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1、1 * 空位: vacancy 间隙原子: interstitial atom 置换原子: Displaced atom 小结： n点缺陷的种类及对材料性 能的影响。 第4章 晶体缺陷 Chapter 4 Crystal Defect 4.1 点缺陷 （Point defect） 4.1.1 点缺陷的类型 4.1.2 点缺陷的浓度 4.1.3 点缺陷对材料性能的影响 4.2 线缺陷（Line defects） 4.2.1 位错的类型 4.2.2 柏氏矢量 4.2.3 位错的运动 4.2.4 位错的应力场 4.2.5 位错与晶体缺陷间的交互作用 4.2.6 位错的增殖与塞积 4.2.7 实际晶体
2、中的位错 4.3 面缺陷 (Surface defects) 4.3.1 晶体表面 4.3.2 晶界结构与能量 4.3.3 单相多晶体中的 晶粒形貌 4.3.4 晶界偏析与晶界 迁移 4.3.5 相界 4.2.1 位错的类型 位错是晶体内有一列或若干列 原子有规律错排的现象。 刃型位错 （edge dislocation） 螺型位错 （screw dislocation） 混合位错 （mixed dislocation） 4.2 线缺陷（Line defects） 4 * n刃位错形成过程avi n刃位错错形成过过程1 （一）刃型位错 刀刃状的多余半原子面。 （一）刃型位错 位错畸变区： 直径
3、为35个原子间距，长数百个原子间距以上。 位错：沿位错线为中心的一个管道。 6 * （一）刃型位错 7 * 原子错排是一个管状原子畸变区， 直径为35个原子间距， 长数百个原子间距以上。 刃位错： 8 * 9 * （二） 螺型位错 螺位错的形成动画 10 * 10 * 刃位错与螺位错的形成比较 11 * 12 * 位错线附近原子面为螺旋形。 n针状莫来石晶体的螺位错生长 14 * 位错线附近原子面为螺旋形。 螺位错： 右螺旋位错：螺旋面的旋转方向符合右手法则。 左螺旋位错：螺旋面的旋转方向符合左手法则。 16 * 刃位错与螺位错的形成比较 17 * 18 位错运动 位错运动1 位错运动2 位错
4、运动3 位错 滑移 螺位错的形成 n刃位错形成过程avi p刃位错错形成过过程1 19 * 缘起：单晶体理论强度 （滑移的临界剪切应力） 与实验值有巨大差距。 （三）位错概念的提出 假说：1934年 证实：20世纪50年代，电镜实验观察。 材料科学中的有关晶体的核心概念之一； 材料科学基础中最难懂的概念。 J（三）位错的提出 1934年 Taylor-Orowan 金属强度和塑性变形方式。 21 * J（三）位错的提出 22 * 23 * n位错运动时的原子位移 切应力使位错滑移； 位错附近的原子移动 原子间距的几分之一 即可。 位错的运动 滑移 位错的运动 26 * 位错的运动 27 * 钛
5、合金 50年代实验证实 位错的观察 * n透射电子显微镜下的不锈钢316L (00Cr17Ni14Mo2) 位错线与位错缠结（西南交通大学何国求） 29 (a) (b) 挤压Mg-0.6Zr合金显微组织 TEM像 (a)位错缠结网； (b)位错胞壁 典型的位错明场像照片 变形不锈钢中 的位错，1958年 石墨中的 位错网络. 1960年 钼Mo： 移动位错. 1958年 31 位错线 与 滑移方向（ 矢量）？ 1.刃型位错与滑移 位错： 滑移与未滑移区的 分界线。 33 * 刃位错分类 正刃位错：多余半原子面 在滑移面以上。 负刃位错：多余半原子面 在滑移面以下。 34 * 负刃位错：多余半原
