材料科学基础000002.pptx

河北工业大学材料学院1晶体缺陷的分类实际晶体存在晶体缺陷，晶体存在晶体缺陷，按照几何特点按照几何特点这些缺些缺陷可以分陷可以分为三大三大类点缺陷点缺陷缺陷在各方向的延伸都很小缺陷在各方向的延伸都很小,亦称零亦称零维缺陷。如空位、缺陷。如空位、间隙原子、隙原子、杂质原子等。原子等。线缺陷缺陷缺陷只在一个方向延伸或称一缺陷只在一个方向延伸或称一维缺陷。缺陷。如位如位错。面面缺缺陷陷缺缺陷陷在在二二个个方方向向延延伸伸,或或称称二二维缺缺陷陷。如表面、晶界、相界等。如表面、晶界、相界等。根据对理想晶体偏离的几何位置来分，有三类空空 位位间间 隙隙 原原 子子杂杂 质质 原原 子子正常结点位置没有被质点占据，称为正常结点位置没有被质点占据，称为空位空位。同类质点进入间隙位置成为同类质点进入间隙位置成为间隙原子间隙原子。进入进入间隙位置间隙位置间隙杂质原子间隙杂质原子正常结点正常结点取代（置换）杂取代（置换）杂质原子质原子。固固溶溶体体2.1 2.1 点缺陷点缺陷(1)(1)点缺陷类型点缺陷类型河北工业大学材料学院3(2)(2)热运动与点缺陷晶格原子晶格原子围绕平衡位置作平衡位置作热振振动，频率率在在1012-1013赫赫兹（德拜（德拜频率）率）原子的能量不是平均的，也不恒定，原原子的能量不是平均的，也不恒定，原子子动能近似服从能近似服从Maxwell-Boltzman分分布，即能量高于布，即能量高于E原子所占比例原子所占比例exp(-E/kt)少数高能原子离开自己的平衡位置，在少数高能原子离开自己的平衡位置，在晶格晶格节点出点出现空位。空位。河北工业大学材料学院4晶体中空位河北工业大学材料学院5(3)点缺陷的运动河北工业大学材料学院6点缺陷运动方式迁移迁移 空位或空位或间隙原子由一个位置运隙原子由一个位置运动到另一个位置的到另一个位置的过程。程。复合复合 间隙原子与空位相遇隙原子与空位相遇时，将落，将落入空位，两者同入空位，两者同时消失，消失，这一一过程称程称为复合。复合。河北工业大学材料学院7点缺陷的运动点缺陷从一个平衡位置移点缺陷从一个平衡位置移动到相到相邻位置，也要位置，也要克服能量障碍克服能量障碍只有周只有周围原子具有足原子具有足够能量才可能能量才可能实现移移动河北工业大学材料学院8点缺陷的运点缺陷的运动是一个是一个热激活的激活的过程程运运动频率与温度有关。例如率与温度有关。例如Cu中的空位，中的空位，300K10-5/s,1300K108/s空位移动所造成的粒子迁移，即晶体中空位移动所造成的粒子迁移，即晶体中的自扩散。（以后会学到）自扩散激活的自扩散。（以后会学到）自扩散激活能相当于空位形成能与移动能的总和。能相当于空位形成能与移动能的总和。河北工业大学材料学院9点缺陷的动态平衡点缺陷并不是固定不点缺陷并不是固定不动的，而是的，而是处于不于不断的断的产生和消失生和消失过程中程中在一定温度下，晶体中点缺陷的数目是在一定温度下，晶体中点缺陷的数目是一定的，保持一定的，保持动态平衡。平衡。河北工业大学材料学院10(4)(4)空位的热力学分析空位的热力学分析空位形成引起点阵畸变，亦会割断键力，故空位形成需能量，空位形成能（EV）为形成一个空位所需能量；形成空位又使晶体中混乱度增加，使熵增加。而熵的变化包括两部分：空位改变它周围原子的振动引起振动熵，SV 空位在晶体点阵中的排列可有许多不同的几何组态，使排列熵SC增加。