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1、第三节第三节 实际金属的实际金属的 晶体结构晶体结构前面讨论的晶体是所谓的前面讨论的晶体是所谓的理想晶体理想晶体，即原子或分子，即原子或分子在空间呈绝对规则的排列。但实际上晶体的某些区域在空间呈绝对规则的排列。但实际上晶体的某些区域总是存在原子或分子的不规则排列，这就是晶体结构总是存在原子或分子的不规则排列，这就是晶体结构缺陷，以下简称缺陷，以下简称晶体缺陷晶体缺陷。晶体缺陷晶体缺陷对晶体的性能和物理化学变化对晶体的性能和物理化学变化( (如强度、如强度、塑性、扩散、固态相变等塑性、扩散、固态相变等) )都有着重大的影响。都有着重大的影响。引言引言晶体结构缺陷的类型晶体结构缺陷的类型缺陷的缺陷
2、的 类型类型点缺陷点缺陷线缺陷线缺陷面缺陷面缺陷其特点：其特点：在三维方在三维方 向上的尺寸都很小向上的尺寸都很小 ，缺陷的尺寸处在，缺陷的尺寸处在 一、两个原子大小一、两个原子大小 的级别，又称的级别，又称零维零维 缺陷。缺陷。其特点：其特点：仅在仅在 一维方向上的一维方向上的 尺寸较大，而尺寸较大，而 另外二维方向另外二维方向 上的尺寸都很上的尺寸都很 小，故也称一小，故也称一 维缺陷，通常维缺陷，通常 是指是指位错位错。其特点：其特点：仅在二维方向上仅在二维方向上 的尺寸较大，而另外一维的尺寸较大，而另外一维 方向上的尺寸很小，故也方向上的尺寸很小，故也 称称二维缺陷二维缺陷。点缺陷点缺
3、陷间隙原子、空位、置换原子间隙原子、空位、置换原子面缺陷面缺陷 晶体表面、晶界、相界面等晶体表面、晶界、相界面等线缺陷线缺陷 位错（刃型、螺旋）位错（刃型、螺旋）晶体中的各种点缺陷 1大置换原子 2肖脱基空位 3异类间隙原子 4复合空位 5弗兰克尔空位 6小的置换原子 点缺陷点缺陷1 1 空位空位 形成原因：形成原因：原子的热运动原子的热运动导致能量起伏，导致能量起伏，使一些原子脱离使一些原子脱离原有位置迁移到别处，在原位形成空结点。原有位置迁移到别处，在原位形成空结点。脱离平衡位置的原子去处：脱离平衡位置的原子去处：移至表面移至表面肖脱基空位肖脱基空位间隙间隙 弗兰克尔空位弗兰克尔空位 其它
4、空位处其它空位处使空位变换位置使空位变换位置 是一种热平衡缺陷是一种热平衡缺陷空位空位 肖脱基空位肖脱基空位肖脱基空位肖脱基空位: :如原子在如原子在热起伏热起伏过程中获得足够能量离开平衡位置，跳过程中获得足够能量离开平衡位置，跳跃到晶体的跃到晶体的表面表面，在原位置上留下空位，这种缺陷称为，在原位置上留下空位，这种缺陷称为肖脱肖脱基空位基空位。 金属中大部分为此空位金属中大部分为此空位。弗兰克尔空位：弗兰克尔空位：在晶格内在晶格内原子热振动原子热振动时，一些能量足够大的原子离开时，一些能量足够大的原子离开平衡位置后，进入晶格点的平衡位置后，进入晶格点的间隙位置间隙位置，变成间隙原子，变成间隙
5、原子，而在原来的位置上形成一个空位，这种缺陷称为而在原来的位置上形成一个空位，这种缺陷称为弗兰克弗兰克尔空位。尔空位。弗兰克尔缺陷弗兰克尔缺陷处于不断的运动、消失和形成过程中处于不断的运动、消失和形成过程中遇到周围空位遇到周围空位 换位换位迁移至晶体表面迁移至晶体表面 消失消失遇到间隙原子遇到间隙原子 消失消失空位的移动：空位的移动：空位的移动空位的移动a ab bc cd de ef f空位的浓度空位的浓度: :温度温度，浓度，浓度； 温度温度，浓度，浓度。但空位的平衡浓度是很小的但空位的平衡浓度是很小的( (如铜：如铜：一般为一般为1010-5-5数量级数量级) )。浓度随温度变化而改变浓
