原子排列.pptx

1第三节 原子的不规则排列第一章第三节原子不规则排列3 3 柏氏矢量柏氏矢量（1 1）确定方法）确定方法 (避开严重畸变区避开严重畸变区)2第三节 原子的不规则排列第一章第三节原子不规则排列3 3 柏氏矢量柏氏矢量（1 1）确定方法）确定方法 (避开严重畸变区避开严重畸变区)3第三节 原子的不规则排列第一章第三节原子不规则排列（2）柏氏矢量的表示方法）柏氏矢量的表示方法 a 表示表示:b=a uvw/n（可以用矢量加法进行运算可以用矢量加法进行运算）。）。b 求模：求模：/b/=a u2+v2+w21/2/n。4第三节 原子的不规则排列第一章第三节原子不规则排列(3)3)柏氏矢量的物理意义与应用柏氏矢量的物理意义与应用 a代表位错，并表示其特征（强度、畸变量）。代表位错，并表示其特征（强度、畸变量）。b判断位错的类型判断位错的类型,确定滑移面。确定滑移面。b正刃型位错正刃型位错负刃型位错负刃型位错右螺型位错右螺型位错左螺型位错左螺型位错c表示晶体滑移的方向和大小。表示晶体滑移的方向和大小。如右图所示，确定位错线分别为刃如右图所示，确定位错线分别为刃型位错和螺型位错时扫过晶体导致的表型位错和螺型位错时扫过晶体导致的表面圆形标记的变化情况。面圆形标记的变化情况。5第三节 原子的不规则排列第一章第三节原子不规则排列（3 3）柏氏矢量的物理意义）柏氏矢量的物理意义 d柏氏矢量的守恒性（唯一性）：一条位错线具有唯一柏氏矢量的守恒性（唯一性）：一条位错线具有唯一的柏氏矢量。的柏氏矢量。e若若b分支为分支为b1,b2.bn,在在b=bi.b1b3b26第三节 原子的不规则排列第一章第三节原子不规则排列4 位错密度位错密度（1）表示方法：）表示方法：K/V n/A（2）晶体强度与位错密度的关系）晶体强度与位错密度的关系 （-图）图）c7第三节 原子的不规则排列第一章第三节原子不规则排列4 位错密度位错密度（3）位错观察：浸蚀法、电境法。）位错观察：浸蚀法、电境法。(c)2003Brooks/ColePublishing/ThomsonLearning(c)2003Brooks/ColePublishing/ThomsonLearning8第三节 原子的不规则排列第一章第三节原子不规则排列4 位错密度位错密度（3）位错观察：浸蚀法、电境法。）位错观察：浸蚀法、电境法。Smith W F.Foundations of Materials Science and Engineering.McGRAW.HILL.3/E9第三节 原子的不规则排列第一章第三节原子不规则排列5 5 位错的运动位错的运动（1 1）位错的易动性）位错的易动性 原子的微小移动导致晶体产生一个原子间距的位移。原子的微小移动导致晶体产生一个原子间距的位移。多个位错的运动导致晶体的宏观变形。多个位错的运动导致晶体的宏观变形。比喻：地毯的挪动、蛇的爬行等。比喻：地毯的挪动、蛇的爬行等。10第三节 原子的不规则排列第一章第三节原子不规则排列5 5 位错的运动位错的运动（1 1）位错的易动性）位错的易动性 位错滑移模型1 位错滑移模型2地毯式移动11第三节 原子的不规则排列第一章第三节原子不规则排列（2 2）位错运动的方式）位错运动的方式 a a 滑移：位错沿着滑移面的移动。滑移：位错沿着滑移面的移动。刃型位错的滑移：具有唯一的滑移面刃型位错的滑移：具有唯一的滑移面 切应力方向与位错线垂直；切应力方向与位错线垂直；晶体滑移方向与位错运动方向一致。晶体滑移方向与位错运动方向一致。12第三节 原子的不规则排列第一章第三节原子不规则排列（2）位错运动的方式）位错运动的方式 a a 滑移：位错沿着滑移面的移动。滑移：位错沿着滑移面的移动。