河北工业大学材料学院11设在温度T时，含有N个结点的晶体中形成n个空位，与无空位晶体相比F=nEV-TSS=SC+nSVn个空位引入，可能的原子排列方式利用玻尔兹曼关系，SC=klnWC，并利用Stiring公式令：河北工业大学材料学院12振动熵振动熵根据统计热力学的爱因斯坦模型，振动熵形成空位后，原子振动频率降低到所以式中A=exp(SV/k)，约为1-10河北工业大学材料学院13若已知EV和SV，则可由上式计算出任一温度T下的浓度C.由上式可得：1）晶体中空位在热力学上是稳定的，一定温度T对应一平衡浓度C 2）C与T呈指数关系，温度升高，空位浓度增大 3）空位形成能EV大，空位浓度小例如：已知铜中EV=1.710-19J，A取为1，则 T/K1003005007009001000n/N10-57 10-1910-1110-8.1 10-6.3 10-5.7河北工业大学材料学院14点缺陷的平衡浓度点缺陷是平衡缺陷，点缺陷是平衡缺陷，点缺陷与线、面缺陷的区别之一是后者为热力学不稳定的缺陷。在一定温度下，晶体中有一定平衡数量的空位和间隙原子出出现缺陷缺陷时，提高内能，但是也引起，提高内能，但是也引起较大的大的熵增。增。河北工业大学材料学院15(5)点缺陷及对性能的影响高能射高能射线辐射、射、严重重变形、形、高温淬火等可以高温淬火等可以获得得过饱和缺陷和缺陷空位引起点阵畸变，使传空位引起点阵畸变，使传导电子受到散射，导电子受到散射，存在存在过饱和缺陷提高和缺陷提高电阻阻;存在存在过饱和缺陷降低密度和缺陷降低密度对室温力学性能影响室温力学性能影响“不不大大”空位对材料的高温蠕变、沉淀、回复、表面氧化、烧结有重要影响河北工业大学材料学院162.2位错的基本概念(1)位错理论产生背景上世上世纪初，塑性初，塑性变形已形已经成成为制造金属制品和制造金属制品和强化材料的重要手段，但是化材料的重要手段，但是对于于变形的微形的微观过程、加工硬化等尚不能解程、加工硬化等尚不能解释。滑移滑移带现象。当象。当时，普遍，普遍认为金属塑性金属塑性变形是形是晶体晶体刚性滑移的性滑移的结果，滑移面两果，滑移面两侧的晶体借助的晶体借助于于刚性滑性滑动实现变形。形。1926年弗年弗兰克克尔从从刚性模型出性模型出发，估，估计了晶了晶体的理体的理论强度。度。河北工业大学材料学院17(2)理论强度根据晶体的性根据晶体的性质,阻力阻力应是是周期函数；周期函数；当当x=0,=0;x=b,=0取取当当x很小很小时，河北工业大学材料学院18由于切由于切变量量x/a,根据虎克定律根据虎克定律两式比两式比较得得因因a b,所以所以进一步修正一步修正河北工业大学材料学院19晶体的理论切应力与实验值的比较（晶体的理论切应力与实验值的比较（MN/m2）金 属理论切应力实验值切变模量Al38300.78624400Ag39800.37225000Cu64800.49040700-Fe110002.7568950Mg26300.39316400河北工业大学材料学院20dislocation一一般般金金属属的的G=104105MPa,理理论剪剪切切强度度应为103104MPa，实际只有只有110MPa理理论强度比度比实测值大大1000倍以上倍以上！