晶体缺陷和强度理论
晶体缺陷10 强化理论
B 长程有序(Long-Range Order) 引起的强化
如图5.5所示，当溶质原子呈长程有序分布时，可在滑移 面两侧原子之间形成AB 型原子匹配关系。当有位错在滑移 面上运动时，会不断破坏这种有序关系，形成反相畴界 (Antiphase Domain Boundary) 。故单个位错只有在附近 的外力作用下才能运动，以补偿形成反相畴界所需的能量。
3）由于第二相粒子与基体的晶体点阵不同或至少 是点阵常数不同，在粒子周围 产生弹性应力场 ， 此应力场与位错会产生交互作用 ，阻碍位错运动
πT（1+ v ）V 3
4）由于基体与粒子中的滑移面取向不一致，则位 错切过后会 产生割阶，割阶阻碍整个位错线运动。
颗粒半径最佳值
晶界强化效应
多晶体的屈服强度明显地高于同样材料的单晶体
溶质原子扩散到位错所在处，或位错运动到溶质原子 处，系统的总应变能有可能降低，缺陷之间就会产生 运动，使彼此处于能量相对较低的位置。
使位错与溶质原子从低能位置分离需要做功，也就是 要增加使位错运动所需的力，因而也就强化了晶体。
这种情况属于位错与溶质原子的弹性交互作用，此外 还有化学交互作用、电学交互作用和几何交互作用。
特点
１．溶质原子的浓度越高，强化效果越大 无限固溶体 Ag －Au 溶质浓度为50%左右，强化最大 有限固溶体 溶质浓度↑，强化↑
２．溶质与基体金属的性质差别越大，固溶度越有限，强化↑ ３．置换型强化效果小，间隙型强化效果大
4.4固 溶 强 化
各种合金元素对 铜的屈服强度的 影响
5.1 固溶强化效应 (Solid Sloution Strengthening Effect)
图5.2 含氮的β黄铜单晶体中屈服
图5.2所示的是含氮的β黄铜单晶体中屈服的例子。 主要特点是：1）在第一次加载时，应力由上屈服点下 降到下屈服点；2）当试样处于过度应变状态而重新加 载时，没有屈服点现象；3）当试样发生过度应变以后 再经过时效，屈服点现象又重新出现。屈服点在应变时 效以后的重新出现，是由于溶质原子又回到在过度应变 的金属中已经获得了自由的位错附近，即溶质原子又通 过扩散在位错上形成了气团。
资料-《晶体缺陷与强度理论》
在低碳钢中溶质或杂质原子造成晶格畸变，溶质原子的应力场和位错应力场会发生交互作用，使溶质原子聚集在位错线附近，形成可垂耳气团。由于这种交互作用，体系的能量处于较低状态，只有在较大的应力作用下，位错才能脱离溶质原子的钉扎，表现为应力-应变曲线的上屈服点；当位错继续滑移时，就不需要开始那么大的力，表现为应力-应变曲线的下屈服点；当继续变形时，应为应变硬化作用的结果，应力又出现升高的现象。
(2)使晶体发生孪生比使之发生滑移的τc高得多.因此,滑移系较多的fcc晶体易发生滑移而不易发生孪生;只有在滑移受阻的情况下才发生孪生;滑移系很少的hcp晶体容易发生孪生。
孪生变形的作用：靠孪生造成的晶体变形量很小,它最多能提供7-10%的变形量,晶体的变形量大部分是靠滑移提供的.但是,在晶体变形时,孪生往往又是滑移的补充.在滑移系取向变硬,滑移不能进行的情况下,往往通过孪生改变滑移系的取向,使滑移继续进行下去.晶体中的变形,往往是由滑移和孪生两种方式交替进行的。
<3>由空位聚集而形成。在高温时，晶体中空位浓度很高，它们有聚集成片以降低组态能的趋势。晶体中的空位片足够大时，两边晶体塌陷下来，在周围形成位错环。
4．为什么位错线不可能中断于晶体内部？
相交于一点的各位错,同时指向结点或同时离开结点时,各位错的柏氏矢量之和为零,即： =0（bi是各个位错的柏氏矢量）
3．晶体中形成位错的途径有哪些？
<1>在凝固过程中形成。树枝状晶体生长相遇后发生碰撞；液体流动时对晶体的冲击，使晶体表面发生错排形成大台阶；浓度起伏造成的点阵常数偏差，以及结晶前沿的障碍物造成的不同部分间的位向差，都会形成位错。
<2>由晶体在冷却时形成的局部内应力所造成，在完整的晶体中形成位错，需要极大的应力，其值大致为G/30，相当于理论强度。使整个晶体或某个晶面获得这样大的应力，是不可能的，但是，在晶体冷却过程中，由于温度梯度、成分起伏或结构的变化，使局部晶体形成这样的应力是可能的。在夹杂物周围，由于夹杂和基体的膨胀系数不同，造成二者收缩量不同，以致应力集中而产生位错环，就是一个典型的例子。
晶体缺陷与金属强度【3】全
（3 ） 混合位错
位错线上任一点的滑移矢量相同，但位错线与滑移矢量 两者方向夹角呈任意角度
晶体右上角在外力F作用下发生切变，在滑移面ABC范围内原子发生了 位移，其滑移矢量用b表示,弧线AC即是位错线，为已滑移区和未滑移区 的边界，与滑移矢量成任意角度，它是晶体中较常见的一种位错
2015/11/4
———— 古一 ————
混合位错的柏氏矢量
2015/11/4
