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1、100:08材料科学基础材料科学基础Fundamentals of Materials Science 石家庄铁道大学石家庄铁道大学材料科学与工程学院材料科学与工程学院材料科学系：付华材料科学系：付华联系电话：联系电话：15511336502 QQ:1115279899200:08空位空位:vacancy间隙原子间隙原子:interstitial atom置换原子置换原子:Displaced atom小结：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 Defect4.1 点缺陷（Point defect）4.1.1 点缺陷的类型4.1.2 点缺陷
2、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 4.2.1 位错的类型位错的类型4.2.2 4.2.2 柏氏矢量柏氏矢量4.2.3 4.2.3 位错的运动位错的运动4.2.4 4.2.4 位错的应力场位错的应力场 4.2.5 4.2.5 位错与晶体缺陷间的交互作用位错与晶体缺陷间的交互作用4.2.6 4.2.6 位错的增殖与塞积位错的增殖与塞积4.2.7 4.2.7 实际晶体中的位错实际晶体中的位错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
3、界迁移4.3.5 相界4.2.1 4.2.1 位错的类型位错的类型位错位错是晶体内有一列或若干列是晶体内有一列或若干列 原子原子有规律有规律错排错排的现象。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（线缺陷（Line defects）500:08n刃位错形成刃位错形成过程过程avin刃位错形成刃位错形成过程过程1（一）刃型位错刀刃状的多余半原子面多余半原子面。（一）刃型位错位错畸变区位错畸变区：直径为直径为35个原子间距，长数百个原子间距以上。个原子间距，长数百个原子间距以上。位
4、错位错：沿位错线为中心的一个：沿位错线为中心的一个管道管道。900:081000:08（二）螺型位错 螺位错的螺位错的形成形成动画动画1100:081100:08刃位错与螺位错的形成比较刃位错与螺位错的形成比较1200:081300:08位错线附近原子面为螺旋形。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针状莫来石晶体的螺位错生长1500:08位错线附近原子面原子面为螺旋形螺旋形。螺位错：右螺旋右螺旋位错：螺旋面的旋转方向符合位错：螺旋面的旋转方向符合右手法则右手法则。左螺旋左螺旋位错：螺旋面的旋转方向符合位错：螺旋面的旋转方向符合左手法则左手法则。1700:08刃位错与螺位错的形
5、成比较刃位错与螺位错的形成比较1800:0819位错运动位错运动位错运动位错运动1位错运动位错运动2位错运动位错运动3位错 滑移螺位错的螺位错的形成形成n刃位错形成刃位错形成过程过程avip刃位错形成刃位错形成过程过程12000:08 缘起：缘起：单晶体单晶体理论强度理论强度 （滑移的临界剪切应力）（滑移的临界剪切应力）与实验值与实验值有有巨大差距。巨大差距。（三）位错概念的提出位错概念的提出假说：假说：1934年年证实：证实：20世纪世纪50年代，电镜实验观察。年代，电镜实验观察。材料科学中的有关晶体的材料科学中的有关晶体的核心概念核心概念之一；之一；材料科学基础材料科学基础中中最难懂最难懂
6、的概念。的概念。J（三）位错的提出1934年年 Taylor-Orowan 金属强度金属强度和塑性变形塑性变形方式。2200:08J（三）位错的提出2300:082400:08n位错运动时的原子位移位错运动时的原子位移切应力切应力 使位错滑移滑移；位错附近的位错附近的原子移动原子移动原子间距的几分之一原子间距的几分之一即可。即可。位错的运动位错的运动滑移 位错的运动位错的运动2800:08钛合金5050年代实验证实年代实验证实 位错的观察位错的观察7/17/2022 12:08:14 AMn透射电子显微镜下的不锈钢透射电子显微镜下的不锈钢316L(00Cr17Ni14Mo2)位错线与位错缠结（
7、西南交通大学何国求）位错线与位错缠结（西南交通大学何国求）30(a)(b)挤压挤压Mg-0.6Zr合金显微组织合金显微组织TEM像像(a)(a)位错缠结网；位错缠结网；(b)(b)位错胞壁位错胞壁典型的位错明场像照片典型的位错明场像照片变形不锈钢中变形不锈钢中的位错，的位错，19581958年年石墨中的石墨中的位错网络位错网络.19601960年年钼钼MoMo：移动位错移动位错.19581958年年32位错线与滑移方向滑移方向（矢量）？（矢量）？1.刃型位错与滑移位错：位错：滑移与未滑移与未滑移区滑移区的的分分界线界线。3400:08刃位错分类正刃位错：正刃位错：多余半原子面多余半原子面在在滑
8、移面滑移面以上。以上。负刃位错：多余半原子面负刃位错：多余半原子面在滑移面以下。在滑移面以下。3500:08负刃位错：多余半原子面在滑移面以下。刃位错线与滑移方向（矢量）？滑移方向（矢量）？EF刃型位错刃位错：滑移方向滑移方向位错线3700:082.螺位错与滑移螺位错：滑移矢量滑移矢量位错线对比一下：刃位错与螺位错刃位错：滑移矢量滑移矢量位错线螺位错：滑移矢量滑移矢量位错线n滑移与未滑移区滑移与未滑移区的分界线。的分界线。3.混合型位错n如何表示滑移矢量？如何表示滑移矢量？n如何表示位错引起的畸变如何表示位错引起的畸变程度？程度？4000:084200:08Jan Burgers(1)规定位错
9、线的方向：出纸面为正方向。出纸面为正方向。1.1.确定方法：确定方法：4.2.2 柏氏矢量柏氏矢量J位错的滑移矢量位错的滑移矢量:J位错矢量位错矢量J Burgers矢量，矢量，J柏氏矢量柏氏矢量(2)在晶体正常区，从任一原子出发，按在晶体正常区，从任一原子出发，按右手螺旋右手螺旋作一个包含位错的闭合回路（作一个包含位错的闭合回路（Burgers circuit 柏柏氏回路），这个回路包含了位错发生的氏回路），这个回路包含了位错发生的畸变区畸变区。刃位错的刃位错的柏氏回路与柏氏矢量柏氏回路与柏氏矢量实际晶体实际晶体理想晶体理想晶体(3)在在理想晶体理想晶体中，按同样方向和步数做相同的回路，回中