1934年年Taylor,Polanyi和和Orowan几几乎乎同同时提提出出晶晶体体中中存存在在易易动的的缺缺陷陷位位错，借助于位借助于位错运运动实现塑性塑性变形形河北工业大学材料学院21拖动地毯、昆虫的移动河北工业大学材料学院22位错属于一种线缺陷位位错是一个直径是一个直径35个原子个原子间距，距，长几几千千几万个原子几万个原子间距的管状原子畸距的管状原子畸变区区从几何上看，它是一个方向尺寸从几何上看，它是一个方向尺寸较大，大，而另外两个方向上尺寸而另外两个方向上尺寸较小的小的线缺陷。缺陷。位位错对晶体生晶体生长、相、相变、塑性、塑性变形、形、扩散、再散、再结晶等一系列行晶等一系列行为及材料的物理、及材料的物理、化学性化学性质都有十分重要的影响。都有十分重要的影响。河北工业大学材料学院23(3)刃型位错模型位错：一列或相邻的几列原子发生有规律的错排河北工业大学材料学院24刃型位错的产生河北工业大学材料学院25刃型位错特征1)刃型位错有一额外半原子面刃型位错有一额外半原子面n多出的半原子面在滑移面上边(严格说来，半原子面与坐标轴正方向一致)的称为正刃型位错，记为“”；n多出半原子面在下边的称为负刃型位错，记为“。2)刃型位刃型位错线可理解可理解为晶体中已滑移区与未滑移区的晶体中已滑移区与未滑移区的边界界线。3)位错线不一定是直线，可以是平面折线或曲线位错线不一定是直线，可以是平面折线或曲线;刃型刃型位错线必与滑移矢量垂直，位错线必与滑移矢量垂直，4)滑移面是包含位错线和滑移矢量的唯一平面。滑移面是包含位错线和滑移矢量的唯一平面。5)位错周围的点阵发生弹性畸变，既有正应变，又有位错周围的点阵发生弹性畸变，既有正应变，又有切应变切应变河北工业大学材料学院27(4)螺型位错空间形态假假设外力使晶体作外力使晶体作另一种局部滑移另一种局部滑移（撕裂），滑移面（撕裂），滑移面上下两部分晶体作上下两部分晶体作切滑移切滑移滑移区与未滑移区滑移区与未滑移区的的边界就是螺型位界就是螺型位错。滑移方向与位滑移方向与位错线平行。平行。河北工业大学材料学院28螺型位错模型河北工业大学材料学院29螺型位错附近两层原子面河北工业大学材料学院30垂直于位错线的晶面形状河北工业大学材料学院31螺型位错的特征1）螺型位错无额外半原子面，但是一些晶面变成了螺旋面，原子错排呈轴对称2）位错线与滑移矢量平行，故一定是直线 3）包含螺位错线的面必然包含滑移矢量，故螺位错的滑移面不是唯一的；4）螺位错周围的点阵也发生了弹性畸变，但只有平行于位错线的切应变，无正应变（在垂直于位错线的平面投影上，看不出缺陷）5)分左右螺旋 河北工业大学材料学院32(5)混合位错混合位错n如果滑移方向与位错线两者方向夹角呈任意角度，就是混合位错河北工业大学材料学院33滑移面附近的原子面河北工业大学材料学院34位错线的一些性质（1）位错线是已滑移区和未滑移区的边界;（2）位错及其畸变区是一条管道,位错线附近的原子偏离了平衡位置。（3）位错线具有连续性，即位错线不能中断于晶体内部。只可在表面露头，或终止于晶界和相界，或与其它位错相交，或自行封闭成环。河北工业大学材料学院35ttttbttbSlip Motion of the dislocation位错的滑移河北工业大学材料学院36bbtSlip Mixed dislocationMotion of the dislocation混合位错滑移河北工业大学材料学院37混合位错滑移河北工业大学材料学院38（6）柏氏矢量 Burgers vector1939年柏格斯（年柏格斯（J.M.Burgers）提出了采用柏）提出了采用柏氏回路来定义位错，借助一个规定的矢量即柏氏回路来定义位错，借助一个规定的矢量即柏氏矢量来揭示位错的本质。