金属材料的结构与组织（3）在线视频

下面我们开始学习

第一章第一节的第四部分

实际金属中的晶体缺陷

实际晶体中总是有缺陷的

那这种缺陷根据它的特性

可以分为三个类型

第一个类型是点缺陷

所谓点缺陷就是指

在三维尺寸上都很小的缺陷

那它有三种类型

第一种是在我们晶格中

某一个格点上少了一个原子

我们看这个图

在这个图上少一个原子以后

周围的晶格就会向中间偏移

这样就会导致晶格畸变

说这个地方这个缺陷

我们就叫做空位

那么有空位存在的时候

很显然原子扩散会变得比较容易

那第二种点缺陷是间隙原子

在我们的晶格中

如果在晶格的间隙中间

插入一个原子

这个原子就会把周围的晶格挤住

这样使周围的晶格发生畸变

而产生缺陷

所以这种缺陷叫间隙原子

产生的缺陷

那么第三种是异类原子

所导致的缺陷

在纯金属中如果有其他元素

这种元素我们就叫做异类元素

或者异类原子

异类原子它有几种情况

一种是当异类原子

它的半径和我们金属原子的半径

相差不大的时候

这个时候它会置换原来的

原子的位置

那如果说它的半径比原来的原子

要大一些

它替代原来的原子以后

它会挤压周围的原子

所以导致周围的晶格发生畸变

如果它的原子半径比金属原子的

半径小

这个时候它就会比较宽松

那会使周围的晶格向中间偏移

也会使晶格产生畸变

所以这种情况下就会产生缺陷

那么如果说异类原子

它的原子半径比金属原子

小很多的时候

这个时候它就会待在晶格的

间隙位置

如我们图所示

这样它当然会使周围的晶格

承受压力

而使晶格发生畸变

而导致缺陷

点缺陷它总是会

造成局部晶格畸变

而使我们金属的强度 电阻率 密度

而发生变化

而影响我们金属的性能

我们下面再看看第二类缺陷

线缺陷

所谓线缺陷就是指

二维尺度上很小

而第三维尺度上很大的

这样一个缺陷

这种缺陷称为位错

它是由晶格中

原子平面的错动而引起的

这种缺陷有两种类型

第一种叫做刃型位错

所谓刃型位错它就是指

晶格中多了一个半原子面

我们看看这个图

它像晶体里面插入一个

半原子面一样

那么这个半原子面的边线

就是位错线所在的位置

就是我们这条红线所给出的位置

那么这种位错叫做刃型位错

刃型位错它的半原子面

如果说是朝上

这个时候我们叫做正刃型位错

如果它的半原子面朝下

那我们叫做负的刃型位错

另外一种是螺型位错

螺型位错实际上是晶体

它的右部的上下

相对发生了一个错动

而且错动了一个原子间距

那我们看这个图

在这个图上我们会发现

右侧发生了一个错动

所以这样用一个回线来看

错动了一个原子间距

那么错动区的原子

如果用连线全部连起来

它会成一个螺旋状

所以这种缺陷叫螺型位错

位错它是怎么形成的呢

它可以在结晶的时候

也可以通过塑性变形

或者相变的时候而形成

位错这种线缺陷

它周围的晶格会发生畸变

这种畸变会导致电子的衍射效应

发生变化

所以在电子显微镜下

我们能够观察到这种缺陷

我们看看这个图

这是不锈钢中所观察到的位错线

那么这些位错线就是一个线条

它是电子衍射效应

所导致出现的这样一种衬度像

位错我们怎么来描述它呢

位错可以通过一个参量

叫柏氏矢量

来描述位错的大小和方向

我们先看看刃型位错的柏氏矢量

怎么确定

我们看看这个图

我们先把这个位错线给它画出来

那么我们以从纸面

向里的这样一个方向

为位错线的方向

这个方向标志说mn线

这样一个方向

然后我们围绕着位错线

顺时针做一个环线

在每一个方向上

所走的原子的数目都一样

或者说原子的间距都一样

那我们看看这个回线abcde

走了这样一个回线

那么这个时候你会发现

它不能够回到a的起点位置

不能够闭合

这个时候我们再从a向e

做一个连线

那么ae这个连线的矢量

我们用b矢量来代表

它就是位错的柏氏矢量

它标志着位错的方向和大小

从这个图我们可以看出

位错b它的方向和我们

位错线的方向是垂直的

也就是说刃型位错它的柏氏矢量

和位错线的方向是垂直的

那我们还要看看这些位错

是正的刃型位错

还是负的刃型位错

我们怎么来判别它呢

我们将我们右手的中指弯曲

食指拇指和中指都伸直

互为垂直

我们用食指的方向

指着位错线的方向

用中指的方向指向

柏氏矢量的方向

如果说我们拇指所指的方向朝上

就表明半原子面朝上

这个时候是正的刃型位错

如果这个时候我们的拇指朝下

等于半原子面朝下

这个时候就是负的刃型位错

所以我们通过这样一个右手法则

来确定我们的位错是正的

刃型位错还是负的刃型位错

我们下面再看一下螺型位错

它的柏氏矢量怎么确定

其实它和刃型位错的确定方法

是一样的

也是先画出位错线的方向

从我们的纸面向纸里

这样一个方向mn的方向

然后围绕它做一个环线

abcdef

这个时候f和a点不能够重合

我们再从a点向f画一个连线

这就是矢量b的方向

从这个图我们会发现

螺型位错的柏氏矢量

它的方向和位错线的方向

是平行的

如果说这个柏氏矢量的方向

和位错线的方向一致

那么我们称它为右螺型位错

或者说正的螺型位错

如果说它的柏氏矢量的方向

和我们位错线的方向

正好相反

那么这个时候我们称它为