6、度随温度变化而改变在空位周围的原子会偏离平衡位置出现弹性畸变区。在空位周围的原子会偏离平衡位置出现弹性畸变区。 晶格畸变晶格畸变空位引起的空位引起的晶格畸变晶格畸变2 2 间隙原子间隙原子处于晶格间处于晶格间 隙中的原子隙中的原子间隙原子间隙原子可以为可以为晶格晶格中的原子（发生严重晶格畸变中的原子（发生严重晶格畸变），也可能为），也可能为异类异类原子原子( (如：如：HH、N N、C C、B B等，晶格畸等，晶格畸变较空位严重）。变较空位严重）。间隙原子也间隙原子也是一种热平衡缺陷是一种热平衡缺陷平衡浓度为固溶度或溶解度平衡浓度为固溶度或溶解度 产生晶格畸变产生晶格畸变如果间隙原子是其它如果
7、间隙原子是其它元素就称为元素就称为异类原子异类原子 （杂质原子）（杂质原子）间隙原子间隙原子间隙原子引起的间隙原子引起的晶格畸变晶格畸变3 3 置换原子置换原子占据原来基体原子平占据原来基体原子平衡位置的异类原子衡位置的异类原子产生晶格畸变产生晶格畸变是一种热平衡缺陷是一种热平衡缺陷 平衡浓度为固溶度或溶解度平衡浓度为固溶度或溶解度（比间隙原子的固溶度要大得多）（比间隙原子的固溶度要大得多）三种点缺陷三种点缺陷均为均为热平衡缺热平衡缺陷，均造成晶格畸变，对陷，均造成晶格畸变，对金属的性能产生影响。金属的性能产生影响。小原子置换引起的 晶格畸变 线缺陷线缺陷线缺陷：线缺陷：即位错即位错( (分为
8、分为刃型刃型位错位错和螺旋和螺旋位错位错) )。它是。它是指晶体中的指晶体中的原子原子发生了有规律的发生了有规律的错排错排现象。现象。 特点：特点：原子发生原子发生错排的范围错排的范围只在只在一维一维方向上很大，方向上很大，直径直径为为3 35 5个原子间距，个原子间距，长长数百个原子间距以上的数百个原子间距以上的管状原子管状原子畸变区畸变区。1 1 刃型位错刃型位错形成及定义形成及定义：晶体在：晶体在大于屈服值大于屈服值的切应力的切应力 作用下，以作用下，以ABCDABCD面面为为滑移面滑移面发生滑移。滑移后产生额外半原子面发生滑移。滑移后产生额外半原子面EFGHEFGH，EFEF是晶是晶体
9、已滑移部分和未滑移部分的体已滑移部分和未滑移部分的交线交线，EFEF线线犹如砍入晶体的一把犹如砍入晶体的一把刀的刀刃，即刃位错刀的刀刃，即刃位错( (或棱位错或棱位错) )。A A B BC CD DE EF FGGH H刃型位错示意图刃型位错示意图刃型位错分类刃型位错分类: :正刃位错：正刃位错：额外半原子面位于晶体的上半部，额外半原子面位于晶体的上半部，“”负刃位错：负刃位错：额外半原子面位于晶体的下半部，额外半原子面位于晶体的下半部，“”正刃位错正刃位错 负刃位错负刃位错 刃型位错的重要特征：刃型位错的重要特征： 刃型位错有一刃型位错有一额外半原子面额外半原子面 位错线是一个具有一定位错
10、线是一个具有一定宽度宽度的的细长细长晶格畸变管道，既有切晶格畸变管道，既有切应变，又有正应变，对于正刃应变，又有正应变，对于正刃型位错，滑移面之型位错，滑移面之上上晶格受到晶格受到压应力压应力，滑移面之，滑移面之下下受到受到拉应拉应力力。负刃型位错与此相反。负刃型位错与此相反。注意：注意：额外半原子面不一定是平面，可以是曲面。但是位错线一额外半原子面不一定是平面，可以是曲面。但是位错线一定是垂直于滑移方向的，这是刃型位错的特征之一。定是垂直于滑移方向的，这是刃型位错的特征之一。 位错线与晶体的滑移方向相垂直，位错线运动的方向垂直于位错线与晶体的滑移方向相垂直，位错线运动的方向垂直于位错线。位错
