晶体缺陷和柏氏矢量及位错运动.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,第二章 晶体缺陷,缺陷形成过程,：晶体生长过程中、晶体形成后。,晶体缺陷,：原子排列规则性受到严重破坏的区域。,晶体缺陷分三大类,:,1,）点缺陷：属零维缺陷，它在三维空间各方向尺寸都很小，如空位、间隙原子和异类原子等。,2,）线缺陷：属一维缺陷，它在两个方向尺寸很小，而在另一个方向上尺寸却很大，主要是,位错,。可被电镜观察到。,3,）面缺陷：属二维缺陷，它在一个方向上尺寸很小，而在另两个方向上尺寸却很大，如晶界、相界、层错和表面等。光学显微镜可观察到。,1,材 料 科 学 基 础,西安石油大学材料科学与工程学院,*,2,材 料 科 学 基 础,西安石油大学材料科学与工程学院,位错的电镜照片,位错缠结形成位错胞（晶界）,空位聚合形成位错,面缺陷：晶界,*,3,材 料 科 学 基 础,西安石油大学材料科学与工程学院,图,2-1,晶体中的点缺陷,迁移到晶格间隙中，在晶体中同时形成数目相等的空位和间隙原子：弗兰克尔（,Frankel,）缺陷。,迁移到晶体表面的正常结点位置上，而使晶体内部留下空位：肖脱基（,Schottky,）空位。,迁移到其它空位中，使空位消失或使空位移动。,2.1,点缺陷：结点上或邻近的微观区域内偏离晶体结构的正常排列的缺陷。,点缺陷包括：空位、间隙原子、异类原子。,2.1.1,点缺陷的类型及形成,*,2.1.2,点缺陷的运动及平衡浓度,点缺陷存在的影响：,（,1,）造成点阵畸变，使晶体的内能升高，降低了晶体的热力学稳定性。,（,2,）增大了原子排列的混乱程度，改变周围原子的振动频率，使晶体熵值增大，增加了晶体的热力学稳定性。,一定温度下空位或者间隙原子的平衡浓度：,其中，,E,为形成一个空位或者间隙原子所需的能量；,n,为,超过平均能量而具有高能量的原子数,；,N,为,总原子数；,A,为比例常数；,k,为玻耳兹曼常数；,T,为绝对温度。,4,材 料 科 学 基 础,西安石油大学材料科学与工程学院,2.1.3,点缺陷对性能的影响,电阻增大、密度降低、提高金属的屈服强度,*,2.2,线缺陷：位错,一、位错（,dislocation,）,位错模型的提出：,晶体完整无缺陷且刚性滑动,金属晶体的切变强度,理论切变强度比实测切变强度高出几个数量级,晶体缺陷的设想 线缺陷（位错）的模型,以位错滑移模型计算出的晶体强度，与实测值基本相符。,位错定义：线缺陷，晶体中某处有一列或若干列原子发生有规律的错排现象，错排区是细长的管状畸变区。,位错类型：刃型位错、螺型位错、混合位错。,5,材 料 科 学 基 础,西安石油大学材料科学与工程学院,*,6,材 料 科 学 基 础,西安石油大学材料科学与工程学院,刃型位错的形成示意图,刃型位错定义：位错线垂直于滑移方向，则会存在一多余半排原子面，它象一把刀刃插入晶体中，使此处上下两部分晶体产生原子错排，这种晶体缺陷称为刃型位错。,1,、刃型位错,(edge dislocation),位错线,额外的半个原子面,位错是已滑移区和未滑移区的边界,*,7,材 料 科 学 基 础,西安石油大学材料科学与工程学院,刃型位错的平面示意图,刃型位错的立体示意图,负刃型位错,正刃型位错,*,刃型位错的结构特点：,1),刃型位错有一个额外的半原子面。,2),刃型位错线为晶体中已滑移区与未滑移区的边界线。