上交材料科学基础--晶体缺陷.ppt

编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,Your company slogan,1,沈耀,材料,A,楼,509B,Email,:,yaoshen,Tel,:,34203763,13524655390,第三章 晶体缺陷,Imperfections(defects)in Crystals,2,第三章 晶体缺陷,Imperfections(defects)in Crystals,“It is the defects that makes materials so interesting,just like the human being.”,“Defects are at the heart of materials science.”,3,实际晶体中的缺陷,晶体缺陷：晶体中各种偏离理想结构的区域,根据几何特征分为三类,点缺陷,（,point defect),三维空间的各个方向均很小,零维缺陷,(zero-dimensional defect),线缺陷,（,line defect),在二个方向尺寸均很小,面缺陷,（,plane defect),在一个方向上尺寸很小,一维缺陷,(one-dimensional defect),二维缺陷,(,two-dimensional defect),4,课程安排,课程安排,点缺陷 （第,1,周）,位错几何 （第,1,2,周）,位错力学 （第,2,周）,位错运动、实际晶体中的位错（第,3,、,4,周）,表面与界面（第,4,、,5,周）,课堂讨论 （第,5,周）,5,点缺陷,点缺陷：空位、间隙原子、溶质原子、和杂质原子、,+,复合体（如：空位对、空位,-,溶质原子对）,点缺陷的形成,（,The production of point defects),（,1,）,热运动,：强度是温度的函数,能量起伏,=,原子脱离原来的平衡位置而迁移别处,=,空位,(vacancy),Schottky,空位，,-,晶体表面,Frenkel,空位，,-,晶体间隙,原因,：,（,2,）,冷加工,（,3,）,辐照,6,平衡浓度的推导,假设条件,:,（,1,）晶体体积保持常数，不随温度而变；每个缺陷的能量 与温度无关；,（,2,）缺陷间没有相互作用，彼此独立无关；,（,3,）空位及间隙原子的存在不改变点阵振动的本征频率。,平衡判据,F,：赫姆霍茨自由能,U,：内能,S,：熵,Stirling,公式：,7,与点缺陷有关的能量与频率,空位形成能：,D,E,v,原子,-,晶体表面,=,电子能,+,畸变能,空位迁移频率：,D,E,m,:,空位迁移能,D,S,m,:,空位迁移熵,平衡浓度：,热力学稳定的缺陷：产生与消亡达致平衡,8,点缺陷浓度及对性能的影响,*,过饱和空位：,高温淬火、冷加工、辐照,1,。电阻增大,2,。提高机械性能,3,。有利于原子扩散,4,。体积膨胀，密度减小,*,点缺陷对性能的影响,9,第二部分,位错概念与位错几何,10,位错举例：刃位错与螺位错,刃位错,螺位错,11,缘起：,单晶体理论强度（滑移的临界剪切应力）与实验值有巨大差距,理论值：,t,c,=10,-2,10,-1,G,实验值：,t,c,=10,-8,10,-4,G,位错概念的提出（一）,假说：,1934,年,证实：,上世纪,50,年代，电镜实验观察,材料科学中的有关晶体的,核心概念,之一；,材料科学基础,中,最难懂,的概念。,12,单晶体理论强度的计算（一）,h,a,a/2,a/2,x,x,x,x,(a),(b),(d),(c),13单晶体理论强度的计算（二）,14,计算中的假设,1,。完整晶体，没有缺陷,2,。整体滑动,3,。正弦曲线（,0.01-0.1G,）,问题出在假设,1,和,2,上！应是局部滑移！