10、，按同样方向和步数做相同的回路，回路不封闭。路不封闭。(4)由由理想晶体理想晶体回路回路终点终点向向始点始点引一引一矢量矢量，使回路闭合，使回路闭合，该矢量是该矢量是实际晶体实际晶体中中位错的柏氏位错的柏氏(Burgers)矢量矢量。实际晶体实际晶体理想晶体理想晶体刃位错的柏氏回路刃位错的柏氏回路 刃位错刃位错完整的柏氏回路完整的柏氏回路 动画动画1螺位错的柏氏回路螺位错的柏氏回路 螺位错完整的柏氏回路螺位错完整的柏氏回路 动画动画2 2刃位错 在二维二维晶格确定；螺位错螺位错 只能在三维三维晶格中确定。b柏氏矢量柏氏矢量可用晶向指数晶向指数表示。可以进行矢量运算矢量运算 2.柏氏矢量的表示方
11、法b=kauvw位错强度位错强度：柏氏矢量运算：位错强度：位错强度：刃位错刃位错:柏氏矢量与位错线垂直。柏氏矢量与位错线垂直。(正刃和负刃型位错正刃和负刃型位错)1）.b与位错类型的关系：3.柏氏矢量的意义：螺位错螺位错:柏氏矢量与位错线平行。柏氏矢量与位错线平行。(左螺和右螺型位错左螺和右螺型位错)混合位错混合位错:柏氏矢量与位错线的柏氏矢量与位错线的夹角夹角0,900,90。混合位错混合位错分解分解:柏氏矢量与位错线柏氏矢量与位错线平行平行：螺位错分量螺位错分量柏氏矢量与位错线柏氏矢量与位错线垂直垂直：刃位错分量刃位错分量 2）表示位错线附近总畸变量总畸变量的大小和方向，代表晶体的滑移方向
12、滑移方向。b5500:08位错线和柏氏矢量构成的平面滑移面滑移面。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 的规定：正常区选取柏氏回路，对回路的的规定：正常区选取柏氏回路，对回路的 性状、大小和位置未作限制。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柏氏矢量是唯一的。3)3)柏氏矢量守恒柏氏矢量守恒（唯一性）（唯一性）一条位错线的一条位错线的柏氏矢量柏氏矢量是是唯一唯一的，的，位错位错形态形态可以可以改变改变，但柏氏矢量不变。，但柏氏矢量不变。不管位错以怎样的形态滑过晶体，不管位错以怎样的形态滑过晶体，晶体晶
13、体滑移结果滑移结果（滑移矢量，畸变量，柏氏矢量滑移矢量，畸变量，柏氏矢量b b）是一样是一样的。的。位错相交一点时：b1b2b3b与b1在o点连接，是b1的延伸。位错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。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封闭的位错环。材料之美材料之美材料微观世界与自然界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，位错塞积，位错胞，位错缠结，位错网络。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三、位错组态与位错密度6200:086300:08n
14、SiO2晶体中的位错晶体中的位错6400:08不锈钢不锈钢KCl中的位错（白色位错网络）电镜下电镜下Ti3Al中观察到的位错网，中观察到的位错网，15750 6800:08Schematic representation of defects in polymer crystallites.6900:087000:0871位错网72位错塞积 位错墙73位错塞积位错胞74位错环75位错环直拉硅单晶生长中的位错直拉硅单晶生长中的位错76位错钉扎位错密度：位错密度：单位体积中位错线总长度。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（：体积（m3）。）。8200
15、:08位错的类型：位错的类型：位错位错是晶体内有一列或若干列是晶体内有一列或若干列 原子原子有规律有规律错排错排的现象。的现象。刃型位错（edge dislocation）螺型位错（screw dislocation）混合位错（mixed dislocation）小结：小结：位错的结构位错的结构8300:08刃位错刃位错:柏氏矢量柏氏矢量与位错线垂直。与位错线垂直。(正刃和负刃型位错正刃和负刃型位错)8400:08螺位错螺位错:柏氏矢量柏氏矢量与位错线平行。与位错线平行。(左螺和右螺型位错左螺和右螺型位错)8500:08混合位错混合位错:柏氏矢量与位错线柏氏矢量与位错线的夹角的夹角0,90。8
16、600:08一条位错线的柏氏矢量是唯一的，位错形态可以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。改变，但柏氏矢量不变。位错相交一点时：位错相交一点时：位错不可能终止于晶体的内部，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。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，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。或自成封闭的位错环。表示位错线附近总畸变量的大小和方向，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。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 b8700:08位错线和柏氏矢量构成的平面滑移面。不管位错以怎样的不管位错以怎样的形态形态滑过晶体，滑过晶体，晶体滑移晶体滑移结果结果（滑移矢量，畸变量，滑移矢量，畸变量，滑移矢量，畸变量，滑移矢量，畸变量，柏氏矢量柏氏矢量柏氏矢量柏氏矢量b b b b）是）是一样一样的。的。n位错：滑移与未滑移区的分界线。8800:08位错理论发展简史位错理论发展简史n1907年Volterra解决了一类弹性体中的内应力不连续的弹性
