六角晶体结构.pptx

第一章第一章 晶体材料的结构晶体材料的结构晶体学基础知识晶体学基础知识晶向与晶面指数晶向与晶面指数纯金属常见的三种晶体结构纯金属常见的三种晶体结构材料的实际晶体结构材料的实际晶体结构点缺陷点缺陷线缺陷位错线缺陷位错面缺陷晶体中的界面面缺陷晶体中的界面引言引言 材料的结构与性能材料的结构与性能一、材料的结构一、材料的结构（ArchitectureArchitecture）材料的结构材料的结构 有两个层次，一种是有两个层次，一种是原子尺度原子尺度的结构的结构(atomic-scale architecture),(atomic-scale architecture),在材料学中常称在材料学中常称为为晶体结构晶体结构或或相结构相结构(Crystalline/lattice(Crystalline/lattice structure)structure)，对应有，对应有晶体晶体(crystal)(crystal)和和非晶体非晶体(non-crystal)(non-crystal)；另一种是；另一种是微观尺度微观尺度的结构的结构(microscopic-scale architecture)(microscopic-scale architecture)，在材料学，在材料学科中常称为科中常称为显微组织显微组织(microstructure)(microstructure)，对应于对应于金相金相（morphologymorphology）。）。引言引言 材料的结构与性能材料的结构与性能二、材料的结构对性能的影响二、材料的结构对性能的影响1.1.晶体结构对性能的影响晶体结构对性能的影响Contrast in mechanical behavior of(a)aluminum(relatively ductile)and(b)magnesium(relatively brittle)resulting from the atomic-scale structureComparison of crystal structures for(a)aluminum and(b)magnesium.引言引言 材料的结构与性能材料的结构与性能二、材料的结构对性能的影响二、材料的结构对性能的影响2.2.显微组织对性能的影响显微组织对性能的影响第一节第一节 晶体基础知识晶体基础知识一、原子的排列方式一、原子的排列方式 分子的构成分子的构成 有的分子是单原子，如金属材料；有的有的分子是单原子，如金属材料；有的是几个相同或不同的原子，如陶瓷材料；有的分子是几个相同或不同的原子，如陶瓷材料；有的分子中包含的数千或更多的原子，如高分子材料。中包含的数千或更多的原子，如高分子材料。1.1.非晶体非晶体原子排列：原子排列：粒子粒子(原子、离子或分子原子、离子或分子)无规则的堆积。无规则的堆积。特点：特点：1.1.各向同性；各向同性；2.2.黏度为其力学性能的基本参数，能保持自己形黏度为其力学性能的基本参数，能保持自己形状的为固体，不能保持自己形状的为液体；状的为固体，不能保持自己形状的为液体；3.3.随温度的升高黏度减小，在液体和固体之间没随温度的升高黏度减小，在液体和固体之间没有明显的温度界限。有明显的温度界限。一、原子的排列方式一、原子的排列方式2.2.晶体晶体原子排列：原子排列：粒子粒子(原子、离子或分子原子、离子或分子)在三维空间呈周在三维空间呈周期性的规则重复排列。期性的规则重复排列。特点：特点：1.各各向向异异性性：不不同同方方向向原原子子的的排排列列方方式式不不相同，因而其表现的性能也有差异相同，因而其表现的性能也有差异2.固固定定的的熔熔点点：排排列列规规律律能能保保持持时时呈呈现现固固体体，温温度度升升高高到到某某一一特特定定值值，排排列列方方式式的的解解体体，原原子子成成无无规规则则堆堆积积，这这时时大大多多呈现不能保持自己形状的液体。呈现不能保持自己形状的液体。3.3.部分晶体部分晶体 常出现在高分子材料或复合材料中常出现在高分子材料或复合材料中结晶度结晶度 其中晶体所占的比例其中晶体所占的比例 二、晶格与晶胞二、晶格与晶胞第一节第一节 晶体基础知识晶体基础知识晶格晶格为了表达空间原子排列的几何规律，把粒子为了表达空间原子排列的几何规律，把粒子(原原子或分子子或分子)在空间的平衡位置作为在空间的平衡位置作为节点节点，人为地，人为地将节点用一系列相互平行的直线连接起来形成的将节点用一系列相互平行的直线连接起来形成的空间格架称为空间格架称为晶格晶格。