左螺型位错 或者说负的

螺型位错

我们从这个图中可以清晰的看到

它的位错类型的判定

在实际晶体中

并不是所有的位错

都是纯的刃型位错

或者纯的螺型位错

实际上有很多位错

它是混合型的

那我们看看这一个位错环

中心我们画出了柏氏矢量的方向

周围是位错线的方向

我们从这个左侧可以看出

ab它是一个正的螺型位错

bc它是一个正的刃型位错

cd它是一个负的螺型位错

而d到e这是一个混合型的位错

e到a是一个负的刃型位错

对于混合型位错

我们可以把它分解成螺型和

刃型的分量来予以标识

我们下面再看一看

位错的一些特点

首先位错它周围会有晶格畸变

它会产生内应力

对于这样一个刃型位错

我们会发现

在位错线的上半部

它原子排列较密

这个区域存在着压应力

在它的下侧

它的原子排列密度较松

它承受着拉应力

所以这样一种情况下

异类原子就容易在位错线的附近

进行偏聚

那么原子半径较小的一些原子

它就容易偏聚在位错线的上部

如这样一些蓝色的这个小原子

如果原子半径较大的时候

它就容易偏聚在位错的下部

如这个红色的这个图案所示

位错它是可以运动的

在外力作用下位错能够移动

我们看看这个图

刃型位错它移动的方向

和切应力的方向是相同的

那么螺型位错呢我们再看看

你会发现螺型位错

它移动的方向和切应力的方向

是垂直的

这是螺型位错和刃型位错

它运动的方向与切应力的关系

当正的和负的刃型位错相遇时

它们会有复合

我们看看这个图

正的刃型位错和负的刃型位错

在移动过程中它们复合以后

会消失

那么位错在一定的条件下

它还会通过原子的扩散

而发生迁移

这种迁移它不是来滑移

而是攀移

那么这种攀移它是靠原子的移动

来实现的

我们看看这个图

它移动的结果是使半原子面扩大

或者缩小

位错理论是金属材料强化的

重要理论基础

金属材料很多的强化机制

都和位错有关

这些我们在后面的课程中

会详细的介绍

那么位错到底有多少量

我们用一个什么样的参量

来代表它呢

位错的量我们用位错线的长度

来表示

单位体积里面的位错线的长度

是位错的密度

用这样一个公式来表示

当晶体中没有缺陷的时候

我们称这样一种晶体为理想晶体

但实际上这种理想晶体

几乎是没有的

金属为理想晶体

或者含极少量位错时

你要使它发生变形

需要很大的外力

也就是说它的屈服强度很高

我们看看这个图

它的理论值是非常高的

当我们的金属变得很细小的时候

我们说是金属须的时候

这个时候位错量很小

它的屈服强度也很高

当金属为退火态的时候

位错的密度大概是每平方厘米

10的6次方到10的8次方

这个时候它的强度是很低的

如果说你进行变形

变形的时候

不仅是位错运动

还会使位错的数量增加

也就是说位错的密度会增加

这个时候它的强度也会增加

所以这个图比较好的表示了

位错的密度和强度的关联

下面我们介绍另外一种缺陷

面缺陷

面缺陷就是二维尺度很大

但第三维尺度很小的这个缺陷

第一种就是晶界

实际金属多为多晶体

每个晶粒相当于一个单晶体

多晶体为含有多个晶粒的晶体

所有的晶粒它的结构是相同的

但是它的位向不同

位向的差异可为几十分几度

甚至是几十度

当两个位向不同的晶粒

相接触的时候

在它的界面区域

就会存在一个缺陷区域

如我们这个图所示

它有一个过渡区

那么这个过渡区

就是我们晶界

晶界在空间中成网状

晶界上的原子排列规则较差

由于它存在一些缺陷

所以在腐蚀液中

它比较容易被腐蚀

我们看看这个图

是10铬17

这样一个不锈钢

多晶体的金相组织照片

那么上面这样一些黑色的线条

就是腐蚀以后的晶界的形貌

我们看出晶界呈一个网状

这是一个平面像从空间像

它就是个三维的网状

第二种面缺陷是亚晶界

晶粒内部它有很多

位向相差很小的亚晶区

或者是叫亚晶粒所组成

亚晶粒之间它的位向

只有几秒几分

最多1到2度的这样一个

小的差异

亚晶粒之间的边界叫亚晶界

亚晶界它可以由位错垂直排列

而成的位错墙所构成

如这个图所示

晶界和亚晶界对金属它的性能

是有很大的影响的

因为在晶界亚晶界上

晶格的畸变较大

原子处于较高的能量状态

晶界亚晶界对金属的很多过程

都有影响

具体可以表现在以下几个方面

一在高温的时候

晶粒容易长大

因为晶界处它的平均能量

高于晶内

晶粒长大 晶界的平直化

可以降低晶界的总量

因此降低总的能量

所以是一个能量降低的过程

这样会使晶粒长大

第二一个

元素容易在晶界偏聚

因为晶界处存在很多的空位

位错 这些地方有很多的缺陷

容易吸附异类原子

所以异类原子容易在这些地方

进行偏聚

第三 晶界越多

发生相变的时候

形成的新相它的晶粒就越细

因为发生相变时

它的形核点都在母相的晶界处

如果晶界的数量越多

它形核点就越多

所以晶粒的数目就越多

这样晶粒就越细

第四 它能够提高金属的强度

和塑性变形能力

晶界和亚晶界

它对位错的运动都有阻碍作用

能够阻碍位错运动的

这样一些因素

都会导致金属材料强度的提高

所以晶界的存在

或者晶界数量的增加

能够提高金属的强度

晶界越多 晶粒越细

金属的塑性变形能力也越大

材料的塑性也越好