———— 古一 ————
柏氏矢量b的物理意义
1） 表征位错线的性质
据b与位错线的取向关系可确定位错线性质 2）b表征了总畸变的积累
围绕一根位错线的柏氏回路任意扩大或移动，回路中包含的点阵畸变量
的总累和不变，因而由这种畸变总量所确定的柏氏矢量也不改变。 3）b表征了位错强度 同一晶体中b大的位错具有严重的点阵畸变，能量高且不稳定 位错的许多性质，如位错的能量，应力场，位错受力等，都与b 有关
———— 古一 ————
刃型位错特征
（1）刃型位错是由一个多余半原子平面所形成的线缺陷， 位错宽度，2~5个原子间距，位错是一管道
（2）位错滑移矢量b垂直于位错线，位错线和滑移矢量 构成滑移的唯一平面即滑移面
（3）刃位错不一定是直线，形状可以是直线，折线和曲线， 位错环
（4）晶体中产生刃型位错时，其周围点阵产生弹性畸变，既有 正应变，又有切应变，使晶体处于受力状态，就正刃型位错而言， 滑移面上方原子受到压应力，下方原子受到拉应力 负刃型位错则刚好相反
2015/11/4
பைடு நூலகம்———— 古一 ————
从柏氏矢量和位错线之间取向关系确定位错类型
(1) 刃型位错：柏氏矢量与位错线相垂直
晶体缺陷与强化理论
二、点缺陷的平衡浓度
空位形成引起点阵畸变，亦会割断键力，故空 位形成需能量，空位形成能（Δ EV），由空位 的出现而高于没有空位时的那一部分能量称为 “空位形成能”，为形成一个空位所需能量； 形成空位又使晶体中混乱度增加，使熵增加。 而熵的变化包括两部分： ① 空位改变它周围原子的振动引起振动熵，SV； ② 空位在晶体点阵中的排列可有许多不同的几 何组态，使排列熵Sm增加。
3) 形成其他晶体缺陷 过饱和的空位可集中形成内部的空洞，集 中一片的塌陷形成位错。
4) 改变材料的力学性能 空位移动到位错处可造成刃位错的攀移， 间隙原子和异类原子的存在会增加位错的运动阻力。会使强度 提高，塑性下降、
一般情形下，点缺陷主要影响晶体的物理性质，如比容、比热容、电阻率等。 (1)比容 在晶体内部产生一个空位，将原子移到晶体表面上，导致晶体体积增加 (2)比热容 由于形成点缺陷向晶体提供附加的能量（空位生成焓），引起附加比热 容 (3)电阻率 金属电阻来源于离子对传导电子的散射。 完整晶体——电子基本上是在均匀电场中运动； 缺陷晶体——点阵周期性被破坏，电场急剧变化，对电子产生强烈散射 —电阻率增大。
Gv Cv exp RT H v Cv C 0 exp RT S v C0 exp R
△Hv——1mol空位生成焓 △Gv——1mol空位生成自由焓 △Sv——增加1mol空位引起振动熵变
空位的平衡浓度可以通过实验确定。测得若干不同温度下平衡空 位浓度，可用最小二乘法比较准确地求出ΔGV、 ΔHV、 ΔSV。 金：ΔHV≈96.37kJ/mol，ΔSV≤19.27×10-3kJ/mol， C0 ≈10， 在1000K时，近似估算时：C0 ≈1（ ΔSV=0） C 104
晶体缺陷与强度课件4：金属的范性形变的三种基本形式-滑移孪生扭折
位错，并沿相同滑移方向运动。大量位错运动的积累结果 必然要在表面上显露出来，这是一个大约包含近100个原
子间距的台阶。通常看到的滑移带宽度的尺度是微米数量 级，因此它应是许多滑移线重叠的结果。因此.粗略地说
一根滑移线是上百根位错线运动所提供的滑移量，而滑移 带则是若干个平行滑移面上的上万根位错运动的贡献。
晶体拉伸时也能出现扭折,金相 照片上扭折区的滑移线呈平行 的S状,面心立方金属扭折带结 构可以看作以<211>方向为轴 相对于基体的局部晶格旋转。 形变度不大时，扭折带一般宽 度为0.05mm。带间距约为
1mm
金属与合金强化的位错机制
使合金强韧化的基本思路从根本上讲是通过各种热 加工处理和化学处理以及合金化等途径，改变合金 的组织结构，为位错的运动设置障碍.降低位错的活 动性，达到强化的目的。因为材料宏观可见的形 变，从微观看是位错运动及其与作为障碍的某些组 织结构单元(如晶界、第二相粒子等)相互作用各种 效果叠加的结果。降低位错活动性的途径，可以按 强化机理来分类，而强化机理又取决于障碍的种类 及其与位错相互作用的机制。
τ cbl = fmax （4-13）
位错运动中受溶质原子阻 碍而弯曲(Fleischer模型)
• b为位错柏氏矢量的大小，l是位错在运动过程中遇到的障
碍的平均间距。据位错基本理论，引入位错线张力T，溶
质原子的平均线尺寸a和溶质原子的浓度(原子分比)C0， 经过简单计算可以得到：
l = (2Ta2 / τ ccb)1/3
• 如图，设左右两个取向不同的晶粒，其界面处有一个台