二、晶格与晶胞二、晶格与晶胞第一节第一节 晶体基础知识晶体基础知识晶胞晶胞:构成晶格的最基本单元。在构成晶格的最基本单元。在三维空间重复堆砌可构成整个空三维空间重复堆砌可构成整个空间点阵，通常为小的平行六面体。间点阵，通常为小的平行六面体。晶胞要顺序满足晶胞要顺序满足能充分反映整能充分反映整个空间点阵的对称性，个空间点阵的对称性，具有尽具有尽可能多的直角，可能多的直角，体积要最小。体积要最小。点阵常数点阵常数:平行六面体的三个棱长平行六面体的三个棱长a a、b b、c c和及其夹角和及其夹角、，可决定平行六面体尺寸和形状，可决定平行六面体尺寸和形状，这六个量亦称为点阵常数。这六个量亦称为点阵常数。三、晶系三、晶系第一节第一节 晶体基础知识晶体基础知识 按点阵常数的特征对晶体的分类。按点阵常数的特征对晶体的分类。第二节第二节 晶向与晶面指数晶向与晶面指数一、晶向与立方晶系晶向指数一、晶向与立方晶系晶向指数 晶向：晶向：空间点阵中节点列的方向。空间中任两节点的空间点阵中节点列的方向。空间中任两节点的连线的方向，代表了晶体中原子列的方向。连线的方向，代表了晶体中原子列的方向。晶向指数晶向指数：表示晶向方位符号。：表示晶向方位符号。标定方法：标定方法：1.1.建立坐标系建立坐标系 结点为原点，三棱为方向，结点为原点，三棱为方向，点阵常数为单位点阵常数为单位；2.2.在晶向上任两点的坐标在晶向上任两点的坐标(x1,y1,z1)(x1,y1,z1)(x2,y2,z2)(x2,y2,z2)。(若平移晶向或坐标，让在第若平移晶向或坐标，让在第一点在原点则下一步更简单一点在原点则下一步更简单)；3.3.计算计算x2-x1 x2-x1：y2-y1 y2-y1：z2-z1z2-z1 ；4.4.化成最小、整数比化成最小、整数比u u：v v：w w ；5.5.放在方括号放在方括号uvwuvw中，不加逗号，负号记在中，不加逗号，负号记在上方上方。一、晶向与立方晶系晶向指数一、晶向与立方晶系晶向指数第二节第二节 晶系晶向与晶面指数晶系晶向与晶面指数晶向族：晶向族：原子排列情况相同，但空间位向不同的一组原子排列情况相同，但空间位向不同的一组晶向晶向的集合的集合。表示方法：表示方法：用尖括号用尖括号表示表示 。举例：举例：可见任意交换指数的位置和改变符号后的所可见任意交换指数的位置和改变符号后的所有结果都是该族的范围。有结果都是该族的范围。晶向指数特征：晶向指数特征：与原点位置无关；每一指数对应一组与原点位置无关；每一指数对应一组平行的晶向。平行的晶向。二、晶面与立方晶系晶面指数二、晶面与立方晶系晶面指数第二节第二节 晶系晶向与晶面指数晶系晶向与晶面指数晶面：晶面：空间中不在一直线任三个阵点的构成的平面，空间中不在一直线任三个阵点的构成的平面，代表了晶体中原子列的方向。代表了晶体中原子列的方向。晶面指数晶面指数：表示晶面方位的符号。：表示晶面方位的符号。标定方法：标定方法：1.1.建立坐标系建立坐标系 结点为原点，三棱为方向，结点为原点，三棱为方向，点阵常数为单位点阵常数为单位 （原点在标定面以外，可（原点在标定面以外，可以采用平移法）以采用平移法）；2.2.晶面在三个坐标上的截距晶面在三个坐标上的截距a1 a2 a3a1 a2 a3 ；3.3.计算其倒数计算其倒数 b1 b2 b3b1 b2 b3 ；4.4.化成最小、整数比化成最小、整数比h h：k k：l l ；5.5.放在圆方括号放在圆方括号(hkl)(hkl)，不加逗号，负号记在，不加逗号，负号记在上方上方 。二、晶面与立方晶系晶面指数二、晶面与立方晶系晶面指数第二节第二节 晶系晶向与晶面指数晶系晶向与晶面指数晶面族：晶面族：原子排列情况相同，但空间位向不同的一组原子排列情况相同，但空间位向不同的一组晶晶面的集合面的集合。表示方法：表示方法：用花括号用花括号hklhkl表示表示。举例：举例：可见任意交换指数的位置和改变符号后的所可见任意交换指数的位置和改变符号后的所有结果都是该族的范围。有结果都是该族的范围。晶面指数特征：晶面指数特征：与原点位置无关；每一指数对应一组与原点位置无关；每一指数对应一组平行的晶面。平行的晶面。