多余的半原子面不一定是直线，也可以是折线或曲线，但它必与滑移方向和滑移矢量相垂直。,3),滑移面是同时包含位错线和滑移矢量的平面，在其它面上不能滑移。,4),位错线是具有一定宽度的细长的晶格畸变的管道。,5,）刃型位错周围的点阵既有正应变又有切应变。,8,材 料 科 学 基 础,西安石油大学材料科学与工程学院,*,9,材 料 科 学 基 础,西安石油大学材料科学与工程学院,图,2-4,螺型位错,(a),立体图；,(b),俯视图,螺型位错的定义：位错线平行于滑移方向，位错线附近的原子按螺旋形式排列，这种晶体缺陷称为螺型位错。,电镜下的螺型位错,2,、螺型位错,(screw dislocation),*,材 料 科 学 基 础,西安石油大学材料科学与工程学院,*,螺型位错的结构特征：,1),螺型位错无额外半原子面。,2),螺型位错线与滑移矢量平行，位错线是直线，位错线移动方向与晶体滑移方向垂直。,3),纯螺型位错的滑移面不是唯一的。凡是包含螺形位错线的平面都可作为滑移面。,4),螺型位错线是具有一定宽度的细长的晶格畸变管道，其中只有切应变，而无正应变，即不会引起体积膨胀和收缩。,11,材 料 科 学 基 础,西安石油大学材料科学与工程学院,刃型位错和螺型位错的异同点,刃型位错,螺型位错,与柏氏矢量的关系,柏氏,矢量与刃性位错线垂直,柏氏,矢量与螺型位错线平行,位错分类,刃性位错有正负之分,螺形位错分为左旋和右旋,位错是否引起晶体畸变和形成应力场,引起晶体畸变、形成应力场，且离位错线越远，晶格畸变越小,引起晶体畸变、形成应力场，且离位错线越远，晶格畸变越小,位错类型,只有几个原子间距的线缺陷,只有几个原子间距的线缺陷,*,12,材 料 科 学 基 础,西安石油大学材料科学与工程学院,图,2-7,混合位错,3,、混合位错,(mixed dislocation),位错线既不平行也不垂直于滑移方向，滑移矢量与位错线成任意角度，这种晶体缺陷称为混合型位错。,位错线与滑移矢量平行是螺位错,位错线与滑移矢量垂直是刃位错,A,C,B,位错线与滑移矢量不垂直也不平行，是混合位错,*,由于位错线是已滑移区与未滑移区的边界线。,1,）一根位错线不能终止于晶体内部，而只能露头于晶体表面或晶界。,2,）若位错终止于晶体内部，则必与其它位错线相连接，或在晶体内部形成封闭线。位错若在晶体内部形成的封闭线称为位错环。,A,，,B,两处是刃型位错，,C,，,D,两处是螺型位错，其它各处均为混合位错。,13,西安石油大学材料科学与工程学院,材 料 科 学 基 础,*,材 料 科 学 基 础,西安石油大学材料科学与工程学院,*,三、柏氏矢量,(,Burgers vector,),：,1939,年柏格斯（,J.M.Burgers,）提出了采用柏氏回路来定义位错。,柏氏矢量：描述位错实质的物理量，反映柏氏回路包含的位错所引起的点阵畸变的总积累。,位错的很多性质与柏氏矢量有关，也表示晶体滑移时原子移动的大小和方向。,15,材 料 科 学 基 础,西安石油大学材料科学与工程学院,*,16,材 料 科 学 基 础,西安石油大学材料科学与工程学院,（,a,）实际晶体的柏式回路,（,b,）完整晶体的相应回路,图,2-5,刃型位错的柏氏矢量确定,确定柏氏矢量的具体步骤：,1),首先选定位错线的正向，通常规定出纸面的方向为位错线的正方向。,2),按照右手法则作柏氏回路。在实际晶体中，从任一原子（例如,M,）出发，避开位错线附近的严重畸变区，围绕位错以一定的步数作一闭合回路。