氏矢量来揭示位错的本质。位错从晶体移出，滑移台阶的大小方向用滑移位错从晶体移出，滑移台阶的大小方向用滑移矢量矢量 表示，滑移矢量也称柏氏矢量表示，滑移矢量也称柏氏矢量柏氏矢量反应了位错中心区点阵畸变的程度和柏氏矢量反应了位错中心区点阵畸变的程度和方向方向柏氏矢量柏氏矢量=位错运动时的原子位移位错运动时的原子位移河北工业大学材料学院40刃型位错柏氏矢量b与位与位错线垂直垂直河北工业大学材料学院41螺型位错柏氏矢量b与位与位错线平行平行河北工业大学材料学院42简单位错的柏氏矢量刃型位刃型位错b t（位（位错线单位向量），半位向量），半原子面方向原子面方向n=t b。刃型位。刃型位错可以是直可以是直线或平面曲或平面曲线（刀刃曲（刀刃曲线）螺型位螺型位错b/t（位（位错线单位向量），一位向量），一定是直定是直线。n二者同向为右旋螺型位错；bt0n二者反向为左旋螺型位错；btC0，Fc0，即过饱和空位使刃型位错向，即过饱和空位使刃型位错向上攀移；上攀移；若若CC0，Fc0，即空位浓度低于平衡浓度，即空位浓度低于平衡浓度，位错放出空位使刃型位错向下攀移；位错放出空位使刃型位错向下攀移；河北工业大学材料学院77攀移的特点攀移是刃型位攀移是刃型位错在垂直于滑移面方向上在垂直于滑移面方向上的运的运动；是半原子面的是半原子面的扩大或大或缩小，引起体小，引起体积变化（非保守运化（非保守运动）；）；阻力很大，接近理阻力很大，接近理论强度；度；依依赖于空位、于空位、间隙原子的隙原子的扩散散室温下室温下难以以进行。行。河北工业大学材料学院78（2）滑移刃型位错的滑移 河北工业大学材料学院79螺型位错的滑移 河北工业大学材料学院80原子移动的晶格阻力理想晶体原子移理想晶体原子移动的阻力的阻力位位错附近原子移附近原子移动的阻力的阻力河北工业大学材料学院81滑移的晶格阻力（力）切切变弹性模量性模量泊泊凇比比d滑移面晶面滑移面晶面间距距b柏氏矢量柏氏矢量根据位根据位错模型，模型，计算的算的强度接近度接近实际测量量值10-4G河北工业大学材料学院82位错的易动性位位错线中心原子已中心原子已经离开平衡位置，离开平衡位置，处于高能状于高能状态，阻力小，阻力小位位错移移动只需要位只需要位错线附近少数原子的附近少数原子的运运动；每个原子的位移每个原子的位移较小（小于原子小（小于原子间距）距）河北工业大学材料学院83混合位错的滑移混合位混合位错可以分解可以分解为两个分量两个分量n螺型分量bs=bcosn刃型分量be=bsin无无论任何形式的位任何形式的位错,位位错的运的运动方向均方向均 位位错线当两个分量位当两个分量位错滑滑过晶体晶体,滑移台滑移台阶为河北工业大学材料学院84位错环在完整晶体内部，滑在完整晶体内部，滑移面上某一封移面上某一封闭曲曲线内部区域两内部区域两侧的原子的原子相相对移移动b位移，位移，这一封一封闭曲曲线是已滑移是已滑移区与未滑移区的区与未滑移区的边界，界，就是一个位就是一个位错环。河北工业大学材料学院85位错环在右在右图的位的位错环上，上，B处的半原子面在上面，的半原子面在上面，；D处处半原子面在下面，半原子面在下面，A处右旋螺型位错，处右旋螺型位错，C点左旋点左旋为螺型位错为螺型位错其余位置为混合位错。其余位置为混合位错。