三、六方晶系晶面与晶向指数三、六方晶系晶面与晶向指数第二节第二节 晶系晶向与晶面指数晶系晶向与晶面指数1 1、晶面指数、晶面指数：1)1)建立坐标系建立坐标系：在六方晶系中，为了在六方晶系中，为了明确的表示晶体底面的明确的表示晶体底面的(六次六次)对称对称性，底面用互成性，底面用互成120120度的三个坐标度的三个坐标轴轴x1x1、x2x2、x3x3，其单位为晶格常数，其单位为晶格常数a a，加上垂直于底面的方向，加上垂直于底面的方向Z Z，其单，其单位为高度方向的晶格常数位为高度方向的晶格常数c c。注意。注意x1x1、x2x2、x3x3三个坐标值不是独立的三个坐标值不是独立的变量。变量。2)方法同立方晶系，方法同立方晶系，(hkil)为在四个为在四个坐标轴的截距倒数的化简，自然可坐标轴的截距倒数的化简，自然可保证关系式保证关系式hkI0。底面指数。底面指数为为(0001),侧面的指数为侧面的指数为(1010)。三、六方晶系晶面与晶向指数三、六方晶系晶面与晶向指数第二节第二节 晶系晶向与晶面指数晶系晶向与晶面指数2 2、晶向指数、晶向指数标定方法：标定方法：1.1.平移晶向平移晶向(或坐标或坐标)，让原，让原点为晶向上一点，取另一点为晶向上一点，取另一点的坐标，有点的坐标，有:2.2.并满足并满足p pq qr r0 0；3.3.化成最小、整数比化成最小、整数比 u u：v v：t t：w w4.4.放在放在方方方括号方括号uvtwuvtw，不加逗号，负号记在上方，不加逗号，负号记在上方 。三、六方晶系晶面与晶向指数三、六方晶系晶面与晶向指数第二节第二节 晶系晶向与晶面指数晶系晶向与晶面指数3 3、晶向族与晶面族、晶向族与晶面族1)1)同一族的晶向或晶面同一族的晶向或晶面也具有等同的效果；也具有等同的效果；2)2)三个水平方向具有等三个水平方向具有等同的效果，指数的交同的效果，指数的交换只能在他们之间进换只能在他们之间进行，行，Z Z轴只能改变符轴只能改变符号号 ；3)3)改变符号时，前三项要满足改变符号时，前三项要满足p pq qr r0 0的相关性的相关性要求。要求。三、三、其他晶体学概念其他晶体学概念 第二节第二节 晶向与晶面指数晶向与晶面指数2.2.晶面的原子密度：晶面的原子密度：该晶面单位面积上的节点该晶面单位面积上的节点(原子原子)数数。1.1.晶向的原子密度：晶向的原子密度：该晶向单位长度上的节点该晶向单位长度上的节点(原子原子)数。数。3.3.晶带和晶带轴晶带和晶带轴：相交和平行于某一晶向的所有晶面：相交和平行于某一晶向的所有晶面的组合称为晶带，此直线叫做它们的晶带轴。晶带的组合称为晶带，此直线叫做它们的晶带轴。晶带用晶带轴的晶向指数表示。用晶带轴的晶向指数表示。在立方晶系中在立方晶系中有：有：晶面晶面(hkl)(hkl)和其晶带轴和其晶带轴uvwuvw的的指数之间满足关系指数之间满足关系：三、三、其他晶体学概念其他晶体学概念 第二节第二节 晶向与晶面指数晶向与晶面指数4.4.晶面间距晶面间距：指相邻两个平行晶面之间的距离。：指相邻两个平行晶面之间的距离。晶面间的距离越大，晶面上的原子排列越密集。晶面间的距离越大，晶面上的原子排列越密集。同一晶面族的原子排列方式相同，它们的晶面间同一晶面族的原子排列方式相同，它们的晶面间的间距也相同。的间距也相同。不同晶面族的晶面间距也不相同。不同晶面族的晶面间距也不相同。在简单立方晶胞中在简单立方晶胞中 复杂立方晶胞复杂立方晶胞 其中其中fccfcc和和bccbcc晶体晶体中中m m一般为一般为2 2，但要具体分析。，但要具体分析。三、三、其他晶体学概念其他晶体学概念 第二节第二节 晶向与晶面指数晶向与晶面指数5.5.两晶向之间的夹角：两晶向之间的夹角：在立方晶系中按矢量关系，在立方晶系中按矢量关系，晶晶向向uu1 1v v1 1w w1 1 与与uu2 2v v2 2w w2 2 之间的夹角之间的夹角满足关系满足关系：在立方晶系，在立方晶系，晶面晶面之间的夹角也就是为其法线的夹角，之间的夹角也就是为其法线的夹角，用对应的晶向同样可以求出。用对应的晶向同样可以求出。非立方晶系，非立方晶系，晶面晶面或晶向之间的夹角可以计算，但要或晶向之间的夹角可以计算，但要复杂许多。复杂许多。第三节第三节 纯金属常见的晶体结构纯金属常见的晶体结构结构特点结构特点:以金属键结合，失去外层电子的金属离子与以金属键结合，失去外层电子的金属离子与自由电子的吸引力。无方向性，对称性较高的密堆自由电子的吸引力。无方向性，对称性较高的密堆结构。结构。