材料科学基础第一章幻灯片.ppt

材料科学基础 第一章 材料科学基础 2009.9 §1.3 原子的不规则排列—概述 实际晶体中,原子在三维空间的规则排列是主要的.它决定了晶体有别于非晶体的一系列重要特征,也决定了不同材料所具有的性能. 由于晶体的形成条件、加工过程、原子的热运动及其它因素的影响,会使局部区域原子的规则排列遭到破坏而呈现不完整性,出现晶体缺陷.晶体缺陷是实际晶体的重要组成部分,它对材料的行为和性能起着十分重要的作用. 晶体缺陷:晶体中原子偏离其平衡位置而出现不 完整性的区域. §1.3 原子的不规则排列—概述 理想晶体与实际晶体 §1.3.1 原子的不规则排列 点缺陷 §1.3.1 原子的不规则排列—点缺陷 点缺陷的类型、形成和能量 §1.3.1 原子的不规则排列—点缺陷 §1.3.1 原子的不规则排列—点缺陷 点阵畸变意味着原子离开平衡位置,形成应力场, 使晶体内能升高. 通常把升高的这部分能量称为点缺陷形成能. 常见金属中间隙原子形成能比空位形成能大几倍. §1.3.1 原子的不规则排列—点缺陷 点缺陷的平衡浓度 §1.3.1 原子的不规则排列—点缺陷 具有平衡点缺陷的晶体在热力学上比理想晶体更稳定. 这是因为,自由能?G=?U -T?S,形成点缺陷,即n增加时, 内能?U的提高使自由能升高,但体系熵?S也增加,又使自由能降低,两者的综合作用使G-n曲线产生最低点. §1.3.1 原子的不规则排列—点缺陷 结构变化: 晶格畸变 空位: 晶格收缩; 间隙原子: 晶格膨胀; 置换原子: 晶格收缩或膨胀. 性能变化 物理性能: 电阻率增大;密度减小; 力学性能: 固溶强化,提高屈服强度. 工艺过程 高温时点缺陷浓度急剧增大,对晶体材料的工艺处理过程,如: 扩散、高温塑性变形和断裂、退火、表面化学热处理等都有极大影响。 §1.3.2 原子的不规则排列 线缺陷 §1.3.2 原子的不规则排列—线缺陷 线缺陷—各种类型的位错. 位错定义 晶体中某处一列或若干列原子发生了有规律的错排而形成的细长管状畸变区域,错排区长度达几百至几万个原子间距,宽度为几个原子间距.是晶体中已滑移区和未滑移区的边界. 位错线 已滑移区和未滑移区在滑移面上的交界线. §1.3.2 原子的不规则排列—线缺陷 硅中扩展位错的晶格像 §1.3.2 原子的不规则排列—线缺陷 位错的基本类型 刃型位错 形成与定义: 晶体在大于屈服值的切应力?作用下,以ABCD面为滑移面发生滑移. EF是晶体已滑移部分和未滑移部分的交线,此即刃型位错,简称刃位错. EF为位错线. §1.3.2 原子的不规则排列—线缺陷 §1.3.2 原子的不规则排列—线缺陷 几何特征：有多余半原子面; 位错线⊥晶体滑移方向; 位错线⊥位错运动方向; 晶体滑移方向∥位错运动方向. 滑移面上部位错线周围原子受压应力作用,原子间距小于正常晶格间距; 滑移面下部位错线周围原子受张应力作用, 原子间距大于正常晶格间距. §1.3.2 原子的不规则排列—线缺陷 分类: 正刃位错, “?” ; 负刃位错, “T”. 符号中水平线代表滑移面, 垂直线代表半个原子面. 正、负刃位错是相对的. §1.3.2 原子的不规则排列—线缺陷 位错线: 半原子面的边缘线, 可以是直线、折线、曲线或位错环. §1.3.2 原子的不规则排列—线缺陷 螺型位错 形成与定义: 晶体在外加切应力?作用下,沿ABCD面滑移,已滑移区与未滑移区的分界处为位错线.由于位错线周围的一组原子面形成了一个连续的螺旋形坡面，故称为螺位错。 §1.3.2 原子的不规则排列—线缺陷 §1.3.2 原子的不规则排列—线缺陷 几何特征: 位错线∥晶体滑移方向; 位错线⊥位错运动方向; 晶体滑移方向⊥位错运动方向; 位错线周围原子的配置是螺旋状的. 分类: 有左、右旋之分,它们分别符合左手、右手螺旋定则; 左、右旋螺位错之间有本质差别—无论如何放置也不能改变其左、右旋的本质. §1.3.2 原子的不规则排列—线缺陷 混合型位错 形成: 滑移时，晶体内部已滑移和未滑移部分的交线既不垂直也不平行滑移方向的位错称为混合位错。 §1.3.2 原子的不规则排列—线缺陷 §1.3.2 原子的不规则排列—线缺陷 位错的性质 （1）不是几何直线，位错及畸变区是一条管道。 （2）是已滑移区和未滑移区的边界。 （3）不能中断于晶体内部,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。 §1.3.2 原子的不规则排列—线缺陷 柏氏矢量 (Burgers Vector) —描述位错特性的物理参量,有大小,有方向. §1.3.2 原子的不规则排列—线缺陷 §1.3.2 原子的不规则排列—线缺陷 柏氏矢量的表示方法 方向: