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第二章晶体结构缺陷(四)


晶粒大小对材料强度的影响
材料的塑性变形抗力,不仅与其原子间的结合力 有关,而且还与材料的晶粒度有关,即材料的晶粒愈 细,材料的强度愈高。因为材料晶粒愈细,晶界总面 积愈大,晶界对变形的阻碍作用愈明显,对塑性变形 的抗力也便愈大。 对纯金属、单相合金或低碳钢都发现室温屈服强 度和晶粒大小有以下关系:
图2-18 倾斜晶界与扭转晶界示意图
图2-19是简单立方结构晶体中 界面为(100)面的倾斜晶界在 (001)面上的投影,其两侧晶 体的位向差为θ,相当于相邻晶 粒绕[001]轴反向各自旋转θ/2而 成。几何特征是相邻两晶粒相 对于晶界作旋转,转轴在晶界 内并与位错线平行。为了填补 相邻两个晶粒取向之间的偏差, 使原子的排列尽可能接近原来 的完整晶格,每隔几行就插入 一片原子。 图2-19 简单立方晶体中的
黑圈表示重合原子位置。每 11个阵点位 置上就有一个重合位置。不重合部分出 现台阶(图中BC部分)。它们之间交角 越大台阶就越密。
特殊大角晶界 ● 特殊大角晶界的能量比任意大角晶界低,即在某些特殊 取向角下,晶界上相邻的点阵匹配的较好,表现出较低 的能态。 ● 最简单的特殊大角晶界是共格晶界。界面的原子恰位于 两晶体的晶格结点上, 形成共格晶界。 ● 当两晶粒取向互为对称 时,形成共格孪晶界。 对孪晶界,界面上的原 子不能和邻接两晶粒很 好地匹配,此界面称为 非共格孪晶界。
● 小岛模型:晶界存在原子排列匹配良好的岛屿,散布在
排列匹配不好的区域中,岛屿的直径约数个原子间距。
两个晶粒有 1/5 的原子是在另一晶粒点阵的 延伸位置;重合位置构成重合位置点阵
晶界与重合位置点阵的密排面重合或以台阶 方式与重合位置点阵的几个密排面重合时, 晶界上的重合位置多,晶界的畸变下降,晶 界能降低
式中的d为晶粒的平均直径,k为比例常数。这是个经 验公式,但又表达了一个普遍规律。该公式常称为霍 尔-佩奇(Hall-Petch)关系。
晶粒大小对材料塑性的影响
效果:塑性材料的晶粒愈细,不仅强度愈高,而且 塑性与韧性也较高。
原因:因为晶粒愈细,单位体积中晶粒数量便愈多, 变形时同样的形变量便可分散在更多的晶粒中发生, 晶粒转动的阻力小,晶粒间易于协调,产生较均匀 的变形,不致造成局部的应力集中,而引起裂纹的 过早产生和发展。因而断裂前便可发生较大的塑性 形变量,具有较高的冲击载荷抗力。
大角度晶界的界面能低,为了解释这些特殊晶界的性质,提
出了大角度晶界的重合位置点阵(coincidence site lattice 即CSL)模型,O点阵模型,DSC点阵模型等。
大角晶界分为任意大角晶界和特殊大角晶界。
大角晶界的晶界能,一般实测值大约为表面能的1/3。
早期的晶界模型: ● 皂泡模型:晶界由约3-4个原子间距厚的区域组成,层 内原子排列较差,具有较松散的结构,原子间的键被打断 或被严重扭曲,具有较高的界面能。 ● 过冷液体模型:晶界层中的原子排列接近于过冷液体或 非晶态,在应力的作用下可粘性流动,晶界层2-3个原子 厚度。
沿着孪晶界面,孪晶的两
部分完全密合,最近邻关
系不发生任何改变,只有 次近邻关系才有变化,引 入的原子错排很小,称共 格孪晶界面。孪晶界面的
能量约为层错能之半。
图2-21 面心立方晶体中{111}面
反映孪晶的〈110〉投影图
铜合金中的孪晶