13第三节 原子的不规则排列第一章第三节原子不规则排列（2）位错运动的方式）位错运动的方式a滑移：位错沿着滑移面的移动。滑移：位错沿着滑移面的移动。螺型位错的滑移：具有多个滑移面。螺型位错的滑移：具有多个滑移面。切应力方向与位错线平行；切应力方向与位错线平行；晶体滑移方向与位错运动方向垂直。晶体滑移方向与位错运动方向垂直。从柏氏矢量角度，对任何位错：从柏氏矢量角度，对任何位错：切应力方向与柏氏矢量一致；切应力方向与柏氏矢量一致；晶体滑移与柏氏矢量一致。晶体滑移与柏氏矢量一致。14第三节 原子的不规则排列第一章第三节原子不规则排列（2）位错运动的方式）位错运动的方式a滑移：位错沿着滑移面的移动。滑移：位错沿着滑移面的移动。位错环的滑移：注重柏氏矢量的应用位错环的滑移：注重柏氏矢量的应用10h15习题讨论课-晶体结构部分晶体结构部分第一章第三节原子不规则排列1计算计算1cm3铜中的原子数，已知室温下铜中的原子数，已知室温下acu=0.361nm.2已知已知Al2O3的密度为的密度为3.8g/cm3,求：求：（1）1mm3Al2O3中存在多少原子？中存在多少原子？(2)1gAl2O3中存在多少原子？中存在多少原子？3说明一个面心正方结构等于一个体心正方结构说明一个面心正方结构等于一个体心正方结构.4证明密排六方结构的证明密排六方结构的c/a=1.633.5在在(111)晶面上绘出属于晶面上绘出属于的晶向的晶向.6Youaregivenanunknownmaterialandareaskedtoidentifyittothebestofyourability.Whataresomeoftheteststhatyoucanperformtohelpidentifythematerial?12h16第三节 原子的不规则排列第一章第三节原子不规则排列（2 2）位错运动的方式）位错运动的方式 b b 攀移：刃型位错在垂直于滑移面方向上的运动。攀移：刃型位错在垂直于滑移面方向上的运动。机制：原子面下端原子的扩散机制：原子面下端原子的扩散位错随半原子面的上下移位错随半原子面的上下移 动而上下运动。动而上下运动。分类：正攀移（原子面上移、空位加入）分类：正攀移（原子面上移、空位加入）/负攀移（原子面负攀移（原子面 下移、原子加入）。下移、原子加入）。应力的作用：（半原子面侧）压应力有利于正攀移，拉应应力的作用：（半原子面侧）压应力有利于正攀移，拉应 力有利于负攀移。力有利于负攀移。17第三节 原子的不规则排列第一章第三节原子不规则排列（2 2）位错运动的方式）位错运动的方式 b b 攀移：刃型位错在垂直于滑移面方向上的运动。攀移：刃型位错在垂直于滑移面方向上的运动。18第三节 原子的不规则排列第一章第三节原子不规则排列（3 3）作用在位错上的力（单位距离上）作用在位错上的力（单位距离上）(虚功原理虚功原理-组态力）组态力）滑移：滑移：f=b；垂直于位错线，指向位错运动方向；垂直于位错线，指向位错运动方向（未滑移区）（未滑移区）攀移：攀移：f=b。19第三节 原子的不规则排列第一章第三节原子不规则排列6 6 位错的应力场及其与其它缺陷的作用位错的应力场及其与其它缺陷的作用（1）应力场）应力场完全弹性体完全弹性体各向同性各向同性连续介质连续介质（位错中心区外）（位错中心区外）螺位错：螺位错：z=b/2r zGb/2r。特点：特点：只有切应力只有切应力分量；分量；应力场对称分布应力场对称分布;不适用于位错中心区。不适用于位错中心区。