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1、1 1位错的弹性性质位错的弹性性质Stress field characteristics of dislocations: Dislocation energy: Gb2 unit lengthForce on a dislocation: fslip=t tb, or fclimb=-s sbLine tension of dislocation: t t=Gb/2rInteractions between dislocations: short-range and long range5th 2 21）两平行螺位错的交互作用）两平行螺位错的交互作用1 21 22rGbbfbrt由于应力场
2、中只有切应力分量，所以只受到径向作用力由于应力场中只有切应力分量，所以只受到径向作用力fr：排斥排斥吸引吸引5th 3 32）两平行刃位错的交互作用）两平行刃位错的交互作用 22222212)()()1 (2yxyxxbGbbfyxxt22222212)()3()1 (2yxyxybGbbfxxys沿沿x方向的切应力分量（滑移）：方向的切应力分量（滑移）：沿沿y方向的正应力分量（攀移）：方向的正应力分量（攀移）：在位错在位错e1的应力场中存在切应的应力场中存在切应力和正应力，分别导致力和正应力，分别导致e2沿沿x方向滑移和沿方向滑移和沿y方向攀移方向攀移 5th 4 4如果是两平行刃位错和螺位
3、错呢？如果是两平行刃位错和螺位错呢？由于由于b相互垂直，使得各自的应力场均没有使对相互垂直，使得各自的应力场均没有使对方受力的应力分量，故不发生作用方受力的应力分量，故不发生作用s1e2for screw D: sxx =syy =szz =0 t txy =t tyx = 020 xyxfbt20yxxfbs 5th b15 53.2.5 位错的生成与增殖位错的生成与增殖 formation and generation1 位错的密度位错的密度 density of dislocations位错密度：位错密度：单位体积内所包含的位错线总长度。单位体积内所包含的位错线总长度。 = L / V
4、(cm-2)一般，位错密度也定义为单位面积所见到的位错数目一般，位错密度也定义为单位面积所见到的位错数目 = n / A (cm-2)充分退火的多晶体金属中，充分退火的多晶体金属中，= 106 108 cm-2剧烈冷变形的金属中：剧烈冷变形的金属中：= 1010 1012 cm-2超纯金属单晶体：超纯金属单晶体： 103 cm-25th 6 6 位错对性能的影响位错对性能的影响：金属的塑性变形主要由位错运动金属的塑性变形主要由位错运动引起，因此阻碍位错运动是强化金属的主要途径。引起，因此阻碍位错运动是强化金属的主要途径。 减少或增加位错密度都可以提高金属的强度。减少或增加位错密度都可以提高金属
5、的强度。金属晶须金属晶须退火态退火态(105-108/cm2) 加工硬化态加工硬化态(1011-1012/cm2) s s 7 7Picture is snapshot from simulation of plastic deformation in a fcc single crystal (Cu).Number increases during plastic deformation. Spawn from dislocations, grain boundaries, surfaces.8 8Slip in a Single CrystalEach step (shear band)
6、r e s u l t s f r o m t h e generation of a large number of dislocations and their propagations in the slip systemZn9BF TEM micrographs of dislocation substructures in the (a1-a3) 19 m grain-sized and(b1-b3) 5 m grain-sized undoped HEAs after low, medium and high strains. The grain boundary (GB), B2
7、 phase, and dislocation cell structures (DCs) are marked in the images.Austenite alloy without C-doped应变量应变量Thermal-mechanical treatmentPreicipitated B2 phaseMatrix: fine grains位错胞without B2 phaseMatrix: corase grainswavy Ds10应变量应变量BF TEM micrographs of dislocation substructures in the (a1-a3) 23 m