界面能:晶界面上的原子相对正常晶体内部的原子而 言,均处于较高的能量状态,因此,晶界也存在界面 能。
这种结构变化,并不改变层错处原子最近邻的关系(包括配 位数、键长、键角),只改变次邻近关系,几乎不产生畸变,所 引起的畸变能很小。因而,层错是一种低能量的界面。
图2-20 面心立方晶体中的抽出型层错(a) 和插入型层错(b)
反映孪晶界面
面心立方结构的晶体中的正常堆垛方式是六 方密排面作……△△△△△△△△……的完全顺 顺序堆垛(或与此等价,作……▽▽▽▽▽…… 完全逆顺序堆垛)。如果从某一层起全部变为逆 时针堆垛,例如……△△△△▽▽▽▽……,则 这一原子面成为一个反映面,两侧晶体以此面成 镜面对称(见图2-21)。这两部分晶体成孪晶关 系,由于两者具有反映关系,称反映孪晶,该晶 面称孪晶界面。
对称倾斜晶界
最简单的小角度晶界是 对称倾斜晶界( symmetrical
tilt boundary),这种晶界的结构是由一系列平行等距离排 列的同号刃位错所构成。 位错间距离D、伯氏矢量b与取向差θ之间满足下列关系
b 2 sinபைடு நூலகம் ; 2 D
D
b 2 sin

2

b

由上式知,当θ小时,位错间距较大,若b=0.25nm, θ=1o,则D=14nm;若θ>10o,则位错间距太近,位错模型 不再适应。
共格孪晶界与非共格孪晶界
堆积层错
堆垛层错(以下简称层错),就是指正常堆垛顺序中引 入不正常顺序堆垛的原子面而产生的一类面缺陷。
以面心立方结构为例,当正常层序中抽走一原子层,
相应位置出现一个逆顺序堆层……ABCACABC……称
抽出型(或内禀)层错;如果正常层序中插入一原子层,
如图2-20(b)所示,相应位置出现两个逆顺序堆 层……ABCACBCAB……称插入型(或外禀)层错。
位错的塞积
位错运动时,在其 前沿如果有障碍(如晶界、 不可变形的硬质点……), 就停留不能前进,若同一 位错源不断产生一系列位 错源源而来,在此将产生 塞积。
位错的塞积在该处产生大的应力,可能带来的 后果有:①螺位错可改变滑移面而发生交滑移;② 晶界处的应力可能迫使相邻晶粒中的位错运动来松 弛应力;③无发松弛就有可能在此处造成裂纹。
2.4 面缺陷
面缺陷( surface defects )是将材料分成 若干区域的边界,如表面、晶界、界面、层错、 孪晶面等。 一、晶界(位错界面) ( 一 ) 、 小 角 度 晶 界 ( small angle grain boundary) (二)、大角度晶界 二、堆积层错 三、反映孪晶界面
6.3 界面结构
(4)粗糙表面与平滑表面:表面原子的缺陷,局部 表面原子的缺少或部分表面有多余原子,以表面存 在的阵点数与实有原子数的比x来表示,缺陷的存在 可提高表面熵,必然存在。 x=0.5的表面稳定的称为粗糙表面,大多数的金属材 料是属于粗糙表面;x值仅在0或1附近稳定的称为平 滑表面,大多是非金属材料。
3、 界面特性 (1)界面能会引起界面吸附。 (2)界面上原子扩散速度较快。 (3)对位错运动有阻碍作用。 (4)易被氧化和腐蚀。 (5)原子的混乱排列利于固态相变的形核。
晶界的平衡形貌 2.第二相处于晶界时,一方面界 面能不相等,另一方面为减小总 界面能,形成图示的透镜状,其 中二切线的夹角θ ,且调整到满 足 夹角θ 则称为接触角(也称润湿角)。 3.第二相处于三晶粒交会处时,依接触角不同其形状也不同。