20第三节 原子的不规则排列第一章第三节原子不规则排列6 6 位错的应力场及其与其它缺陷的位错的应力场及其与其它缺陷的作用作用（1）应力场）应力场刃位错：表达式刃位错：表达式(1-9)；同时存在正应力分量与切应力分量同时存在正应力分量与切应力分量；各应力分量都是各应力分量都是x，y的函数，而与的函数，而与z无关；无关；刃型位错的应力场对称于多余半原子面（刃型位错的应力场对称于多余半原子面（y-z面）；面）；Y=0时，时，xx=yy=zz=0，说明，说明在滑移面上，没有正应力，只有切应力，在滑移面上，没有正应力，只有切应力，而且切应力而且切应力xy达到极大值达到极大值。y0时，时，xx0；而；而y0时，时，xx0。这说明这说明正刃型位错的位错滑移面上侧为压应力，正刃型位错的位错滑移面上侧为压应力，滑移面下侧为张应力滑移面下侧为张应力。在应力场的任意位置处，。在应力场的任意位置处，|xx|yy|。21第三节 原子的不规则排列第一章第三节原子不规则排列6 6 位错的应力场及其与其它缺陷的作用位错的应力场及其与其它缺陷的作用（2 2）位错的应变能与线张力）位错的应变能与线张力 A单位长度位错的应变能：单位长度位错的应变能：w=Gb2(推导略）。推导略）。（0.51.0,螺位错取下限，刃位错取上限。）螺位错取下限，刃位错取上限。）B位错的线张力：位错的线张力：T=Gb2。C位错是不稳定的缺陷。（熵增不能抵消应变能的增加。）位错是不稳定的缺陷。（熵增不能抵消应变能的增加。）单根位错趋于直线状；单根位错趋于直线状；结点处张力平衡；结点处张力平衡；两端固定且受力时弯曲。两端固定且受力时弯曲。22第三节 原子的不规则排列第一章第三节原子不规则排列6 6 位错的应力场及其与其它缺陷的作用位错的应力场及其与其它缺陷的作用（2）位错的应变能与线张力）位错的应变能与线张力D保持位错弯曲所需的切应力：保持位错弯曲所需的切应力：Gb/2r23第三节 原子的不规则排列第一章第三节原子不规则排列6 6 位错的应力场及其与其它缺陷的作用位错的应力场及其与其它缺陷的作用（3）位错与位错的交互作用）位错与位错的交互作用f=b，f=b（刃位错）（刃位错）。同号相互排斥，异号相互吸引。同号相互排斥，异号相互吸引。(达到能量最低状态。达到能量最低状态。)24第三节 原子的不规则排列第一章第三节原子不规则排列6 6 位错的应力场及其与其它缺陷的作用位错的应力场及其与其它缺陷的作用（4 4）位错与溶质原子的相互作用）位错与溶质原子的相互作用 间隙原子聚集于位错中心，使体系处于低能态。间隙原子聚集于位错中心，使体系处于低能态。柯氏气团：溶质原子在位错线附近偏聚的现象。柯氏气团：溶质原子在位错线附近偏聚的现象。（5 5）位错与空位的交互作用）位错与空位的交互作用 导致位错攀。导致位错攀。25第三节 原子的不规则排列第一章第三节原子不规则排列7位错的增殖、塞积与交割位错的增殖、塞积与交割（1）位错的增殖：）位错的增殖：F-R源。源。位错两端被钉扎，在切应力作用位错两端被钉扎，在切应力作用下发生弯曲；下发生弯曲；位错运动时发生卷曲；位错运动时发生卷曲；异号位错相遇异号位错相遇一位错环一位错环+一位一位错线；错线；上述过程重复进行。上述过程重复进行。(p38)26第三节 原子的不规则排列第一章第三节原子不规则排列7 7 位错的增殖、塞积与交割位错的增殖、塞积与交割（2 2）位错的塞积）位错的塞积 分布：逐步分散。分布：逐步分散。错错受受力力：切切应应力力作作用用在在位位错错上上的的力力、位位错错间间的的排排斥斥力力、障障碍碍物物的阻力（短程）。的阻力（短程）。障碍物障碍物源源O27第三节 原子的不规则排列第一章第三节原子不规则排列7 7 位错的增殖、塞积与交割位错的增殖、塞积与交割（3）位错的交割）位错的交割位错交割后结果：按照对方位错柏氏矢量位错交割后结果：按照对方位错柏氏矢量（变化方向和大小）。（变化方向和大小）。割阶割阶：位错交割后的台阶不位于它原来的：位错交割后的台阶不位于它原来的滑移面上。