,日常生活和大自然的启示,=,15,有缺陷晶体的局部滑动,存在着某种缺陷,-,位错（,dislocation,）,位错的运动（逐步传递）,=,晶体的逐步滑移,小宝移大毯！,毛毛虫的蠕动,16,位错的高分辨图像,17,位错的明场像原理,18,典型的位错明场像照片,19,位错特性：滑移面上已滑动区域与未滑动区域的边界,两个几何参量,（矢量）表征,位错,的,几何特征,:,线缺陷,（不考虑位错核心结构）,位错线方向矢量（,切矢量,）,滑移矢量（,柏氏矢量,）,晶体局部滑动的推进,=,位错运动,运动前方：未滑动区域,运动后方：已滑动区域,边界：位错所在位置，位错线,20,1,。首先选定位错的正向,；,2,。然后绕位错线周围作右旋（,RH,）,闭合回路,-,柏氏回路；,在不含有位错的完整晶体中作,同样步数的路径,，,3,。由终点向始点引一矢量，即为此位错线的柏氏矢量，记为,柏氏矢量的确定,Burgers Vector,FS/RH,规则,柏氏回路将位错正方向与滑移矢量（柏氏矢量）的正向关联起来！,21,刃型位错,edge dislocation,其形状类似于在晶体中插入一把刀刃而得名。,特征：,*,1,）有一额外原子面，额外半原子面刃口处的原子列称为位错,*,2,）位错线垂直于滑移矢量，位错线与滑移矢量构成的面是滑移面，刃位错的滑移面是唯一的。,3,）半原子面在上,正刃型位错 ；在下,负刃型位错,*,4,）刃位错的位错线不一定是直线，可以是折线，也可以是曲线，但位错线必与滑移矢量垂直。,5,）刃型位错周围的晶体产生畸变，上压，下拉，半原子面是对称的，位错线附近畸变大，远处畸变小。,6,）位错周围的畸变区一般只有几个原子宽（一般点阵畸变程度大于其正常原子间距的,1/4,的区域宽度，定义为位错宽度，约,25,个原子间距。）,*畸变区是狭长的管道，故位错可看成是线缺陷。,22,螺型位错的图像,23,螺型位错的特征,特征：,1,）无额外半原子面，原子错排是轴对称的,2,）位错线与柏氏矢量平行，且为直线,3,）凡是以螺型位错线为晶带轴的晶带由所有晶面都可以为滑移面。,4,）螺型位错线的运动方向与,柏氏,矢量相垂直,5),分左螺旋位错,left-handed screw,符合左手法则,右,right-handed screw,右,6,）螺型位错也是包含几个原子宽度的线缺陷,24,混合位错,混合位错：,滑移矢量既不平行业不垂直于位错线，而是与位错线相交成任意角度。,一般混合位错为曲线形式，故每一点的滑移矢量式相同的，但其与位错线的交角却不同。,25,各种位错的柏氏矢量,26,1,。反映位错周围点阵畸变的,总积累包括强度和取向）,2,。该矢量的方向表示位错运动导致晶体滑移的方向，而该矢量的模表示畸变的程度称为位错的强度。,（,strength of dislocation,）,柏氏矢量的物理意义,27,柏氏矢量的守恒性,柏氏矢量的守恒性：与柏氏回路起点的选择无关，也与回路的具体途径无关,1,。一根位错线具有唯一的柏氏矢量，其各处的柏氏矢量都相同，且当位错运动时，其柏氏矢量也不变。,2,。位错的连续性：位错线只能终止在晶体表面或界面上，而不能中止于晶体内部；在晶体内部它只能形成封闭的环线或与其他位错相交于结点上。,28,柏氏矢量的大小和方向可用它在晶轴上的分量,-,点阵矢量，来表示,在立方晶体中，可用于相同的晶向指数来表示：,柏氏矢量的表示法,位错强度,位错合并,29,第三部分,位错力学,30,位错的应力场：应力张量,应力张量：二阶张量,or,Scientific,Engineering,平衡状态：,or,应力二阶张量,的意义,矢量,二阶张量,矢量,力,31,失量与张量的坐标转换,1,1,2,3,2,3,P,(P),夹角余弦矩阵,1,2,3,1,L11 L12 L13,2,L21 L22 L23,3,L31 L32 L33,矢量：,P,i,=,S,L,ij,*P,j,，,j=1,，,2,，,3,张量：,s,IJ,=,SS,L,Ii,*L,Jj,*,s,ij,；,i,，,j=1,，,2,，3,32,线弹性理论概要,33,螺型位错的应力场,连续介质模型：,中空圆柱（不考虑位错中心区）,圆柱坐标：方便（利用其轴对称特性！）