由于位错线方向与由于位错线方向与b相关，事相关，事实上位错线方向已经确定，实上位错线方向已经确定，是是ABCDA方向方向河北工业大学材料学院86位错环的运动运运动方向可以分段方向可以分段处理理简单地地处理，若外力与理，若外力与产生位生位错环的外的外力方向相同，将力方向相同，将倾向于撕裂整个滑移面，向于撕裂整个滑移面，即位即位错环将逐步将逐步扩大，使位大，使位错线移向晶移向晶体外体外缘，最，最终产生台生台阶b。反之，位反之，位错环逐逐渐减小，直至消失。减小，直至消失。河北工业大学材料学院87（3）作用在位错上的滑移力 作用在位作用在位错上的力指作用在位上的力指作用在位错畸畸变区区内每个原子力的内每个原子力的总和。和。晶体受力晶体受力变形等价于位形等价于位错线受力移受力移动，根据两者作功相同的原理根据两者作功相同的原理(虚功原理虚功原理)，可以可以计算位算位错受到的力。受到的力。河北工业大学材料学院88滑移力以刃型位以刃型位错为例。例。设切切应力力 使使dl长度位度位错线移移动了了ds距离，距离，结果是晶体中果是晶体中面面积部分沿滑移面部分沿滑移面产生了滑移生了滑移量量b。切。切应力所作的功力所作的功为若若单位位长度位度位错线受力受力Fd，使，使位位错线移移动所作的功所作的功ttbttb河北工业大学材料学院89滑移力令二者相等，在令二者相等，在单位位长度位度位错线上的滑上的滑移力移力力垂直于位力垂直于位错线，指向未滑移区，与位，指向未滑移区，与位错线的运的运动方向一致方向一致可可见，作用在，作用在单位位长度位度位错线上的力等上的力等于于b与沿与沿b方向切方向切应力的乘力的乘积。河北工业大学材料学院90攀移力对于于单位位长度位度位错线，当晶体，当晶体受到受到 半原子面的拉半原子面的拉应力力，位，位错线移移动-dy。晶体在正。晶体在正应力力方向体方向体积膨膨胀dy1b,膨膨胀功功单位位长度位度位错线攀移力攀移力Fy,位位移移dy，做功，做功Fydy,比比较二者得二者得河北工业大学材料学院96（4）位错之间的作用力位位错产生生应力力场，另一位，另一位错处于它的于它的应力力场中。中。1位位错对2位位错的作用力，等价于的作用力，等价于1位位错应力力场对2位位错的作用的作用下面介下面介绍几种几种简单情况。情况。两平行螺型位错间的交互作用右右图中坐中坐标原点（原点（0 0，0 0）处一螺型位一螺型位错 b b，r(x,y)r(x,y)处一螺位一螺位错 b b 则 在直角坐在直角坐标中中 b b，bb同号，同号，FrFr为正正值，两位，两位错相互排斥相互排斥 b b，bb异号，异号，FrFr为负值，两位，两位错相互吸引相互吸引河北工业大学材料学院98两平行刃型位错之间的相互作用两平行刃型位错之间的相互作用设设有有沿沿oz轴轴的的刃刃位位错错I和和另另一一处处于于（x,y）并并与与之之平平行行的的同同号号位位错错II，柏柏氏氏矢矢量量分分别别为为b1、b2，其其距距离离为为r，可可见见I会会产产生生一一切切应应力力分分量量yx使使II受受到到一一滑滑移移力力Fx，还还会会产产生生一一正正应应力力分分量量xx作作用用于于II多多余余半半原原子子面面，使使II受到一攀移力受到一攀移力Fy。河北工业大学材料学院99滑移力滑移力攀移力攀移力根根据据以以上上两两式式可可推推断断出出II在在不不同同位位置置所所受受到到的的攀攀移力和滑移力。移力和滑移力。河北工业大学材料学院100两平行刃位错间的力Fx与距离x之间的关系河北工业大学材料学院101滑移力的方向河北工业大学材料学院102任意平行位错的作用可以用普遍公式可以用普遍公式计算算近似地可以根据两位近似地可以根据两位错柏氏矢量柏氏矢量夹角大角大小小进行判断行判断n若夹角小于/2，排斥；n若夹角大于/2，吸引河北工业大学材料学院103（5）位错与点缺陷的弹性作用点缺陷在晶体中会引起点点缺陷在晶体中会引起点阵畸畸变，所，所产生的生的应力力场可与位可与位错产生生弹性交互作用。