物理冶金基础第二三章ppt课件.ppt

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1、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-TS H热焓，S-熵（2）熵S=kln kBoltzman 常数，-每个微观状态的数目或排列方式（3）过程自由能的变化 G=U+P V-T S对液体、固体在恒压下,P V变化很小，则：G=U-T S(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：G0,2.2 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

2、；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-Schottky defect 原子离开平衡位置（留下空位），迁移到晶格间隙-Frenkel defect 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 10-18,2.2 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

3、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、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1.5 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

4、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

5、 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：,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：,左、右螺型，同向为右螺,混合位错,3.1 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

6、,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=bsin b2=bcos,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

7、,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,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

8、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

9、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-Read,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,3.3.2 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

10、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.

11、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,b1b2+b3,分类：全位错-b=na 单位位错-b=na 不全位错-bna 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

12、位错,3.4.2 典型晶体中的位错,A fcc,B bcc,最短点阵矢量，1/2,1/2,0,a/2,长度为b=2/2 a,b=a,能量分析，单位位错为 a/2,最短点阵矢量，a/2,长度为b=3/2 a,b=a,能量分析，单位位错为 a/2,C hcp,最短点阵矢量，a,长度为b=a 次短点阵矢量，c,b=c,能量分析，单位位错为 a/3,3.4 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。

13、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

14、,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/3,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/6121,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

15、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

16、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=(r-r)/r,处于位错的应力场rr，溶质原子处于位错的位置为(R,),则：,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,

17、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,C Cottrell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

18、；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：,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,相应的临界拉伸应力（单位位错线长度脱离气团的应力）为：,b为原子间距。,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,溶质原子与位错作用是短程的，强烈作用范围1个原子间距，另外位错线可弯曲，通过向前摆动一小段位错，就可产生屈服。这一步可以由局部的热涨落实现，然后通过这一位错弯曲的两侧沿着位错线向外拉开的方法，切应力把位错线的其余部分从它的钉扎处拉开。

19、,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,E 物理屈服现象,铜合金退火低碳钢,上屈服点下屈服点,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,F Snock（史洛克）效应,BCC结构间隙：四面体间隙，立方体的棱边中心 八面体间隙，6个面的面心，6个，扁的,C原子位于扁八面体间隙，随机分布。,C原子占据某一方向位置，形成正方晶格，马氏体。,产生非球对称畸变。间隙有6个，分三类:(1/2,0,0),(0,1/2,0),(0,0,1/2),在外力作用下，三类间隙位置的应变能不同，应变能大的C原子，跳到其他类型的应变能小的位置上，C原子

20、的的随机分布被破坏，史洛克效应。,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,G 其他交互作用,3.5 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,G 其他交互作用,电化学交互作用,1)特点 原子价不同，溶质原子与位错间存在电化学交互作用，位错脱离溶质产生电化学的阻力，使固溶体发生硬化。电化学及作用一般很小。2)原因 围绕溶质原子的电荷相对围绕溶剂原子的电荷有一个增量，位错具有电场；膨胀应变局部改变费米面的能级，点阵畸变使围绕位错产生电场。围绕刃型位错的水静压力各处不同，费米能级在滑移面上方和下方不同，一些自由电子从位错压缩的一侧向膨

21、胀的一侧运动。3）例子 铜合金，两种原子的原子价不同。,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,G 其他交互作用,几何交互作用,1）特点 有序固溶体，位错运动，破坏滑移面的有序性，对位错运动产生阻力。2）原因 长程有序固溶体存在位错图(a),位错为超结构中具有附加堆垛层错的不全位错，位错移动破坏超结构，滑移需要高的应力。形成位错对，为扩展位错图（b).短程有序合金，位错运动破坏滑移面上的短有序，此过程需要增加应力。,3.5 位错理论的应用,第三章 位错,3.5.2 晶界,A 简单的位错晶界,3.5 位错理论的应用,第三章 位错,3.5.2 晶界,A 简单的位

22、错晶界,非对称倾侧晶界,晶粒相对转动；晶界本身绕晶粒的共同轴转动2自由度的倾侧晶界,位错间距,3.5 位错理论的应用,第三章 位错,3.5.2 晶界,A 简单的位错晶界,扭转晶界交叉的螺型位错阵列组成。形成:单晶体切开，将切开面相互旋转一个小角度得到。,位错间距,3.5 位错理论的应用,第三章 位错,3.5.2 晶界,B 位错阵列的应力场,刃型位错排列成对称晶界（位错墙）是稳定的？平行刃型在45-135度沿滑移方向相互吸引，使位错排列成直线-位错墙。无限多刃型位错组成墙的应力场：位错墙在任意点(x,y)所产生应力是各个位错在该点产生应力的总和。,n位错总数目，yn=nD+y,D是位错间的距离,