,位移：,u,z,，其余分量为零,应变：,g,yz,=b/2,p,r=,g,yz,其余分量为零,应力：,t,yz,=,t,yz,=G,g,yz,=Gb/2,p,r,，虎克定律；其余分量为零,直角坐标,34,螺型位错的应力场的特点,只有切应力分量，无体积变化,应变、应力场为轴对称,1/r,规律,；,r-0,应力无穷大，不合实际情况，不适合中心严重畸变区。此规律适用于所有位错！,35,刃型位错的应力场,连续介质模型：,1,。切开，插入半原子面大小的弹性介质,2,。中空圆柱，径向平移,b,插入,切开,1,2,直角坐标,圆柱坐标,n,n,36,同时存正、切应力分量，正比于,Gb,各应变、应力只是（,x,y),的函数，平面应变,多余半原子面所在平面为对称平面,滑移面上无正应力、切应力达最大值,上压下拉,Anywhere,特征分界线,x=+-y,t,xy,t,yy,在其两侧变号，,其上则为零,刃型位错应力场的特点,注意：前述为无限长直位错在无限大均匀各向同性介质中的应力场,n,37,位错,=,点阵畸变,=,能量的增高，此增量称为位错的应变能,(E=Ec+Es Es),Ec,：位错中心应变能,(,占总的,10%),Es,：位错应力场引起的弹性应变能,位错的应变能,制造单位位错所作的功,位错的应变能,Strain Energy,根据,位错切移模型,和,弹性理论,可求得,混合位错角度因素：螺,K,=1,刃,K,=1-n,z,z,x,x,38,位错应变能的特点,1,）,应变能与,b,2,成正比,，故具有最小,b,的位错最稳定,b,，大的位错有可能分解为,b,小的位错，以降低系统能量。,2),应变能随,R,而，故在,位错具有长程应力场，其中的长程应变能起主导作用,，位错中心区能量较小，可忽略不计。,3,）,Es,螺,/Es,刃,=1-,n,常用金属材料,n,约为,1/3,，故,Es,螺,/Es,刃,=2/3,4,）,位错的能量还与位错线的形状及长度有关,，两点之间以直线为最短，位错总有被拉直的趋势，产生一线张力。,5,）位错的存在 体系内能，,晶体的熵值 可忽略,因此位错的存在使晶体处于高能的不稳定状态，可见,位错是热力学不稳定的晶体缺陷,。,39,位错的线张力,线张力,:,为了降低能量，位错自发变直，缩短长度的趋势,T=dE/dl T=,a,Gb,2,（,a,=0.51.0,）,*组态力 趋向于能量较低的状态，没有施力者,*线张力的意义：,a.,使位错线缩短变直,b.,晶体中位错呈三维网状分布,端点固定的位错在剪应力作用下的平衡形态,或,40,位错运动方向,位错线,=,假想力作用于位错上,虚功原理：,=,滑移力：,F,d,=,t,b,t,：作用在滑移面上、指向柏氏矢量,b,的剪应力,*永远,位错线,攀移力：,Fy=-,s,xx,b,位错线，也,b,（刃位错或刃型分量）,作用在位错上的力,矢量与张量表示的力矢量,41,位错间的作用力,通过彼此的应力场实现：,F,1-2,=,t,1-2,b,2,两平行螺位错间的作用力：,F,r,=,G,b,1,b,2,/r,圆周对称应力场,-,圆周对称作用力,同号相斥，异号相吸,两平行刃位错间的作用力：,矢量与张量表示的力矢量,滑移力,攀移力,42,两刃位错间作用力的讨论（一）,同号位错,异号位错,排斥,吸引,排斥,吸引,排斥,排斥,吸引,吸引,介稳,稳定,介稳,介稳,介稳,介稳,介稳,稳定,滑移力,攀移力,同号相斥，异号相吸,43,两刃位错间作用力的讨论（二）,两同号位错间作用力与两异号位错间作用力：,大小相等，方向相反（,适用于所有位错,）,44,两任意平行位错间作用力,在各向同性介质中：,两相互平行的螺位错与刃位错间：无作用力！,原因：各自的应力场在对方的滑移面及滑移方向上无剪应力！