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1、主讲：赵建果 本章要求掌握的主要内容 一.需掌握的概念和术语 1、点缺陷、Schottky空位、Frankel空位、间隙原子、置换 原子 2、线缺陷、刃型位错、螺型位错、混合型位错、伯氏矢量 、位错运动、滑移、(双)交滑移、多滑移、攀移、交割、 割阶、扭折、塞积；位错应力场、应变能、线张力、作用 在位错上的力、位错密度、位错源、位错生成、位错增殖 、位错分解与合成、位错反应、全位错、不全位错、堆垛 层错 3、面缺陷、表面、界面、界面能、晶界、相界 4、关于位错的应力场、位错的应变能、线张力等可作为一 般了解 5、晶界的特性(大、小角度晶界)、孪晶界、相界的类型 二.本章重点及难点 1、点缺陷的
2、形成与平衡浓度 2、位错类型的判断及其特征、伯氏矢量的特征和物理意义 3、位错源、位错的增殖(F-R源、双交滑移机制等)和运动、 交割 4、关于位错的应力场可作为一般了解 5、晶界的特性(大、小角度晶界)、孪晶界、相界的类型 4 维纳斯“无臂”之 美更深入人心 处处留心皆学问 u晶体结结构的特点是长长程有序。结结构基元或者构成物体的 粒子(原子、离子或分子等)完全按照空间间点阵规则阵规则 排列的晶 体叫理想晶体。 u在实际实际 晶体中，粒子的排列不可能这样规则这样规则 和完整，而 是或多或少地存在着偏离理想结结构的区域，出现现了不完整 性。 u把实际实际 晶体中偏离理想点阵结阵结 构的区域称为
3、为晶体缺陷。 u实际实际 晶体中虽虽然有晶体缺陷存在，但偏离平衡位置很大 的粒子数目是很少的，从总总的来看，其结结构仍可以认为认为 是 接近完整的。 根据几何形态特征，可以把晶体缺陷分为三类：点缺 陷、线缺陷和面缺陷。 点缺陷（point defect）：特征是三维空间的各个 方面上尺寸都很小，尺寸范围约为一个或几个原子尺 度，又称零维缺陷，包括空位、间隙原子、杂质和溶 质原子。 线缺陷（line defect）：特征是在两个方向上尺寸 很小，另外一个方向上很大，又称一维缺陷，如各类 位错。 面缺陷（planar defect）：特征是在一个方面上 尺寸很小，另外两个方面上很大，又称二维缺陷，
4、包 括表面、晶界、亚晶界、相界、孪晶界等。 u点缺陷的定义 点缺陷：在三维方向上尺寸都很小（远小于晶体或晶粒的 线度）的缺陷。 u1.点缺陷的类型 常见的基本点缺陷有空位、间隙原子和置换（杂质）原子 。 1.空位：正常结点位置出现的原子或离子的空缺； 3.1.1 点缺陷的类型及形成 第一节 点缺陷 3. 置换原子：位于晶体点阵位置的异类原子 。 2.间隙原子：指原子进入正常格点位置之间的空隙位置； u点缺陷形成最重要的环节是原子的振动 u原子的热振动 （以一定的频率和振幅作振动） u原子被束缚在它的平衡位置上，但原子却在做着挣脱 束缚的努力 u点缺陷形成的驱动驱动 力：温度、离子轰击轰击 、冷
5、加工 u在外界驱动驱动 力作用下，哪个原子能够挣够挣 脱束缚缚，脱 离平衡位置是不确定的，宏观观上说这说这 是一种几率分布 2.点缺陷的形成（本征缺陷的形成） 空位的两种类型： u离位原子迁移到晶体的表面上，这样形成的空位通常称为肖 特基缺陷； u可迁移到晶体点阵的间隙中，这样的空位称弗仑克尔缺陷。 图 晶体中的点缺陷(a) 肖特基空位 (b) 弗仑克尔空位 1.点缺陷的平衡浓度 3.1.2 点缺陷的运动及平衡浓度 a.晶体中点缺陷的存在，一方面造成点阵畸变，使晶 体的内能升高，增大了晶体的热力学不稳定性；另一 方面，由于增大了原子排列的混乱程度，并改变了其 周围原子的振动频率，又使晶体的熵值