常见结构常见结构：体心立方体心立方 bcc bcc Body-centered cubic面心立方面心立方 fcc fcc Face-centered cubic密堆六方密堆六方 cph cph Close-packed hexagonal一、体心立方一、体心立方第三节第三节 纯金属常见的晶体结构纯金属常见的晶体结构原子位置原子位置 立方体的八个顶角和体心立方体的八个顶角和体心 体心立方中原子排列体心立方中原子排列第三节第三节 纯金属常见的晶体结构纯金属常见的晶体结构在体心立方晶格中密排面为在体心立方晶格中密排面为110，密排方向为，密排方向为体心立方中的体心立方中的间隙间隙第三节第三节 纯金属常见的晶体结构纯金属常见的晶体结构八面体八面体间隙：间隙：位置位置 面心和棱中点面心和棱中点 单胞数量单胞数量 1212/4+6/2=6/4+6/2=6大小大小 四四面体面体间隙：间隙：侧面中心线侧面中心线1/41/4和和3/43/4处处 12 12 个个 二、面心立方二、面心立方第三节第三节 纯金属常见的晶体结构纯金属常见的晶体结构原子位置原子位置 立方体的八个顶角立方体的八个顶角和每个侧面中心和每个侧面中心 面心立方中原子排列面心立方中原子排列第三节第三节 纯金属常见的晶体结构纯金属常见的晶体结构在面心立方晶格中密排面为在面心立方晶格中密排面为111，密排方向为，密排方向为面心立方中的间隙面心立方中的间隙第三节第三节 纯金属常见的晶体结构纯金属常见的晶体结构 将原子假定为将原子假定为刚性球，他们在堆刚性球，他们在堆垛排列时必然存在垛排列时必然存在间隙。在面心立方间隙。在面心立方晶格中存在的间隙晶格中存在的间隙主要有两种形式：主要有两种形式：八面体八面体间隙：间隙：位置位置 体心和棱中点体心和棱中点单胞数量单胞数量 1212/4+1=4/4+1=4 大小大小 四四面体面体间隙：间隙：位置位置 四个最近邻原子的中心四个最近邻原子的中心 单胞数量单胞数量 8 8 大小大小 三、密堆六方三、密堆六方第三节第三节 纯金属常见的晶体结构纯金属常见的晶体结构原子位置原子位置 1212个顶角、上下底心和体内个顶角、上下底心和体内3 3处处 在密堆六方晶格中密排面为在密堆六方晶格中密排面为0001，密排方向为，密排方向为密堆六方中的密堆六方中的间隙间隙第三节第三节 纯金属常见的晶体结构纯金属常见的晶体结构八面体八面体间隙：间隙：位置位置 体内体内 单胞数量单胞数量 6 6大小大小 四四面体面体间隙：间隙：位置位置 棱和中心线的棱和中心线的1/41/4和和3/43/4处处 单胞数量单胞数量 1212大小大小四、面心立方和四、面心立方和密堆六方的原子密堆六方的原子堆垛堆垛第三节第三节 纯金属常见的晶体结构纯金属常见的晶体结构原子的密排面的形式：原子的密排面的形式：在平面上每个原子在平面上每个原子与六个原子相切。与六个原子相切。hcphcp中为中为(0001)(0001)面面，按，按 ABABABABAB-ABABABABAB-方式堆垛方式堆垛 FccFcc中中为为111111面面，按按 ABCABCABCABC-ABCABCABCABC-方式堆垛方式堆垛 五、其他晶体结构五、其他晶体结构第三节第三节 纯金属常见的晶体结构纯金属常见的晶体结构将两个原子为一组，满足面心立方关系。将两个原子为一组，满足面心立方关系。五、其他晶体结构五、其他晶体结构第三节第三节 纯金属常见的晶体结构纯金属常见的晶体结构侧面原子不在中心侧面原子不在中心面心正方面心正方三斜三斜六、其他概念六、其他概念第三节第三节 纯金属常见的晶体结构纯金属常见的晶体结构同素异晶转变同素异晶转变 大部分金属只有一种晶体结构，但也大部分金属只有一种晶体结构，但也有少数金属如有少数金属如FeFe、MnMn、TiTi、CoCo等具有两种或几种晶体等具有两种或几种晶体结构，即具有多晶型。当外部条件结构，即具有多晶型。当外部条件(如温度和压力如温度和压力)改改变时，金属内部由一种晶体结构向另一种晶体结构的变时，金属内部由一种晶体结构向另一种晶体结构的转变称为多晶型转变或同素异晶转变。铁的同素异晶转变称为多晶型转变或同素异晶转变。铁的同素异晶转变在热处理中有非常重大的意义转变在热处理中有非常重大的意义 六、其他概念六、其他概念第三节第三节 纯金属常见的晶体结构纯金属常见的晶体结构原子半径原子半径 当大量原子通过键合组成紧密排列的晶体当大量原子通过键合组成紧密排列的晶体时，利用原子等径刚球密堆模型，以相切两刚球的中时，利用原子等径刚球密堆模型，以相切两刚球的中心距心距(原子间距原子间距)之半作为原子半径。