（,d,）螺位错应变能公式推导,柱坐标下单位体积应变能为：,对于螺位错仅有,z,不为零,故，对体积为,V,（长为,L,）螺位错有,第52页,53,即：,积分,得：,第53页,54,2,）作用在位错线上力与位错线张力,（,1,）作用在位错线上力,第54页,55,（,a,）公式推导,外力,使长为,l,位错移动了,ds,，,作功,dw,1,假想有一力,F,作用于位错上，则,F,作功,dw,2,有,单位长度位错线上力：,第55页,56,（,b,）说明,F,d,，,F,d,b,F,d,位错线，指向未滑移区,F,d,为假象力，其方向与,不一定一致。（如螺位错,F,d,）,第56页,57,（,2,）位错线张力,位错受力,弯曲,伸长,线张力,位错变直,能量,能量,（,a,）线张力概念,（,b,）作用,使位错变直,降低位错能量,相当于物质弹性,称之为位错弹性性质,类似于液体表面张力。,第57页,58,（,c,）公式,C,曲线形状因子,第58页,59,（,d,）实例,两端固定位错在,下弯曲问题,使位错弯曲，即,r,T,使位错变直，即,r,当二者平衡时,第59页,60,重要公式,第60页,61,3,）位错间交互作用与位错塞积,（,1,）相互平行位错之间交互作用,位错运动点阵摩擦力和障碍物阻力,当外力作用在两端不能自由运动位错上时，位错将发生弯曲。,由位错线张力与外力平衡关系：,即，弯曲半径,r,与外力,成反比。,当位错弯曲成半圆时，,r,最小，,最大。,第73页,74,3,）其它增殖方式,（,1,）螺位错双交滑移增殖,第74页,75,7.实际晶体中位错,由简单立方，深化到面心立方、体心立方和密排六方晶体中位错。,1,）全位错与不全位错,（,1,）实际晶体中位错类型,简单立方：,b,点阵矢量,只有全位错,实际晶体：,b,=,点阵矢量,b,点阵矢量整数倍,全位错,其中,b,点阵矢量,单位位错,b,点阵矢量整数倍,不全位错,其中,b,点阵矢量,部分位错,第75页,76,晶体结构,位错类型,柏氏矢量,bcc,全位错,不全位错,fcc,全位错,不全位错,hcp,全位错,不全位错,第76页,77,（,2,）形成单位位错条件,结构条件：,柏氏矢量为两原子平衡位置连线,能量条件：,b,越小，位错能量越小，稳定性越高,柏氏矢量最短点阵矢量,共同满足,bcc,：,fcc,：,hcp,：,第77页,78,2,）堆垛层错,（,1,）形成,密排堆垛次序有误,层错,面缺点,形成,属于,第78页,79,复习：fcc、bcc、hcp堆垛次序,第79页,80,fcc,晶体层错类型：,抽出型：,插入型：,（,2,）特点,畸变很小，但仍有畸变能。,材料层错能越低，层错数量越多。,第80页,81,3,）不全位错（以面心立方为例）,局部区域层错,边界,b,不等于点阵矢量,不全位错,第81页,82,肖克莱位错：,柏,氏矢量在滑移面上,能够滑移,位,错运动,相当于层错面扩大或缩小,肖,克莱位错类型,刃位错、螺位错、混合位错,位,错线、柏氏矢量、滑移面共面,肖克莱位错线为平面曲线,第82页,83,弗兰克位错：,柏,氏矢量垂直于滑移面,不可滑移，只能攀移,位,错运动,相当于层错面扩大或缩小,弗,兰克位错类型,纯刃位错,可,以是空间曲线,第83页,84,8.位错反应,位错合并与分解,几何条件：,能量条件：,反应前后柏氏矢量和相等（方向、大小）,反应后能量降低,判断方法：,几何条件判断方法：,求反应前后各个位错柏氏矢量矢量和,能量条件判断方法：,求反应前后各位错,|,b,|,2,和,第84页,85,例：,bcc,中，当,与,相遇时，能否合并为,几何条件：,即：,能量条件：,满足几何条件和能量条件，反应能够发生（自发进行）,即：,第85页,86,例：,fcc,中，有,问，能否,几何条件：,即：,能量条件：,满足几何条件和能量条件，反应能够发生（自发进行）,即：,第86页,87,三、面缺点,晶,界,孪晶界,相,界,小角度晶界,大角度晶界,外表面,内表面,第87页,88,1.小角度晶界,1),类型,（,1,）对称倾侧晶界,相邻晶粒各转,/2,同号刃位错垂直排列,（,2,）不对称倾侧晶界,相互垂直两组刃位错垂直排列,第88页,89,（,3,）扭转晶界,两组螺位错组成,第89页,90,2),小角度晶界特点,10,由位错组成,位错密度,位向差,晶格畸变,晶界能,位错密度,决定位向差与晶界能,位错类型与排列方式,决定小角晶界类型,注：,第90页,91,2.大角度晶界,10,以上，普通在,30,40,重合点阵模型,重合点阵,+,台阶模型,重合点阵,+,台阶,+,小角晶界模型,第91页,92,1,）孪晶界,两晶粒沿公共晶面形成镜面对称关系,2,）相界,相邻两相之间界面,3孪晶界与相界,3,）分类,孪晶界,(,相界,),点阵完全重合,共格,孪晶界,(,相界,),点阵基本重合,部分共格,+,位错,半共格,孪晶界,(,相界,),点阵完全不重合,非共格,第92页,93,4晶界能,表现形式：界面张力,第93页,94,5晶界特点,1,）,晶,界,畸变,晶界能,向低能量状态转化,晶粒长大、晶界变直,晶界面积减小,2,）,阻,碍位错运动,b,细晶强化,3,）,位,错、空位等缺点多,晶界扩散速度高,4,）,晶,界能量高、结构复杂,轻易满足固态相变条件,固态相变首先发生地,5,）,化,学稳定性差,晶界轻易受腐蚀,6,）,微,量元素、杂质富集,第94页,第95页,
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