23、3.5 位错理论的应用,第三章 位错,3.5.2 晶界,B 位错阵列的应力场,4个位错阵列组成墙的应力场,3.5 位错理论的应用,第三章 位错,3.5.2 晶界,C 晶界对金属变形的影响,现象:双晶体试样拉伸竹节状，晶界阻碍变形,大角度晶界-由无规则约2个原子层的表面，而不看成是由位错组成。,多晶变形特点：1）位错滑移发生在晶粒内；2）位错在晶界塞积，产生应力集中；3）启动相邻滑移系；4）滑移传播，位相改变,3.5 位错理论的应用,第三章 位错,3.5.2 晶界,C 晶界对金属变形的影响,塞积模型,为施加于滑移面的外加切应力，取向因子。,3.5 位错理论的应用,第三章 位错,3.5.2 晶界,

24、C 晶界对金属变形的影响,H-P公式,当达到触发相邻晶粒滑移的临界应力c,变形继续，则外加应力等于屈服应力,3.5 位错理论的应用,第三章 位错,3.5.2 晶界,C 晶界对金属变形的影响,结果,晶粒细化，材料的屈服强度升高。晶粒细化，参与滑移的晶粒多，试样达到相同变形量，每个晶粒的变形小，变形也比较均匀，材料在断裂时应变量大，材料的塑性好或没有明显的降低。,H-P公式：1）珠光体越细，强度也越高。2）亚晶细化，具有类似的效果。3）纳米材料也具有类似的效果。,3.5 位错理论的应用,第三章 位错,3.5.2 晶界,C 晶界对金属变形的影响,3.5 位错理论的应用,第三章 位错,3.5.3 第二

25、相质点,A 定义,第二相的尺寸远小于基体相的尺寸，其尺寸可忽略不计。,一般第二相位硬相，远高于基体的强度，但脆性大。第二相以弥散分布产生显著的强化效应。,分两类：1）弥散强化 第二相质点，强度很高，不发生变形和断裂；与基体呈非共格关系；通过粉末冶金的方法加入第二相质点。2）沉淀强化或时效强化 第二相质点，强度高，但可以变形；与基体呈共格或半共格关系；通过过饱和固溶体的时效处理获得。,3.5 位错理论的应用,第三章 位错,3.5.3 第二相质点,B 不可变形粒子位错绕过机制,位错绕过粒子需要的切应力 粒子细、间距小，强化大,位错绕过粒子留下位错环，很多位错环发作用于位错源，位错源启动的阻力增加。

26、,3.5 位错理论的应用,第三章 位错,3.5.3 第二相质点,B 可变形粒子位错切过机制,强化机制比较复杂，包括以下的作用：1）滑移面上原子错配，需要增加做功；2）增加了表面能；3）改变溶质和溶剂的近邻关系-化学硬化；4）位错切过高弹性模量的粒子，位错受到较大的阻力。,3.5 位错理论的应用,第三章 位错,3.5.4 加工硬化-形变强化,A 加工硬化现象,材料通过冷加工（PD），其硬度、屈服强度升高的现象，但塑、韧性下降。,3.5 位错理论的应用,第三章 位错,3.5.4 加工硬化-形变强化,B 加工硬化的技术意义,1）赋予材料冷加工成型能力。例子：冷拉弹簧钢丝。,2）保障机件安全。例子：机件设计有安全系数 过载，超过屈服应力，小于抗拉强度，产生加工硬化。,3）作为强化手段，提高合金强度。例子：对不能热处理强化的合金，铜及铜合金、不锈钢,3.5 位错理论的应用,第三章 位错,3.5.4 加工硬化-形变强化,C 加工硬化的机制,1）位错塞积理论,2）林位错强化理论,3）位错割阶理论,3.5 位错理论的应用,第三章 位错,3.5.5 塑性变形与再结晶,3.5.6 材料变形与断裂,3.5.7 强化理论,A 强化机制,细晶强化固溶强化第二相强化沉淀硬化弥散强化加工硬化,B 强化方式 合金化，相变强化（热处理强化），马氏体强化，时效强化 第二相强化,点阵阻力,