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1、9/24/2018 6:31:44 PM,1,晶 体 缺 陷,9/24/2018 6:31:44 PM,2,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、柏氏矢量、位错运动、滑移、(双)交滑移、多滑移、攀移、交割、割价、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
2、界的特性(大、小角度晶界)、孪晶界、相界的类型,9/24/2018 6:31:44 PM,3,本章要求掌握的主要内容,二.本章重点及难点 1、点缺陷的平衡浓度公式 2、位错类型的判断及其特征、柏氏矢量 的特征 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、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,9/24/2018 6:31:44 PM,4,概 述,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
3、缺陷（line defect）：特征是在两个方向上尺寸很小,另外一个方面上很大，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，包括表面、晶界、亚晶界、相界、孪晶界等。,晶体中的缺陷原子排列偏离完整性的区域. 前面章节都是就理想状态的完整晶体而言，即晶体中所有的原子都在各自的平衡位置，处于能量最低状态。然而在实际晶体中原子的排列不可能这样规则和完整，而是或多或少地存在离开理想的区域，出现不完整性。正如我们日常生活中见到玉米棒上玉米粒的分布。通常把这种偏离完整性的区域称为晶体缺陷（crystal defect; cry
4、stalline imperfection)。,9/24/2018 6:31:44 PM,5,3.1 点缺陷, 包括空位、间隙原子、杂质或溶质原子,1. 形成,局部点阵畸变,原子热振动,克服约束，迁移到新的位置,空位、间隙原子,9/24/2018 6:31:44 PM,6,肖脱基(Schottky)缺陷原子迁移到表面仅形成空位 弗兰克(Franke)缺陷原子迁移到间隙中形成空位-间隙对 杂质或溶质原子间隙式（小原子）或置换式（大原子）,2. 分类,9/24/2018 6:31:44 PM,7,点缺陷类型1,9/24/2018 6:31:44 PM,8,点缺陷类型2,9/24/2018 6:31
5、:44 PM,9,3. 点缺陷的平衡浓度,Ne 平衡空位数 N 原子总数 Ev 每增加一个空位的能量变化 k 玻尔兹曼常数 T 绝对温度,其中：A由振动熵决定的系数，取110，通常取1。T-C,空位形成能(vacancy formation energy):点缺陷都是由于原子的热运动产生的，它们的产生和存在使体系的自由能发生一定的变化。 迁移能(migration energy) ：通过热力学分析，在绝对零度以上的任何温度，晶体中最稳定的状态是含有一定浓度的点缺陷的状态，这个浓度称为该温度下晶体中点缺陷的平衡浓度(equilibrium consistence)。经热力学推导：,9/24/20
6、18 6:31:44 PM,10,Ev对C的影响,形成空位能Ev 增加，点缺陷的平衡浓度降低,9/24/2018 6:31:44 PM,11,4. 点缺陷的运动,点缺陷的运动方式：(1) 空位运动。(2) 间隙原子迁移。(3) 空位和间隙原子相遇，两缺陷同时消失。(4) 逸出晶体到表面，或移到晶界，点缺陷消失。,9/24/2018 6:31:44 PM,12,5. 点缺陷对晶体性能的影响,点缺陷引起晶格畸变（distortion of lattice）,能量升高，结构不稳定，易发生转变。 点缺陷的存在会引起性能的变化：(1)物理性质 如使金属的电阻R、体积V 、密度 等；(2)力学性能 采用高
7、温急冷(如淬火 quenching),大量的冷变形（cold working）,高能粒子辐照（radiation）等方法可获得过饱和点缺陷，如使S提高；(3)影响固态相变,化学热处理（chemical heat treatment）等。,9/24/2018 6:31:44 PM,13,在点缺陷的平衡浓度下晶体的自由能最低，系统最稳定。当在一定的温度下，晶体中点缺陷的数目明显超过其平衡浓度时，这些点缺陷称为过饱和点缺陷. 它的产生方式有三种: 淬火(quenching)冷加工(cold working)辐照(radiation)淬火:高温时晶体中的空位浓度很高，经过淬火后，空位来不及通过扩散达到
8、平衡浓度，在低温下仍保持了较高的空位浓度.冷加工:金属在室温下进行压力加工时，由于位错交割所形成的割阶发生攀移，从而使金属晶体内空位浓度增加.辐照:当金属受到高能粒子（中子、质子、氘核(dao,氢的同位素之一，用于热核反应。旧称重氢)、粒子、电子等）辐照时，晶体中的原子将被击出，挤入晶格间隙中，由于被击出的原子具有很高的能量，因此还有可能发生连锁作用，在晶体中形成大量的空位和间隙原子.,6.过饱和点缺陷(supersaturated point defect),9/24/2018 6:31:44 PM,14,3.2 线缺陷,现象:晶体作刚性滑移所需的临界切应力值（1540MPa）与实际滑移测定