原子半径的测量之半作为原子半径。原子半径的测量方法是利用方法是利用X X射线来先确定其晶体结构的类型和一些射线来先确定其晶体结构的类型和一些晶面的间距，然后根据晶体结构中原子排列的关系计晶面的间距，然后根据晶体结构中原子排列的关系计算出。算出。原子的半径并不是固定不变的，它随着结合键的类型和外原子的半径并不是固定不变的，它随着结合键的类型和外界环境不同而不同。一般表现规律为：界环境不同而不同。一般表现规律为：温度升高，原子半径温度升高，原子半径增大；压力增大，原子半径减小；增大；压力增大，原子半径减小；原子间结合键愈强，如离原子间结合键愈强，如离子键或金属键，原子间距相应较小，即原子的半径也较小；子键或金属键，原子间距相应较小，即原子的半径也较小；晶体中，原子的配位数的降低，原子的半径也随之减小，在同晶体中，原子的配位数的降低，原子的半径也随之减小，在同素异晶转变中，这种改变可减小转变中的体积变化，铁的面心素异晶转变中，这种改变可减小转变中的体积变化，铁的面心立方与体心立方晶格之间的变化就是一例。立方与体心立方晶格之间的变化就是一例。第四节第四节 材料的实际晶体结构材料的实际晶体结构一、多晶体结构一、多晶体结构单晶体单晶体:一块晶体材料，其内部一块晶体材料，其内部的晶体位向完全一致时，即的晶体位向完全一致时，即整个材料是一个晶体，这块整个材料是一个晶体，这块晶体就称之为晶体就称之为“单晶体单晶体”，实用材料中如半导体集成电实用材料中如半导体集成电路用的单晶硅、专门制造的路用的单晶硅、专门制造的金须和其他一些供研究用的金须和其他一些供研究用的材料。材料。一、多晶体结构一、多晶体结构第四节第四节 材料的实际晶体结构材料的实际晶体结构多晶体多晶体:实际应用的工程材料实际应用的工程材料中，那怕是一块尺寸很小中，那怕是一块尺寸很小材料，绝大多数包含着许材料，绝大多数包含着许许多多的小晶体，每个小许多多的小晶体，每个小晶体的内部，晶格位向是晶体的内部，晶格位向是均匀一致的，而各个小晶均匀一致的，而各个小晶体之间，彼此的位向却不体之间，彼此的位向却不相同。称这种由多个小晶相同。称这种由多个小晶体组成的晶体结构称之为体组成的晶体结构称之为“多晶体多晶体”。一、多晶体结构一、多晶体结构第四节第四节 材料的实际晶体结构材料的实际晶体结构晶粒：晶粒：多晶体材料中每个多晶体材料中每个小晶体的外形多为不规则小晶体的外形多为不规则的颗粒状，通常把它们叫的颗粒状，通常把它们叫做做“晶粒晶粒”。晶界：晶界：晶粒与晶粒之间的晶粒与晶粒之间的分界面叫分界面叫“晶粒间界晶粒间界”，或简称或简称“晶界晶界”。为了适。为了适应两晶粒间不同晶格位向应两晶粒间不同晶格位向的过渡，在晶界处的原子的过渡，在晶界处的原子排列总是不规则的。排列总是不规则的。二、多晶体的组织二、多晶体的组织与性能：与性能：第四节第四节 材料的实际晶体结构材料的实际晶体结构伪各向同性：伪各向同性：多晶体材料中，尽管每个晶粒内部象单多晶体材料中，尽管每个晶粒内部象单晶体那样呈现各向异性，每个晶粒在空间取向是随机晶体那样呈现各向异性，每个晶粒在空间取向是随机分布，大量晶粒的综合作用，整个材料宏观上不出现分布，大量晶粒的综合作用，整个材料宏观上不出现各向异性，这个现象称为多晶体的伪各向同性。各向异性，这个现象称为多晶体的伪各向同性。组织组织：（如图）（如图）性能：性能：组织敏感的性能组织敏感的性能组织不敏感的性能组织不敏感的性能三、晶体中的缺陷概论三、晶体中的缺陷概论第四节第四节 材料的实际晶体结构材料的实际晶体结构晶体缺陷：晶体缺陷：即使在每个晶粒的内部，也并不完全象即使在每个晶粒的内部，也并不完全象晶体学中论述的晶体学中论述的(理想晶体理想晶体)那样，原子完全呈现那样，原子完全呈现周期性的规则重复的排列。把实际晶体中原子排周期性的规则重复的排列。把实际晶体中原子排列与理想晶体的差别称为晶体缺陷。晶体中的缺列与理想晶体的差别称为晶体缺陷。晶体中的缺陷的数量相当大，但因原子的数量很多，在晶体陷的数量相当大，但因原子的数量很多，在晶体中占有的比例还是很少，材料总体具有晶体的相中占有的比例还是很少，材料总体具有晶体的相关性能特点，而缺陷的数量将给材料的性能带来关性能特点，而缺陷的数量将给材料的性能带来巨大的影响。巨大的影响。三、晶体中的缺陷概论三、晶体中的缺陷概论第四节第四节 材料的实际晶体结构材料的实际晶体结构晶体缺陷按范围分类：晶体缺陷按范围分类：1.