,3),在完整晶体中按同样的方向和步数作相同的回路，该回路不封闭。由终点,Q,向起点,M,引一矢量，使该回路闭合，这个矢量,b,就是实际晶体中位错的柏氏矢量。,*,17,材 料 科 学 基 础,西安石油大学材料科学与工程学院,（,a,）实际晶体的柏式回路,（,b,）完整晶体的相应回路,图,2-6,螺形位错的柏氏矢量确定,确定柏氏矢量的具体步骤：,1),首先选定位错线的正向，通常规定出纸面的方向为位错线的正方向。,2),按照右手法则作柏氏回路。在实际晶体中，从任一原子（例如,M,）出发，避开位错线附近的严重畸变区，围绕位错以一定的步数作一闭合回路。,3),在完整晶体中按同样的方向和步数作相同的回路，该回路不封闭。由终点,Q,向起点,M,引一矢量，使该回路闭合，这个矢量,b,就是实际晶体中位错的柏氏矢量。,*,位错的确定方法：,刃型位错右手法则,:,食指指向位错线方向，中指指向柏氏矢量方向，拇指指向代表多余半面子面位向，向上为正，向下为负。,螺型位错的柏氏矢量,:,螺型位错的柏氏矢量与位错线平行，且规定,b,与位错线正向平行者为右螺旋位错，,b,与位错线反向平行者为左螺旋位错。,18,材 料 科 学 基 础,西安石油大学材料科学与工程学院,*,2,柏氏矢量的特性,1),柏氏矢量是一个反映位错周围点阵畸变总累积的物理量。该矢量的方向表示位错的性质与位错的取向，其方向表示晶体滑移的方向，而模,|b|,表示畸变的程度，称为位错的强度。所以，位错也可定义为柏氏矢量不为零的晶体缺陷。,2),柏氏矢量具有守恒性：一条位错线的柏氏矢量是恒定不变的。,3),柏氏矢量的唯一性：一根不分岔的位错线，不论其形状如何变化（直线、曲折线或闭合的环状），也不管位错线上各处的位错类型是否相同，其各部位的柏氏矢量都相同；而且当位错在晶体中运动或者改变方向时，其柏氏矢量不变，即一根位错线具有唯一的柏氏矢量。,4),柏氏矢量的守恒性定律,位错分解：若一个柏氏矢量为,b,的位错可以分解为柏氏矢量分别为,b,1,，,b,2,.b,n,的,n,个位错，则分解后各位错柏氏矢量之和等于原位错的柏氏矢量，即,b=,位错交于一点：若由数根位错相交于一点，则指向结点的位错线的柏氏矢量的和等于离开结点的柏氏矢量的和。如果位错线都指向或者离开结点，则柏氏矢量和为零。,19,材 料 科 学 基 础,西安石油大学材料科学与工程学院,*,3,柏氏矢量的表示方法,柏氏矢量的大小可以用它在各个晶轴上的单位矢量（即用点阵矢量,a,、,b,、,c,）表示。,立方晶系中柏氏矢量的表示方法为,b=a/nu v w,，其中，,n,为正整数。,表示位错的强度，称为柏氏矢量的大小或者模。,同一晶体中，柏氏矢量越大，点阵畸变越严重，能量越高。能量高的位错倾向于分解为两个或者多个能量较低的位错，使系统的自由能下降。,20,材 料 科 学 基 础,西安石油大学材料科学与工程学院,*,四、位错的密度：单位体积晶体中所含的位错线的总长度,式中，,L,为位错线的总长度；,V,是晶体的体积。,或：位错密度就等于穿过单位面积的位错线数目：,式中，,l,为每根位错线的长度，近似于晶体的厚度；,n,为在面积,A,中所见到的位错数目。,不是所有位错面与观察面相交，所以求得的位错密度小于实际值。,21,材 料 科 学 基 础,西安石油大学材料科学与工程学院,*,材 料 科 学 基 础,西安石油大学材料科学与工程学院,