性交互作用。假假设晶体晶体为弹性的性的连续介介质，内有一柏氏矢量，内有一柏氏矢量为b的刃位的刃位错设有一半径有一半径为R的点缺陷出的点缺陷出现在位在位错的的应力力场中，考中，考虑能量的能量的变化。化。这相当于在晶体内取走一个半径相当于在晶体内取走一个半径为R0的溶的溶剂原原子，然后溶入一个半径子，然后溶入一个半径为R的溶的溶质原子。原子。河北工业大学材料学院104取走一个半径取走一个半径为R0的溶的溶剂原子，相当于在晶体原子，相当于在晶体内挖掉一半径内挖掉一半径为R0的小洞。溶入一个半径的小洞。溶入一个半径为R的溶的溶质原子，相当于在小洞中填入一半径原子，相当于在小洞中填入一半径为R的小球，此的小球，此时将引起径向位移将引起径向位移 R在在产生径向位移生径向位移过程中位程中位错应力力场要作功。因要作功。因为产生的径向位移是垂直球面的，是球生的径向位移是垂直球面的，是球对称的称的畸畸变，故只有位，故只有位错应力力场中的正中的正应力分量作功。力分量作功。河北工业大学材料学院105位位错应力力场中中正正应力力分分量量的的平平均均值可可用用水水静静压力来表示：力来表示：错配度配度体体积变化化河北工业大学材料学院106位错与点缺陷的弹性作用相互作用能相互作用能w=p V 为错配度配度为了使了使W0，如较大的溶质原子，如较大的溶质原子和间隙原子。为使和间隙原子。为使W0，必有必有2，即溶质原子，即溶质原子位于刃位错下方（膨胀区）位于刃位错下方（膨胀区）若若 0，如较小的溶质原子，如较小的溶质原子和空位。为使和空位。为使W0，点缺陷位于刃位，点缺陷位于刃位错上方的受压缩部分错上方的受压缩部分河北工业大学材料学院108Cottrell Atmosphere通常把围绕位错而形成的溶质原子聚集通常把围绕位错而形成的溶质原子聚集物，称为物，称为“科垂耳气团”（CottrellAtmosphere），这种气团阻碍位错运），这种气团阻碍位错运动，产生强化。动，产生强化。用柯氏气团可解释合金中出现的应变时用柯氏气团可解释合金中出现的应变时效和屈服现象。效和屈服现象。课外了解螺型位错附近的课外了解螺型位错附近的“斯诺克气团”（Snoek Atmosphere）河北工业大学材料学院111位错与空位的交互作用位错与空位的交互作用空位通常被吸引到刃型位错的压缩区，或消失在刃型空位通常被吸引到刃型位错的压缩区，或消失在刃型位错线上，使位错线产生弯折（割阶），如图，空位位错线上，使位错线产生弯折（割阶），如图，空位与位错在一定条件下可互相转化。与位错在一定条件下可互相转化。河北工业大学材料学院112空位盘转化为位错环过饱和空位可以聚集成空位盘，继而可崩塌成刃型位过饱和空位可以聚集成空位盘，继而可崩塌成刃型位错环，成为错环，成为“棱柱位错棱柱位错”。河北工业大学材料学院113位错运动产生一串空位相邻滑移面上异号刃型位错互毁后产生一串空相邻滑移面上异号刃型位错互毁后产生一串空位位刃型位错攀移时后边留下一串空位或间隙原子刃型位错攀移时后边留下一串空位或间隙原子河北工业大学材料学院114（6）界面与位错-映象力 映象力是指界面映象力是指界面对位位错的作用力的作用力因因为位位错的能量正比于的能量正比于弹性模量性模量G如果界面两如果界面两侧G不同，位不同，位错距离界面不同距离界面不同距离，具有的能量将不同。