文档介绍：第二章目录
要点扫描 1
点缺陷及其平衡浓度 1
位错的基本类型及柏氏矢量 6
位错的应力场 14
位错的弹性能和线张力 16
作用在位错上的力和Peach-Koehler公式 19
位错间的交互作用 23
位错的起动力——Peirls-Nabarro力 30
FCC晶体中的位错 31
位错反应 37
HCP、BCC及其他晶体中的位错 40
晶体中的界面与表面 42
位错的观察及位错理论的应用 45
难点释疑 47
柏氏矢量的守恒性 47
解题示范 48
习题训练 53
晶体中的缺陷
要点扫描
点缺陷及其平衡浓度
点缺陷的类型
在实际情况中,晶体内并不是所有原子都严格地按照周期性规律排列。因为晶体中总存在一些微笑区域,这些区域的原子排列周期收到破坏。这些偏离原子周期性排列的区域,都称为缺陷。
如果在任何方向上缺陷区的尺寸都远小于晶体或晶粒的线度,因而可以忽略不计,那么这种缺陷就叫做点缺陷。
点缺陷有以下三种基本类型:
空位
实际晶体中某些晶格结点的原子脱离原位,形成的空着的结点位置就叫做空位,如图2-1所示。空位的形成于原子的热振动有关。在一定温度下,晶体中的原子都是围绕其平衡位置做热振动的,由于热振动的无规性,一些原子在某一瞬间获得足以克服周围原子束缚的振动能,因而脱离其平衡位置,在原有位置出现空位。因此,温度越高,原子脱离平衡位置的几率也越大,空位也越多。
间隙原子
进入点阵间隙中的原子称为间隙原子,如图2-2所示。间隙原子的形成使其周围的原子偏离平衡位置,造成晶格胀大而产生晶格畸变。
图2-1 晶体中的空位
图2-2 晶体中的间隙原子
置换原子
那些占据原来基体原子平衡位置上的异类原子称为置换原子。由于置换原子的半径通常与原有基体原子半径不相同,因此也会造成晶格畸变,如图2-3和2-4所示。
图2-3 半径较小的置换原子图2-4 半径较大的置换原子
脱离平衡位置的原子如果逃逸到晶体外表面,在原来位置只形成空位,没有形成间隙原子,这样的空位缺陷叫做肖脱基缺陷(Schottky d
efect)。如果脱离平衡位置的原子进入到晶格间隙中,则同时形成了等量的空位和间隙原子,这样的缺陷叫做弗兰克尔缺陷(Frenkel defece)。
热平衡缺陷
热力学分析表明,在高于0K的任何温度下,晶体最稳定的状态并不是完整晶体,而是含有一定浓度的点缺陷状态,即在该浓度情况下,自由能最低。这个浓度就称为该温度下晶体中点缺陷的平衡浓度。具有平衡浓度的缺陷又称为热平衡缺陷。
下面针对金属晶体,分析热平衡浓度与温度的关系。
假设温度T和压强P条件下,从N个原子组成的完整晶体中取走n个原子,即生成n个空位。并定义晶体中空位缺陷的平衡浓度为:
则有
其中:为引进n个空位后晶体的自由能变化
和分别为引进n个空位后晶体的焓变和振动熵变
为引进空位后晶体增加的混合熵变
为空位的生成能
为引进空位引起的晶体体积变化
因为
所以
又因为
其中:为含有n个空位晶体的自由能
为完整晶体的自由能
非平衡点缺陷
在点缺陷的平衡浓度下,晶体的自由能最低,也最稳定。但是在有些情况下,晶体中的点缺陷浓度可能高于平衡浓度,这样的点缺陷称为过饱和点缺陷,或非平衡点缺陷。
通常获得过饱和点缺陷的方法有以下几种:
高温淬火
由热力学分析知道,晶体中的空位浓度随温度的升高而急剧增加。如果将晶体加热到高温,然后迅速冷却(淬火),则高温时形成的空位来不及扩散消失,使晶体在低温状态仍然保留高温状态的空位浓度,即过饱和空位。
冷加工
金属在室温下进行冷加工塑性变形也会产生大量的过饱和空位,其原因是由于位错交割所形成的割阶发生攀移。
辐照
在高能粒子的辐射下,金属晶体点阵上的原子可能被击出,发生原子离位。由于离位原子的能量高,在进入稳定间隙之前还会击处其他原子,从而形成大量的等量间隙原子和空位(即弗兰克尔缺陷)。一般情况下,晶体的点缺陷平衡浓度极低,对金属的力学性能影响较小。但是在高能粒子辐照的情况下,由于形成大量的点缺陷和挤塞子,而会引起金属显著硬化和脆化,该现象称为辐照硬化。
点缺陷的研究方法
点缺陷的形貌可以用电镜直接观测。点缺陷的其它性质如生成焓、生成熵、扩散激活能(或迁移率)、以及它引起的晶体体积变化等,都可以通过各种物理实验测定。
常见的实验有:比热容实验;热膨胀实验;淬火实验;淬火-退火实验;正电子湮没实验等。
下面介绍通过淬火实验求