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1、Chapter 3 Crystal Structure Defect,3.1 晶体结构缺陷的类型 3.2 点缺陷（point defect） 3.3 固溶体（solid solution） 3.4 非化学计量化合物 （nonstoichiometric compound） 3.5 线缺陷（line defect） 3.6 面缺陷（face defect）,3.5 线缺陷 （位错）（line defects ，dislocation ）,位错模型的提出 背景 完整晶体塑性变形滑移的模型金属晶体的理论强度理论强度比实测强度高出几个数量级 晶体缺陷的设想 线缺陷（位错）的模型 以位错滑移模型计算出的
2、晶体强度，与实测值基本相符。 应用 成为研究晶体力学性质和塑性变形的理论基础，成功地解释了晶体的屈服强度、脆性、断裂和蠕变等晶体强度理论中的重要问题。,一、位错的类型 二、位错的伯格斯矢量（Burgers vector）及 位错的性质 三、位错的应力场与应变能 四、位错的运动 五、位错的反应,（一）刃位错,形成及定义： 晶体在大于屈服值的切应力作用下，以ABCD面为滑移面发生滑移。EF是已滑移部分和未滑移部分的交线，犹如砍入晶体的一把刀的刀刃，即刃位错（或棱位错）。 几何特征：位错线与原子滑移方向相垂直； 滑移面上部位错线周围原子受压应力作用，原子 间距小于正常晶格间距；滑移面下部位错线周围
3、原子受张应力作用，原子间距大于正常晶格间距。 分类： “ ”正刃位错； “ ” 负刃位错， 水平线滑移面，垂直线半个原子面。,刃位错示意图,（二）螺位错,形成及定义： 晶体在外加切应力 作用下，沿ABCD面滑移，图中EF线为已滑移区与未滑移区的分界处。由于位错线周围的一组原子面形成了一个连续的螺旋形坡面，称为螺位错。 几何特征：位错线与原子滑移方向相平行； 位错线周围原子的配置为螺旋状 分类：左旋 、右旋 ，其中小圆点代表与该点垂直的位错，旋转箭头表示螺旋旋转方向, 符合左手、右手螺旋定则。,螺位错形成示意图,螺位错线周围原子配置,（b）螺位错滑移面两侧晶面上原子的滑移情况,（a）与螺位错垂直
4、的晶面的形状,在外力 作用下，两部分之间发生相对滑移，在晶体内部已滑移和未滑移部分的交线既不垂直也不平行滑移方向（伯氏矢量b），称为混合位错。如图所示。 位错线上任意一点，可经矢量分解为刃位错和螺位错分量。 晶体中位错线可为任意形状，位错线上各点的伯氏矢量相同，只是各点刃型、螺型分量不同。,（三） 混合位错,混合位错,（a）混合位错的形成,（b）混合位错分解为刃位错和螺位错示意图,（c）混合位错线附近原子滑移透视图,三、位错的伯格斯矢量（Burgers vector）及位错的性质,伯格斯矢量：晶体中有位错存在时，滑移面一侧质点相对于另一侧质点的相对位移或畸变。 性质：大小表征了位错的单位滑移距
5、离，方向与滑移方向一致。,（一）伯格斯矢量的确定及表示,1. 确定伯格斯矢量的步骤 （1）对于给定点的位错，人为规定位错线的方向，如图所示； （2）用右手螺旋定则确定伯格斯回路方向； （3）按照图3-5-5所示的规律走回路，最后封闭回路的矢量即要求的伯氏矢量。 2 .伯氏矢量的表示方法 b=kauvw,简单立方结构中，围绕刃位错的伯格斯回路,（二） 伯氏矢量的守恒性,对一条位错线而言，其伯氏矢量固定不变。 推论： 1. 一条位错线只有一个伯氏矢量； 2. 如果几条位错线在晶体内部相交（交点称为节点），则指向节点的各位错的伯氏矢量之和，必然等于离开节点的各位错的伯氏矢量之和 。,（a）b1b2b
6、3的位错交点,（b）伯氏矢量为零的位错交点,（三） 位错线的连续性及位错密度,1. 位错线的连续性 位错线不可能中断于晶体内部。 在晶体内部，位错线或自成环状回路，或与其它位错相交于节点，或穿过晶体终止于晶界或晶体表面。,2. 位错密度：单位体积内位错线的总长度。 式中 L晶体长度； n位错线数目； S晶体截面积。 即：位错密度可用单位截面上位错线露头数目表示。,晶体中位错密度的测定： 可通过透射电镜、X射线、金相显微镜或其他方法测量，如用光学显微镜观察晶体位错腐蚀坑数目，除以视场面积，可求出位错密度。,一般单晶生产中，位错密度约在103104 /cm2以下，较差的达108109 /cm2；