8、grain-sized and (b1-b3) 5 m grain-sized 1.1 at. % C-doped HEAs after low, medium and high strains. Stacking faults (SF) and microbands (MBs) are marked on the images. The white arrow in (b2) points out the early stage of dislocation clusters.Matrix: fine grainscorase grainsPlanar DsmicrobandsD clust
9、ers11112 位错的生成位错的生成 formation of dislocations 晶体生长过程中产生位错晶体生长过程中产生位错杂质原子在凝固时固溶成分不均匀，导致点阵畸变，杂质原子在凝固时固溶成分不均匀，导致点阵畸变，可形成位错作为可形成位错作为过渡过渡；温度、浓度、振动等因素导致晶块间的位相差温度、浓度、振动等因素导致晶块间的位相差导致位错产生导致位错产生；晶粒间的热应力等作用导致晶体表面产生台阶而形成位错晶粒间的热应力等作用导致晶体表面产生台阶而形成位错 快速凝固及冷却过程中的过饱和空位的聚集快速凝固及冷却过程中的过饱和空位的聚集 局部应力集中，导致局部滑移局部应力集中，导致局部
10、滑移位错源：位错源：12123 位错的增殖位错的增殖 generation of dislocations 弗兰克弗兰克-瑞德源瑞德源 Frank-Read source 晶体在变形过程中存在位错的大量增殖晶体在变形过程中存在位错的大量增殖已存在的位错受力开始运动，最终移到晶体表面产生宏观塑性变形。已存在的位错受力开始运动，最终移到晶体表面产生宏观塑性变形。1313 弗兰克弗兰克-瑞德源瑞德源 Frank-Read source 临界切应力临界切应力 t tc= Gb/LLr半圆形半圆形r最小，最小，t t最大最大t t = Gb/2r在在Si、Al-Cu、Al-Mg合金、镉、不锈钢、合金、镉
11、、不锈钢、NaCl等晶体中存在等晶体中存在FR机制机制1414 双交滑移增殖模型双交滑移增殖模型割阶的存在对原位错产割阶的存在对原位错产生钉扎作用，使得原位生钉扎作用，使得原位错在滑移面上成为一个错在滑移面上成为一个Frank-Read source15153.2.6 实际晶体结构中的位错实际晶体结构中的位错Dislocations in real crystals 以上位错结构是以简单立方晶体为研究对象，实际晶体中更为复杂，具有特以上位错结构是以简单立方晶体为研究对象，实际晶体中更为复杂，具有特殊性质和复杂组态殊性质和复杂组态简单立方晶体中，简单立方晶体中，b总是等于点阵矢量。总是等于点阵矢
12、量。1 实际晶体中位错的柏氏矢量实际晶体中位错的柏氏矢量 单位位错单位位错 Unit dislocation：柏氏矢量等于单位点阵矢量的位错：柏氏矢量等于单位点阵矢量的位错 全位错全位错 Perfect dislocation：柏氏矢量等于点阵矢量或其整数倍的位：柏氏矢量等于点阵矢量或其整数倍的位错，全位错滑移后晶体原子排列不变错，全位错滑移后晶体原子排列不变 不全位错不全位错 Imperfect dislocation：柏氏矢量不等于点阵矢量整数倍的：柏氏矢量不等于点阵矢量整数倍的位错，不全位错滑移后晶体原子排列规律变化位错，不全位错滑移后晶体原子排列规律变化 部分位错部分位错 Partia
13、l dislocation：柏氏矢量小于点阵矢量的位错：柏氏矢量小于点阵矢量的位错1616但在实际晶体结构中，位错的但在实际晶体结构中，位错的b不能是任意的，它要符合不能是任意的，它要符合晶体的结构条件和能量条件。晶体的结构条件和能量条件。1）晶体的结构条件是指）晶体的结构条件是指b必须连接一个原子平衡位置到另必须连接一个原子平衡位置到另一个平衡位置。一个平衡位置。2）从能量条件，位错能量正比于）从能量条件，位错能量正比于b2，b越小系统越稳定越小系统越稳定b=点阵矢量点阵矢量1717密排堆垛时：密排堆垛时：FCC晶格中晶格中(111)面的堆垛顺序为面的堆垛顺序为ABCABCABCHCP晶格中
14、晶格中(0001)面的堆垛顺序为面的堆垛顺序为ABABABFCCHCPFCC：HCP： 18A B C B C 实际晶体结构中，密排面的正常堆垛顺序有可能遭到破坏和错排，称为实际晶体结构中，密排面的正常堆垛顺序有可能遭到破坏和错排，称为堆垛堆垛层错，简称层错层错，简称层错。FCC晶格中晶格中(111)面的堆垛顺序为面的堆垛顺序为ABCABCABCHCP晶格中晶格中(0001)面的堆垛顺序为面的堆垛顺序为ABABAB FCC结构中的堆垛层错结构中的堆垛层错正常排列正常排列A B C A B C 抽出一层抽出一层A插入一层插入一层B抽出型抽出型内禀层错内禀层错插入型插入型外禀层错外禀层错A B C