晶界的平衡形貌 3.多晶体材料的晶界均属于大 角晶界,界面能大致相等,尽 管在交汇处应互成120o,但晶 粒大小不同,邻近晶粒数也不 等,晶界不成直线,而形成不 同方向的曲线(曲面)。 4.晶粒内部的第二相,为了 减少界面能,将尽量成球状 (点状);在有条件时,这些 质点可能聚集长大粗化。
(二)、大角度晶界
实验研究(如场离子显微镜观察)表明,大角度晶界两
侧晶粒的取向差较大,但其过渡区却很窄(仅有几个埃),
其中原子排列在多数情况下很不规则,少数情况下有一定的 规律性,因此很难用位错模型来描述。一般大角度晶界的界 面能大致在 0.5~0.6J/m2 左右,与相邻晶粒的取向差无关。 但也有些特殊取向的大角度晶界的界面能比其它任意取向的
晶界结构理论的概述
一、晶界(位错界面)
(一)、小角度晶界(small angle grain boundary) 晶界的结构和性质与相邻晶粒的取向差有 关,当取向差θ小于10~15o时,称为小角度晶 界。 根据形成晶界时的操作不同,晶界分为倾 斜晶界(tilt boundary)和扭转晶界(twist boundary), 如图2-18所示。
扭转晶界:假设一块晶体,中间沿某一晶 面切开,分成两块晶体,然后绕垂直 晶 面的一中心轴旋转一个角度θ,此时两块 晶体之间形成的界面称为扭转晶界。这 种晶界的自由度为1,即位向差θ。扭转 晶界是由两组正交螺位错所组成的网络 构成的。它和倾侧晶界的区别在于转轴 不同,倾侧晶界形成时,转轴在晶界内, 而扭转晶界的转轴垂直于晶界。
2 如图所示,若在切压力的作用下,位错环发生收缩。要使该位错环在 晶体中稳定不动,其最小半径应该是多大?
四、相界 1 、相界:相邻两个相之 间的界面。 分类:共格、半共格 和非共格相界。
相界面的主要特性:相界面的结构和晶界有一定的共性,也有 一些明显的差别。非共格界面类似大角度晶界,而完全的共格 是困难的,共格面两边微少的差别可以用晶格的畸变来调整, 界面两边差别不十分大时,将可以补充一定的位错来协调,组 成半共格界面。无论那种情况,界面都存在自己的界面能,都 将对材料的结构形貌(组织)带来明显的影响。
1 已知位错环ABCD的柏氏矢量为b,外应力为和,求:
(1)位错环的各边分别是什么位错? (2)设想在晶体中怎样才能得到这个位错?
(3)在足够大的切应力作用下,位错环将如何运动?
(4)在足够大的拉应力作用下,位错环将如何运动?
(2)在晶体中怎样才能得到这个位错
设想在完整晶体中有一个贯穿晶体的上、下表面 的正四棱柱,它和滑移面交与ABCDA,让 ABCDA上部柱体相对于下部柱体滑移b,柱体外 各部分不滑移。这样在已滑移区与未滑移区间形 成柏矢为b的的位错环ABCDA
晶粒的位向的影响作用
分批滑移:多晶体材料在外力作用下,当首批处于软 位向的晶粒发生滑移时,由于晶界的影响及其周围处 于硬位向的晶粒尚不能发生滑移而只能以弹性变形相 适应,便会在首批晶粒的晶界附近造成位错堆积,随 着外力增大至应力集中达到一定程度,形变才会越过 晶界,传递到另一批晶粒中。 晶粒的转动:随着滑移的发生,伴随晶粒的转动会使 其位向同时也在变化,有的位向在硬化,有的位向在 软化,软位向的晶粒开始滑移变形。所以,多晶体的 塑性变形是一批批晶粒逐步地发生,从少量晶粒开始 逐步扩大到大量的晶粒,从不均匀变形逐步发展到比 较均匀的变形,变形过程要比单晶体中复杂得多。
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