相当于界面距离，具有的能量将不同。相当于界面存在映象力。根据最低能量原理存在映象力。根据最低能量原理如果界面另一如果界面另一侧G较小，位小，位错将被吸引；将被吸引；如果界面另一如果界面另一侧G较大，位大，位错将被排斥。将被排斥。河北工业大学材料学院11525 实际晶体中的位错实际晶体中位晶体中位错的柏氏矢量不是任意的，的柏氏矢量不是任意的，只有只有b较小（能量小（能量较低）的位低）的位错才是才是稳定定的的全位全位错的的b等于晶体中两原子的等于晶体中两原子的连线：平：平移矢量移矢量单位位位位错的柏氏矢量的柏氏矢量为连接最近接最近邻原子原子的矢量。的矢量。单位位位位错是最短的全位是最短的全位错，与晶体，与晶体结构构有关。有关。河北工业大学材料学院1162.5.1 单位位错晶体结构晶体结构单位位错的柏氏矢量单位位错的柏氏矢量fccbcchcp河北工业大学材料学院1172.5.2 堆垛层错与不全位错面心立方密排面面心立方密排面111的堆的堆垛顺序是序是ABCABCABC;密排六方晶体密排面密排六方晶体密排面0001的堆的堆垛顺序序是是ABABAB;实际晶体当中，堆晶体当中，堆垛顺序可能出序可能出现偶然偶然的差的差错。这种面缺陷称种面缺陷称为堆堆垛层错stackingfault，简称称层错。河北工业大学材料学院118不全位错如果如果层错终止于晶体内部，止于晶体内部，层错区与正区与正常区的常区的边界也是位界也是位错，但是，但是这个位个位错的的柏氏矢量柏氏矢量点点阵矢量，属于不全位矢量，属于不全位错。常常见的不全位的不全位错(partialdislocation,也称也称为部分位部分位错、分位、分位错）有两种）有两种河北工业大学材料学院119Shockley Partial Dislocation河北工业大学材料学院120Frank Partial Dislocation河北工业大学材料学院1212.5.3 位错反应实际晶体中，晶体中，组态不不稳定的位定的位错可以可以转化化为组态稳定的位定的位错n如具有不同柏氏矢量的平行位错线合并成一条位错线；n一条位错线分解为两条或多条具有不同柏氏矢量的平行位错线位位错之之间的相互的相互转化（分解或合并）称化（分解或合并）称为位位错反反应。河北工业大学材料学院122位错反应条件结构条件：每一个位构条件：每一个位错的柏氏矢量都是的柏氏矢量都是从一个平衡的原子位置指向相从一个平衡的原子位置指向相邻的平衡的平衡原子位置；原子位置；能量条件：反能量条件：反应后能量降低，近似用后能量降低，近似用b2代替能量大小代替能量大小几何条件：反几何条件：反应前后前后b矢量守恒矢量守恒河北工业大学材料学院123位错反应举例Fcc结构中构中经常常发生生单位位位位错与不全位与不全位错之之间的反的反应如在（如在（111）面上，）面上，单位位位位错可分解可分解生成两个肖克莱部分位生成两个肖克莱部分位错、层错b1=b2+b3河北工业大学材料学院1242.5.4 扩展位错如果整个如果整个层错位于一个晶粒的内部，那位于一个晶粒的内部，那末末层错的两个的两个边界都是不全位界都是不全位错，这种种组态称称为扩展位展位错。河北工业大学材料学院125扩展位错原子模型河北工业大学材料学院126扩展位错原子模型河北工业大学材料学院127扩展位错原子模型河北工业大学材料学院128层错能与扩展位错宽度扩展位展位错中，中，单位位长度不全位度不全位错之之间的的排斥力排斥力排斥力使位排斥力使位错远离、离、层错面面积扩大。