原子的不规则排列课件.ppt
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- 原子 不规则 排列 课件
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1、11.3 原子的不规则排列原子的不规则排列 由于晶体生长条件、原子热运动以及材料由于晶体生长条件、原子热运动以及材料加工过程中的各种因素影响,原子排列往加工过程中的各种因素影响,原子排列往往出现偏离理想结构的情况。通常把往出现偏离理想结构的情况。通常把晶体晶体中原子偏离其平衡位置而出现不完整性的中原子偏离其平衡位置而出现不完整性的区域区域称为称为。晶体缺陷以一定的形态存在,按一定的规晶体缺陷以一定的形态存在,按一定的规律产生、发展、运动和交互作用,并对晶律产生、发展、运动和交互作用,并对晶体的性能和物理化学变化有重要影响。体的性能和物理化学变化有重要影响。2 晶体缺陷按几何特征分为三类:晶体缺
2、陷按几何特征分为三类:(1):在空间三维方向尺寸都很小,在空间三维方向尺寸都很小,相当于原子数量级相当于原子数量级。如空位和间隙原子。如空位和间隙原子。(2):在某二维方向尺寸很小,另一在某二维方向尺寸很小,另一维方向尺寸很大维方向尺寸很大。如各类型位错。如各类型位错。(3):在某二维方向尺寸很大,另一在某二维方向尺寸很大,另一维方向尺寸很小维方向尺寸很小。如晶界和相界。如晶界和相界。晶体中总是有缺陷的,但完整性是主要的晶体中总是有缺陷的,但完整性是主要的。因此晶体有一系列与非晶体不同的特性。因此晶体有一系列与非晶体不同的特性。3 1.3.1 点缺陷点缺陷 1.3.1.1 点缺陷的形成、结构和
3、能量:原子点缺陷的形成、结构和能量:原子的热振动能量是温度的函数。在一定温度的热振动能量是温度的函数。在一定温度下,热振动平均能量是一定的。但每个原下,热振动平均能量是一定的。但每个原子在同一瞬间或同一原子在不同瞬间的振子在同一瞬间或同一原子在不同瞬间的振动能量并不相同,即存在动能量并不相同,即存在。当某。当某些原子的能量高于其位垒时,可以摆脱周些原子的能量高于其位垒时,可以摆脱周围原子的约束而跳离平衡位置,留下一个围原子的约束而跳离平衡位置,留下一个空位,温度越高几率越大。空位,温度越高几率越大。4 如果如果离位原子迁移到晶体的外表面或内界离位原子迁移到晶体的外表面或内界面处,则空位称为面处
4、,则空位称为;如果如果离位原子迁移到点阵间隙,则这种空离位原子迁移到点阵间隙,则这种空位称为位称为。进入点阵间隙的原子称为间隙原子;同类进入点阵间隙的原子称为间隙原子;同类原子称为自间隙原子;异类原子称为异类原子称为自间隙原子;异类原子称为异类间隙原子。间隙原子。若异类原子占据空位称为置换原子。因与若异类原子占据空位称为置换原子。因与基体原子半径有别,会引起基体原子半径有别,会引起。56 点缺陷使其周围原子间的作用力失去平衡,点缺陷使其周围原子间的作用力失去平衡,原子需要重新调整位置。点阵因此产生弹原子需要重新调整位置。点阵因此产生弹性畸变,形成性畸变,形成。点阵畸变使原子离开平衡位置,故晶体
5、内点阵畸变使原子离开平衡位置,故晶体内能上升。通常把这一部分增加的能量称为能上升。通常把这一部分增加的能量称为。常见金属中,间隙原子形成能比空位形成常见金属中,间隙原子形成能比空位形成能大几倍能大几倍。7 1.3.1.2 空位平衡浓度:绝对零度的晶体为空位平衡浓度:绝对零度的晶体为完整结构的晶体。完整结构的晶体。在绝对零度以上的任何在绝对零度以上的任何温度下,温度下,由于热起伏会造成一定浓度的肖由于热起伏会造成一定浓度的肖脱基空位和弗兰克尔空位脱基空位和弗兰克尔空位。总空位数与温。总空位数与温度有关,其浓度称为该温度下晶体的平衡度有关,其浓度称为该温度下晶体的平衡浓度,用浓度,用cv表示。表示
