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1、第三章 晶体体缺陷晶体结构构完整幷幷规则排排列只是是理想情情况。由由于原子子的热震震动以及及晶体的的形成过过程、加加工过程程及使用用过程中中将受到到各种条条件的影影响,在在实际晶晶体结构构中原子子（离子子或原子子团）并并非完整整规则排排列，且且存在各各种不完完整性即即晶体缺缺陷。依依据缺陷陷尺寸特特征分为为三类：点缺陷陷、线缺缺陷和面面缺陷。点缺陷陷（poointt Deefecct）:空位和和间隙原原子。线缺陷陷（Liine Deffectt）：位位错。面缺陷陷（Pllacee Deefecct）：晶界、相相界、表表面和堆堆垛层错错。3.11 点缺缺陷点缺陷包包括空位位（vaacanncy）
2、和和间隙原原子(SSelff-innterrstiitiaal)。一. 空空位和间间隙原子子(一)点缺陷陷的形成成 由于于原子的的热运动动和能量量起伏是是某些原原子具有有较高的的能量从从而脱离离了平衡衡位置，从从而迁移移到其它它位置而而形成“空位”或“间隙原原子”。能量起伏伏：对金属属进行加加热、变变形、结结晶及高高能离异类子轰击等等使微小小体积偏偏离体系系平均能能量的现现象。（二）点缺陷陷的类型型动作：首先做一个完美晶体，然后分别出现图中所示的图形（空位处的原子作一个虚线原子，大小与白圈原子相同）并且分别闪烁，以示区别。 依据据原子的的去向将将空位分分为：1.肖脱脱基空位位（简称称肖氏空空位
3、）图31 空位和间隙原子肖氏空位位：离位位原子迁迁移到外外表面或或内界面面（如晶界界等）处处这种空空位成为为肖氏空空位。肖肖氏空位在晶晶内只留留下空位位。2.弗兰兰克尔空空位（简简称弗氏氏空位）图32肖脱基空位和弗兰克尔空位（a）肖脱基空位（b）弗兰克尔空位动作：两图分别作出a)图先做完美晶体，然后将空位处原子一次照图中拉出晶体外面。b）图同样作完美晶体，再照图中将空位处原子拉进间隙中。弗氏空位位：离位原原子迁移移到晶体体点阵的间隙中中，空位位和间隙隙原子同同时存在在的空位。3.间隙隙原子间隙原子子可以是是晶体同同类原子子（称自自间隙原原子），也也可以是是外来的的异类间间隙原子子（包括括间隙溶
4、溶质原子子和置换换溶质原原子），如如图31所示示。二. 点点缺陷的的平衡浓浓度由于能量量起伏和和原子热热振动，点点缺陷将将不断产产生、运运动和消消亡。点点缺陷是是热力学学稳定的的缺陷即在一一定温度度下及有有一定数数量的空空位浓度度（C）。 C Aexxp由此此式可知知: T 越越高, C也越越大.空位位数(nn)与原原子总数数(N)之比. UV.一一个空位位的形成成能 K.波尔茲茲曼常数数 1.3810223J/molle.KK T绝绝对温度度() A为常常数推导如下下: 设设想有NN个结点点的晶体体,在TT温度时时理想晶晶体的自自有能为为 G = U-TS（无空位位时，TTS-束束缚能，UU
5、-内能能，S熵，TT绝对对温度）设有N个个空位形形成， GUTTS空位地形形成导致致内能的的增加， U nUV( UUV 一个空空位形成成能)空位地形形成导致致熵值的的增加，S n SSf + SccSf原原子振动动熵即一一个原子子形成时时引起原原子振动动造成原原子混乱乱度变化化.Sc晶晶体排列列熵即晶晶体中不不同排列列组态引引起原子子混乱度度变化.GUTTSnUV T(n SSf + Scc) 依据统计计力学可可知: S = KK Lnn-微观观组态数数SC =K Lnn= K Lnn当N和nn很大时时可用斯斯特林近近似公式式: Ln x! = x Ln x x 式可可以写成成: SSC =
