材料科学基础 晶体缺陷

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1、2021/6/16 11 二 、 金 属 晶 体 结 构 及 几 何 特 征1. 常 见 的 三 种 晶 体 结 构面 心 立 方体 心 立 方密 排 六 方 既 是 晶 体 结 构 ， 又 是 点 阵 仅 是 晶 体 结 构 ， 不 是 点 阵 简 单 六 方 2021/6/16 22 1) 面 心 立 方 （ fcc 或 A1） 1/8 8 1/2 6 4 方 向 12aR 42 ad 22 %74614 3 3 a dk 2021/6/16 33 2)体 心 立 方 （ bcc 或 A2） 1/8 8 1 2aR 43 ad 23 方 向 8 %68612 3 3 a dk 2021/6

2、/16 44 3) 密 排 六 方 （ hcp 或 A3） 1/6 12 1/2 2 6 6 3 6aR 21 %7423216 616 3 caa dk ad 方 向 0211 2021/6/16 55 2 晶 体 结 构 中 的 间 隙 0.414 ABrr八 面 体 间 隙 尺 寸 ： 八 面 体 间 隙 数 目 ： 1/4 12 + 1 = 4 2021/6/16 66 0.225 ABrr四 面 体 间 隙 尺 寸 ： 四 面 体 间 隙 数 目 ： 1 8 = 8 2021/6/16 77 八 面 体 间 隙 尺 寸 ： 八 面 体 间 隙 数 目 ： 1/2 6 + 1/4 12

3、 = 6 扁 八 面 体0.15 ABrr 2021/6/16 88 四 面 体 间 隙 尺 寸 ： 四 面 体 间 隙 数 目 ： 1/2 4 6 = 120.29 ABrr 2021/6/16 99 四 面 体 间 隙 数 目 ： 1/3 12 + 1 6 10 八 面 体 间 隙 数 目 ： 1 6 = 6 2021/6/16 1010 fcc与 hcp相 比 ， 间 隙 尺 寸 相 同 ， 分 布 位 置 不 同 。 fcc与 bcc相 比 ， 间 隙 数 量 少 ， 致 密 度 大 。 八 面 体 间 隙 四 面 体 间 隙 数 量 尺 寸 数 量 尺 寸 fcc 4 0.414 8

4、 0.225 bcc 6 0.15 12 0.29 hcp 6 0.414 12 0.225 2021/6/16 1111 1. 离 子 晶 体 结 构离 子 晶 体 结 构 规 则 负 离 子 配 位 多 面 体 规 则 鲍 林 第 一 规 则 电 价 规 则 鲍 林 第 二 规 则 关 于 负 离 子 多 面 体 共 用 点 、 棱 的 规 则 鲍 林 第 三 规 则 2021/6/16 1212 典 型 离 子 晶 体 结 构 NaCl型 CsCl型 立 方 ZnS型 （ 闪 锌 矿 ） 六 方 ZnS型 （ 纤 锌 矿 ） CaF2型 （ 萤 石 ） TiO2型 （ 金 红 石 ） 二

5、 元 离 子 晶 体 不 等 径 刚 球 密 堆 理 论 2021/6/16 1313 2. 共 价 晶 体 结 构 （ 原 子 晶 体 ）典 型 共 价 晶 体 结 构 金 刚 石 型 （ 单 质 型 ） ZnS型 （ AB型 ） SiO2型 （ AB2型 ） 2021/6/16 1414 2021/6/16 1515 2021/6/16 1616 2021/6/16 1717 kTEe vAeNnc 2021/6/16 1818 2021/6/16 1919 2021/6/16 2020 2021/6/16 2121 2021/6/16 2222 2021/6/16 2323 2021/6

6、/16 242004-7-18 西 北 工 业 大 学 材 料 科 学 基 础 CAI课 件 王 永 欣 主 编 24 b 2021/6/16 2525 b 2021/6/16 262004-7-18 西 北 工 业 大 学 材 料 科 学 基 础 CAI课 件 王 永 欣 主 编 26 2021/6/16 2727 cwbvauuvwnab 模 ： 222 wvunab aab 2221 001| 1001 ab 11022 ab aab 22)1(012| 2222 2021/6/16 2828 11261113 43 abab 、 110202121 )626161()313131(11