6、子面 在滑移面以下。 刃位错线与滑移方向（矢量）？ E F 刃型位错 刃位错：滑移方向位错线 36 * 2.螺位错与滑移 螺位错： 滑移矢量位错线 对比一下： 刃位错与螺位错 刃位错：滑移矢量位错线 螺位错：滑移矢量位错线 n滑移与未滑移区 的分界线。 3.混合型位错 n如何表示滑移矢量？ n如何表示位错引起的畸变 程度？ 39 * nJohannes (Jan) Martinus Burgers (January 13, 1895 June 7, 1981) was a Dutch physicist nHe is credited to be the father of Burgers e
7、quation, the Burgers vector in dislocation theory and the Burgers material in viscoelasticity 40 * 41 * Jan Burgers (1)规定位错线的方向： 出纸面为正方向。 1.确定方法： 4.2.2 柏氏矢量 J位错的滑移矢量: J位错矢量 J Burgers矢量， J柏氏矢量 (2)在晶体正常区，从任一原子出发，按右手螺旋作 一个包含位错的闭合回路（ Burgers circuit 柏氏 回路），这个回路包含了位错发生的畸变区。 刃位错的柏氏回路与柏氏矢量 实际晶体 理想晶体 (3)在理想
8、晶体中，按同样方向和步数做相同的回路，回 路不封闭。 (4)由理想晶体回路终点向始点引一矢量，使回路闭合， 该矢量是实际晶体中位错的柏氏(Burgers)矢量。 实际晶体 理想晶体 刃位错的柏氏回路 刃位错 完整的柏氏回路 动画1 螺位错的柏氏回路 螺位错完整的柏氏回路 动画2 刃位错 在二维晶格确定； 螺位错 只能在三维晶格中确定。 b 柏氏矢量可用晶向指数表示。 可以进行矢量运算 2.柏氏矢量的表示方法 b=kauvw 位错强度： 柏氏矢量运算： 位错强度： 刃位错: 柏氏矢量与位错线垂直。 (正刃和负刃型位错) 1）.b与位错类型的关系： 3.柏氏矢量的意义： 螺位错: 柏氏矢量与位错线
9、平行。 (左螺和右螺型位错) 混合位错: 柏氏矢量与位错线的 夹角0 ,90。 混合位错分解: 柏氏矢量与位错线平行：螺位错分量 柏氏矢量与位错线垂直：刃位错分量 2） 表示位错线附近总畸变量的大小和方向， 代表晶体的滑移方向。 b 54 * 位错线和柏氏矢量构成的平面 滑移面。 柏氏矢量守恒是 最重要的性质。 b 的规定：正常区选取柏氏回路，对回路的 性状、大小和位置未作限制。 b 只要规定了位错线的正向，按右手螺旋法则确定回路， 避开位错线，定出的柏氏矢量是唯一的。 3)柏氏矢量守恒 （唯一性） 一条位错线的柏氏矢量是唯一的， 位错形态可以改变，但柏氏矢量不变。 不管位错以怎样的形态滑过晶
10、体， 晶体滑移结果（滑移矢量，畸变量，柏氏矢量b） 是一样的。 位错相交一点时： b1b2b3 b与b1在o点连接， 是b1的延伸。 位错不可能终止于晶体的内部， 只能终止到表面、晶界和其他位错。 若终止于内部，必和其他位错线相交接， 或自成封闭的位错环。 材料之美 材料微观世界与自然界 Mg-Li合金挤压 位错线终止于晶界TEM图 小草 位错塞积，位错胞， 位错缠结，位错网络。 LiF表面位错露头的浸蚀坑 三、位错组态与位错密度 61 * 62 * nSiO2晶体中的位错 63 * 不锈钢 KCl中的位错 （白色位错网络） 电镜电镜 下Ti3Al中观观察到的位错错网，15750 67 * S
11、chematic representation of defects in polymer crystallites. 68 * 69 * 70 位错网 71 位错塞积 位错墙 72 位错塞积位错胞 73 位错环 74 位错环 直拉硅单晶生长中的位错 75 位错钉扎 位错密度：单位体积中位错线总长度。 ：位错密度（m-2）； L：位错线总长度(m)； V：体积（m3）。 空位: vacancy 间隙原子: interstitial atom 置换原子: Displaced atom 小结： n点缺陷的种类 及对材料性能 的影响。 n位错的分类及其特点 。 n柏氏矢量b的意义 78 * 空位的类