阶.也可以是其它可以作为位错源的界面缺陷，在应力作 用下，台阶向右晶粒发射一根位错，如图 (b)。设单位晶 界面积上的位错总长度为s，若晶界全部位错均释放到晶 粒中去，使晶内位错密度达到ρ。假设晶粒为圆球形，直 径为a，则每个晶粒的表面积为4π(a/2)2=πa2，故释放位 错总长度为πsa2。但是每个晶界属于两个晶粒，故对一 个晶粒来说只有上述位错线长度的一半，即(πsa2)/2，由 此得到单位体积中位错线的长度(即位错密度)为：
晶体缺陷及强度理论
为了提高观察到网络的几 率，我们使选定的金相面 与网络所在的平面成一小 的夹角α ，取α≈1 0 网络所在的{111}面为PQ， 它和金相面MN的夹角为 α≈1 0从表面MN腐蚀掉d ≈ 0.01mm的一层，得到金相 观察表面UV，显示出网络 宽度OA。通过简单的几何 计算，可以得到 OA=0.5mm。 取a为1 0对金相观察是较适 宜的。
抛光划痕经氧化后的热氧化层错
利用微缺陷与位错的相互作用观察位错
根据相关文献中对半绝缘砷化镓单晶中晶体缺陷的化学腐 蚀后显微观察及TEM、SEM研究结果可知：在GaAs晶体 中微缺陷由于受到位错应力场的作用而被吸附到位错附近， 在位错密度较低区域，微缺陷呈点状分布，随位错密度增 大，由于同号位错相互吸引，异号位错相互排斥而形成位 错排、星型结构或网状结构分布。微位错也同样按线状、 星状结构或网络结构分布。 也就是说微缺陷与位错分布有着强烈的依赖关系，位错吸 附微缺陷，微缺陷缀饰位错。
硅单晶漩涡缺陷的铜缀饰腐蚀显示实验：在研究Si中Cu行 为的基础上 拟定合理的缀饰工艺，在采用择优腐蚀来显示 铜缀饰增强后的漩涡缺陷,参照半导体学报铜缀饰具体工艺 过程为： ①切片、研磨、抛光 ②镀铜和铜缀饰 ③再次研磨抛光后，择优腐蚀
在半导体材料硅单晶上， Dash用铜缀饰样品，并对 位错进行了观察。由于Si是 不透明的，因而他使用了对 Si是透明的红外显微镜。在 加温和应力的条件下拍得的 一个正在开动的位错增殖机 ――Frank-Read源。
晶体缺陷显微镜研究中的方法
缀饰法
腐蚀剂有时对某些晶体缺陷不能显示，或者用透射法观察 时不能产生明显的衬度，此时可采用扩散的方法或其他方 法使某些重金属原子优先淀积在缺陷上，这就称为用重金 属原子对晶体缺陷进行了缀饰。 经过缀饰的晶休缺陷容易用腐蚀剂显示，这是由于缺陷上 淀积了重金属原子，它们对光线强烈散射，当用透射显微 镜观察时可形成强烈的反差 。
晶体缺陷和强度理论
非晶合金的强度研究及进展非晶合金，又称金属玻璃，由于具有优异的物理、化学、光学、磁学和力学性能，受到人们的普遍关注，成为材料领域的研究热点之一。
大量的研究与开发工作表明，非晶合金材料在许多实用性能方面具有十分明显的优势，具有良好的应用前景。
非晶合金研究的进展，不仅突破了长期以来金属合金只能以结晶态形式凝固这一传统认识，丰富了合金液固相变理论，而且在合金的非晶形成能力、非晶合金的相结构及其相演化过程、非晶合金的性能等方面的研究都取得了大量成果。
1非晶合金的发展历史自从1960 年首次用熔体快速凝固方法制备出Au-Cu 非晶合金以来，在随后的30 年里，大量的非晶合金已经被制备出来。
众所周知，在1990年以前可以用105K/s 的冷却速率制备出Fe 基、Co 基和Ni 基非晶合金，但这些合金的厚度都小于50 µm，其中，作为特例的贵金属基Pd-Ni-P 和Pt-Ni-P 合金系，其临界冷却速度也在103 K/s 的数量级。
在1974 年Chen对Pb-T-P(T=Ni, Co, Fe)合金进行了系统的研究并制备出了厚度为 1 mm 的非晶合金。
在1982 年，可以制备出临界尺寸较大的Au55 Pd22.5 Sb22.5非晶合金。
虽然在大块非晶合金的研究中取得了突出的进展，但是这些合金的成本昂贵，在长达十几年的时间内，利用非贵金属制备大块非晶合金的愿望始终未能实现，使非晶合金的应用范围受到很大限制。
上世纪八十年代后期，日本学者 A. Inoue(井上明久)领导的课题组首先在非贵金属系大块非晶合金制备方面取得了突破，并受到同行的关注。
自从1988 年以来，发现可以用更低的临界冷却速率制备出新的多组元合金体系，包括Mg 基、Zr基、Fe 基、Pd基[、La 基、Ti基和Ni 基合金体系。
由于发现了具有很强的非晶形成能力的合金体系，使得在临界冷却速度低于102 K/s 的条件下，用一般的工艺方法(铜模铸造方法等)即可获得三维尺寸在毫米以上量级的大块非晶合金。
第二章---点缺陷---晶体缺陷和强度
Crystal Defect and Strength
王建华
材料科学与工程学院
2019.09.12
2019/10/14
1
第二章 点缺陷（ Point Defects）
原子尺度的缺陷（atomic size defects）
在晶体中可以热力学平衡态存在
点缺陷研究的发展——1926年Frankel提出
空位对于传导电子产生附加散射，而引起电阻率 ρ 的增