点缺陷点缺陷 在三维空间各方向上尺寸都很小，在原在三维空间各方向上尺寸都很小，在原子尺寸大小的晶体缺陷。子尺寸大小的晶体缺陷。2.线缺陷线缺陷 在三维空间的一个方向上的尺寸很大在三维空间的一个方向上的尺寸很大(晶晶粒数量级粒数量级)，另外两个方向上的尺寸很小，另外两个方向上的尺寸很小(原子尺原子尺寸大小寸大小)的晶体缺陷。其具体形式就是晶体中的的晶体缺陷。其具体形式就是晶体中的位错位错Dislocation 3.面缺陷面缺陷 在三维空间的两个方向上的尺寸很大在三维空间的两个方向上的尺寸很大(晶晶粒数量级粒数量级)，另外一个方向上的尺寸很小，另外一个方向上的尺寸很小(原子尺原子尺寸大小寸大小)的晶体缺陷。的晶体缺陷。第五节第五节 点缺陷点缺陷点缺陷：点缺陷：在三维空间各方向上尺寸都很小，在原子尺寸大小在三维空间各方向上尺寸都很小，在原子尺寸大小的晶体缺陷。的晶体缺陷。一、点缺陷的类型一、点缺陷的类型：1)1)空位空位 在晶格结点位置应有原子的在晶格结点位置应有原子的地方空缺，这种缺陷称为地方空缺，这种缺陷称为“空位空位”。2)2)间隙原子间隙原子 在晶格非结点位置，往在晶格非结点位置，往往是晶格的间隙，出现了多余的原往是晶格的间隙，出现了多余的原子。它们可能是同类原子，也可能子。它们可能是同类原子，也可能是异类原子。是异类原子。3)3)异类原子异类原子 在一种类型的原子组成在一种类型的原子组成的晶格中，不同种类的原子替换原的晶格中，不同种类的原子替换原有的原子占有其应有的位置。有的原子占有其应有的位置。二、点缺陷对材料性能的影响二、点缺陷对材料性能的影响第五节第五节 点缺陷点缺陷原因：原因：无论那种点缺陷的存在，都会使其附近的原子稍微偏无论那种点缺陷的存在，都会使其附近的原子稍微偏离原结点位置才能平衡，即造成小区域的晶格畸变。离原结点位置才能平衡，即造成小区域的晶格畸变。效果效果1)1)提高材料的电阻提高材料的电阻 定向流动的电子在点缺陷处受到非定向流动的电子在点缺陷处受到非平衡力平衡力(陷阱陷阱)，增加了阻力，加速运动提高局部温度，增加了阻力，加速运动提高局部温度(发热发热)。2)2)加快原子的扩散迁移加快原子的扩散迁移 空位可作为原子运动的周转站。空位可作为原子运动的周转站。3)3)形成其他晶体缺陷形成其他晶体缺陷 过饱和的空位可集中形成内部的过饱和的空位可集中形成内部的空洞，集中一片的塌陷形成位错。空洞，集中一片的塌陷形成位错。4)4)改变材料的力学性能改变材料的力学性能 空位移动到位错处可造成刃位空位移动到位错处可造成刃位错的攀移，间隙原子和异类原子的存在会增加位错的错的攀移，间隙原子和异类原子的存在会增加位错的运动阻力。会使强度提高，塑性下降、运动阻力。会使强度提高，塑性下降、三、空位的平衡浓度三、空位的平衡浓度第二节第二节 点缺陷点缺陷空位的出现提高了体系的内能空位的出现提高了体系的内能 空位的出现破坏了其空位的出现破坏了其周围的结合状态，因而造成局部能量的升高，由空位的出现而周围的结合状态，因而造成局部能量的升高，由空位的出现而高于没有空位时的那一部分能量称为高于没有空位时的那一部分能量称为“空位形成能空位形成能”。空位的出现提高了体系的熵值空位的出现提高了体系的熵值 平衡空位浓度平衡空位浓度 体系的自由能最低时，晶体处于平体系的自由能最低时，晶体处于平衡稳定状态，晶体中存在的空位浓度。衡稳定状态，晶体中存在的空位浓度。原因：原因：三、空位的平衡浓度三、空位的平衡浓度第二节第二节 点缺陷点缺陷例如例如：CuCu晶体得空位形成能为晶体得空位形成能为0.9ev/atom=1.44X100.9ev/atom=1.44X10-19-19J/atomJ/atom，在，在500500时计算可得出平衡空位的浓度为时计算可得出平衡空位的浓度为1.4X101.4X10-6-6(很低很低)，而，而在每立方米的铜晶体存在在每立方米的铜晶体存在1.2X101.2X102323个空位个空位(数量很多数量很多)。过饱和空位过饱和空位 晶体中含点缺陷的数目明显超过平衡晶体中含点缺陷的数目明显超过平衡值。如高温下停留平衡时晶体中存在一平衡空位，值。如高温下停留平衡时晶体中存在一平衡空位，快速冷却到一较低的温度，晶体中的空位来不及移快速冷却到一较低的温度，晶体中的空位来不及移出晶体，就会造成晶体中的空位浓度超过这时的平出晶体，就会造成晶体中的空位浓度超过这时的平衡值。