材料成形金属学:第一章 位错理论基础
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(1) 点缺陷 point defects
空位 vacancy 间隙原子 interstitial atom 杂质原子 impurity atom
单晶体中的点缺陷
Extra atom
Missing atom
Foreign atom
Extra atom
Schematic illustration of types of defects in a single-crystal lattice: self-interstitial, vacancy, interstitial, and substitutional.
• Equilibrium concentration varies with temperature!
No. of defects
Formation energy
n N
= Aexp-kQT
Leabharlann Baidu
No. of potential
Temperature
defect sites. Boltzmann's constant
值相差千倍以上的问题,提出位错理论。
理想晶体的临界切应力
b
A
μ
B0 Q
b
G τm = 2π
理想晶体塑性变形模型是通过晶体的整体滑移来实现的。它把滑移面两侧 的晶体看作是刚性体,在切应力的作用下它们产生相对移动。理想晶体的临界 切应力比实际晶体的大数千倍。
位错运动
逐步滑移是通过晶体内位错一步一步移动来实现的, 位错移动一个原子间距,需要克服的位垒比理想晶体作 整体滑移时原子克服的位垒要小的多。
grain boundaries
Two-dimensional Defects
May increase the mechanical strength of materials at room temperature
Increase ductility of materials with a ultrafine or even nano-grain structure
Ae-q / kT
空位迁移速度与绝对温度T和空位迁移能量q的关系 式中:A为常数,k为玻尔兹曼常数。
点缺陷对晶体性质的影响
晶格畸变:点缺陷引起晶格局部弹性变形。
空位缺陷
间隙粒子缺陷 杂质粒子缺陷
点缺陷引起的三种晶格畸变
点缺陷对材料性能的影响
点缺陷的存在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。
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,使强度提高,塑性下降。
(2)线缺陷 line defect
刃型位错 Edge dislocation 螺型位错 Screw dislocation 混合位错 Mixed dislocation
位错概念的引入
1934年 Taylor/Orowan/Polanyi 为解释实测的晶体临界切应力值与理论计算
理想晶体原子 面堆积
含有刃型位错晶 体原子面堆积
含有螺型位错晶 体原子面堆积
晶体中位错的几何特征
刃型位错的原子模型
将上半部分晶体向左移动一个原子间距,再按原子的结合方式 连接起来,相当于插入半个原子面,这就是刃型位错。
点缺陷的类型 :
1) 空位 在晶格结点位置应有原子的 地方空缺,这种缺陷称为“空位”。
2) 间隙原子 在晶格非结点位置,往 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 是异类原子。
3) 异类原子 在一种类型的原子组成 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。
空位平衡浓度
“重合位置点阵”模型
相界面
共格界面 半共格界面 非共格界面
(a)共格界面;(b)部分共格界面;(c)非共格界面
应用 applications
广泛用于金属材料科学的各个领域
金属的屈服、加工硬化、断裂等力学性能 物理性能(电阻、电磁性能) 扩散、相变 其他结构敏感性性质
1.2 位错的原子模型和柏氏矢量
Each lattice site
(1.38 x 10 -23 J/atom K) (8.62 x 10-5 eV/at om K)
is a potential
vacancy site
空位迁移
Self Diffusion via Vacancy Mechanism
空位
空位
晶体中空位的迁移是通过空位与它周围原子交换来实现的。
Low Angle Grain Boundary -小角晶界
(a)倾侧晶界模型;(b)扭转晶界模型
小角晶界可理解为位错墙 位向差θ<10°
亚结构
变形→位错密度增加→位错缠结 高位错密度区将位错密度低的区域隔开 → 晶粒内部出现“小晶粒” ,取向差不大→ 胞状亚结构
.
透射电镜 (TEM)
大角晶界
效果:1) 提高材料的电阻 定向流动的电子在点缺陷处受到非
平衡力(陷阱),增加了阻力,加速运动提高局部温度。 2) 加快原子的扩散迁移 空位可作为原子运动的周转站。 3) 形成其他晶体缺陷 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。 4) 改变材料的力学性能 空位移动到位错处可造成刃位
晶界特点
1) 晶界—畸变—晶界能—向低能量状态转化—晶粒长大、 晶界变直—晶界面积减小; 2) 阻碍位错运动— 流变应力↑ 细晶强化; 3) 位错、空位等缺陷多—晶界扩散速度高; 4) 晶界能量高、结构复杂—容易满足固态相变的条件— 固态相变首先发生地; 5) 化学稳定性差—晶界容易受腐蚀; 6) 微量元素、杂质富集。
1 位错理论基础
Fundamentals of dislocation theory
理想晶体 完全按照空间点阵有规则排列
实际晶体 不可能完全规则排列,存在晶格缺陷 lattice defect
1.1 晶体缺陷概述
晶体中的缺陷: 原子排列偏离完整性的区域
点缺陷-在三个方向上尺寸都很小 线缺陷-在二个方向上尺寸很小 面缺陷-在一个方向上尺寸很小
(3) 面缺陷
小角度晶界 low angle grain boundary 大角度晶界 high angle grain boundary 相界面 interphase boundary
晶界与相界
晶体内点阵相同而取向不同的两个晶粒之间的相 邻边界称为晶界。
晶体中两不同固相之间的界面称为相界。