加。
例如：淬火温度越高，由于空位浓度越大，因而，电阻
率201越9/10大/14 。
32
2）密度的变化 简单地考虑肖脱基空位。一个空位形成，体积增加
v，v 为原子体积，n 个空位形成，晶体体积增加
V = n v，由此而将引起密度的减小。 (这里没有考虑空位形成后晶格的畸变) 3）机械性能的变化 空位对金属的机械性能影响较大，过饱和点缺陷 提高金属的屈服强度。为什么？
2019/10/14
24
2019/10/14
25
2019/10/14
26
2019/10/14
27
• 晶格常数a与固溶体成分x之间的关系： • 式中，a1、a2分别为溶剂和溶质的晶格常数
2019/10/14
28
2019/10/14
29
2019/10/14
30
2019/10/14
31
2.7 点缺陷对晶体性能的影响
2019/10/14
33
点缺陷引起的结构变化：
晶格畸变（如空位引起晶格收缩，间隙原 子引起晶格膨胀，置换原子可引起收缩或 膨胀。）
2019/10/14
34
点缺陷对化学性能的影响: 主要集中在材料表面性能上，比如杂质原子的缺 陷会在大气环境下形成原电池模型，极大地加速 材料的腐蚀，另外表面能量也会受到缺陷的极大 影响，表面化学活性，化学能等等。
合金材料的晶体缺陷与强度
合金材料的晶体缺陷与强度合金作为一种重要的材料，具有较高的强度和优异的性能，广泛应用于各个领域。
然而，在合金的制备过程中，晶体缺陷是无法避免的。
晶体缺陷的存在对合金的性能会产生一定的影响，并直接关系到合金的强度。
本文将对合金材料的晶体缺陷与强度进行探讨。
一、晶体缺陷的种类及其影响晶体缺陷是指晶体结构中存在的与完美晶体结构不一致的部分。
合金材料中常见的晶体缺陷有点缺陷、面缺陷和体缺陷。
这些晶体缺陷会导致合金中的原子位置发生错位或者空隙，从而改变了合金的原子排列和结构。
1. 点缺陷点缺陷是指晶体中某个位置的原子缺失或者替代。
常见的点缺陷有原子间隙、空位和固溶体原子替代等。
点缺陷的存在会导致原子结构的不均匀，增加晶体网络的不规则性，从而降低了合金的强度。
2. 面缺陷面缺陷是指晶体中某个平面上的原子排列出现错误，例如层错和晶界。
面缺陷会对合金的强度和韧性产生显著影响。
层错会导致晶体中局部应力集中，容易引发晶体的滑移和断裂，从而降低了合金的强度。
晶界则会导致晶体结构的边界变得复杂，阻碍了晶体的位错运动，增加了合金的强度和硬度。
3. 体缺陷体缺陷是指晶体内部出现的空隙、间隙等缺陷。
这些缺陷会导致晶体结构的不完整，增加晶体中的缺陷密度，并对合金的机械性能产生明显的影响。
体缺陷的存在会导致合金的变形行为变得复杂，从而影响了合金的强度和可塑性。
二、晶体缺陷与强度的关系晶体缺陷的存在对合金的强度产生重要影响。
晶体缺陷会导致原子结构的不均匀，且增加合金中的位错密度，从而使合金的屈服强度、抗拉强度和硬度等机械性能发生变化。
1. 位错的产生与强度位错是晶体缺陷中最常见的一种形式。
在合金中，位错的产生与晶体的滑移运动密切相关。
当合金受到外力作用时，位错会迅速增多，通过滑移运动来平衡应力。
位错密度增加会导致合金的强度增加，抵抗外力的作用。
2. 晶界的作用晶界是晶体缺陷中较为明显的一种形式，也是合金中强度影响较大的因素之一。
晶界会阻碍原子的位错运动并改变其运动路径，增加了合金的塑性变形阻力，从而提高了合金的屈服强度和硬度。
晶体缺陷与强化理论共53页文档
•
29、在一切能够接受法律支配的人类 的状态 中，哪 里没有 法律， 那里就 没有自 由。— —洛克
•
30、风俗可以造就法律，也可以废除 法律。 ——塞·约翰逊
谢谢！
51、 天 下 之 事 常成 于困约 ，而败 于奢靡 。——陆 游 52、 生 命 不 等 于是呼 吸，生 命是活 动。——卢 梭
晶体缺陷与强化理论
•
26、我们像鹰一样，生来就是自由的 ，但是 为了生 存，我 们不得 不为自 己编织 一个笼 子，然 后把自 己关在 里面。 ——博 莱索
•
27、法律如果不讲道理，即使延续时 间再长 ，也还 是没有 制约力 的。— 造出来的。 ——马 克罗维 乌斯
53、 伟 大 的 事 业，需 要决心 ，能力 ，组织 和责任 感。 ——易 卜 生 54、 唯 书 籍 不 朽。——乔 特
55、 为 中 华 之 崛起而 读书。 ——周 恩来
材料科学基础——晶体缺陷1
z 30年代，在研究晶体滑移时，发现理论屈 服强度和实际强度间有巨大差异，为了解 释这种差异，人们设想晶体中存在某种缺 陷。形变就在这局部缺陷处发生。
z 晶体结构——规则的完整排列是主要的， 非完整的是次要的。
z 晶体力学性能——晶体的非完整性是主要 的，完整性处于次要地位。
z 混合位错的滑移矢量不平行也不垂直位 错线，而是与位错线成任意角度。
螺型位错示意图