过饱和空位的存在是一非平衡状态，有恢复衡值。过饱和空位的存在是一非平衡状态，有恢复到平衡态的热力学趋势，在动力学上要到达平衡态到平衡态的热力学趋势，在动力学上要到达平衡态还要一时间过程。还要一时间过程。第六节第六节 位错的基本概念位错的基本概念 线缺陷：线缺陷：在三维空间的一个方向上的尺寸很大在三维空间的一个方向上的尺寸很大(晶粒数量级晶粒数量级)，另外两个方向上的尺寸很小，另外两个方向上的尺寸很小(原子尺寸大小原子尺寸大小)的晶体缺陷。的晶体缺陷。其具体形式就是晶体中的位错其具体形式就是晶体中的位错Dislocation 一、位错的原子模型一、位错的原子模型 将晶体的上半部分向左移动一个原子间距，再按原子的将晶体的上半部分向左移动一个原子间距，再按原子的结合方式连接起来结合方式连接起来(b)。除分界线附近的一管形区域例外，其。除分界线附近的一管形区域例外，其他部分基本都是完好的晶体。在分界线的上方将多出半个原他部分基本都是完好的晶体。在分界线的上方将多出半个原子面，这就是刃型位错。子面，这就是刃型位错。一、位错的原子模型一、位错的原子模型第六节第六节 位错的基本概念位错的基本概念 若将晶体的上半部分向后若将晶体的上半部分向后移动一个原子间距，再按原子移动一个原子间距，再按原子的结合方式连接起来的结合方式连接起来(c)(c)，同样，同样除分界线附近的一管形区域例除分界线附近的一管形区域例外，其他部分基本也都是完好外，其他部分基本也都是完好的晶体。而在分界线的区域形的晶体。而在分界线的区域形成一螺旋面，这就是螺型位错。成一螺旋面，这就是螺型位错。二、柏氏矢量二、柏氏矢量 第六节第六节 位错的基本概念位错的基本概念 确定方法：确定方法：首先在原子排列基本正常区域作一个包含位错的首先在原子排列基本正常区域作一个包含位错的回路，也称为柏氏回路，这个回路包含了位错发生的畸变。回路，也称为柏氏回路，这个回路包含了位错发生的畸变。然后将同样大小的回路置于理想晶体中，回路当然不可能然后将同样大小的回路置于理想晶体中，回路当然不可能封闭，需要一个额外的矢量连接才能封闭，这个矢量就称封闭，需要一个额外的矢量连接才能封闭，这个矢量就称为该位错的柏氏为该位错的柏氏(Burgers)(Burgers)矢量。矢量。说明：这是一个并不十分准确的定义方法。柏氏矢量的方向与位错线方向的定义有关，应该首先定义位错线的方向，再依据位错线的方向来定柏氏回路的方向，再确定柏氏矢量的方向。在专门的位错理论中还会纠正。二、柏氏矢量二、柏氏矢量 第六节第六节 位错的基本概念位错的基本概念 柏氏矢量与位错类型的关系：柏氏矢量与位错类型的关系：刃型位错刃型位错 柏氏矢量与位错线相互垂直。柏氏矢量与位错线相互垂直。(依方向关系可依方向关系可分正刃和负刃型位错分正刃和负刃型位错)螺型位错螺型位错 柏氏矢量与位错线相互平行。柏氏矢量与位错线相互平行。(依方向关系可依方向关系可分左螺和右螺型位错分左螺和右螺型位错)混合位错混合位错 柏氏矢量与位错线的夹角非柏氏矢量与位错线的夹角非0 0或或9090度。度。柏氏矢量守恒：柏氏矢量守恒：同一位错的柏氏矢量与柏氏回路的大小和走向无关。同一位错的柏氏矢量与柏氏回路的大小和走向无关。一条位错线的柏氏矢量相同，一条位错线的柏氏矢量相同，位错不可能终止于晶体的内部，位错不可能终止于晶体的内部，只能到表面、晶界和其他位错，在位错网的交汇点，必然只能到表面、晶界和其他位错，在位错网的交汇点，必然 三、位错的运动三、位错的运动 第六节第六节 位错的基本概念位错的基本概念 刃型位错的滑移运动：在图示的晶体上施加一切应力，当应力刃型位错的滑移运动：在图示的晶体上施加一切应力，当应力足够大时，有使晶体上部向有发生移动的趋势。假如晶体足够大时，有使晶体上部向有发生移动的趋势。假如晶体中有一刃型位错，显然位错在晶体中发生移动比整个晶体中有一刃型位错，显然位错在晶体中发生移动比整个晶体移动要容易。因此，移动要容易。因此，位错的运动在外加切应力的作用下位错的运动在外加切应力的作用下发生；发生；位错移动的方向和位错线垂直；位错移动的方向和位错线垂直；运动位错扫过运动位错扫过的区域晶体的两部分发生了柏氏矢量大小的相对运动的区域晶体的两部分发生了柏氏矢量大小的相对运动(滑移滑移)；位错移出晶体表面将在晶体的表面上产生柏氏矢量大位错移出晶体表面将在晶体的表面上产生柏氏矢量大小的台阶。小的台阶。