滑移面上。扭折扭折：位于位于。刃位错刃位错:割阶为刃型割阶为刃型,扭折为螺型扭折为螺型;螺位错螺位错:割阶和扭折均为刃型割阶和扭折均为刃型.对性能影响：增加位错长度对性能影响：增加位错长度,产生固定割阶。产生固定割阶。(p40)14h28第三节 原子的不规则排列第一章第三节原子不规则排列8 8 位错反应位错反应（1）位错反应：位错的分解与合并。）位错反应：位错的分解与合并。（2）反应条件）反应条件几何条件：几何条件：b前前=b后后；反应前后位错的柏氏矢量之和相等。；反应前后位错的柏氏矢量之和相等。能量条件：能量条件：b2前前b2后后;反应后位错的总能量小于反应前位错的反应后位错的总能量小于反应前位错的总能量。总能量。29第三节 原子的不规则排列第一章第三节原子不规则排列9 9 实际晶体中的位错实际晶体中的位错 位错的柏氏矢量一般是最短的点阵矢量。位错的柏氏矢量一般是最短的点阵矢量。结构条件：柏氏矢量连接两个原子平衡位置。结构条件：柏氏矢量连接两个原子平衡位置。能量条件：体系能量越低，位错越稳定。能量条件：体系能量越低，位错越稳定。（1 1）全全位位错错：通通常常把把柏柏氏氏矢矢量量等等于于点点阵阵矢矢量量的的位位错错称称为为全全位位错错或单位位错。或单位位错。（2 2）不全位错：柏氏矢量小于点阵矢量的位错。）不全位错：柏氏矢量小于点阵矢量的位错。30第三节 原子的不规则排列第一章第三节原子不规则排列9实际晶体中的位错实际晶体中的位错（3）肖克莱和弗兰克不全位错。）肖克莱和弗兰克不全位错。肖克莱不全位错的形成：肖克莱不全位错的形成：原子运动导致局部错排，错原子运动导致局部错排，错排区与完整晶格区的边界线排区与完整晶格区的边界线即为肖克莱不全位错。（结即为肖克莱不全位错。（结合位错反应理解。可为刃型、合位错反应理解。可为刃型、螺型或混合型位错。）螺型或混合型位错。）（能滑移，不能攀移。）（能滑移，不能攀移。）31第三节 原子的不规则排列第一章第三节原子不规则排列9 9 实际晶体中的位错实际晶体中的位错 弗弗兰兰克克不不全全位位错错的的形形成成：在在完完整整晶晶体体中中局局部部抽抽出出或或插插入入一一层层原原子子所形成。（只能攀移，不能滑移。）所形成。（只能攀移，不能滑移。）32第三节 原子的不规则排列第一章第三节原子不规则排列9 9 实际晶体中的位错实际晶体中的位错（4 4）堆垛层错与扩展位错）堆垛层错与扩展位错堆垛层错：晶体中原子堆垛次堆垛层错：晶体中原子堆垛次 序中出现的层状错排。序中出现的层状错排。扩展位错：一对不全位错及中扩展位错：一对不全位错及中 间夹的层错称之。间夹的层错称之。33第三节 原子的不规则排列第一章第三节原子不规则排列三三 面缺陷面缺陷 面面缺缺陷陷主主要要包包括括晶晶界界、相相界界和和表表面面，它它们们对对材材料料的的力力学和物理化学性能具有重要影响。学和物理化学性能具有重要影响。34第三节 原子的不规则排列第一章第三节原子不规则排列三三 面缺陷面缺陷1 1 晶界晶界（1 1）晶界：两个空间位向不同的相邻晶粒之间的界面。）晶界：两个空间位向不同的相邻晶粒之间的界面。35第三节 原子的不规则排列第一章第三节原子不规则排列三三 面缺陷面缺陷1 1 晶界晶界（2 2）分类）分类大角度晶界大角度晶界：晶粒位向差大于：晶粒位向差大于1010度的晶界。度的晶界。其结构为几个原子范围内的原子其结构为几个原子范围内的原子的混乱排列，可视为一个过渡区。的混乱排列，可视为一个过渡区。36第三节 原子的不规则排列第一章第三节原子不规则排列三三 面缺陷面缺陷1 1 晶界晶界（2 2）分类）分类小小角角度度晶晶界界：晶晶粒粒位位向向差差小小于于1010度度的的晶晶界界。其其结结构构为为位位错列，又分为对称倾侧晶界和扭转晶界。