(a) 螺位错
(b) 位错线周围原子螺型排列
混合位错
螺型位错的特征
9螺型位错没有额外的半原子面，原子错排是轴 对称的。 9位错线与滑移矢量平行，是直线，位错线的移 动方向与晶体滑移方向垂直。 9滑移面不唯一。 9只有平行于位错线的切应变，无正应变。 9是几个原子宽度的线缺陷。
点缺陷的浓度
C=Aexp(-NoEo/KN0T) =Aexp(-Qf/RT)
z Qf=N0E0——形成空位的激活能，即形成1mol空位 所需要的功，单位为J/mol
z R=kN0——气体常数 ，为8.31J/mol.K z A=exp(S0/k)由振动熵决定的系数，1～10
点缺陷周围的畸变：
往晶体中引入一个空位或一个间隙原子，它们周 围原子离开它们的平衡位置，造成晶格畸变，使 晶体总自由能降低。在无表面应力的均匀的各向 同性弹性体中引入一个强度为C的膨胀中心时， 体积变化△υ为
而螺型位错线与柏氏矢量平行。 3. 刃型位错线不一定是直线，可以是折线或曲线；而
螺型位错线一定是直线。 4. 刃位错的滑移面只有一个，而螺位错的滑移面不是
唯一的。 5. 刃位错周围的点阵发生弹性畸变，既有切应变，又
有正应变；而螺位错只有切应变而无正应变。 相同点：二者都是线缺陷。
第二章---点缺陷---晶体缺陷和强度
• 杂质原子的特点：
2019/2/3
24
2019/2/3
25
2019/2/3
26
2019/2/3
27
• 晶格常数a与固溶体成分x之间的关系：
• 式中，a1、a2分别为溶剂和溶质的晶格常数
2019/2/3
28
2019/2/3Leabharlann 292019/2/3
30
2019/2/3
31
2.7 点缺陷对晶体性能的影响
上式所包含的各项与空位数目之间的关系见图
在平衡态下体系的自由 能最小，G 0
n
得
C
2019/2/3
n n N N n S Ev exp( v ) exp( ) k kT Ev A exp( ) 18 kT
2019/2/3
19
2019/2/3
20
2.5 过饱和点缺陷的形成
2019/2/3 22
2019/2/3
23
2.6 杂质原子
• 与基体原子不同的外部杂质进入晶体内部构成的一种点缺 陷
• 分为替代式和间隙式两类
替代式，如Si、Ge中掺杂III、V族元素B、Al、Ga、In和P、 As、Sb等，控制导电类型和电阻率，结构上III、V族元素 与IV族元素相似 间隙式，Fe，Ni，O形成间隙式杂质，处于Si、Ge晶胞五 个较大的间隙
2019/2/3
金属 Cu
Cu
形成能/电子伏 0.8-1.0 1.3-1.5 0.6-0.92 0.6-0.77 4.0-5.0 2.5-2.6 3.0
作者 富米 亨丁顿 富米 富米 亨丁顿 特沃特 塞格等
11
2.3 点缺陷的运动
对于一定的体系，平衡时点缺陷的数目是一定的， 但这仅仅是一种动态平衡和稳定。考虑到原子的热 运动和能量的起伏，一个原子可能脱离平衡位置而 占据另一空位。虽然空位数目不增加，但确实存在 原子的迁移。
晶体缺陷与强度：表面与界面（6）
电子分布，并非严格相同，这样就将呈现出瞬间的极化电
矩。许多瞬间极化电矩之间以及它对相邻分子的诱导作用
都会引起相互作用效应，这称为色散力。 应该指出的是，范氏力是三种力合力（对于不同物质三
种作用并非均等）与分子间距离的7次方成反比，这说明 分子间引力的作用范围极小，一般在0. 3～0. 5nm以内。
一、晶体的表面
1.表面结构
• 表面能是由于处于晶体自由表面上的原子键合 状态与晶内不同而造成的。由于键合能具有负 值，近邻原子或离子数的减少，将使系统能量增 高。通常定义增加单位面积的表面所引起的自由 能增量γ为表面能系数。由于表面原子键合的作 用，体系有降低自由能的要求，系统将倾向于缩 小其表面积，这相当于表面上任一面元的周界上 都会受到一个力的作用，每单位长度上所受的力f 被称作表面张力。在各向同性的情况下，γ和f在 量纲和数值上都是相同的。
• 如果考虑到表面原子层受力情况的明显不对称性，产生法 向弛豫，尤其发生压缩弛豫是不难预料的。金属晶体结构 简单，弛豫现象相对较为明显，因而已进行了较多的研究。 近年来的理论模型认为，金属表面电子改变空间分布以降 低能量，结果造成表面电偶极子层，并通过它与表面原子
层的互作用而产生压缩弛豫。实测也表明，这种倾向在密 排的表面上虽然并不明显，但随着非密排程度的提高，法 向收缩效应的确更为突出。这样的模型也解释了常见的下 述振荡式弛豫现象：表面第一、二层间原子间距受压缩， 第二、三原子层间膨胀，第三、四层间又受压缩,如金的 （110）面表面递次为-1.25%,0.7%和-0.25%〕。个别金 属表现出表面的法向膨胀，其原因尚不清楚。发生表面弛 豫后，表面处原子的层间距会发生变化，键角也会随之变