15、 B A B C 一层一层HCP packingIntrinsic stacking faultExtrinsic stacking fault2 堆垛层错堆垛层错 stacking fault19FCC晶体晶体中中的位错的位错滑移滑移面面:111滑移方向：滑移方向： 柏氏矢量柏氏矢量：实际晶体中滑移是在特定的滑移面和滑移方向上进行实际晶体中滑移是在特定的滑移面和滑移方向上进行 -密排面和密排方向密排面和密排方向1102a(111)XZY(111)1216a1102a2116a20如果某一层如果某一层(111)面以及其以上所面以及其以上所有的面一起滑移有的面一起滑移/6 矢量矢量内禀层错，又称
16、滑移型层错，内禀层错，又称滑移型层错， /6 为层错矢量为层错矢量A B C A B C A B C A B C A B C A B C A A B C A B A B C A B C A 层错矢量层错矢量1126aA BA 、B A B、ABAB 层错层错滑移型滑移型层错层错、 、（ （FCC中的中的HCP结结构）构）滑移型层错滑移型层错21如果某一层(111)l面(如B面)以及其以上所有的面一起向上抬起/3,然后插人一层(111)面(如C面)外禀层错，又称插入型层错，外禀层错，又称插入型层错， /3 为层错矢量为层错矢量 A B C A B A B C A B C A 层错矢量层错矢量11
17、26a滑移型层错滑移型层错 A B C A B C A B C A B C 位移位移： ： A B C A C B C A B C A B C 位移位移： ：1113a插入型插入型抽出抽出型型层错矢量层错矢量1113a2222形成层错时几乎不发生点阵畸变，但破坏了晶体的完整形成层错时几乎不发生点阵畸变，但破坏了晶体的完整性和正常的周期性，使晶体的能量增加，增加的能量称性和正常的周期性，使晶体的能量增加，增加的能量称为堆垛层错能为堆垛层错能 （J/m2）stacking fault energy层错能低，晶体中容易出现层错；层错能低，晶体中容易出现层错；层错能高，晶体中不易出现层错；层错能高，晶
18、体中不易出现层错；很少出现层错很少出现层错23233 分位错分位错 partial dislocation如果堆垛层错不是发生在晶体的整个原子面上而只是在部分区如果堆垛层错不是发生在晶体的整个原子面上而只是在部分区域存在，那么，在层错与完整晶体的交界处就存在不全位错，域存在，那么，在层错与完整晶体的交界处就存在不全位错，其伯氏矢量其伯氏矢量b不等于点阵矢量不等于点阵矢量层错的边界就是分位错层错的边界就是分位错抽出型抽出型插入型插入型2424FCC结构中，存在结构中，存在肖克莱（肖克莱（Shockley）分位错）分位错弗兰克（弗兰克（Frank）分位错）分位错层错矢量层错矢量肖克莱（肖克莱（Sh
19、ockley）分位错）分位错可动位错可动位错右侧是右侧是ABCABCpacking左侧是左侧是ABCBCApacking，存在层，存在层错，边界就是不全位错。相当于左侧错，边界就是不全位错。相当于左侧的的A层原子面沿滑移面到层原子面沿滑移面到B层位置，形层位置，形成了位错。可以是刃型，可以是螺型。成了位错。可以是刃型，可以是螺型。1126a这种位错可在（这种位错可在（111）面上滑移，滑移的结果使）面上滑移，滑移的结果使得层错扩大和缩小。属于可动位错。得层错扩大和缩小。属于可动位错。但是即使是刃型位错，但是即使是刃型位错，也也不能攀移不能攀移，因为如果，因为如果进行攀移，就会离开此层错面，故不
20、可进行。进行攀移，就会离开此层错面，故不可进行。2525弗兰克（弗兰克（Frank）分位错）分位错固定位错固定位错 纯刃型不全位错纯刃型不全位错FCC结构中，存在结构中，存在肖克莱（肖克莱（Shockley）分位错）分位错弗兰克（弗兰克（Frank）分位错）分位错1113ab 属于纯刃型位错，不能在滑移面上进行属于纯刃型位错，不能在滑移面上进行滑移，否则会离开层错面，故是不滑动滑移，否则会离开层错面，故是不滑动位错或固定位错。位错或固定位错。但能通过点缺陷的运动沿层错面进行攀但能通过点缺陷的运动沿层错面进行攀移，实现层错面的扩大和缩小。移，实现层错面的扩大和缩小。26264 位错反应位错反应位
21、错线之间可以合并或分解，称为位错反应，但需满足以下位错线之间可以合并或分解，称为位错反应，但需满足以下条件：条件： a. a. 几何条件：几何条件：反应前后诸位错的柏氏矢量之和相等，反应前后诸位错的柏氏矢量之和相等， b. b. 能量条件：能量条件：反应后位错的总能量小于反应前位错的总能量反应后位错的总能量小于反应前位错的总能量ijbb 22ijbb2727所以扩展位错通常指一个全位错分解为两所以扩展位错通常指一个全位错分解为两个不全位错，中间夹着一个堆垛层错的整个不全位错，中间夹着一个堆垛层错的整个位错组态，就称为扩展位错。个位错组态，就称为扩展位错。几何条件：几何条件：1126121610