,相互作用力,=,刃型分量间的作用力,+,螺型分量间的作用力,可用能量法定性判断：,b,1,矢量与,b,2,矢量间夹角,b,1,2,+b,2,2,:,排斥,b,1,矢量与,b,2,矢量间夹角,p,/2:b,2,b,1,2,+b,2,2,:,吸引,45,第四部分,位错运动与实际晶体中的位错,46,位错的运动一）,人们为什么对位错感兴趣？,大量位错在晶体中的运动,=,晶体,宏观塑性变形,位错运动的两种基本形式：,滑移和攀移,滑移面：位错线与柏氏矢量所在平面,刃位错的滑移面：？螺位错的滑移面：？,滑移,2DMove1:4-12,滑移,2DMove2:4-13,刃位错的滑移,晶体的滑移总是与,b,矢量在同一直线上，同向或反向，取决于剪应力方向,47,位错的运动（二）,位错有一定宽度，位错滑移一个,b,时，位错中原子各移动一小距离。,宽位错易移！,48,位错的运动（三）,攀移：刃位错滑移面,=,多余半原子面的扩大或缩小,=,原子或空位的扩散,螺位错的交滑移,特点,:,(1),扩散需要热激活，比滑移需要更大的能量,(2),纯剪应力不能引起体积变化，对攀移不起作用,(3),过饱和空位的存在有利于攀移进行。,涉及多个滑移面的滑移,49,位错的交割（一）,交割：位错与穿过其滑移面的位错彼此切割,意义：,有利于晶体强化及空位和间隙原子的产生。,几种典型的位错交割,1,。两个互相垂直的刃位错的交割,2,。刃位错和螺位错的交割,3,。两个互相垂直的螺位错的交割,50,螺位错运动过后晶体两部分的相对运动方向,假设滑移面左侧晶体不动，请判断正负螺位错在不同的方向运动后，右侧晶体的运动方向。,v,c,:,晶体右侧运动方向；,v,d,：位错运动方向,螺旋起点、终点在已滑过区域有利于判断。,vd,vd,vd,vdx,b,x,b,x,b,x,b,vc,vc,vc,vc,右螺旋,右螺旋,左螺旋,左螺旋,51,刃型位错的运动引起的原子列的变化,移动部分：,移动部分的移动方向：,刃型位错,位错运动队原子列构型的影响（一）,52,螺型位错,螺型位错的运动引起的原子列的变化,移动部分：,移动部分的移动方向：,位错运动队原子列构型的影响（二）,位错运动队原子列构型的影响（一）,53,对于刃型位错和螺型位错都有：,（原子列）移动部分：,（原子列）移动部分的移动方向：,其中，,我的规则,位错运动队原子列构型的影响（三）,“,香港”规则,对于刃型位错和螺型位错都有：,（原子列）移动部分：（左手规则）,（原子列）移动部分的移动方向：,简化规则,54,位错的交割（一）,交割：位错与穿过其滑移面的位错彼此切割,意义：,有利于晶体强化及空位和间隙原子的产生。,几种典型的位错交割,1,。两个互相垂直的刃位错的交割,55,位错的交割（二）,2,。刃位错和螺位错的交割：,割阶,+,扭折,刃位错,螺位错,割阶,扭折,56,位错的交割（三）,3,。两个互相垂直的螺位错的交割,产生两个刃型割阶，大小和方向各等于对方,b,矢量,57,割阶与纽折（,Jog and Kink,）,所有的割阶都是刃型位错，,纽折可以是刃位错也可以是螺位错,割阶：攀移，硬化,割阶的三种情况：,1,。高度,1-2b,，拖着走，,一排点缺陷,2,。几个,b20nm,，形成位错偶。,3,。,20nm,，各自旋转,58,位错密度,位错密度：单位体积中的位错线的总长度。,r,=L/V,（,1/cm,2,）（,1,）,r,=nl/lA=n/A,（,2,）,（面积,A,中所见的位错线数目）,（,2,）,=10,3,/cm,2,剧烈冷变形的金属：,10,10,10,12,/cm,2,59,宏观应变率与位错运动速率及密度的关系,一个位错,滑过,整个滑移面,后对正应变的贡献,一个位错,滑过,部分滑移面,后对正应变的贡献,全部位错,在,D,t,时间内,的滑移对正应变的贡献,剪应变方法相同,考虑正应变的情形，分为三步：,60,位错的生成,晶体缓慢生长过程中产生的位错：,1,。