第一章引言晶体缺陷和强度PPT文档64页
1、最灵繁的人也看不见自己的背脊。——非洲 2、最困难的事情就是认识自己。——希腊 3、有勇气承担命运这才是英雄好汉。——黑塞 4、与肝胆人共事，无字句处读书。——周恩来 5、阅读使人充实，会谈使人敏捷，写作使人精确。——培根
第一章引言晶体缺陷和强度
36、“不可能”这个字(法语是一个字 )，只 在愚人 的字典 中找得 到。--拿 破仑。 37、不要生气要争气，不要看破要突 破，不 要嫉妒 要欣赏 ，不要 托延要 积极， 不要心 动要行 动。 38、勤奋，机会，乐观是成功的三要 素。(注 意：传 统观念 认为勤 奋和机 会是成 功的要 素，但 是经过 统计学 和成功 人士的 分析得 出，乐 观是成 功的第 三要素 。
第一章引言晶体缺陷和强度
注意：
每一种强度都有其特殊的物理本质，所以金属
的强化不是笼统的概念，而是具体反映到某个强度
指标上。一种手段对提高某一强度指标可能是有效 的，而对另一强度指标未必有效。
2019/2/3
37
影响强度的因素：
1、材料本身的成分、表面状态；
如:W(C) < 0.9%时，碳钢随含碳量的增加，其强度增加。 钢中加入 一些合金元素，低合金高强度合金钢。表面粗糙，强度低。
2019/2/3 16
致密度=晶胞内原子的体积/晶胞体积（100%)
2019/2/3
17
面心立方晶格
面心立方晶胞如图所示。它的形状也是一 个立方体。在面心立方晶胞中，原子位于立方 体的八个顶角和六个面的中心。属于这类晶格 的金属有γ-Fe、Al、Cu、Ni、Au、Ag、Pb等。 从图中可算出面心立方晶体的原子半径为 1.414a/4；每个晶胞所包含的原子数为4个；配 位数为12；致密度为0.74或74%。
2019/2/3
24
1.3 固体材料的性能（强度）
材料的性能包括：
（1）使用性能：材料在使用条件下表现出的性能
力学性能——材料受到各种不同性质及大小的载荷作用时所反映出 来的性能。 物理性能——材料的密度、熔点、热膨胀性、导热性和导电性等。
化学性能——材料在室温或高温时抵抗各种化学侵蚀的能力。主要
29
• 弹性极限（σe）：表示材料保持弹性变形，不产生永 久变形的最大应力，是弹性零件的设计依据。
• 屈服极限（ 屈服强度σs）：表示金属开始发生明显塑 性变形的抗力，铸铁等材料没有明显的屈服现象，则 用条件屈服点（σ0.2 ）来表示：产生0.2%残余应变时 的应力值。 • 强度极限（抗拉强度σb ）：表示金属受拉时所能承受 的最大应力。 σe 、σs 、σb 是机械零件和构件设计和选材的主要依据。
晶体缺陷和材料性能
晶体缺陷和材料性能晶体缺陷是一种常见的材料学现象，它能够影响材料的力学、电学、热学等性能。
在材料科学中，深入了解晶体缺陷对材料性能的影响是非常重要的。
本文将介绍晶体缺陷的种类和其影响力学、电学、热学性能的机制。
一、晶体缺陷的种类晶体缺陷通常可以分为点缺陷、线缺陷和面缺陷三种：1.点缺陷：最简单的点缺陷是晶格中离子交换，如阴离子被阳离子占据。
空穴和插入的离子也属于点缺陷。
空穴是空出一个或多个原子位置的缺陷，它们造成晶体中电子和磁性的变化。
插入的离子是不同元素的原子，它们插入到晶体中取代其它原子位置。
2.线缺陷：线缺陷是晶格中的一条线，它与晶体中其它原子排列方式不同。
位错是最常见的线缺陷。
每个位错都是从一个或多个失配的原子重叠开始，其结果会改变晶体的物理特性。
3.面缺陷：面缺陷是晶体表面的缺陷，如晶界和小角度晶界。
晶界是两个或多个晶体的边界，它们对材料的物理和化学性质有很大影响。
小角度晶界也是晶界，它是两个晶体在晶界处缓慢旋转而形成的。
由于晶界存在，会导致晶体的力学和电学性质发生改变。
二、晶体缺陷对材料性能的影响晶体缺陷能够影响材料的力学、电学、热学等性能。
下面将介绍晶体缺陷对各种性能的影响机制：1.力学性能：晶体缺陷会影响材料的塑性、强度和韧性等机械性能。
在弹性形变的情况下，位错和其他线缺陷产生的内应力可以改变晶体的力学性质。
当材料受到应力时，点缺陷会导致晶体内部出现位移和形变。
靠近晶体表面的缺陷，比如晶界和表面缺陷，可以作为裂纹的萌芽点，从而引起材料的断裂。
2.电学性能：电学性能是指材料的导电性、电阻率等性质。
晶体缺陷可以对材料的电学性能产生显著影响。
二硫化钼（MoS2）是一种典型的半导体，在晶体中的点缺陷和线缺陷会导致其导电性变得更好或更差。
此外，晶体缺陷还可以影响材料的光谱特性、介电常数和色散等方面的性质。
3.热学性能：晶体缺陷还可以影响材料的热学性能，如热容量、导热性等。
点缺陷和线缺陷可以改变晶体的热传导和物理吸收特性。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