22、12aaa能量条件：能量条件： 222112612161012aaa位错宽度：位错宽度： 221bGbd FCC中的扩展位错中的扩展位错 为层错能为层错能 扩展位错的宽度扩展位错的宽度d取决于层错能，晶体的取决于层错能，晶体的 低，扩展位错就宽，低，扩展位错就宽， 高，扩展位错就窄高，扩展位错就窄5 扩展位错扩展位错 extended dislocation2828扩展位错的交滑移扩展位错的交滑移扩展位错的束集扩展位错的束集当扩展位错的局部区域受到障碍时，扩当扩展位错的局部区域受到障碍时，扩展位错在外切应力的作用下其宽度展位错在外切应力的作用下其宽度d d就就会变小，甚至重新收缩到原来的全位错
23、，会变小，甚至重新收缩到原来的全位错，称为束集称为束集若要进行交滑移的话，扩展若要进行交滑移的话，扩展位错要先进行束集，变成全位错要先进行束集，变成全位错，然后滑移到另外一个位错，然后滑移到另外一个滑移面上，之后在新滑移面滑移面上，之后在新滑移面上再分解为扩展位错。上再分解为扩展位错。29汤普森记号汤普森记号 Tompsons notation FCC中所有可能的位错反应 Tompson四面体AB,BC,CD,DA：全位全位错柏氏矢量错柏氏矢量11102AB Shockley分位分位错柏氏矢量错柏氏矢量,ACBFrank 分位错柏氏矢量分位错柏氏矢量,ABCDABAB1111101212112
24、66 121 61A 111 31A30扩展位错扩展位错101 6112161 11261 DD压杆位错压杆位错11106滑移面：滑移面：110 110(001):不是不是FCC晶体中的滑移矢量晶体中的滑移矢量压杆位错是不动位错压杆位错是不动位错整个不可动位错组态：整个不可动位错组态：Lomer-Cotrell位错位错(111) (111)11031313.3 面缺陷面缺陷Planar defects界面界面 interface3232 外表面外表面：指固体材料与气体或液体的分界面。它与摩：指固体材料与气体或液体的分界面。它与摩 擦、吸附、腐蚀、催化、光学、微电子等密切相关。擦、吸附、腐蚀、催
25、化、光学、微电子等密切相关。 内界面：内界面：分为晶粒界面、亚晶界、孪晶界、层错、相界面等。分为晶粒界面、亚晶界、孪晶界、层错、相界面等。界面界面interface：通常包含几个原子层厚的区域，其原通常包含几个原子层厚的区域，其原子排列及化学成分不同于晶体内部，可视为二维结构子排列及化学成分不同于晶体内部，可视为二维结构分布，也称为晶体的面缺陷。分布，也称为晶体的面缺陷。界面对晶体的物理、化界面对晶体的物理、化学和力学等性能产生重要的影响。学和力学等性能产生重要的影响。包括：包括：外表面外表面 内界面内界面33333.3.1 外表面外表面 Surface特点：特点：外表面上的原子部分被其它原子
26、包围，即外表面上的原子部分被其它原子包围，即相邻原子数相邻原子数比晶体内部少；表面比晶体内部少；表面成分成分与体内与体内不一不一；表面层；表面层原子键原子键与晶体与晶体内部不相等，内部不相等，能量高能量高；表层；表层点阵畸变点阵畸变等。等。表面能：表面能：晶体表面单位面积自由能的增加，可理解为晶体表晶体表面单位面积自由能的增加，可理解为晶体表面产生单位面积新表面所作的功面产生单位面积新表面所作的功 = dW/ds 表面能与表面原子排列表面能与表面原子排列致密度致密度相关，原子密排的表面具有相关，原子密排的表面具有 最小的表面能；最小的表面能； 表面能与表面能与表面曲率表面曲率相关，曲率大则表面
27、能大；相关，曲率大则表面能大； 表面能对表面能对晶体生长晶体生长、新相形成新相形成有重要作用。有重要作用。34343.3.2 晶界和亚晶界晶界和亚晶界 grain boundary and sub-grain boundary晶界晶界Grain boundary：在多晶粒物质中，属于在多晶粒物质中，属于同一固相但位向不同的晶粒之间的界面称为晶界。同一固相但位向不同的晶粒之间的界面称为晶界。是只有几个原子间距宽度，从一个晶粒向另外一是只有几个原子间距宽度，从一个晶粒向另外一个晶粒过渡的，且具有一定程度原子错配的区域。个晶粒过渡的，且具有一定程度原子错配的区域。晶粒平均直径：晶粒平均直径：0.01
28、5-0.25mm亚晶粒亚晶粒Sub-grain：一个晶粒中若干个位向稍有一个晶粒中若干个位向稍有差异的晶粒；平均直径：差异的晶粒；平均直径：0.001mm亚晶界亚晶界Sub-grain boundary：相邻亚晶粒之间相邻亚晶粒之间的界面的界面 3535晶界位置的确定晶界位置的确定对二维点阵对二维点阵 两个晶粒位相差两个晶粒位相差 ； 晶界对某点阵面的夹角晶界对某点阵面的夹角；对三维点阵对三维点阵 两个晶粒的位相差两个晶粒的位相差 (三个位相角度，三个位相角度，x, y, z) 晶界相对于点阵某一平面的夹角晶界相对于点阵某一平面的夹角 (x、y、z任意两个变量任意两个变量) 总共五个位向角度总
29、共五个位向角度3636晶界分类晶界分类(根据相邻晶粒位相差根据相邻晶粒位相差) 小角度晶界：小角度晶界：（Low-angle grain boundary）相邻晶粒的位相差小于相邻晶粒的位相差小于10亚晶界一般为亚晶界一般为2左右。左右。大角度晶界：大角度晶界：（High-angle grain boundary） 相邻晶粒的位相差大于相邻晶粒的位相差大于10 大角度晶界大角度晶界小角度晶界小角度晶界373738381 小角度晶界的结构小角度晶界的结构a）对称倾斜晶界：）对称倾斜晶界：(symmetric tilt boundary) 晶界两侧晶体互相晶界两侧晶体互相倾斜倾斜晶界的界面对于两个