6、。cv=ne/N=exp-Ev/kT+Sv/k (1-2)式中式中ne为平衡空位浓度;为平衡空位浓度;N为阵点总数;为阵点总数;Ev为空位形成能;为空位形成能;Sv为振动熵;为振动熵;k为玻为玻尔兹曼常数。尔兹曼常数。8 式式(1-2)可以简化:可以简化:cv=ne/N=exp-Ev/kT+Sv/k=Aexp-Ev/kT 式中式中A为振动熵所决定的系数,其值在为振动熵所决定的系数,其值在110之间。之间。由此可见:空位平衡浓度与温度和形成能由此可见:空位平衡浓度与温度和形成能之间呈指数关系。之间呈指数关系。温度越高,空位平衡浓温度越高,空位平衡浓度越大度越大。9 1.3.1.3 空位对晶体性能
7、的影响:通常空位空位对晶体性能的影响:通常空位主要影响晶体的物理性质,如比体积、比主要影响晶体的物理性质,如比体积、比热容、电阻率等。若空位过饱和还会影响热容、电阻率等。若空位过饱和还会影响金属的屈服强度。金属的屈服强度。此外,点缺陷还影响其他物理性质,如扩此外,点缺陷还影响其他物理性质,如扩散系数、内耗、介电常数等。散系数、内耗、介电常数等。10 例题例题1.3.2:已知已知Al晶体在晶体在550的空位浓度的空位浓度c=2c=210-6,计算空位均匀分布时的平均间距计算空位均匀分布时的平均间距.解解:Al晶体为面心立方点阵晶体为面心立方点阵,设点阵常数为设点阵常数为a,原子原子直径为直径为d
8、,则则:a=2d (d从手册上查从手册上查,见附录见附录B)设单位体积中的阵点数为设单位体积中的阵点数为N,因一个面心晶胞因一个面心晶胞(V=a3)含含4个阵点个阵点(原子原子),则则:N=4/V=4/(2d)3=2/d3 空位浓度是单位体积内的空位数与阵点数之比空位浓度是单位体积内的空位数与阵点数之比c=n/N.所以单位体积内的空位数所以单位体积内的空位数:n=Nc=2210-6/d3 设空位平均间距为设空位平均间距为L,则以则以L为棱边的立方体中含一为棱边的立方体中含一个空位个空位:n/L3=1 即即:L=(1/n)1/3=d/(2210-6)1/3=20.3nm 答答:(略略)11 1.
9、3.2 线缺陷线缺陷 晶体中的线缺陷指各种位错,即晶体中某晶体中的线缺陷指各种位错,即晶体中某处一列或若干列原子发生处一列或若干列原子发生有规律的错排有规律的错排现现象,错排区为细长的管状畸变区域,长度象,错排区为细长的管状畸变区域,长度可达几百至几万原子间距,而宽度只有几可达几百至几万原子间距,而宽度只有几个原子间距。位错分为刃型位错和螺型位个原子间距。位错分为刃型位错和螺型位错两种。错两种。位错位错dislocation是一类极为重要的晶体缺是一类极为重要的晶体缺陷陷,对材料的塑性变形、强度、断裂等起,对材料的塑性变形、强度、断裂等起着决定性作用,对扩散、相变等也影响较着决定性作用,对扩散
10、、相变等也影响较大。大。12 1.3.2.1 位错的基本类型:位错的基本类型:(1):如图所示,:如图所示,原子面原子面ABCD上半部分沿着上半部分沿着ABCD面局部滑面局部滑移了一个原子间距,结果在滑移面移了一个原子间距,结果在滑移面ABCD的上半部分出现了多余的半排原子面的上半部分出现了多余的半排原子面EFGH,它好象是一把刀切入晶体并终止于它好象是一把刀切入晶体并终止于ABCD面上面上13 在半原子面的在半原子面的“刃边刃边”EF的周围,晶格发的周围,晶格发生畸变。我们称生畸变。我们称EF为刃型位错线。为刃型位错线。刃型位刃型位 错线与错线与 滑移方滑移方 向垂直向垂直。其原子其原子 排
11、列如排列如 图。图。14 位错线实际上是晶体中已滑移区位错线实际上是晶体中已滑移区ABEF与未与未滑移区滑移区EFCD在滑移面在滑移面ABCD上的交线上的交线,因,因为此处的原子相对位移不可能从一个原子为此处的原子相对位移不可能从一个原子间距突变为零,所以间距突变为零,所以存在一个存在一个。过。过渡区中的原子相对位移从一个原子间距逐渡区中的原子相对位移从一个原子间距逐渐减至零。渐减至零。刃型位错周围的点阵畸变相对于多余半原刃型位错周围的点阵畸变相对于多余半原子面是左右对称的。畸变程度随离位错线子面是左右对称的。畸变程度随离位错线的距离增大而减小,的距离增大而减小,严重点阵畸变的范围严重点阵畸变