非晶合金的强度研究及进展非晶合金，又称金属玻璃，由于具有优异的物理、化学、光学、磁学和力学性能，受到人们的普遍关注，成为材料领域的研究热点之一。
大量的研究与开发工作表明，非晶合金材料在许多实用性能方面具有十分明显的优势，具有良好的应用前景。
非晶合金研究的进展，不仅突破了长期以来金属合金只能以结晶态形式凝固这一传统认识，丰富了合金液固相变理论，而且在合金的非晶形成能力、非晶合金的相结构及其相演化过程、非晶合金的性能等方面的研究都取得了大量成果。
1非晶合金的发展历史自从1960 年首次用熔体快速凝固方法制备出Au-Cu 非晶合金以来，在随后的30 年里，大量的非晶合金已经被制备出来。
众所周知，在1990年以前可以用105K/s 的冷却速率制备出Fe 基、Co 基和Ni 基非晶合金，但这些合金的厚度都小于50 µm，其中，作为特例的贵金属基Pd-Ni-P 和Pt-Ni-P 合金系，其临界冷却速度也在103 K/s 的数量级。
在1974 年Chen对Pb-T-P(T=Ni, Co, Fe)合金进行了系统的研究并制备出了厚度为 1 mm 的非晶合金。
在1982 年，可以制备出临界尺寸较大的Au55 Pd22.5 Sb22.5非晶合金。
虽然在大块非晶合金的研究中取得了突出的进展，但是这些合金的成本昂贵，在长达十几年的时间内，利用非贵金属制备大块非晶合金的愿望始终未能实现，使非晶合金的应用范围受到很大限制。
上世纪八十年代后期，日本学者 A. Inoue(井上明久)领导的课题组首先在非贵金属系大块非晶合金制备方面取得了突破，并受到同行的关注。
自从1988 年以来，发现可以用更低的临界冷却速率制备出新的多组元合金体系，包括Mg 基、Zr基、Fe 基、Pd基[、La 基、Ti基和Ni 基合金体系。
由于发现了具有很强的非晶形成能力的合金体系，使得在临界冷却速度低于102 K/s 的条件下，用一般的工艺方法(铜模铸造方法等)即可获得三维尺寸在毫米以上量级的大块非晶合金。
目前人们所研究的大块非晶合金体系中，Pd系、La 系和Zr系多组元合金具有优秀的非晶形成能力，其中美国Johnson 课题组开发的Zr-Ti-Cu-Ni-Be 和日本Inoue 课题组开发Pd-Ni-Cu-P 合金的非晶形成能力最好。
但Pd系合金价格昂贵，La 系合金性能较差，这两类非晶合金难以被广泛应用。
Zr系大块非晶合金具有良好的性能和应用前景。
镍基大块非晶合金在力学性能和抗腐蚀性能等方面有突出的表现，缺点是其非晶形成能力不够优秀，目前还难以制备成大尺寸的大块非晶合金样品。
近年来Cu基合金又成为大块非晶合金研究的另一个热点。
此外二元大块非晶合金的制备方面也取得了进展。
2非晶态材料具有三个基本特征①只存在小区间内的短程序，而没有任何长程序；波矢 k不再是一个描述运动状态的好量子数。
②它的电子衍射、中子衍射和 X射线衍射图是由较宽的晕和弥散的环组成；用电子显微镜看不到任何由晶粒间界、晶体缺陷等形成的衍衬反差。
③任何体系的非晶态固体与其对应的晶态材料相比，都是亚稳态。
当连续升温时，在某个很窄的温区内，会发生明显的结构变化，从非晶态转变为晶态，这个晶化过程主要取决于材料的原子扩散系数、界面能和熔解熵。
3非晶合金的性能作为一种新开发出来的先进材料，非晶合金具有优异的力学性能、耐磨损性能、耐腐蚀性能和特殊的磁学性能等，因此，有极好的应用前景。
在力学性能方面，合金的力学性能指标中最重要的是强度和塑性。
新型非晶合金的抗张强度要大于同类晶态合金，如Mg 基非晶合金室温下的抗张强度大大超过抗张强度最大的晶态Mg 基合金。
Zr基大块非晶合金的显微硬度为 6 GPa，强度可达 3 GPa，弹性变形能力可达 2 %，其强度已接近工程陶瓷材料。
大块非晶合金中不存在晶体中的滑移，在高温下具有很大的粘滞流动性，可在所谓的过冷液相区进行超塑性变形，这是一般超塑性晶态合金所无法实现的。
非晶合金是亚稳液态结构的固态金属，在电导方面表现为金属性，但有很高的电阻值，而且电阻与温度的关系与普通合金不同。
Fe-TM-B(TM 为过渡族金属)大块非晶不但具有高强度、抗腐蚀性，还有优良的软磁性能。
通过碳掺杂及晶化的方法，可由大块非晶合金得到大块纳米晶材料，这些纳米晶材料表现了出优良的力学性质、硬软磁性能及高的催化性能。
另外，大块非晶还具有耐磨、抗疲劳、抗腐蚀等优良的性能。
最近，制备出的Ti 基、Mg 基大块非晶合金具有轻型、抗辐照、高强度的优点，在航天领域有很好的应用前景。
从以上大块非晶合金的性能不难看出这种新材料的工业潜力及应用前景。
Johnson 教授将Zr基大块非晶合金应用到了高尔夫球运动器材中，并使之产业化。
此外，大块非晶合金作为穿甲弹芯材料的研究已经引起了各国的关注，有望成为新一代穿甲弹芯材料。