7、26111343 acba cbacbaaabb 01121102 65 abab 、 11020112110265 aaabb 2021/6/16 2929 2021/6/16 3030 Lb Lb 2021/6/16 3131 b L b L 2021/6/16 3232 V S An 2021/6/16 3333 2021/6/16 3434 2021/6/16 3535 2021/6/16 3636 b 正 刃 负 刃 左 螺右 螺 2021/6/16 3737 2021/6/16 3838 2021/6/16 3939 2021/6/16 4040 （ 1） 方 式 2021/6/1

8、6 4141 2021/6/16 4242 2021/6/16 4343 （ 1） 应 力 分 量 与 应 变 分 量 2021/6/16 4444 （ a） 单 元 体 应 力 分 量 2021/6/16 4545 （ b） 单 元 体 应 变 分 量 2021/6/16 4646 （ c） 柱 坐 标 下 分 量 与 直 角 坐 标 的 关 系 ： zzxyarctgyxr ， 22 2021/6/16 4747 02 2 yrryrrzzrr zzzy rGbGrb 应 力 ： 仅 轴 向 有 应 变应 变 ： 2021/6/16 4848 （ b） 刃 位 错 应 力 场 0)( )(

9、 )( )( )( )( )3( 222 22222 22 222 22 zyyzzxxz yxxy yyxxzzyyxx yx yxxA yx yxyA yx yxyA )1(2 GbA 2021/6/16 4949 02 ln4)( rRGbLWw SS 02 ln)1(4)( rRGbLWw EE 0222 ln4sincos rRkGbwww ESm 夹 角为 混 合 位 错 的 位 错 线 与， bk 2cos1 1 2021/6/16 5050 4.03.05.1)1( 其 中 ：SESE wwww 2Gbw 2021/6/16 5151 22 bwGbw 2021/6/16 52

10、52 )(21 zrzrzzrrzzzzrrrrVW dVdW zz 21rbrGb LdrrdV zz 22 2 LdrrGb LdrrrbrGbdW 4 22221 2 2021/6/16 5353 即 ： rdrGbLWdLdW 4 2积 分 rdrGbLWdLW R r 0 20 4得 ： 02 ln4 rRGbLWw SS 2021/6/16 5454 （ 1） 作 用 在 位 错 线 上 的 力 2021/6/16 5555 （ a） 公 式 推 导外 力 使 长 为 l的 位 错 移 动 了 ds， 作 功 dw1 bdsldw )(1 假 想 有 一 力 F作 用 于 位 错

11、上 ， 则 F 作 功 dw2dsFdw 2lbF dsFbdsl dwdw 21有单 位 长 度 位 错 线 上 的 力 ： blFFd 2021/6/16 5656 2021/6/16 5757 2021/6/16 5858 202 )(ln4 kGbcrRkGbT 刃 位 错螺 位 错11k 2021/6/16 5959 rGbk rkGbrTb dTrdb drddsd Tdsb 25.0 22 22sin2sin2 2 时 ，当 ，很 小 时 ， 取当 2021/6/16 6060 2Gbw blFFd 202 )(ln4 kGbcrRkGbT 2021/6/16 6161 （ 1）

12、 相 互 平 行 的 位 错 之 间 的 交 互 作 用22 | Gbwb 总其 能 量 ： 相 距 很 远 时 ，两 位 错 22 4)2(|2| | GbbGw bb 总 的 大 位 错 ， 其 能 量 ：看 成 相 距 较 近 时 ，两 位 错 同 号 位 错 相 斥体 系 能 量 下 降（ a） 同 号 位 错 ： 2021/6/16 6262 2021/6/16 6363 2021/6/16 6464 两 柏 氏 矢 量 相 互 平 行 的 刃 位 错 相 互 交 截 2021/6/16 6565 两 柏 氏 矢 量 相 互 垂 直 的 刃 位 错 相 互 交 截 2021/6/16

13、 6666 刃 位 错 、 螺 位 错 相 互 交 截 2021/6/16 6767 割 阶 对 螺 位 错 的 钉 扎 2021/6/16 6868 一 对 扭 折 的 侧 向 展 开 2021/6/16 69 n0 2021/6/16 7070 2021/6/16 7171 1） 问 题 的 提 出 ：一 定 温 度 位 错 数 量 一 定 （ 热 力 学 平 衡 条 件 ） 2021/6/16 7272 2021/6/16 7373 r kGbrkGbrTb 2 得 ： lGbrll rGbk 22 5.0 得 ：， 则 半 圆 时若 两 固 定 点 间 距 离 为时 ：近 似 地 取