成分不同,=,晶块点阵常数不同,=,位错过渡,2,。晶块偏转、弯曲,=,位相差,=,位错过渡,3,。晶体表面受到影响,=,台阶或变形,=,产生位错,快速凝固,=,过饱和空位,=,聚集,=,位错,热应力,=,界面和微裂纹处应力集中,=,局部滑移,=,位错,61,位错的增殖,事实上：密度增加，可达,4-5,个数量级,位错必有增殖！,主要增殖机制：,Frank-Read,位错源,已为实验所证实：,Si,，,Al-Cu,晶体中观察到,位错滑移到表面,=,宏观变形（减少？）,62,螺位错双交滑移增殖,比,Frank-Read,源更有效,!,63,实际晶体中的位错,简单立方晶体：柏氏矢量,=点阵矢量,实际晶体：柏氏矢量,=,，,点阵矢量,全位错（,perfect dislocation,：柏氏矢量,=n*,点阵矢量,n=1:,单位位错,不全位错（,imperfect dislocation):,柏氏矢量,!=n*,点阵矢量,n,晶体能量升高,增加的能量称为,“,堆垛层错能,”,或,“,层错能,”,（,J/m,2,),层错能越低，层错出现的几率越大，越易观察到，例如奥氏体不锈钢中。,69,不全位错,不全位错：堆垛层错与完整晶体的分界线（,b,矢量不等于点阵矢量）,肖克莱（,Schckley),不全位错,:(a/6)*1,-2,1 (,在,(111),面上）,特点：,1,）,b,矢量永远平行于层错面,2,）层错为一平面,=,其边界在一平面内,3,）可以为刃型、螺形、混和位错,4,）滑移的结果是层错面的扩大或缩小。但不能攀移，因它必须和层错始终相连,Fcc,晶体中两种重要的不全位错,70,面心立方晶体中的肖克莱不全位错：再看仔细点！,两个多余的半原子面！,(1,-2,1),(111),目视方向,71,弗兰克（,Frank),不全位错,弗兰克（,Frank),不全位错：插入或抽出半原子面所形成的层错与完整晶体的边界,（,a/3)*,。,抽出：负弗兰克（,Frank),不全位错,插入：正弗兰克（,Frank),不全位错,特点：,a)(a/3)*,，纯刃型位错,b,）不能在滑移面上滑移，只能攀移,c,）属不动位错（,sessile dislocation),72,面心立方晶体中的位错,汤普森（,Thompson,）四面体,FCC,中所有重要的位错和位错反应均可用,Thompson,四面体表示。,(1),四个面即为,4,个可能的滑移面,(111),(,-1,1,1),(1,-1,1),(1,1,-1),(2)6,条棱边代表,12,个晶向，即,FCC,中所有可能的,12,个全位错的,b,矢量,73,汤普森四面体的展开,*,每个顶点与其中心的连线共代表,24,个,(a/6),肖克莱不全位错的,b,矢量,*,4,个顶点到它所对的三角形中点连线代表,8,个,(a/3),弗兰克不全位错的,b,矢量,*,4,个面中心相连即为,(a/6),压杆位错,74,FCC,中的位错反应,位错反应：,位错之间的合并与分界,1,）几何条件：,b,矢量总和不变,2,）能量条件：反应降低位错总能量,75,扩展位错的宽度,吸引力：,层错能，,g,排斥力：,两位错间的斥力,可见：,d,与,g,成反比，,与,G,成正比,扩展位错：,一种特殊的位错组态，系由两个不全位错以及在两个不全位错之间的一片层错所构成。一般由全位错分解而成,76,扩展位错的束集,束集：,在外切应力作用下，层错宽度减小至零，局部收缩成原来的全位错：,位错扩展的反过程,77,扩展位错的交滑移,扩展位错,=,束集,=,交滑移,=重新扩展（在新滑移面上）,扩展位错的交滑移比全位错困难，层错能越低，扩展位错越宽，交滑移越困难,78,位错网络,实际晶体中的不同,b,矢量的位错可组成二维或三围的位错网络,b,1,:,一组位错,b,2,一个螺型位错,b,1,与,b,2,成,120,o,夹角，相互吸引,79,面角位错（,Lomer-Cottrell,位错）,（,111,）面上,（,1,1,-1,）面上,（,1,1,-1,）,-1,1,0,滑移面,:,（,001,）,80,体心立方晶体中的位错,单位位错：,(a/2),滑移方向,通常可能的滑移面有,110,，,112,，,123,，随成分、温度及变形速度而异。