30、晶粒是晶界的界面对于两个晶粒是对对称称的的其晶界视为一列平行的其晶界视为一列平行的刃型位刃型位错错组成。组成。倾侧前倾侧前倾侧后倾侧后a）对称倾斜晶界）对称倾斜晶界b) 不对称倾斜晶界不对称倾斜晶界 根据位相差的形式根据位相差的形式c) 扭转晶界扭转晶界3939 位错的间距位错的间距D、柏氏矢量、柏氏矢量b和晶粒位相差和晶粒位相差之间的关系：之间的关系： b/D （ 很小时）很小时）对称倾斜晶界对称倾斜晶界2sin2bD404015 HRTEM image of a (4 4 3) symmetrical tilt grain boundary in gold4141b）不对称倾斜晶界：）不对
31、称倾斜晶界：(asymmetric tilt boundary) 晶界的界面对于两个晶粒是晶界的界面对于两个晶粒是不对称不对称的；的； 可以视为对称倾斜晶界的界可以视为对称倾斜晶界的界面绕某一轴转了面绕某一轴转了一角度一角度。 晶界的结构可以看成两组柏晶界的结构可以看成两组柏氏矢量氏矢量相互垂直的刃型位错交相互垂直的刃型位错交错排列错排列而成。而成。不对称倾斜晶界不对称倾斜晶界4242c）扭转晶界）扭转晶界(twist boundary)： 两部分晶体绕某一轴在一个两部分晶体绕某一轴在一个共同的晶面上相对扭转一个共同的晶面上相对扭转一个角角 晶界结构：互相垂直的晶界结构：互相垂直的螺型螺型位错
32、位错 一般情况下，任意的小角度晶一般情况下，任意的小角度晶界可视为一系列界可视为一系列刃型位错刃型位错、螺型螺型位错位错或或混合位错混合位错的的网络网络所构成所构成4343Square dislocation network of screw dislocations in a twist grain boundary in Si4444 多晶材料多晶材料中晶粒间的晶界通常为大角度晶界中晶粒间的晶界通常为大角度晶界 大角度晶界比较复杂，原子排列紊乱，大角度晶界比较复杂，原子排列紊乱，不能用位错模型不能用位错模型描述描述 2 大角度晶界的结构大角度晶界的结构大角度晶界模型大角度晶界模型共有共有压
33、缩区压缩区扩张区扩张区不属于任一晶粒不属于任一晶粒 纯金属中大角度晶界的纯金属中大角度晶界的宽度不超过宽度不超过3个原子间距个原子间距（原子层）（原子层）4545 重合位置点阵模型重合位置点阵模型 Coincidence site lattice model当两个相邻晶粒的位相差为某一当两个相邻晶粒的位相差为某一值时，若设想两晶粒的点阵彼此值时，若设想两晶粒的点阵彼此通过晶界向对方延伸，则其中通过晶界向对方延伸，则其中一一些原子将出现有规律的相互重合些原子将出现有规律的相互重合。由这些原子重合位置所组成的比由这些原子重合位置所组成的比原来晶体点阵大的新点阵，称为原来晶体点阵大的新点阵，称为重合
34、位置点阵重合位置点阵。1/5重合位置点阵重合位置点阵晶界上重合位置越多，即晶界上晶界上重合位置越多，即晶界上越多的原子为两个晶粒所共有，越多的原子为两个晶粒所共有，则原子排列的畸变程度就越小，则原子排列的畸变程度就越小，晶界能也相应越低。晶界能也相应越低。46463 晶界能量晶界能量 grain boundary energy晶界上原子畸变引起的系统自由能的升高，它等于界面区单位面积的晶界上原子畸变引起的系统自由能的升高，它等于界面区单位面积的能量减去无界面时该区单位面积的能量，单位：能量减去无界面时该区单位面积的能量，单位：J/m2 小角度晶界能量主要小角度晶界能量主要来自位错能量，与位相来
35、自位错能量，与位相差差 有关：有关：= = 0 0(A-ln)(A-ln)0 0=Gb/4=Gb/4 (1-(1-u u) ) 大角度晶界能量基本大角度晶界能量基本为定值，与晶粒之间位为定值，与晶粒之间位相差相差 无关无关 ： 0.25-1.0J/m0.25-1.0J/m2 2 47474 晶界特性晶界特性1) 晶界能量高，原子处于不稳定状态晶界能量高，原子处于不稳定状态杂质原子易于在晶界富集，导致晶界熔点低于晶内，加杂质原子易于在晶界富集，导致晶界熔点低于晶内，加热时晶界先熔化，热时晶界先熔化， 过热过热易于原子扩散，故新相易于在晶界处形核易于原子扩散，故新相易于在晶界处形核晶界原子扩散速度
36、高于晶内，且晶界腐蚀比晶内也快晶界原子扩散速度高于晶内，且晶界腐蚀比晶内也快2） 晶界原子排列不规则，且存在较多的缺陷，如空位和位错等晶界原子排列不规则，且存在较多的缺陷，如空位和位错等 对位错运动起阻碍作用，从而提高强度和硬度对位错运动起阻碍作用，从而提高强度和硬度3） 晶界的长大和晶界的平直化会减少晶界面积和晶界能量。晶界的长大和晶界的平直化会减少晶界面积和晶界能量。 需要在高温下原子扩散才能实现需要在高温下原子扩散才能实现 484848晶粒间应力腐蚀裂纹晶粒间应力腐蚀裂纹From W. D. Callister 2003Intergranular SCC in a copper allo
