物理冶金基础-第二-三章

2.1过程热力学第二章空位T:含有大量点阵空位的金属中，空位是否消失，以便原子排列更接近理想晶体（1）体系自由能G=H-TSH—热焓，S---熵（2）熵S=klnΩk—Boltzman常数，Ω-每个微观状态的数目或排列方式（3）过程自由能的变化ΔG=ΔU+PΔV-TΔS对液体、固体在恒压下,PΔV变化很小，则：ΔG=ΔU-TΔS(4)热力学第二定律恒温、恒压下物质系统总是从自由能高的状态向自由能较低的状态转变：ΔG02.2空位形成第二章空位空位（vacancy）特性晶体结构中本应由质点正常占有的位置,实际上缺失了质点而留下的空位。是一种点缺陷晶格点缺陷有三种：1）空位；2）间隙原子；3）置换原子。是热力学平衡过程当温度升高时，集团原子的平均热能加大，导致全局平均振幅加大，因此，由于振动而能脱离金属键结合的原子数量增大，空位浓度增大。反之亦反。2.2空位形成第二章空位空位形成2.2空位形成第二章空位空位形成机制原子离开平衡位置（留下空位），迁移到晶体表面-Schottkydefect原子离开平衡位置（留下空位），迁移到晶格间隙-Frenkeldefect形成能高Cu:空位形成能0.17aJ间隙原子形成能0.48aJ.atto-代表百亿亿分之一10-182.2空位形成第二章空位空位的移动在一定的温度下，空位和间隙原子处于变化状态，原子间能量分布不均匀，空位因热振动可迁移。空位在晶体中的迁移是随机的、不规则的布朗运动。空位的迁移造成金属的自扩散，随温度升高，自扩散加剧。2.2空位形成第二章空位过饱和空位特殊情况下，晶体中空位数量超过其平衡浓度。获得过饱和空位的方法：1.高温淬火2.冷加工3.辐照效应将高能粒子（中子、质子、α粒子）射到金属中，提高空位浓度，如16000aJ中子轰击Cu可产生的空位原子平均数约380个。2.3空位的作用第二章空位影响物理性能空位使金属电阻升高，体积膨胀，密度减小。如Cu增加1%空位，电阻率增加1.5μΏ·cm影响机械性能：过饱和空位提高屈服强度。其它：金属扩散高温塑变退火沉淀表面化学热处理断裂等过程与空位密切有关。3.1位错的基本性质第三章位错3.1.1模型A刃型位错B螺型位错C混合位错两种基本类型：刃型位错和螺型位错3.1位错的基本性质第三章位错3.1.2位错类型B螺型位错C混合位错两种基本类型：刃型位错和螺型位错3.1位错的基本性质第三章位错3.1.2位错类型B螺型位错C混合位错两种基本类型：刃型位错和螺型位错3.1位错的基本性质第三章位错3.1.3位错描述A柏氏回路柏氏矢量3.1位错的基本性质第三章位错3.1.3位错描述柏氏矢量3.1位错的基本性质第三章位错3.1.3位错描述B柏氏矢量物理意义柏氏矢量位错滑移到晶体表形成一个柏氏矢量宽度的滑移台阶。3.1位错的基本性质第三章位错3.1.3位错描述B柏氏矢量物理意义柏氏矢量位错滑移到晶体表形成一个柏氏矢量宽度的滑移台阶。3.1位错的基本性质第三章位错3.1.3位错描述C基本规律刃型位错：半原子面方向b正、负刃型(上为正，下为负。相对的)，也可以用右手定则。螺型位错：//b左、右螺型，同向为右螺混合位错呈一定的夹角与b3.1位错的基本性质第三章位错3.1.3位错描述D位错密度3.1位错的基本性质第三章位错3.1.4位错运动A刃型位错：滑移攀移位错运动的本质是引起塑性变形。3.1位错的基本性质第三章位错3.1.4位错运动B螺型位错：滑移交滑移3.1位错的基本性质第三章位错1.4位错运动C混合位错：最简单的混合位错为直线位错，可以分解为刃型分量和螺型分量，b1=bsinθb2=bcosθ混合位错的滑移：位错线可为空间任意形状曲线，讨论平面曲线的混合位错。作用的切应力方向相反，则位错环逐渐缩小，以至消失。