错列，又分为对称倾侧晶界和扭转晶界。37第三节 原子的不规则排列第一章第三节原子不规则排列三三 面缺陷面缺陷1 1 晶界晶界（2 2）分类）分类(扭转晶界扭转晶界)38第三节 原子的不规则排列第一章第三节原子不规则排列三三 面缺陷面缺陷1 1 晶界晶界（2 2）分类）分类亚晶界亚晶界：位向差小于：位向差小于1 1度的亚晶度的亚晶 粒之间的边界。粒之间的边界。为位错结构。为位错结构。孪晶界孪晶界：两块相邻孪晶：两块相邻孪晶 的共晶面。的共晶面。分为共格孪晶界和非共格孪晶界。分为共格孪晶界和非共格孪晶界。39第三节 原子的不规则排列第一章第三节原子不规则排列三三 面缺陷面缺陷2 2 相界相界（1 1）相界：相邻两个相之）相界：相邻两个相之 间的界面。间的界面。分类：共格、半共格分类：共格、半共格 和非共格相界。和非共格相界。40第三节 原子的不规则排列第一章第三节原子不规则排列三三 面缺陷面缺陷3 3 表面表面（1 1）表面吸附：外来原子或气体分子在表面上富集的现象。）表面吸附：外来原子或气体分子在表面上富集的现象。（2 2）分类）分类 物理吸附：由分子键力引起，无选择性，吸附热小，结合力小。物理吸附：由分子键力引起，无选择性，吸附热小，结合力小。化学吸附：由化学键力引起，有选择性，吸附热大，结合力大。化学吸附：由化学键力引起，有选择性，吸附热大，结合力大。41第三节 原子的不规则排列第一章第三节原子不规则排列三三 面缺陷面缺陷4 4 界面特性界面特性（1 1）界面能会引起界面吸附。）界面能会引起界面吸附。（2 2）界面上原子扩散速度较快。）界面上原子扩散速度较快。（3 3）对位错运动有阻碍作用。）对位错运动有阻碍作用。（4 4）易被氧化和腐蚀。）易被氧化和腐蚀。（5 5）原子的混乱排列利于固态相变的形核。）原子的混乱排列利于固态相变的形核。16h42第一章第三节原子不规则排列本章小结与习题讨论课-晶体缺陷部分1 已知位错环已知位错环ABCD的柏氏矢量为的柏氏矢量为b,外应力为外应力为 和和，求：，求：（1）位错环的各边分别是什么位错？）位错环的各边分别是什么位错？（2）设想在晶体中怎样才能得到这个位错？）设想在晶体中怎样才能得到这个位错？（3）在足够大的切应力）在足够大的切应力 作用下，位错环将如何运动？作用下，位错环将如何运动？（4）在足够大的拉应力）在足够大的拉应力 作用下，位错环将如何运动？作用下，位错环将如何运动？43第一章第三节原子不规则排列本章小结与习题讨论课-晶体缺陷部分2 如图所示，若在切压力如图所示，若在切压力 的作用下，位错环发生收缩。要使该位错环在的作用下，位错环发生收缩。要使该位错环在 晶体中稳定不动，其最小半径应该是多大？晶体中稳定不动，其最小半径应该是多大？3 有两个被钉扎的刃型位错有两个被钉扎的刃型位错A-B,C-D,它们的它们的长度相等，长度相等，b矢量相同，可看作两个矢量相同，可看作两个F-R源。源。试分析增殖过程中两位错的交互作用情况。试分析增殖过程中两位错的交互作用情况。若形成一个大的位错源，使其开动的切应力若形成一个大的位错源，使其开动的切应力 C多大，若两位错柏氏矢量相反，情况如何？多大，若两位错柏氏矢量相反，情况如何？44第一章第三节原子不规则排列本章小结与习题讨论课-晶体缺陷部分4 设面心立方晶体中的（设面心立方晶体中的（111）为滑移面，位错滑移后的滑移矢量为）为滑移面，位错滑移后的滑移矢量为 a110/2,.(1)在晶胞中画出在晶胞中画出b的方向并计算其大小。的方向并计算其大小。(2)在晶胞中画出引起该滑移的刃型位错和螺型位错的位错线方向，并在晶胞中画出引起该滑移的刃型位错和螺型位错的位错线方向，并 写出此二位错线的晶向指数。写出此二位错线的晶向指数。