37、y http:/ in Ni-alloy nuclear fuel containment, steam generator tubeshttp:/www.ami.ac.uk/courses/topics/0124_seom/index.htmlIntergranular fracture surfaceInterface as crack paths49孪晶孪晶twins5051513.3.3 孪晶界孪晶界 twin grain boundary孪晶孪晶 Twins两个晶体两个晶体(或一个晶体的两部分或一个晶体的两部分)沿一个公共晶面构成镜面对称的位相关系，沿一个公共晶面构成镜面对称的位相关
38、系，这两个晶体称为这两个晶体称为孪晶孪晶；这一公共晶面称为这一公共晶面称为孪晶面孪晶面(孪晶界孪晶界) Twin plane (boundary)。共格孪晶界共格孪晶界 Coherent twin boundary非共格孪晶界非共格孪晶界 incoherent twin boundary 界面上的原子为两个晶体共有，是界面上的原子为两个晶体共有，是无畸变的完全匹配，能量低，稳定，无畸变的完全匹配，能量低，稳定，常见，表现为一条直线常见，表现为一条直线界面上只有部分原子为两个晶体共界面上只有部分原子为两个晶体共有，原子错排严重，能量高，有，原子错排严重，能量高，共格孪晶界就是孪晶面共格孪晶界就是
39、孪晶面525252黄孝瑛 2000 =3 (1 1 1) twin in copper along a HOWE. Interface in Materials, 1997Coherent twin boundaries5353例如例如FCC晶格中晶格中(111)面的堆垛顺序为面的堆垛顺序为A B C A B C A B C 当某一层开始出现颠倒时，变成当某一层开始出现颠倒时，变成A B C A C B A C B A 堆垛层错堆垛层错 孪晶的形成与孪晶的形成与堆垛层错堆垛层错密切相关密切相关根据孪晶形成原因，有根据孪晶形成原因，有形变孪晶形变孪晶、生长孪晶生长孪晶和和退火孪晶退火孪晶堆垛层错
40、能低的金属易于产生孪晶堆垛层错能低的金属易于产生孪晶 对称关系对称关系5454316L不锈钢中的退火孪晶不锈钢中的退火孪晶55553.3.4 相界相界 phase boundary 具有不同结构的两相之间的分界面称为具有不同结构的两相之间的分界面称为“相界相界”弹性畸变弹性畸变完美共格完美共格1 共格相界共格相界(coherent phase boundary)：共格指界面上的共格指界面上的原子同时位于两相晶格的结点上原子同时位于两相晶格的结点上；理想完全共；理想完全共格界面格界面畸变小畸变小，界面能低界面能低；具有弹性畸变的共格相界更具有普；具有弹性畸变的共格相界更具有普遍性遍性 56562
41、 半共格界面半共格界面(semi-coherent interface)：界面上的两相界面上的两相原子部分地保持匹配原子部分地保持匹配，这存在于两相邻晶体在界，这存在于两相邻晶体在界面处的面处的晶面间距相差较大晶面间距相差较大的情况，界面上将产生一些位错来降的情况，界面上将产生一些位错来降低界面的弹性应变能低界面的弹性应变能3 非共格界面非共格界面(incoherent interface)：当两相邻晶体在界面处的当两相邻晶体在界面处的晶面间距相差很大晶面间距相差很大时，这种相界与大时，这种相界与大角度晶界相似，可看成是由原子不规则排列的薄过渡层构成角度晶界相似，可看成是由原子不规则排列的薄过
42、渡层构成575757J M HOWE. Interface in Materials, 1997Coherent interphase interfacesHRTEM image of a silver-rich G.P. zone in an aluminum-silver alloy. Arrays indicate a (111) facet. 585858Semicoherent interface between Ag-rich and Cu-rich phasesJ M HOWE. Interface in Materials, 1997Semicoherent interphas
43、e boundaries in metalsCr-NiAl eutectic quenching from 1200C , dislocation directions in the network rotated 45 with respect of the rod axisNiAlCr595959Containing possibly random coherent points(Insensitive to variation of OR and IO )Al/GaJ M HOWE. Interface in Materials, 1997Incoherent interfaceW Lo