9、的值（1MPa）相差巨大.疑问:理想晶体模型及其滑移方式. ?位错存在位错理论是上个世纪材料科学最杰出的成就之一。,按照理想晶体的模型，晶体在滑移时，滑移面上各个原子在切应力作用下，同时克服相邻滑移面上原子的作用力前进一个原子间距，完成这一过程所需的切应力就相当于晶体的理论剪切屈服强度，这是一个很大的数值，如 Cu单晶体。,9/24/2018 6:31:44 PM,15,位错逐排依次运动塑变,原子面整体滑移塑变,理论强度远大于实测值,探求新理论位错理论,计算强度值 实测值,位错（dislocation）是一种线缺陷,它是晶体中某处一列或若干列原子发生了有规律错排现象；错排区是细长的管状畸变区,
10、长度可达几百至几万个原子间距,宽仅几个原子间距.,位错理论是上个世纪材料科学最杰出的成就之一。,9/24/2018 6:31:44 PM,16,图3-01 透射电子显微镜下观察到不锈钢316L (00Cr17Ni14Mo2)的位错线与位错缠结（照片由西南交通大学何国求教授提供）,9/24/2018 6:31:44 PM,17,(a),(b),挤压态Mg-0.6Zr合金显微组织TEM像,挤压态Mg-0.6Zr合金显微组织TEM像 Fig. TEM morphology of extruding Mg-0.6Zr alloy (a) 位错缠结网；(b) 位错胞壁,9/24/2018 6:31:44
11、 PM,18,刃型位错（edge dislocation） 螺型位错（screw dislocation）混合位错（mixed dislocation）,1. 位错基本类型,9/24/2018 6:31:44 PM,19,1) 刃位错,刃型位错线：多余半原子面与滑移面的交线。,9/24/2018 6:31:44 PM,20,刃型位错特征： 刃型位错有一个额外的（多余）半原子面。正刃型位错用“”表示，负刃型位错用“”表示；其正负只是相对而言。判断用右手定则：食指指向位错线方向，中指指向柏氏矢量方向，拇指指向多余半原子面方向。 刃型位错是直线、折线或曲线。它与滑移方向、柏氏矢量垂直。 滑移面必须是
12、同时包含有位错线和滑移矢量的平面。位错线与滑移矢量互相垂直,它们构成平面只有一个。 晶体中存在刃位错后,位错周围的点阵发生弹性畸变,既有正应变,也有负应变。点阵畸变相对于多余半原子面是左右对称的，其程度随距位错线距离增大而减小。就正刃型位错而言,上方受压,下方受拉。 在位错线周围的畸变区每个原子具有较大的平均能量。畸变区是一个狭长的管道。,9/24/2018 6:31:44 PM,21,晶体局部滑移造成的刃型位错,9/24/2018 6:31:44 PM,22,原子面部分错动一个原子间距,螺位错,不吻合过渡区,纯剪切应力区,2) 螺位错,6,1,2,5,4,3,7,8,9/24/2018 6:
13、31:44 PM,23,(2)中：左、右旋分别用左(右)法则来判断：拇指指向螺旋前进的方向，而其余四指代表旋转方向，凡符合右手法则的称为右螺旋型位错，凡符合左手法则的称为左螺旋位错。二者是有本质区别的，无论将晶体如何放置,也不会改变其左、右的性质。(5)中：错位线周围的应力场呈轴对称分布,螺型位错的特点： 教材P86的 (1)(6)点,补充：,24,25,9/24/2018 6:31:44 PM,26,晶体局部滑移造成的螺型位错,9/24/2018 6:31:44 PM,27,3) 混合位错,刃型位错分量 螺型位错分量,9/24/2018 6:31:44 PM,28,9/24/2018 6:3
14、1:44 PM,29,2. 柏氏矢量反映位错区畸变的方向与程度,刃型位错柏氏矢量的求法 （1） 包含位错线做一封闭回路 柏氏回路 （2） 将同样的回路置于完整晶体中 不能闭合 （3） 补一矢量（终点指向起点）使回路闭合 柏氏矢量,9/24/2018 6:31:44 PM,30,刃位错的柏氏回路,9/24/2018 6:31:44 PM,31,螺位错柏氏矢量的求法 （1） 包含位错线做一封闭回路 柏氏回路 （2） 将同样的回路置于完整晶体中 不能闭合 （3） 补一矢量（终点指向起点）使回路闭合 柏氏矢量,9/24/2018 6:31:44 PM,32,螺型位错的柏氏回路示意图,9/24/2018
15、 6:31:44 PM,33,2）柏氏矢量特性,柏氏矢量是一个反映位错性质以及由位错引起的晶格畸变大小的物理量.(1) 用柏氏矢量可以表示位错区域晶格畸变总量的大小。柏氏矢量可表示位错性质和取向,即晶体滑移方向。 柏氏矢量越大,位错周围晶体畸变越严重。(2) 柏氏矢量具有守恒性。即一条位错线的柏氏矢量恒定不变。(3) 柏氏矢量的唯一性。即一根位错线具有唯一的柏氏矢量。(4) 柏氏矢量守恒定律。 位错分解 位错交于一点(5) 位错的连续性:可以形成位错环、连接于其他位错、终止于 晶界或露头于表面,但不能中断于晶体内.(6) 可用柏氏矢量判断位错类型 刃型位错: ebe，右手法则判断正负;螺型位错
16、:sbs，同向右旋,反向左旋(7) 柏氏矢量表示晶体滑移方向和大小.大小|b|，方向为柏氏矢量方向。(8) 刃型位错滑移面为与柏氏矢量所构成的平面,只有一个；螺型位错滑移面不定,多个。(9) 柏氏矢量可以定义为:位错为柏氏矢量不为0的晶体缺陷.,9/24/2018 6:31:44 PM,34,3）柏氏矢量表示法,对于立方晶系 a = b = c,模,例1：,柏氏矢量的表示方法与晶向指数相似，柏氏矢量必须在晶向指数的基础上把矢量的模也表示出来.如：,立方晶系中 b=（a/n）uvw ，其大小为位错强度，用模表示 ，模的大小表示该晶向上原子间的距离。 六方晶系中: b=（a/n）uvtw,9/24/2018 6:31:44 PM,35,例2：,例3：,9/24/2018 6:31:44 PM,36,4）三种位错柏氏矢量的特点,