3.2位错的弹性性质第三章位错3.2.1直线位错应力场B螺型位错：A分析模型：3.2位错的弹性性质第三章位错3.2.1直线位错应力场C刃型位错：3.2位错的弹性性质第三章位错3.2.2位错线的能量单位长度位错线的能量=位错周围的应变能与b的平方成正比，刃型位错的大于螺型的。位错中心能量Ecore约占总应变能的0.1。3.2位错的弹性性质第三章位错3.2.3位错的受力弯曲位错具有高的能量，位错尽可能缩短长度，即变直，于是位错线有线张力T.T存在，弯曲位错产生一个指向曲率中心的向心恢复力A线张力与向心恢复力弯曲位错的波长为λ02ln4rKGbTRTdsdTdsF/2sin2RT/R越小，则恢复力越大。要使位错弯曲，必须施加一个与恢复力平衡的力。3.2位错的弹性性质第三章位错晶体受外力作用，切应力作用下原子运动效果相当于有一个垂直于位错线的力推动位错运动，是组态力。t为位错切线方向的单位矢量。B作用在位错线上的力-机械力单位长度位错线上的力：3.2.3位错的受力3.2位错的弹性性质第三章位错3.2.4平行位错的交互作用力A平行螺位错平行螺位错3.2位错的弹性性质第三章位错3.2.4平行位错的交互作用力B平行刃位错3.2位错的弹性性质第三章位错3.2.5位错的塞积3.3位错的起源、增殖和割阶第三章位错3.3.1位错的起源1）“籽晶”中本来就存在位错；2）凝固界面不同部分碰挤产生；3）在杂质颗粒或在很大的温度梯度区域因热收缩不同产生；4）材料之间外延时接触产生的点阵错配引起；5）急冷或收辐射的材料中的过饱和空位或间隙原子萌生。3.3位错的起源、增殖和割阶第三章位错3.3.1位错的起源3.3位错的起源、增殖和割阶第三章位错3.3.2位错的增殖F-R:Frank-Read3.3位错的起源、增殖和割阶第三章位错3.3.2位错的增殖3.3位错的起源、增殖和割阶第三章位错3.3.2位错的增殖3.3位错的起源、增殖和割阶第三章位错3.3.3位错线交截与割阶相交滑移面运动的位错相遇，产生交截，在对方的位错线上产生自身柏氏矢量的弯折或割阶。分：刃型位错交截、刃型和螺型位错交截、螺型位错与螺型位错交截相交的结果：位错线长度增加，增加位错运动的阻力。A刃型位错交截：刃型位错交截产生割阶-扭折，在原滑移面上，不影响位错的运动，不影响位错的滑移。3.3位错的起源、增殖和割阶第三章位错3.3.3位错线交截与割阶B刃型位错与螺型位错交截：C螺型位错与螺型位错交截：产生割阶阻碍位错运动。刃型位错线上形成刃型割阶，割阶的滑移面与原滑移面不同，但不影响位错的运动。螺型位错线上形成刃型割阶，所组成的滑移面与原滑移面不同，割阶不能产生滑移，对原位错产生阻力，要是QQ’运动，只有通过攀移，割阶对螺型位错产生阻力。位错运动交截，增加位错运动阻力-位错长度增加，不可动割阶3.4实际晶体中的位错第三章位错3.4.1实际晶体位错存在的基本要求A结构上的要求B能量上的要求位错的柏氏矢量必须是连接一个原子的平衡位置到另一个原子的平衡位置。简单立方晶体中柏氏矢量等于点阵矢量；在复杂晶体结构中，如bcc.fcc,fcp,柏氏矢量不一定等于点阵矢量。位错的能量与不b2成正比，柏氏矢量越小越好。高能量的位错不稳定，可通过位错反应分解为能量较低的位错组态，如：b12b22+b32,b1→b2+b3分类：全位错-b=na单位位错-b=na不全位错-b≠na部分位错-ba实际晶体中存在位错的柏氏矢量限于少数最短的点阵矢量。3.4实际晶体中的位错第三章位错3.4.2典型晶体中的位错AfccBbcc最短点阵矢量，[1/2,1/2,0],a/2110,长度为b=√2/2aa次短点阵矢量，a100,b=a,能量分析，单位位错为a/2110,最短点阵矢量，a/2111,长度为b=√3/2aa次短点阵矢量，a100,b=a,能量分析，单位位错为a/2111,Chcp最短点阵矢量，a1120,长度为b=a次短点阵矢量，c0001,b=c,能量分析，单位位错为a/31120,3.4实际晶体中的位错第三章位错3.4.3堆垛层错fcc晶体以密排面{111}按ABCABC…顺序堆垛而成。