44、jkowski, HJ Fecht - Progress in Materials Science, 2000 HRTEM image of an incoherent (incommensurate) interface between the aluminum matrix and a germanium precipitate without apparent signs of local atomic relaxation. Incoherent Boundary ? 6060晶体缺陷小结晶体缺陷小结点缺陷点缺陷 point defects 空位空位 间隙原子间隙原子置换原子置换原子肖
45、脱基空位肖脱基空位 弗兰克缺陷弗兰克缺陷 热平衡点缺陷热平衡点缺陷 过饱和的点缺陷过饱和的点缺陷 改变外部条件改变外部条件 在一定温度下具有在一定温度下具有一定的平衡浓度一定的平衡浓度 点缺陷的运动：点缺陷的运动： 空位和间隙原子不断的产生和复合，自扩散空位和间隙原子不断的产生和复合，自扩散6th 6161则空位在则空位在T温度时的温度时的空位平衡浓度空位平衡浓度C为：为： 其中，其中， k为波尔兹曼常数（为波尔兹曼常数（1.38x10-23 J/K或或8.62x10-5 ev/K)类似地，类似地，间隙原子平衡浓度间隙原子平衡浓度C ： kTEAkTEkSNnCvvfexpexpexp kTE
46、expAkTEexpk SexpN nCvvf6262线缺陷线缺陷 linear defects 位错位错 刃型位错刃型位错 螺型位错螺型位错 特点特点 混合位错混合位错 刃型位错：刃型位错：存在一个多余半原子面存在一个多余半原子面位错线与位错线与b垂直，滑移面只有一个垂直，滑移面只有一个即有切应变，又有正应变即有切应变，又有正应变螺型位错：螺型位错：不存在一个多余半原子面不存在一个多余半原子面位错线与位错线与b平行，滑移面可以多个平行，滑移面可以多个只有切应变只有切应变6363滑移滑移攀移攀移位错的运动位错的运动滑移的特点滑移的特点1) 刃型：滑移的切应力方向与位错线垂直，而螺型：滑移的与位
47、错线平行；刃型：滑移的切应力方向与位错线垂直，而螺型：滑移的与位错线平行； 2) 刃型和螺型，位错的运动方向与位错线垂直；（刃型和螺型，位错的运动方向与位错线垂直；（b方向代表晶体的滑移方向）方向代表晶体的滑移方向） 3) 刃：滑移方向与位错运动方向一致，螺：滑移方向与位错运动方向垂直；刃：滑移方向与位错运动方向一致，螺：滑移方向与位错运动方向垂直； 4) 位错滑移的切应力方向与位错滑移的切应力方向与b一致；位错滑移后，滑移面两侧晶体的相对位移与柏氏一致；位错滑移后，滑移面两侧晶体的相对位移与柏氏矢量一致。矢量一致。5) 对螺型位错，还存在交滑移和双交滑移。对螺型位错，还存在交滑移和双交滑移。
48、攀移：攀移：只对刃型位错而言，通过原子或空位的扩散来实现的只对刃型位错而言，通过原子或空位的扩散来实现的6464位错的交割位错的交割扭折扭折割阶割阶bacddcba刃型位错刃型位错螺型位错螺型位错特点特点6565位错的弹性性质：位错的弹性性质： 应力场：刃型位错、螺型位错应力场：刃型位错、螺型位错弹性畸变能：正比于弹性畸变能：正比于b2位错的存在使晶体处于位错的存在使晶体处于高能高能的的不稳定状态，不稳定状态，位错线有位错线有尽量变直尽量变直和和缩短其长度缩短其长度的趋势的趋势作用在位错上的作用力：作用在位错上的作用力：F=t tb位错上的线张力位错上的线张力t t = Gb/2r r为曲率半
49、径为曲率半径点缺陷的存在会阻碍位错运动，增加金属及合金塑性变形的抗力点缺陷的存在会阻碍位错运动，增加金属及合金塑性变形的抗力位错之间的交换作用力位错之间的交换作用力位错的生成和增殖：位错的生成和增殖：位错增殖机理：位错增殖机理：Frank-Read resource6666实际晶体结构中的位错实际晶体结构中的位错 单位位错、全位错、单位位错、全位错、不全位错、分位错（肖克莱不全位错、弗兰克不全位错）不全位错、分位错（肖克莱不全位错、弗兰克不全位错）堆垛层错堆垛层错位错反应：几何条件、能量条件位错反应：几何条件、能量条件扩展位错：全位错分解为两个不全位错扩展位错：全位错分解为两个不全位错+一个堆
50、垛层错一个堆垛层错Lomer-Contrell位错位错Tompsons notation6767面缺陷面缺陷 Interfacial defects 外表面外表面界面界面晶界晶界孪晶界孪晶界相界相界堆垛层错堆垛层错小角度晶界小角度晶界大角度晶界大角度晶界共格共格半共格半共格非共格非共格对称倾斜对称倾斜不对称倾斜不对称倾斜扭转扭转重合位置点阵重合位置点阵6868晶界特性晶界特性1) 晶界能量高，原子处于不稳定状态晶界能量高，原子处于不稳定状态杂质原子易于在晶界富集，导致晶界熔点低于晶内，加杂质原子易于在晶界富集，导致晶界熔点低于晶内，加热时晶界先熔化，热时晶界先熔化， 过热过热易于原子扩散，故新
