材料科学基础第一章.ppt

一、晶体学基础 1.晶体 晶体 原子（分子）在三维空间按一定规律作周期性排列的固体。自然界中绝大多数固体都是晶体。 晶体与非晶体的区别 ①晶体具有确定的熔点， ②晶体具有各向异性，而非晶体具有各向同性。 2 空间点阵与晶体结构 1）空间点阵：由几何点做周期性的规则排列所形成的三维阵列。 特征：原子的理想排列； 阵点－空间点阵中的点。它是纯粹的几何点，各点周围环境相同。 通常是在晶格中取一个最小的平行六面体作为晶胞。 晶胞参数： 点阵常数?晶胞大小 晶轴夹角?晶胞形状 结构晶胞：构成了晶体结构中有代表性的部分的晶胞。 特点:空间重复堆垛，就得到晶体结构。 2) 找出待定晶面在三坐标轴上的截距x,y,z。(求截矩） 3) 取截距的倒数。(求倒数） 4) 将这些倒数化成3个互质的整数h,k,l（化整数） 5）晶面指数可写成（hkl)(加括号） 5.晶面间距 晶面间距:一组平行晶面中，相邻两个平行晶面之间的距离。 晶面间距越大, 晶面的原子密度越大。 原子线密度最大的晶向（密排晶向）其晶面间距最大。 3 点缺陷对晶体性能的影响 点缺陷主要影响晶体的物理性质，主要表现为引起电阻增加，过饱和点缺陷（即超过平衡浓度）还会提高金属的屈服强度。 由于同一位错线上各点的b相同，只要切应力均匀地作用在晶体上，则位错线上各处F力的大小也相同。 必须说明：F力的方向永远垂直于位错线，并且指向滑移面上的未滑移区。刃型位错：力F// τ； 螺型位错：力F┻τ； 混合型位错的移动方向：与位错线垂直，而与柏氏矢量b既不平行，也不垂直，而成任意角度。 混合型位错的滑移面： 位错线和b组成的平面，唯一； 位错线不是空间曲线 滑移的特征：位错线沿滑移面扫过整个晶体时，在晶体表面沿柏氏矢量方向产生宽度为一个柏氏矢量b的台阶 单晶体生长形貌与螺位错 4 作用在位错上的力及位错的运动 1）作用在位错上的力 为了描述位错的运动，我们假定在位错上作用了一个力F(假想力)，此力驱使位错运动。 F必垂直于位错线。假想力F和外加切应τ力的关系：F＝ τLb 作用于单位长度位错线上的力则为 F/(f)= τ b F并不是τ的分力， τ是位错附件原子实际受到的力，F只是作用在位错这种特殊组态上的假想力 （位错运动都是在切应力作用下产生的） 2）位错的运动 位错的运动方式有两种，即滑移和攀移 。 位错的滑移 滑移是指位错线沿滑移面的移动，任何类型的位错均可进行滑移。 刃型位错的滑移方向： ⊥ L ，∥ b 刃型位错的滑移面：位错线和b组成的平面（二者垂直），唯一 螺型位错的滑移方向： ⊥b，∥L 螺型位错的滑移面：位错线和b组成的平面（二者垂直)，不唯一。 位错的攀移 攀移：在满足某些条件时还可以在垂直于滑移面的方向上运动。 条件：正应力。 攀移是在正应力作用下产生的 位错攀移时伴随着物质的迁移，这需要扩散才能实现。位错攀移在低温下较难进行。 实例： 通过薄膜透射电镜观察淬火金属的热回复过程时发现，原来淬火时由空位聚集成片并形成位错环逐步缩小，最终消失。这种位错环由刃位错所组成，其伯氏矢量垂直于位错环所在平面，只能在垂直于位错环的柱面上滑移，称为棱柱位错环。这种位错环在环所在的平面上只能攀移。因此环半径的收缩可以肯定是位错的攀移过程。 3）位错（周围）的应力场 简化——采用弹性连续介质模型来进行计算。 假设： 晶体是完全弹性体，服从虎克定律； 把晶体看成是各向同性的； 近似地认为晶体内部由连续介质组成，晶体中没有空隙，因此晶体中的应力、应变、位移等量是连续的，可用连续函数表示。 螺型位错的应力场 螺型位错的应力场模型 位错线即为圆筒的中心轴线，位错的中心区就相当于圆筒的空心部分，而圆筒实心部分的应力分布就反映了螺型位错周围的应力分布 柱坐标下的切应变 ： 柱坐标下切应力 ： 直角坐标下的应力分量 只有切应力分量，正应力分量全为零，这表明螺位错不引起晶体的膨胀和收缩。 螺型位错所产生的切应力分量只与r有关（成反比），而与θ、z无关。只要r一定，z 就为常数。 因此，螺型位错的应力场是轴对称的，即与位错等距离的各处，其切应力值相等，并随着与位错距离的增大，应力值减小。 刃型位错的应力场 位错的应变能 晶体中位错的存在引起点阵畸变，导致能量增高——位错的应变能，或称为位错的能量。 通常所说的位错能量就是指位错的弹性能 圆柱坐标系中单位体积内的应变能表示为 螺型位错的应变能 螺型位错，只有切应力分量和切应变分量 ，则单位体积中的应变能为 其中dV=2rdrL ； L——位错线长度 ，带入则有 该式可以简化为： 位错中心区的半径为r0，位错应力场作用半径为R，则单位长度螺型位错的弹性应变能为： 2）面心立方晶格