大。单位面位面积层错能（能（单位位长度表面度表面张力）力），尽量，尽量缩小小层错面面积。平衡。平衡时河北工业大学材料学院129扩展位展位错宽度度d与与层错能成反比，与能成反比，与弹性性模量成正比。模量成正比。如果如果层错能能 较大，不易形成大，不易形成扩展位展位错；而当而当层错能能 较小小时，易形成，易形成扩展位展位错与滑移与滑移线形状有关。形状有关。宽度度较大的大的扩展位展位错不易交滑移，直滑移不易交滑移，直滑移线(如如Cu）；反之，）；反之，波波纹状滑移状滑移线（如（如Al)。河北工业大学材料学院130铜和铝的滑移带河北工业大学材料学院1312.6 界面界面是面缺陷界面是面缺陷按按照照界界面面两两侧物物相相种种类：表表面面、相相界界、晶界与晶界与亚晶界晶界按按照照界界面面原原子子的的匹匹配配程程度度：共共格格、非非共共格、半共格界面格、半共格界面按按照照界界面面两两侧位位相相差差大大小小：小小角角度度（10)n小角度晶界（2-10）n亚晶界（5555时时，应变应变能决定第二相形状，能决定第二相形状，能决定第二相形状，能决定第二相形状，第二相一般第二相一般第二相一般第二相一般为为薄片（薄片（薄片（薄片（盘盘或碟）状。或碟）状。或碟）状。或碟）状。两相原子尺寸差两相原子尺寸差两相原子尺寸差两相原子尺寸差别别小小小小时时，界面能决定第二相形状，第，界面能决定第二相形状，第，界面能决定第二相形状，第，界面能决定第二相形状，第二相往往二相往往二相往往二相往往为为球球球球(等等等等轴轴)形。形。形。形。如果界面能各向同性：球形（面如果界面能各向同性：球形（面积最小）最小）各向异性：（低能面）多面体各向异性：（低能面）多面体河北工业大学材料学院157第二相颗粒的形状第二相位于晶界上第二相位于晶界上当，当，透透镜状；状；当，当，近球状；近球状；当，当，片状片状第二相位于界棱上第二相位于界棱上(见下下图）当，当，两相界面两相界面夹角角120；当当，两两相相界界面面夹角角180(近近球球状状)；当，当，两相界面两相界面夹角角0河北工业大学材料学院158第二相颗粒的形状河北工业大学材料学院159河北工业大学材料学院160界面偏聚界面原子化学界面原子化学键不不饱和、和、应变能能溶溶质原原子子、杂质原原子子的的吸吸附附可可降降低低界界面面能能界界面面原原子子贫化化或或偏偏聚聚对晶晶界界移移动、晶晶界界腐腐蚀、沿沿晶晶断断裂裂、回回火火脆脆性性及及淬淬透透性性等等有影响有影响河北工业大学材料学院161a.纯纯铁铁中中氧氧含含量量增增至至0.057%，由由于于氧氧在在晶晶界界偏偏聚聚降降低低晶晶界界结结合合力力，脆脆性性转转变变温温度度提提高高至至300以以上上，Ni-Cr合合金金钢钢经经250350回回火火后后脆脆性性增增大大，是因为是因为P（磷）在奥氏体化时在晶界偏聚。（磷）在奥氏体化时在晶界偏聚。b.Ni3Al金金属属间间化化合合物物加加入入0.1%B后后，B在在晶晶界界偏偏聚提高聚提高Ni3Al室温塑性室温塑性c.中中、低低碳碳钢钢中中加加入入0.00050.003%B可可提提高高淬淬透透性性，即即是是硼硼（B）偏偏聚聚在在晶晶界界降降低低奥奥氏氏体体晶晶界界能能，抑制奥氏体分解时的先共析铁素体形成抑制奥氏体分解时的先共析铁素体形成晶界偏聚意义晶界偏聚意义河北工业大学材料学院162Endofchapter2