6、增大。熵值越 大，晶体便越稳定。 b. 由于存在着这两个互为矛盾的因素，晶体中的点 缺陷在一定温度下有一定的平衡数目，这时点缺陷的 浓度就称为它们在该温度下的热力学平衡浓度。 c. 在一定温度下有一定的热力学平衡浓度，这是点缺 陷区别于其它类型晶体缺陷的重要特点。 图 空位-体系能量曲线 1.形成缺陷带来晶格应变，内能U增加，一个缺陷带来的内能 增加为u，所以内能增加 ，故内能增加是线性的。 2.缺陷存在使体系的混乱度增加，引起熵值增加，缺陷存在使 体系排列方式增加，即熵值显著增加。和缺陷数量变化呈非线 性的。 u点缺陷并非固定不动动，而是处处在不断改变变位置的运动过动过 程中。 u空位周围围
7、的原子，由于热热振动动能量的起伏，有可能获获得 足够够的能量而跳入空位，并占据这这个平衡位置，这时这时 在这这 个原子的原来位置上，就形成一个空位。这这一过过程可以看 作是空位向邻邻近结结点的迁移。 u在运动过动过 程中，当间间隙原子与一个空位相遇时时，它将落 入这这个空位，而使两者都消失，这这一过过程称为为复合，或湮 没。 2.点缺陷的运动 （a）原来位置； （b）中间位置； （c）迁移后位置 图 空位从位置A迁移到B 点缺陷从一个平衡位置到另一个平衡位置的移动，必须 获得足够的能量来克服周围势垒的障碍，故称这一增大 的能量为点缺陷的迁移能 。 为点缺陷周围原子的振动频率 为点缺陷周围原子的
8、配位数 为点缺陷的迁移熵 3.1.3 点缺陷对性能的影响 u点缺陷的存在使晶体体积膨胀，密度减小。 u点缺陷引起电阻的增加，这是由于晶体中存在点缺陷 时，对传导电子产生了附加的电子散射，使电阻增大。 u空位对金属的许多过程有着影响，特别是对高温下进 行的过程起着重要的作用。 u金属的扩散、高温塑性变形的断裂、退火、沉淀、 表面化学热处理、表面氧化、烧结等过程都与空位的 存在和运动有着密切的联系。 u过饱和点缺陷（如淬火空位、辐照缺陷）还提高了 金属的屈服强度。 例1：Cu晶体的空位形成能Ev为1.4410-19J/atom, 材料常数A取为1，波尔兹曼常数为k=1.3810-23J/K， 计算
9、： 1）在500下，每立方米Cu中的空位数目； 2）500下的平衡空位浓度。 （已知Cu的摩尔质量63.54，500 Cu的密度为 8.96106g/m3) 解：首先确定1m3体积内原子Cu原子总数 （已知Cu的摩尔质量MCu=63.54g/mol, 500 下Cu的密度为.96106g/m3）. 1)将N代入，计算空位数目ne 2)计算空位浓度 即在500时，每106个原子中才有1.4个空位。 例2：Nb的晶体结构为bcc，其晶格常 数为0.3294nm， 密度为8.57g/cm3，试求每106Nb中 所含的空位数目。 解：设单个晶胞内空位分数为x， 作业： 1. 已知bcc的Fe的密度为7
10、.87g/cm3，求一个晶胞内 包含的空位数为多少？每cm3中包含的空位数为多 少？（铁的点阵常数为2.86610-8cm，铁原子的摩 尔质量为55.847g） 2. 已知某晶体中形成一个空位所需要的激活能为 0.3210-18J。在800时，1104个原子中有一个 空位。在何种温度时103个原子中含有一个空位？ 3. MgO为NaCl型结构，其密度为3.58g/cm3，点阵 常数为0.42nm，Mg的相对质量为24.305，O为 15.9994。试求每个MgO单胞内包含的肖特基缺陷数。 第二节 线缺陷 u线缺陷就是在两个方向上尺寸很小，在一个方向上尺 寸很大的缺陷。 u线缺陷是各种类型的位错
11、。 u位错是晶体内部一种有规律的管状畸变区。原子发生 错排的范围，在一个方向上尺寸较大，而另外两个方 向上尺寸较小，是一个直径为35个原子间距，长几 百到几万个原子间距的管状原子畸变区。 u最简单的位错是刃型位错和螺型位错。 3.2.1 位错的基本概念 1.位错学说的产生 u1926年弗仑克尔利用理想晶体的模型估算了理论抗剪屈 服强度，与实验结果相比相差34个数量级。 u1934年泰勒，波朗依和奥罗万三人几乎同时提出晶体中 位错的概念。 u泰勒等把位错与晶体塑变的滑移联系起来，认为位错在 切应力作用下发生运动，依靠位错的逐步传递完成了滑移 。 u与刚性滑移不同，位错的移动只需邻近原子作很小距离