,交滑移,=,滑移线呈波纹形,=1.633,时）,1,0,-1,0,1,0,-1,1,（当,c/a(1/3)1,0,-1,0+(1/3)0,1,-1,0,全位错,-,肖克莱不全位错,82,第五部分,表面与界面,83,表面及界面,界面包括：,外表面（自由表面）和内界面,表面：固体与气体或液体的分界面,界面：几个原子层厚，原子排列于成分不同于内部,表面能：,定义为形成单位面积的新表面所需做的功,*,晶体中的表面张力是各向异性的,*原子密度最大的面具有最低的,g,值晶体表面一般为原子密度最大的面,*表面能与曲率有关：曲率越大，表面能越大,84,晶界,晶界：,取向不同的晶粒之间的界面（内界面）,晶界具有,5,个自由度：,两晶粒的位相差（,3,），界面的取向（,2,）,85,扭转晶界,*,一般小角度晶界都可看成两部分晶体绕某一轴旋转一角度而形成，不过该转轴即不平行也不垂直晶界，故可看成一系列刃位错，螺位错或混合位错的网络组成。,86,大角度晶界,High-angle grain boundary,*,相邻晶粒在交界处的形状不是光滑的曲面，而是由不规则台阶组成的，,A,B,C,D,特征区域,重合位置点阵模型,*晶界能较低,*特殊位向,*,晶界可看成是好区与坏区交替相间组合而成的。,*一般大角度晶界的宽度一般不超过三个原子间距。,压缩区,扩张区,双属区,零属区,87,晶界能,晶界能：,形成单位面积晶面时，系统,Helmholtz,自由能的变化，即,d,g,/dA,。它等于接口区单位面积的能量减去无界面时该区单位面积的能量。,也可看成由于晶界上点阵畸变增加的那部分额外自由能。,在纯金属中,在合金中,晶介面积,A,改变而引起的晶粒内,i,组元原子数的改变,假定晶介面积,A,改变,不,引起的晶粒内,i,组元原子数的改变,88,小角度晶界的界面能,单位长度刃型位错的能量：,而,令,则,，,A=,故小角度晶界,g,是相邻两晶粒之间位相差,q,的函数,89,晶界的界面能的测量,晶界能可通过测定界面交角求出其相对值：,三个晶粒相遇，在达到平衡时，在,o,点处接口张力必须达到力学平衡,故测得,在平衡状态下，三叉晶界的各面角均趋于最稳定的,120,。,90,晶界偏聚,内吸附（热力学平衡的偏聚）,特点：,1,）,溶质浓度不变时，一定的,T,对应一定平衡晶界偏聚量,2,）,T,偏聚量，,D,E,：溶质原子在晶界上的能量差,C,：晶界浓度,C0,：晶内浓度,3,）晶界平衡偏聚量可以很显著,4,）晶界偏聚区的范围约为,4-,几百埃,5,）在某种情况下可产生晶界上溶质原子的贫化,负吸附,6,）产生晶界偏聚的原因，有一种解释：固溶体中溶质原子和溶剂原子的尺寸不同，晶界偏聚可使系统能量降低,晶界的平衡偏聚,91,晶界特性,1,）晶界处点阵畸变大，存在晶界能，故晶粒长大和晶界平直化是一个自发过程,2,）晶界处原子排列不规则阻碍塑性变形,H,b,，,s,b,（细晶强化）,3,）晶界处存在较多缺陷（位错、空位等）有利原子扩散,4,）晶界能量高固态相变先发生，,d,形核率,5,）晶界能高晶界腐蚀速度,92,亚晶界（,Sub-grain boundary,）,事实上每个晶粒中还可分成若干个更为细小的,亚晶粒,（,0.001mm,），亚晶粒之间存在着,小的位相差,，相邻亚晶粒之间的界面成为,亚晶界,。亚晶粒,更接近于理想,的单晶体。,位相差一般小于,2,o,，属于小角度晶界，具有晶界的一般特征。,93,孪晶界,Twin boundary,孪晶,指两个晶体（或一个晶体的两部分）沿一个公共晶面构成对称的位相关系，这两个晶体就称为孪晶，这个公共的晶面即成为孪晶面,共格孪晶界：,即孪晶面，其上的原子,同时位于,两侧晶体点阵的节点上，,为两者共有,。