11、线。A AB BC CD D D DA AD D D DA AD D位错线位错线形成及定义：形成及定义：晶体在外晶体在外加切应力加切应力 作用下，沿作用下，沿ABCDABCD面滑移，由于位面滑移，由于位错线错线EFEF周围的一组原子周围的一组原子面形成了一个连续的螺面形成了一个连续的螺旋形坡面，故称为螺型旋形坡面，故称为螺型位错。图中位错。图中EFEF线为已滑线为已滑移区与未滑移区的分界移区与未滑移区的分界处。处。2 2 螺型位错螺型位错E EF F分类：分类：有左螺旋和右螺旋。有左螺旋和右螺旋。根据螺旋面旋转方向，根据螺旋面旋转方向，符合右手法则符合右手法则（即以右手拇指代表螺（即以右手拇指
12、代表螺旋面前进方向，其他四指代表螺旋面的旋转方向）的称为右旋旋面前进方向，其他四指代表螺旋面的旋转方向）的称为右旋 螺型位错。螺型位错。符合左手法则符合左手法则的称为左旋螺型位错的称为左旋螺型位错. .MMQQP POON N左旋螺型位错左旋螺型位错A AB BC CD D D DA AD D D DA AD D右旋螺型位错右旋螺型位错螺型位错的重要特征：螺型位错的重要特征： 螺型位错螺型位错没有没有额外半原子面。额外半原子面。 位错线是一个具有一定宽度的细长晶格畸变管道，其位错线是一个具有一定宽度的细长晶格畸变管道，其中中只有切应变，没有正应变只有切应变，没有正应变。 位错线位错线EFEF与
13、晶体的滑移方向与晶体的滑移方向相平行相平行。位错线运动的方。位错线运动的方向垂直于位错线。向垂直于位错线。位错线运动方向位错线运动方向位位错错线线F FE E刃型位错与螺型位错的区别：刃型位错与螺型位错的区别： 螺型位错螺型位错没有没有额外半原子面，而额外半原子面，而刃型位错刃型位错有；有； 螺型位错螺型位错只有切应变，没有正应变，而只有切应变，没有正应变，而刃型位错刃型位错均有；均有；螺型位错螺型位错的位错线与晶体的滑移方向相平行，而的位错线与晶体的滑移方向相平行，而刃型位错刃型位错则垂直。则垂直。刃型位错刃型位错的滑移面是的滑移面是唯一唯一的，而的，而螺型位错螺型位错可以从一个滑移可以从一
14、个滑移面滑移到另一个滑移面。面滑移到另一个滑移面。在在实际晶体实际晶体中，从距离位错一定距离的任一原子中，从距离位错一定距离的任一原子MM出发，出发，以到相邻原子为一步，沿逆时针方向环绕位错线作一闭合回路以到相邻原子为一步，沿逆时针方向环绕位错线作一闭合回路，称之为柏氏回路。，称之为柏氏回路。在在完整晶体完整晶体中以同样方向和步数作回路，但未封闭。中以同样方向和步数作回路，但未封闭。由完整晶体的回路终点由完整晶体的回路终点QQ到始点到始点MM引一矢量引一矢量b b，使该回路，使该回路闭合，矢量闭合，矢量b b即为即为柏氏矢量柏氏矢量。3 3 柏氏矢量柏氏矢量柏氏矢量的确定方法：柏氏矢量的确定方
15、法：P P2424图图1-361-36柏氏矢量：柏氏矢量：既可表示位错的性质，也可表示晶格畸变的大小和既可表示位错的性质，也可表示晶格畸变的大小和方向。方向。从柏氏回路可知：刃型位错的柏氏矢量与其位错线相垂直从柏氏回路可知：刃型位错的柏氏矢量与其位错线相垂直刃位错的重要特征刃位错的重要特征刃型位错柏氏矢量的确定刃型位错柏氏矢量的确定从柏氏回路可知：螺型位错的柏氏矢量与其位错线相平行从柏氏回路可知：螺型位错的柏氏矢量与其位错线相平行螺位错的重要特征螺位错的重要特征位错线位错线柏氏矢量柏氏矢量螺旋位错柏氏矢量的确定螺旋位错柏氏矢量的确定柏氏矢量的特征：柏氏矢量的特征： 可判定位错性质：可判定位错性质：位错线位错线柏氏矢量柏氏矢量刃型刃型位错线位错线柏氏矢量柏氏矢量螺旋型螺旋型 描述了晶格畸变总量的大小描述了晶格畸变总量的大小b b与晶体滑移的方向，即指与晶体滑移的方向，即指出了滑移后晶体上下部相对位移的