晶体的主要特征是其中原子（或分子）的规则排列，但实际晶体中的原子排列会由于各种原因或多或少地偏离严格的周期性，于是就形成了晶体的缺陷，晶体缺陷的存在，破坏了完美晶体的有序性，引起晶体内能U和熵S增加。
按缺陷在空间的几何构型可将缺陷分为点缺陷、线缺陷、面缺陷和体缺陷。
点缺陷1、点缺陷定义由于晶体中出现填隙原子和杂质原子等等，它们引起晶格周期性的破坏发生在一个或几个晶格常数的限度范围内，这类缺陷统称为点缺陷。
这些空位和填隙原子是由热起伏原因所产生的，因此又称为热缺陷。
2、空位、填隙原子和杂质空位：晶体内部的空格点就是空位。
由于晶体中原子热运动，某些原子振动剧烈而脱离格点跑到表面上，在内部留下了空格点，即空位。
填隙原子：由于晶体中原子的热运动，某些原子振动剧烈而脱离格点进入晶格中的间隙位置，形成了填隙原子。
即位于理想晶体中间隙中的原子。
杂质原子：杂质原子是理想晶体中出现的异类原子。
3、几种点缺陷的类型弗仑克尔缺陷：原子（或离子）在格点平衡位置附近振动，由于非线性的影响，使得当粒子能量大到某一程度时，原子就会脱离格点，而到达邻近的原子空隙中，当它失去多余动能后，就会被束缚在那里，这样产生一个暂时的空位和一个暂时的填隙原子，当又经过一段时间后，填隙原子会与空位相遇，并同空位复合；也有可能跳到较远的间隙中去。
若晶体中的空位与填隙原子的数目相等，这样的热缺陷称为弗仑克尔缺陷。
肖特基缺陷：空位和填隙原子可以成对地产生(弗仑克尔缺陷），也可以在晶体内单独产生。
若脱离格点的原子变成填隙原子，经过扩散跑到晶体表面占据正常格点位置，则在晶体内只留下空位，而没有填隙原子，仅由这种空位构成的缺陷称之为肖特基缺陷.形成填隙原子时,原子挤入间隙位置所需的能量比产生肖特基缺陷空位所需的能量大,一般地,当温度不太高时,肖特基缺陷的数目要比弗仑克尔缺陷的数目大得多。
杂质原子：实际晶体中存在某些微量杂质。
一方面是晶体生长过程中引入的；另一方面是有目的地向晶体中掺入的一些微量杂质。
当晶体存在杂质原子时，晶体的内能会增加，由于少量的杂质可以分布在数量很大的格点或间隙位置上，使晶体组态熵的变化也很大。
因此温度T下，杂质原子的存在也可能使自由能降低。
(F＝U-TS)当杂质原子取代基质原子占据规则的格点位置时，形成替位式杂质，如图a；若杂质原子占据间隙位置，形成间隙式杂质。
对一定晶体，杂质原子是形成替位式杂质还是间隙式杂质，主要取决于杂质原子与基质原子几何尺寸的的相对大小及其电负性。
杂质原子比基质原子小得多时，形成间隙式杂质；替位式杂质在晶体中的溶解度也决定于原子的几何尺寸和化学因素。
线缺陷1、线缺陷的定义：当晶格周期性的破坏发生在晶体内部一条线的周围则称为线缺陷，通常又称之为位错。
它是由于应力超过弹性限度而使晶体发生范性形变所产生的，从晶体内部看，它就是晶体的一部分相对于另一部分发生滑移，以致在滑移区的分界线上出现线状缺陷。
2、位错的基本类型:常见的位错有两种形式：刃位错和螺位错。
刃位错：亦称棱位错。
其特点是:原子的滑移方向与位错线的方向相垂直。
螺位错：特点:是原子的滑移方向与位错线平行，且晶体内没有多余的半个晶面。
垂直于位错线的各个晶面可以看成由一个晶面以螺旋阶梯的形式构成。
当晶体中存在螺位错时，原来的一族平行晶面就变成为以位错线为轴的螺旋面。
位错线的特征：1.滑移区与未滑移区的分界线；2.位错线附近原子排列失去周期性；3.位错线附近原子受应力作用强，能量高，位错不是热运动的结果；4.位错线的几何形状可能很复杂，可能在体内形成闭合线，可能在晶体表面露头，不可能在体内中断。
刃型位错的特点是位错线垂直于滑移矢量b；螺型位错的特点是位错线平行于滑移矢量b。
b又称为伯格斯（Burgers）矢量，它的模等于滑移方向上的平衡原子间距，它的方向代表滑移方向。
除此之外，还存在位错线于滑移矢量既不平行又不垂直的混合型位错。
混合位错的原子排列介于刃型位错和螺型位错之间，可以分解为刃型位错和螺型位错。
面缺陷1、面缺陷的定义：当晶格周期性的破坏发生在晶体内部一个面的周围则称为面缺陷。
2、常见的面缺陷的类型：层错：是由于晶面堆积顺序发生错乱而引入的面缺陷，又称堆垛层错。
小角晶界：具有完整结构的晶体两部分彼此之间的取向有着小角度θ的倾斜，在角θ里的部分是由少数几个多余的半晶面所组成的过渡区，这个区域称小角晶界。
体缺陷在体缺陷中比较重要的是包裹体。
包裹体是晶体生长过程中界面所捕获的夹杂物。
它可能是晶体原料中某一过量组分形成的固体颗粒，也可能是晶体生产过程中坩埚材料带入的杂质微粒。
强度理论在理论研究、工程应用和有效利用材料等方面都具有很重要的意义。
现在，强度理论或屈服准则和破坏准则在物理、力学、材料科学、地球科学和工程中得到广泛的应用，本文讲述了强度理论的概念，强度理论在不同方式下的分类，纳米金属材料的强度与Hall-Petch公式的关系以及强度理论的展望与应用。