无畸变的完全共格界面，,界面能,（约为普通晶界能,1/10,）,很低很稳定,非共格孪晶界：,孪晶界相对于孪晶面旋转一角度，其上的原子只有部分为两者共有，,原子错排校严重,，,孪晶能量相对较高,，约为普通晶界的,1/2,孪晶界,94,孪晶的形成,孪晶的形成与堆垛层错密度相关，,如,fcc,的,111,面发生堆垛层错时为,AB,C,A,C,BACBA,C,A,C,处为,堆垛层错,一般层错能高的晶体不易产生孪晶,形变孪晶：,连续的,(1/6),类型的滑移,生长孪晶,退火孪晶,孪晶的形成,95,错配度：位错间距：,相界,Phase Boundary,相界,具有不同结构的两相之间的分界面称为相界,共格界面：,界面上的原子同时位于两相晶格,的节点上，弹性畸变,弹性应变能：,共格时以应变能为主,化学交互作用能：,非共格时的化学能为主,相界能,半共格相界：,两相结构相近而原子间距相差较大时，部分保持匹配,非共格相界：,两相在界面处的原子排列相差很大，,相界与大角度晶界相似,96,第六部分,课堂讨论,97,习题与讨论,位错的塞集,(Pile up),每个位错的受力平衡及平衡位置,领先位错所受的阻力：,F=ntb,计算远处的应力场时，塞集位错可看成一个超位错（,nb,）,t,yz,98,位错的镜像力,靠近晶体表面,的位错的应力场,不同于,其在晶体内部的情形（,无限大晶体中的位错的应力场）：镜像力,螺位错,的镜像,-,镜面位置上放置一负位错,-,简单构造。,刃位错,没有,这样的简单构造的镜像。,99,本章主要内容（总论）,缺陷在材料中具有重要地位：材料性质的决定性因素。,“,It is the defects that makes materials so interesting,just like the human being.”,晶体缺陷的分类：按几何特征，在一、二、三维方向上,“,尺寸很小,”,而分为二维（界面）、一维（位错）、零维缺陷（点缺陷）。,“,尺寸很小,”一般与原子间距同一数量级,通常情况下，位错是晶体强度与变形的决定性因素。点缺陷和界面通过对位错的影响而间接地起作用。,100,本章主要内容（点缺陷）,缺陷在材料中有重要意义，在材料科学中占有重要地位。晶体中的缺陷：点缺陷、线缺陷、面缺陷,点缺陷是由于原子的热运动并存在能量起伏而产生的。平衡浓度：,101,本章主要内容（位错几何）,线缺陷：位错，已滑动区域与未滑动区域的边界,位错最初作为一种理论的提出有两方面的原因：理论计算和实验观察,位错分为：螺型、刃型、混合位错,柏氏矢量反应了位错周围点阵畸变的总合，也反映了晶体两部分相对滑动的方向和大小,柏氏矢量的确定：,FS/RH,规则，表示：晶体学表示,位错线的正向,102,本章主要内容（位错几何）,位错的运动、交割、割阶与扭折,位错的生成与增值,实际晶体中的层错,实际晶体中的位错：,全位错与不全位错，扩展位错,FCC,晶体：汤普森四面体,交滑移，扩展位错，面角位错,103,本章主要内容（位错力学）,应力张量、应变张量,矢量、张量对坐标系旋转的变换规则,螺型、刃型、混合位错的,应力场,：连续介质模型、应力场特点,位错的,能量,：连续介质模型、,线张力概念,公式：作用在位错上的作用力,位错间的相互作用力,104,本章主要内容（面缺陷）,小角晶界的位错模型,低能大角晶界,共格与半共格相界,界面能的来源,105,本章重点,点缺陷的基本概念平衡浓度公式,位错的几何：,位错的基本概念、柏氏矢量、柏氏回路，,运动（,滑移、攀移、交割,）、增殖、合成与分解,位错的几何：,实际晶体中的位错（层错、扩张位错、面角位错）（层错不是位错，其边缘才是位错），,汤普森四面体,位错的力学：应力场、能量、作用在位错上的力,面缺陷：表面与界面的微观结构、能量特性及由其导致的其它性能,小角晶界的位错模型，大角晶界的重合位置点阵模型。,相界：共格，半共格（位错模型），非共格,