51、相易于在晶界处形核易于原子扩散，故新相易于在晶界处形核晶界原子扩散速度高于晶内，且晶内腐蚀比晶内也快晶界原子扩散速度高于晶内，且晶内腐蚀比晶内也快2） 晶界原子排列不规则，且存在较多的缺陷，如空位和位错等晶界原子排列不规则，且存在较多的缺陷，如空位和位错等 对位错运动起阻碍作用，从而提高强度和硬度对位错运动起阻碍作用，从而提高强度和硬度ABCDbt tt ts ss s69课堂作业课堂作业1、纯纯Cu的空位形成能是的空位形成能是1.5 aJ/atom(1aJ=10-18J)，将纯，将纯Cu加热到加热到850后激冷到室温（后激冷到室温（20），如果高温下的空位全部保留，试求过饱和空位浓），如果高
52、温下的空位全部保留，试求过饱和空位浓度与室温平衡空位浓度的比值。度与室温平衡空位浓度的比值。 2、在晶体的同一滑移面上有两个半径分别为、在晶体的同一滑移面上有两个半径分别为r1和和r2的位错环，其中的位错环，其中r1r2，它们的柏氏矢量相同，试问在切应力作用下何者更容易运动？为什么？它们的柏氏矢量相同，试问在切应力作用下何者更容易运动？为什么？3、判断下列位错反应能否进行：判断下列位错反应能否进行： 111321161102aaa111211161123aaa4、试分析在、试分析在（111）面上运动的柏氏矢量为面上运动的柏氏矢量为的螺型位错受阻时，能否通过交滑移转移到的螺型位错受阻时，能否通过
53、交滑移转移到面中的某个面上继续运动？为什么？面中的某个面上继续运动？为什么？1012ab )111(),111(),111 (xyzo5、如图，在晶体的滑移面上有一柏氏矢量为、如图，在晶体的滑移面上有一柏氏矢量为b的位错环，并受到均匀切应力的位错环，并受到均匀切应力t t和和s s的作用。的作用。（1）分析该位错环各段位错的结构类型；）分析该位错环各段位错的结构类型；（2）在）在 t t 的作用下，该位错环将如何运动？的作用下，该位错环将如何运动？（3）在）在s s的作用下，位错环将如何运动？的作用下，位错环将如何运动？7070思思 考考 题题1、解释以下基本概念、解释以下基本概念柏氏矢量、层
54、错、空位、小角度晶界、共格相界、螺型位错柏氏矢量、层错、空位、小角度晶界、共格相界、螺型位错2、纯纯Cu的空位形成能是的空位形成能是1.5 aJ/atom(1aJ=10-18J)，将纯，将纯Cu加热到加热到850后激冷到室温（后激冷到室温（20），如果高温下的空位全部保留，试求过饱和空位浓），如果高温下的空位全部保留，试求过饱和空位浓度与室温平衡空位浓度的比值。度与室温平衡空位浓度的比值。 3、计算计算Fe在在 850 时，每立方米体积中的空位数。时，每立方米体积中的空位数。 已知已知Fe在在850 时的时的空位形成能、密度及原子重量分别为空位形成能、密度及原子重量分别为1.08 eV/ato
55、m、7.65 g/cm3、55.85 g/mol。4、在晶体的同一滑移面上有两个半径分别为、在晶体的同一滑移面上有两个半径分别为r1和和r2的位错环，其中的位错环，其中r1r2，它们的柏氏矢量相同，试问在切应力作用下何者更容易运动？为什么？它们的柏氏矢量相同，试问在切应力作用下何者更容易运动？为什么？715、判断下列位错反应能否进行：判断下列位错反应能否进行： 111321161102aaa111211161123aaa6、根据晶粒的位相差及结构特点，晶界有哪些类型？有何特点属性？根据晶粒的位相差及结构特点，晶界有哪些类型？有何特点属性？7、If the atomic radius of co
56、pper is 0.128nm, determine the magnitude of the Burgers vector for copper. 7272ABCDbt tt ts ss sxyzo8、如图，在晶体的滑移面上有一柏氏矢量为、如图，在晶体的滑移面上有一柏氏矢量为b的位错环，并受到均匀切应力的位错环，并受到均匀切应力t t和和s s的作用。的作用。（1）分析该位错环各段位错的结构类型；）分析该位错环各段位错的结构类型；（2）在）在 t t 的作用下，该位错环将如何运动？的作用下，该位错环将如何运动？（3）在）在s s的作用下，位错环将如何运动？的作用下，位错环将如何运动？9、试分
57、析在、试分析在（111）面上运动的柏氏矢量为面上运动的柏氏矢量为的螺型位错受阻时，能否通过交滑移转移到的螺型位错受阻时，能否通过交滑移转移到面中的某个面上继续运动？为什么？面中的某个面上继续运动？为什么？1012ab )111(),111(),111 (736th Formation and generation of dislocationsFrank-Read source LrDislocations in real crystals Unit D, Perfect D, Imperfect D, and partial D Stacking faultPartial dislocations in FCC structureReaction conditions of dislocationsExtended dislocationsTompsons notation