12、的范围约为几个原子间距约为几个原子间距。15 正负刃型位错:为讨论方便,通常将多余正负刃型位错:为讨论方便,通常将多余半原子面位于上半部的为错线称为正刃型半原子面位于上半部的为错线称为正刃型位错,用符号位错,用符号“”表示;表示;将多余半原子面将多余半原子面位于下半部的为错线称为负刃型位错,用位于下半部的为错线称为负刃型位错,用符号符号“”表示。表示。位错的位错的“正正”“”“负负”是相对的是相对的。刃型位错线可以是直线、折线或曲线;可刃型位错线可以是直线、折线或曲线;可以是开放线,也可以是封闭线。以是开放线,也可以是封闭线。1617(2):如图,在切应:如图,在切应力力的作用下,简立方晶体右
13、端上下两部分沿滑移的作用下,简立方晶体右端上下两部分沿滑移面面ABCD发生了一个原子间距的局部位移,而右发生了一个原子间距的局部位移,而右半部分未发生位移,其边界线半部分未发生位移,其边界线bb就是一条位错线,就是一条位错线,平行于滑移方平行于滑移方 向。在向。在bb和和AB 两线之间有一个两线之间有一个 约几个原子间距约几个原子间距 宽,上下层原子宽,上下层原子 不吻合的过渡区。不吻合的过渡区。18 以以bb为轴,依次连接过渡区内的同一原子为轴,依次连接过渡区内的同一原子面的原子,其走向构成右螺旋,故称这种面的原子,其走向构成右螺旋,故称这种位错为螺型位错。位错为螺型位错。螺位错分螺位错分“
14、左螺左螺”和和“右螺右螺”两种,两者两种,两者因滑移方向相反,所以有本质区别。因滑移方向相反,所以有本质区别。19(3)混合型位错:刃型位错线与滑移方向垂混合型位错:刃型位错线与滑移方向垂直,螺型位错线与滑移方向平行。直,螺型位错线与滑移方向平行。当位错当位错线与滑移方向既不平行也不垂直,而是成线与滑移方向既不平行也不垂直,而是成任意角度时,这种位错称为任意角度时,这种位错称为。混合型位错是一条曲线,混合型位错是一条曲线,可以分解为刃型可以分解为刃型分量和螺型分量分量和螺型分量,它们分别具有刃型位错,它们分别具有刃型位错和螺型位错的特征。和螺型位错的特征。2021 根据对刃位错和螺位错的讨论可
15、知:根据对刃位错和螺位错的讨论可知:位错是晶体中已滑移区与未滑移区的边界位错是晶体中已滑移区与未滑移区的边界线;可以具有任意形状。线;可以具有任意形状。封闭位错称为封闭位错称为。位错与滑移方向垂直的叫刃位错;位错与位错与滑移方向垂直的叫刃位错;位错与滑移方向平行的叫螺位错滑移方向平行的叫螺位错;其他形式都是;其他形式都是混合位错。混合位错。2223 1.3.2.2:用来表:用来表示位错性质的矢量,以示位错性质的矢量,以b为符号。为符号。(1)b的确定:的确定:1 人为确定位错线方向;人为确定位错线方向;2 从远离位错线的任一原子开始,以右螺旋从远离位错线的任一原子开始,以右螺旋方向将结点逐点连
16、接为一闭合回路方向将结点逐点连接为一闭合回路MNOPQ(M)(称柏氏回路称柏氏回路);3 在完整晶体中同样作一对比回路在完整晶体中同样作一对比回路MNOPQ,此时此时Q与与M不重合,矢量不重合,矢量QM即为该位错的即为该位错的柏氏矢量柏氏矢量b。242526(2)柏氏矢量的表示方法柏氏矢量的表示方法:方向用晶向指数方向用晶向指数表示,模用该晶向上的原子间距表示表示,模用该晶向上的原子间距表示.若模等于该晶向上的原子间距则叫若模等于该晶向上的原子间距则叫或或;小于该晶向上的原子间距则;小于该晶向上的原子间距则叫叫。立方晶系中的柏氏矢量记为:立方晶系中的柏氏矢量记为:b=uvwa/n 其模为:其模
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