{111}晶面原子堆垛从（110）面看(111)面的原子排列在晶体中，某一区域的晶面堆垛顺序如果出现差错，则产生一个晶体缺陷，称为堆垛层错。ABC（A）BCA….抽出型A;ABCBAB….插入型B.3.4实际晶体中的位错第三章位错3.4.3堆垛层错hcp晶体{0001}面按ABAB….顺序堆垛，它也可能形成堆垛层错。其层错包含有fcc晶体的堆垛顺序。抽出型：BABACAC….;插入型:BABACBCB…..形成层错时，几乎不产生点阵畸变，但它破坏了晶体正常的周期性，使电子发生反常的衍射效应，使能量有些增加，这部分能量为堆垛层错能。bcc晶体密排面{110}和{100}晶面只能按ABAB….顺序堆垛，它不可能形成堆垛层错。{112}晶面的堆垛顺序是周期的，ABCDEFAB…..,则产生层错。可产生ABCDCDEFA…层错。3.4实际晶体中的位错第三章位错3.4.4不全位错若堆垛层错不是发生整个晶面，只是发生在部分区域，层错与完整晶体之间的边界是位错，位错的柏氏矢量不等于点阵矢量，是不全位错。弗兰克不全位错-b=a/3111,相当于再晶体中插入半层或抽去半层密排面形成。属于刃型位错，b不在滑移面上，不能滑移，为固定位错，但可发生攀移。fcc晶体中2种不全位错：肖克莱不全位错-b=a/6[121],左侧原A层原子在【121】方向沿LM滑动到了B层位置形成。是可以滑移的，相当于层错面的扩大或收缩。3.4实际晶体中的位错第三章位错3.4.5位错反应与扩展位错位错因能量条件发生分解或组合等反应,b1=b2+b3,是能量降低的过程。第二层原子由B移动到C，在（111）面上产生堆垛层错，而从C再移动到B，又恢复到正常的堆垛顺序。为b2、b3肖克莱不全位错，在他们之间为堆垛层错带。3.4实际晶体中的位错第三章位错3.4.5位错反应与扩展位错3.5位错理论的应用第三章位错3.5.1位错与溶质原子的交互作用A溶质应力场与位错应力场置换原子引起晶格畸变，大原子-受压；小原子-受拉位错引起晶格畸变，滑移面上-受压；下-受拉3.5位错理论的应用第三章位错3.5.1位错与溶质原子的交互作用大原子位于滑移面下；小原子位于滑移面下；总晶格畸变能下降，松弛位错的应力场。3.5位错理论的应用第三章位错3.5.1位错与溶质原子的交互作用间隙原子引起受压的晶格畸变：3.5位错理论的应用第三章位错3.5.1位错与溶质原子的交互作用溶质原子处于位错线下方，降低晶格畸变，松弛位错的应力场。3.5位错理论的应用第三章位错3.5.1位错与溶质原子的交互作用B弹性交互作用（还有化学、电化学、几何交互作用）设溶剂原子(半径为r)被溶质(r’)取代，应变ε=(r’-r)/r,处于位错的应力场σrr，溶质原子处于位错的位置为(R,α),则：RGbrrsin)1(2rrrrFU)1(324-3溶质只有体积变化交互作用能RGbrUsin)11(3430',0,0rrU2,0sin,0,0U间隙原子，总是扩张晶格间隙，总是被膨胀区吸引。3.5位错理论的应用第三章位错3.5.1位错与溶质原子的交互作用B弹性交互作用（还有化学、电化学、几何交互作用）3.5位错理论的应用第三章位错3.5.1位错与溶质原子的交互作用CCottrell气团位错与溶质原子的交互作用，大量的溶质原子，尤其是间隙原子聚集在位错线附近，形成原子云。C0为溶质的平均浓度。当溶质原子的浓度超过了溶解度，则多余的原子将沿位错线以沉淀物析出3.5位错理论的应用第三章位错3.5.1位错与溶质原子的交互作用D对力学性能的影响Cottrell气团，产生强化效应。位错受力力，位错滑移扰乱气团中溶质原子的平衡分布，系统的应变能升高，位错受气团的钉扎。外力小，气团与位错一起运动，位错拖动气团所产生阻力；外力大，位错挣脱气团的束缚，体系的应变能身高。强化效应C原子与⊥交互作用，外力使位错运动：20