12、型： （1）肖脱基缺陷（Schottky)：原子迁移到外表面/晶界， 只形成空位而不形成等量的间隙原子。 （2）弗兰克空位（Franker)：同时形成等量空位和间隙。 动态 Franker 空位 Schottky 空位 79 * 离子晶体中的点缺陷：空位-保持电中性： Franker空位：等量的正离子空位/间隙。 Schottky空位： 等量的 正/负离子 空位。 80 * FeO中： Fe3+置换Fe2+； 引发Fe2+空位 缺陷方程 离子晶体中的点缺陷：间隙和置换原子-保持电中性 81 * 位错的类型： 位错是晶体内有一列或若干列 原子有规律错排的现象。 刃型位错 （edge disloc
13、ation） 螺型位错 （screw dislocation） 混合位错 （mixed dislocation） 小结： 位错的结构 82 * 刃位错刃位错: : 柏氏矢量柏氏矢量与位错线垂直 。 (正刃和负刃型位错) 83 * 螺位错螺位错: : 柏氏矢量柏氏矢量与位错线平行。 (左螺和右螺型位错) 84 * 混合位错混合位错: : 柏氏矢量与位错线 的夹角0 ,90 。 85 * 一条位错线的柏氏矢量是唯一的，位错形态可以 改变，但柏氏矢量不变。 位错相交一点时： 位错不可能终止于晶体的内部， 只能终止到表面、晶界和其他位错。 若终止于内部，必和其他位错线相交接， 或自成封闭的位错环。 表
14、示位错线附近总畸变量的大小和方向， 代表晶体的滑移方向。 b 柏氏矢量守恒是柏氏矢量守恒是 最重要的性质最重要的性质。 b b 86 * 位错线和柏氏矢量构成的平面滑移面。 不管位错以怎样的形态滑过晶体 ，晶体滑移结果（滑移矢量，畸变滑移矢量，畸变 量，柏氏矢量量，柏氏矢量b b）是一样的。 n位错：滑移与未滑移区的分界线。 87 * 位错理论发展简史 n1907年Volterra解决了一类弹性体中的内应力不连续的弹性问题 ，把它称为位错。 n1934年M.Polanyi，E.Orowan和G.1.Taylor差不多同时地独立提 出有关晶体缺陷（位错）的模型，特别是Taylor明确地把 Vol
15、terra位错引入晶体。 n约菲用正交的尼科耳镜观察岩盐形变，看到岩盐形变时有亮线从 晶体一侧传播到另一侧，说明晶体形变滑移时局部地区有应力集 中，并说明滑移是从一侧传播到另一侧的。 nTaylor注意到这种实验现象，根据设想的位错排列形状，计算了 位错运动所产生的晶体硬化曲线。 n1939年Burgers提出描述位错的一个重要特征量-柏氏矢量，同时 引入了螺位错。 n1940年Peierls提出后来在1947年由Nabarro修正的位错点阵模型， 它突破了一般弹性力学范围，提出了位错宽度的概念，估算了位 错开动的应力，这一应力正是和实际晶体屈服应力的同一数量级 。 n1947年Cottrel
16、l阐明溶质原子和位错的交互作用并用以解释低碳 纲的屈服现象，第一次成功地利用位错理论解决金属机械性能 的具体问题。Shockley描绘了面心立方形成扩展位错的过程。 n1950年Frank和Read共同提出了位错的增殖机制。 n此时，对于单个位错的运动规律，位错的交互作用等理论基本 已经解决。 n1953年Nye和1954年Bilby以及以后的krner提出的无限小位错连 续分布模型，为研究更复杂位错组态提供方法。 n在解决任意形状的位错线的性质方面，由Burgers在1939年提出 的位移公式、Peach和krner在1950年提出的应力场公式和位错受 力公式及Blin在1955年提出的交互作用能公式等基本上能得到 解决。 n1956年Menter直接在电镜观察了铂钛花青晶体中位错的存在， 同年，Hirsch等应用相衬法在电镜观察到位错的运动，位错理 论就在更坚实的基础上发展了。 n近几十年，随着实验设备和计算机的发展，研究位错核心的组