7、一般退火金属晶体中位错密度为104108 /cm2数量级； 经剧烈冷加工的金属晶体中，位错密度为10121014 /cm2。,四、位错的应力场与应变能,理论基础：连续弹性介质模型 假设：1.完全服从虎克定律，即不存在塑性变形；2. 各向同性；3. 连续介质，不存在结构间隙。 位错的应力场: 刃位错上面的原子处于压应力状态，为压应力场，刃位错下面的原子处于张应力状态，为张应力场； 围绕一个螺位错的晶体圆柱体区域也有应力场存在。,位错的应变能Wtot 位错使其周围点阵畸变，点阵能量增加，点阵所增加的能量即为位错的应变能。包括两部分： Wtot=Wcore+Wel （1）位错核心能Wcore ，在位
8、错核心几个原子间距ro=2|b|=2b以内的区域，滑移面两侧原子间的错排能即相当于位错核心能。错排能约占位错能的1/10，可忽略。 （2）弹性应变能Wel ，在位错核心区以外，长程应力场作用范围所具有的能量，约占位错能的9/10。,单位长度刃位错的弹性应变能E刃,刃位错的连续介质模型,式中 r0 位错核心区的半径； R 圆柱体半径； 泊松比； G 切变弹性模量； b 伯伯氏矢量。,单位长度螺位错的弹性应变能E螺,螺位错的连续介质模型,单位长度混合位错的弹性应变能E混,式中 K 混合位错分解时的角度因素，其值为10.75， 即：从螺位错时K1，至刃位错时K1。,结论： （1）位错弹性应变能Wel
9、lnR，即随R缓慢地增加，所以位错具有长程应力场； （2）位错能量以单位长度能量来定义，直线位错更稳定； （3）单位长度位错弹性应变能可进一步简化为一个简单函数式：W=Gb2。式中，G是剪切模量，b是伯氏矢量，=1/4lnR/r0，由位错的类型、密度（R值）决定，其值的范围为0.51.0。 意义： Wb2，故可用伯氏矢量的大小来判断晶体哪些地方最容易形成位错。,五、位错的运动,位错的滑移：指位错在外力作用下，在滑移面（位错线和伯氏矢量b构成的晶面 ）上的运动，结果导致永久形变。 位错的攀移：指在热缺陷的作用下，位错在垂直滑移面方向的运动，结果导致空位或间隙原子的增值或减少。,（一） 位错的滑移
10、,1. 位错滑移的机理 位错在滑移时是通过位错线或位错附近的原子逐个移动很小的距离完成的。,刃位错的滑移,（a）正刃位错滑移方向与外力方向相同,（b）负刃位错滑移方向与外力方向相反,刃位错的滑移,螺位错的滑移,混合位错的滑移,位错的滑移,2. 位错的滑移特点 （1）刃位错滑移方向与外力及伯氏矢量b平行，正、负刃位错滑移方向相反。 （2）螺位错滑移方向与外力及伯氏矢量b垂直，左、右螺型位错滑移方向相反。 （3）混合位错滑移方向与外力及伯氏矢量b成一定角度（即沿位错线法线方向滑移）。 （4）晶体的滑移方向与外力及位错的伯氏矢量b相一致，但并不一定与位错的滑移方向相同。,（二） 位错的攀移,位错的攀
11、移指在热缺陷或外力作用下，位错线在垂直其滑移面方向上的运动，结果导致晶体中空位或间隙质点的增殖或减少。刃位错除了滑移外，还可进行攀移运动。 攀移的实质是多余半原子面的伸长或缩短。螺位错没有多余半原子面，故无攀移运动。,刃位错的攀移,（a）正攀移 （半原子面缩短）,（b）未攀移,（c）负攀移 （半原子面伸长）,位错的攀移力（使位错发生攀移运动的力） （1）化学攀移力Fs：是指不平衡空位浓度施加给位错攀移的驱动力。 （2）弹性攀移力Fc：是指作用于半原子面上的正应力分量作用下，刃位错所受的力。 位错攀移激活能Uc由割阶形成的激活能Uj及空位扩散活化能Ud两部分组成。常温下位错靠热激活来攀移是很困难
12、的。但是，在许多高温过程如蠕变、回复、单晶拉制中，攀移却起着重要作用。位错攀移在低温下是难以进行的，只有在高温下才可能发生。,六、位错的反应,由于位错间相互作用力的存在，使得位错之间有可能发生相互转化或相互作用，此即位错反应。位错能否发生反应，取决于两个条件： 其一，必须满足伯氏矢量的守恒性； 其二，必须满足能量条件。,在同一滑移面的两个异向位错的相互作用，相互吸引、反应导致位错消失，变成完整晶体。 两个异向位错，在不同滑移面，上下错开一个原子间距，反应结果生成一排空位。 同向位错，在不同滑移面，当两者所成角度45o时，压应力重叠，张应力重叠，结果互相排斥，导致远离；当两者所成角度45o时，结果互相吸引，导致接近。,