14、2021/6/16 7474 2021/6/16 7575 2021/6/16 7676 1001112 aa 1123 ,1108 ,1116 ,1113 aaaa 1102a ,1103 ,1113 ,1126 aaa 0001 ,32113 ,02113 caa 01103 ,32206 ,00012 aac 2021/6/16 7777 1102a 1112a 02113a 2021/6/16 7878 2021/6/16 7979 2021/6/16 8080 fcc晶 体 的 层 错 类 型 ：抽 出 型 ： 插 入 型 ：（ 2） 特 点畸 变 很 小 ， 但 仍 有 畸 变 能

15、 。 材 料 的 层 错 能 越 低 ， 层 错 数 量 越 多 。 2021/6/16 8181 2021/6/16 8282 氏 矢 量 在 滑 移 面 上错 运 动克 莱 位 错 类 型错 线 、 柏 氏 矢 量 、 滑 移 面 共 面 2021/6/16 8383 氏 矢 量 垂 直 于 滑 移 面错 运 动兰 克 位 错 类 型以 是 空 间 曲 线 2021/6/16 8484 反 应 前 后 柏 氏 矢 量 和 相 等 （ 方 向 、 大 小 ）反 应 后 能 量 降 低 22 bwGbw 知由 求 反 应 前 后 各 位 错 |b|2 的 和 2021/6/16 8585 bc

16、c 中 ， 当 11121 ab 与 11122 ab 相 遇 时 ， 能 否 合 并 为 0103 ab 01000 )212121()212121( 1112111221 ab cbacba aabb 010 3 ab 321 bbb 即 ： 243)111(4| 222221 aab 22122 43| abb 2222223 )010(| aab 232221 | bbb 满 足 几 何 条 件 和 能 量 条 件 ， 反 应 可 以 发 生 （ 自 发 进 行 ）即 ： 2021/6/16 8686 fcc 中 ， 有 211611260112 321 ababab 、 问 ， 能

17、否 321 bbb 即 ：满 足 几 何 条 件 和 能 量 条 件 ， 反 应 可 以 发 生 （ 自 发 进 行 ）即 ：01120336 2116112632 aa aabb 0112 1 ab 321 bbb 2222221 21)101(4| aab 6)112(36| 2222222 aab 6| 22322 abb 232221 | bbb 2021/6/16 8787 晶 界孪 晶 界相 界 小 角 度 晶 界大 角 度 晶 界外 表 面内 表 面 2021/6/16 8888 1) 类 型（ 1） 对 称 倾 侧 晶 界相 邻 晶 粒 各 转 /2同 号 刃 位 错 垂 直

18、排 列（ 2） 不 对 称 倾 侧 晶 界相 互 垂 直 的 两 组 刃 位 错垂 直 排 列 2021/6/16 8989 （ 3） 扭 转 晶 界两 组 螺 位 错 构 成 2021/6/16 9090 2021/6/16 9191 10 以 上 ， 一 般 在 30 40重 合 点 阵 模 型 重 合 点 阵 +台 阶 模 型 重 合 点 阵 +台 阶 +小 角 晶 界 模 型 2021/6/16 9292 1） 孪 晶 界 两 晶 粒 沿 公 共 晶 面 形 成 镜 面对 称 关 系 2） 相 界 相 邻 两 相 之 间 的 界 面3） 分 类 孪 晶 界 (相 界 )点 阵 完 全 重合 共 格 孪 晶 界 (相 界 )点 阵 基 本 重合 部 分 共 格 +位 错 半 共 格 孪 晶 界 (相 界 )点 阵 完 全 不 重合 非 共 格 2021/6/16 9393 表 现 形 式 ： 界 面 张 力 2021/6/16 9494 界碍 位 错 运 动 错 、 空 位 等 缺 陷 多界 能 量 高 、 结 构 复 杂学 稳 定 性 差量 元 素 、 杂 质 富 集 2021/6/16 95 若 有 不 当 之 处 ， 请 指 正 ， 谢 谢 ！