晶体缺陷论文

纳米晶金属与晶体缺陷

孟宪伟贵所学号：14080502234

摘要：本文介绍了纳米晶金属中观察到的负Hali-Petch斜率和优异的软磁特性

等材料物理问题, 并扼要阐述了导致这些反常现象的机制和晶体缺陷的重要作用。

关键词：晶体缺陷纳米晶非晶态软磁合金

Abstract:This article describes problems in materials physics such as negative

Hali-Petch slope and excellent soft magnetic behavior in nanocry-stalline metals. Fundamental mechanizms.Leading to these abnormal phenomena and the important role played by crystal defects are also briefly expounded.

Keywords: defect nanocrystal amorplous soft-magnetic

前言

完美和理想是人类有史以来所梦寐以求的圣洁境界, 也是每个具有良知的

个人毕生所追求的目标。但是, 臻于至美至善又谈何容易, 对自然界和人类社会所作的实际观察使古人早就认识到“金无足赤, 人无完人” ,甚至还得出了“水至清无鱼”之类素朴辨证的看法。自本世纪20 年代末起, 科学家们对金属单

晶的塑性变形进行了系统研究, 由此得出了一个使人大吃一惊的结果, 原来实

际晶体的屈服强度只是理想的完共晶体的理论强度的1 / 100 。左右!研究表明, 这是一种称为“晶体缺陷”的东西在作祟[ 1]。于是天真的人们想方设法要得到几乎没有块陷的称得上“理想”“完美”的晶体, 这导致了对晶须的研究。

纳米晶金属与晶体缺陷

由于“理想”的“完美”晶体象纯净的材料一样是很难得到的L后者是由热力学第二定律所决定的, 其实用意义并不太大辉煌的成果是由一些进行反

向思维的的聪明人得到的, 他们发现, 屈服强度对结构是十分敏感的, 也就是

说晶体缺陷对其有明显的影响。虽然对结构敏感性能的理论研究任务相当艰巨, 但功夫不负有心人, 当初谁也没有想到强度和强化理论的华彩乐章是用晶体缺

陷理论这一主旋律谱写而成的。于是人们不再冤枉地一味追求“理想”和“完美” , 而是去深入研究如何获得恰当的块陷组态和分布并掌握控制其运动的规律。说到强化, 细化晶粒是一个早为人们熟知并迄今广为利用的强` 韧、化方法, 在本世纪5 0 年代初从理论上作了总结, 并得到了如下式所表示的H a l l一P e t e h关系或方程、Ϭ=Ϭ0+Kd-1/2式中d是晶粒直径, o 是O.2% 屈服应力,

是使单个位错运动所引起的点阵本擦应力, K是一个常数。

几十年来, Hall 一P ethc 关系对普通的粗品材料弋相对于下文所述的纳

米晶材料而言、几乎屡试不爽, 似乎成了“铁”的定则, 然而怪事发生了, 对近年来崭露头角的某些纳米品全属材料却出现了一时令人费解的结果。由上式可知, 届服强度将随晶粒尺寸的减小而增加,这就是细晶强化效应。但现在发现, 对某些纳米晶金属材料来说咬如纳米晶C u 、P d和N i一P , 强度却随晶粒尺寸

的减小而降低, 即出现了负斜率现象。这个反常现象自然成了一个研究热点。为了便于讨论这一反常现象, 以下先对纳米晶又金属、材料作一简介材料科学迄今取得的进展主要可分为两个方面。一是新的材料研究方法的开发和应用, 二是研

制具有新奇结构或新奇性能的新颖材料。前者如透射电镜技术和穆斯堡尔谱技术等的研究成功及应用, 后者如非晶态合金、高温超导材料或准晶体等的发现, 其中也包括近年来异军突起的高技术纳米晶又金属、材料。就后者而言, 很重要的一个途径是设法得到具有新型原子排列或全新化学成份的显微组织。在纳米晶L 金属、材料出现之前, 就原子排列而言, 材料有晶态和非晶态之分, 它们的区别仅在于是否存在长程序又L R O ,两者的短程序是相似的。由于材料的许多性能主要取决于短程序, 因此研制出没有短程序的材料这件事本身就是很有意义的。而就化学成份而言,块状试样中化学性质不同的组在原子尺度上进行合金化的可能性仅限于那些至少在熔触状态互溶的组份。而绒米晶材料则不仅具有无短程序的新型固态结构、是一种具有完全无序的气体结构的固体, 而且布纳米晶材料中固态或熔融状态不互溶的组元也可以进行合金化。纳米晶仁金属)材料是单相或多相体, 其晶体尺寸至少在二维方向上大约为几个纳米, 典型尺寸为1-10nm晶粒尺寸如此之小, 使得材料约有一半体积由晶界所组成。晶界是一种二维晶体缺陷(即面缺陷) , 它们和空位( 点缺陷,)、位错(线缺陷、及另一种面缺陷相界一样, 其存在会显著改变缺陷核心区域的原子密度和配位关系[ 2]。

在晶界的核心区域, 原子密度一般要减小16一30 %左右、这比大多数材料非晶态与晶态的密度差儿乎高出了一个数量级。由于晶界核心结构在相邻两个晶体的势场中处于滩量最低的原子排列状态, 因此晶界核心结构取决于原子间的结合力和晶界的晶体学特征. 在晶粒尺寸大于1 um 的普通多晶体中, 位于晶界核心区域的原子分数≤10 % , 但纳米晶材料中则有一半又甚至超过一半、的原子处于晶界核心区域, 这就使整个材料的原子结构为晶界核心结构所决定。由于两个相邻晶体点阵对位于不共格晶界的核心处的原子所施加的约束, 晶界核心处的原子排列就不同于玻瑞(非晶态)或晶体的无约束的原子排列.如果对纳米晶( 金属、材料采用刚球模型( 见图1 )[ 3] , 就原子结构而言, 存在着两类有明显区别的原子:

( l) 具有相应于点阵最近邻组态的“晶体原子”

( 2) 具有不同于点阵最近邻组态及各种原子间距的“界面原子”, 且上述原子间距会随界面所处位置的不同而改变。