12、 的弹性偏移就能实现，而晶体其他区域的原子仍处在正常 位置，因此滑移所需的临界切应力大为减小。 图 理想晶体的滑移模型和刃型位错的滑移过程 l1939年伯格斯提出用伯氏矢量来表征位错的特性，同 时引入螺型位错。 l1947年柯垂耳利用溶质原子与位错的交互作用解释了 低碳钢的屈服现象。 l1950年弗兰克与瑞德同时提出了位错增殖机制FR 位错源。 l50年代后，透射电镜直接观测到了晶体中位错的存在 、运动、增殖。 l今天，位错理论已经成为塑性变形及强化的理论基础 。 图 刃型位错与螺型位错 2.位错的基本类型 u位错可分为刃性位错和螺型位错。 （1）刃型位错 图 含有刃型位错的晶体 刃型位错的概
13、念： u在某一水平面以上多出了垂直方向的原子面，犹如插入的 刀刃一样，EF称为刃型位错线。位错线附近区域发生了原子 错排，因此称为“刃型位错” 。 u把多余半原子面在滑移面以上的位错称为正刃型位错，用 符号“”表示，反之为负刃型位错，用“”表示。 u含有多余半原子面的晶体受压，原子间距小于正常点阵常 数；不含多余半原子面的晶体受张力，原子间距大于正常点 阵常数。 u位错在晶体中引起的畸变在位错线中心处最大，随着离位 错中心距离的增大，晶体的畸变逐渐减小 。 刃型位错的特点： 1).刃型位错有一个额外的半原子面。其实正、负之分只具 相对意义而无本质的区别。 2).刃型位错线可理解为晶体中已滑移区
14、与未滑移区的边界 线。它不一定是直线，也可以是折线或曲线，但它必与滑移 方向相垂直，也垂直于滑移矢量。 图 不同形状的刃型位错 3).滑移面必定是同时包含有位错线和滑移矢量的平面，在 其它面上不能滑移。由于在刃型位错中，位错线与滑移矢量 互相垂直，因此，由它们所构成的平面只有一个。 4).晶体中存在刃型位错之后，位错周围的点阵发生弹性畸 变，既有切应变，又有正应变。就正刃型位错而言，滑移面 上方点阵受到压应力，下方点阵受到拉应力；负刃型位错与 此相反。 5).在位错线周围的过渡区（畸变区）每个原子具有较大的 平均能量。但该区只有几个原子间距宽，畸变区是狭长的管 道，所以刃型位错是线缺陷。 （a
15、）立体图； （b）顶视图 图 螺型位错的原子组态 （2）螺型位错 图 螺型位错原子模型及其形成示意 螺型位错的结构特征 u无额外的半原子面，原子错排呈轴对称，分右旋和左旋螺 型位错； u位错线一定是直线，与滑移矢量平行，位错线移动方向与 晶体滑移方向垂直； u滑移面不是唯一的，包含螺型位错线的平面都可以作为它 的滑移面； u位错周围点阵也发生弹性畸变，但只有平行于位错线的切 应变而无正应变，即不引起体积的膨胀和收缩； u位错畸变区也是几个原子间距宽度，同样是线位错。 螺型位错与刃型位错的区别 （1）螺型位错中不存在多余半原子面，而是垂直于位 错线的原子平面发生了螺旋状的扭曲。 （2）螺位错线的
16、b与其位错线相平行，而刃位错线的 b与其位错线相互垂直，这是区别螺位错与刃位的主要 依据。 （3）螺型位错可分为左螺型位错和右螺型位错，与正 负刃位错不同，左右螺型位错是不能相互转化的，不 管从哪个方向看，旋转的方向是不会变的。 （4）刃型位错的位错线可以是直线、折线和缺陷而螺 型位错的位错线只能是直线。 （3）混合位错 u晶体中已滑移区与未滑移区的边界线（即位错线）既不平 行也不垂直于滑移方向，即滑移矢量与位错线成任意角度， 这种晶体缺陷称为混合型位错。 u混合型位错可分解为刃型位错分量和螺型位错分量。 图 晶体局部滑移形成混合位错 图 混合位错的原子组态 （1）伯氏矢量的确定方法 u先确定位错线的方向(一般规定位错线垂