三、位错的运动三、位错的运动 第六节第六节 位错的基本概念位错的基本概念 螺型位错的滑移：在图示的晶体上施加一切应力，当应力足够大螺型位错的滑移：在图示的晶体上施加一切应力，当应力足够大时，有使晶体的左右部分发生上下移动的趋势。假如晶体中有一时，有使晶体的左右部分发生上下移动的趋势。假如晶体中有一螺型位错，显然位错在晶体中向后发生移动，移动过的区间右边螺型位错，显然位错在晶体中向后发生移动，移动过的区间右边晶体向下移动一柏氏矢量。因此，晶体向下移动一柏氏矢量。因此，螺位错是在外加切应力的作螺位错是在外加切应力的作用下发生运动；用下发生运动；位错移动的方向总是和位错线垂直；位错移动的方向总是和位错线垂直；运动位运动位错扫过的区域晶体的两部分发生了柏氏矢量大小的相对运动错扫过的区域晶体的两部分发生了柏氏矢量大小的相对运动(滑滑移移)；位错移过部分在表面留下部分台阶，全部移出晶体的表位错移过部分在表面留下部分台阶，全部移出晶体的表面上产生柏氏矢量大小的完整台阶。面上产生柏氏矢量大小的完整台阶。三、位错的运动三、位错的运动 第六节第六节 位错的基本概念位错的基本概念 刃位错的攀移运动：刃位错的攀移运动：刃型位错在垂直于滑移面方向上的运动。刃型位错在垂直于滑移面方向上的运动。刃位错发生攀移运动时相当于半原子面的伸长或缩短，通常把刃位错发生攀移运动时相当于半原子面的伸长或缩短，通常把半原子面缩短称为正攀移，反之为负攀移。半原子面缩短称为正攀移，反之为负攀移。滑移时不涉及单个原子迁移，即扩散。刃型位错发生正攀滑移时不涉及单个原子迁移，即扩散。刃型位错发生正攀移将有原子多余，大部分是由于晶体中空位运动到位错线上的移将有原子多余，大部分是由于晶体中空位运动到位错线上的结果，从而会造成空位的消失；而负攀移则需要外来原子，无结果，从而会造成空位的消失；而负攀移则需要外来原子，无外来原子将在晶体中产生新的空位。空位的迁移速度随温度的外来原子将在晶体中产生新的空位。空位的迁移速度随温度的升高而加快，因此刃型位错的攀移一般发生在温度较高时。升高而加快，因此刃型位错的攀移一般发生在温度较高时。滑移面滑移面：过位错线并和柏氏矢量平行的平面：过位错线并和柏氏矢量平行的平面(晶面晶面)是该位错是该位错的滑移面。的滑移面。位错的滑移运动位错的滑移运动：位错在滑移面上的运动。：位错在滑移面上的运动。四、位错的观察四、位错的观察 第六节第六节 位错的基本概念位错的基本概念 位错在晶体表面的露头位错在晶体表面的露头 抛光后的抛光后的试样在侵蚀时，由于易侵蚀而出现试样在侵蚀时，由于易侵蚀而出现侵蚀坑，其特点是坑为规则的多边侵蚀坑，其特点是坑为规则的多边型且排列有一定规律。只能在晶粒型且排列有一定规律。只能在晶粒较大，位错较少时才有明显效果。较大，位错较少时才有明显效果。薄膜透射电镜观察薄膜透射电镜观察 将试将试样减薄到几十到数百个原样减薄到几十到数百个原子层子层(500nm(500nm以下以下)，利用透，利用透射电镜进行观察，可见到射电镜进行观察，可见到位错线。位错线。四、位错的观察四、位错的观察 第六节第六节 位错的基本概念位错的基本概念 表示晶体中含有位错数量的参数。表示晶体中含有位错数量的参数。位错密度位错密度用单位体积位错线的总长度表示。用单位体积位错线的总长度表示。在金属材料中，退火状态下，接近平衡状态所得在金属材料中，退火状态下，接近平衡状态所得到的材料，这时位错的密度较低，约在到的材料，这时位错的密度较低，约在106的数量级；的数量级；经过较大的冷塑性变形，位错的密度可达经过较大的冷塑性变形，位错的密度可达1010-12的数量级。详细内容到塑性变形一章再论述。的数量级。详细内容到塑性变形一章再论述。位错密度位错密度五、位错的应变能五、位错的应变能来源：来源：位错应变能主要是弹性应变能。弹簧或其他弹性体的弹位错应变能主要是弹性应变能。弹簧或其他弹性体的弹性位能性位能0.5kx2。同样在单位体积内弹性位能，正应力引起的为。同样在单位体积内弹性位能，正应力引起的为0.50.5，而切应力引起的为，而切应力引起的为0.50.5。大小：大小：位错应变能的大小，以单位长度位错线上的应变能来表位错应变能的大小，以单位长度位错线上的应变能来表示，单位为示，单位为J JM M-1-1。在数值上在数值上U=GbU=Gb2 2，其中，其中b为柏氏矢量的大小，为柏氏矢量的大小，G为材料的为材料的剪切变模量。剪切变模量。为常数，螺位错为为常数，螺位错为0.550.73，常用，常用0.