6、 K (N+n)LLn(NN+n)-NLLnN-NLnnn 将式代代入式得 G = n UUV T (nSSf+Sc)G = n UV T nSf+TK (NN+n)Ln(N+nn)-NNLnNN-NLLnn在T温度度时含有有n各空空位的晶晶体的自自由能取取得最小小值得条条件是: 00 UUV TSSf KKT LLn 0 UV ，Sff不是nn的函数数与n无无关，只只取决于于温度与与结构。 Lnn= 当nN时时， 则则Ln（ ）Ln C-11 -C-1 = 所以 CC = Aexxp() UV-一个个空位形形成能 K波尔慈慈曼常数数由此可知知：TC ,因因此空位位浓度为为热力学学平衡缺缺陷。
7、三. 点点缺陷的的特性以以及对性性能的影影响1点缺缺陷是热热力学平平衡缺陷陷，TC。2C电阻导电性性能体积。3空位位和间隙隙原子的的运动可可以导致致原子的的扩散。4点缺缺陷和其其它缺陷陷交互作作用可以以使材料料的S。5空位位聚集可可以形成成新的缺缺陷位位错。3.22 位位 错错 （llionng ddefeect）位错晶晶体中原原子沿一一定晶面面发生有有规律的的错排现现象。一. 位位错的形形成与塑塑性变形形图32 单晶体塑性变形时外形的变化图33 理想晶体的滑移模型由于对金金属进行行塑性变变形、拉拉伸等所所测取材材料的实实际抗拉拉强度与与理论抗抗拉强度度的差别别引起了了人们对对位错的认认识，塑
8、塑性变形形是晶体体在外力力作用下下进行的的永久变变形，当当单晶体体在拉伸伸时发现现塑性变变形后表表面形成成很多台台阶，意意味着晶晶体的一一部分沿沿着一定定方向相相对另一一部分产产生相对对滑移，滑滑移的结结果晶体体的尺寸寸沿受力力方向被被拉长，直直径变细细。如图图322、3所所示。图3-4 理想晶体的滑移模型图3-3 单晶体塑性变形时外形的变化动作：在图3-3中，先作一个完整园棒，再沿F方向拉伸成如图中所以的图形。 在图3-4中，同样作一个整齐排列的钢球，然后沿着的方向移动到图中的位置。那么滑移移的微观观过程又又是怎样样进行的的那呢？如果晶晶体中的的原子都都是规则则排列，滑滑移面上上的各个个原子
9、在在切应力力的作用用下同时时克服相相邻滑移移面上的的作用力力前进一一个原子子间距，完完成这一一过程所所需要的的切应力力相当于于晶体的的理论抗抗拉强度度,如图图322所示。但但是人们们发现纯纯铁的理理论抗拉拉强度为为30000MPPa，实实际抗拉拉强度仅仅为110 MPaa，从而而引起了了人们对对位错的的重视。119399年柏格格斯提出出用柏氏氏矢量来来表征位位错特性性的重要要意义，同同时引入入螺型位位错；119477年柯垂垂尔研究究了溶质质原子与与位错的的交互作作用（柯柯氏气团团），因因此解释释了低碳碳钢的屈屈服现象象；19950年年弗兰克克与瑞德同时时提出塑塑性变形形时位错错增值机机制；五五
10、十年代代人们应应用透射射电子显显微镜观观察到晶晶体中位位错的存存在和运运动。二. 位位错的类类型晶体中位位错的基基本类型型为刃型型位错（edgge ddisllocaatioon）和螺型位位错（scrrew dissloccatiion）。(一)刃型位位错模型型1刃型型位错的的形成：（模拟拟操作）图35刃型位错的形成动作：先作完美晶体，然后沿XY平面插入滑移面如图中所示（阴影部分标以ABCD平面），再沿Y方向移动一个原子间距而后胶合，AB线便是刃型位错线，并闪烁。然后闪烁ABFE半原子面，最后闪烁滑移矢量。ABCDXYEF设想有一一个平面面滑移移面（如如图35中阴影影部分平平面）插插入晶体体中
11、，幷幷沿切应应力方向向（F方方向）滑滑移了一一个原子子间距而而后胶合合，于是是在晶体体的表面面形成了了一个台台阶，便便产生了了刃型位位错。于于是在晶晶体的上上半部分分多出一一个半原原子面，好好像插入入的刀刃刃如图334所所示。EEF线为为位错线线，它实实质上是是一个位位错线中中心的一一个“管道”。 位错线线变形形部分与与未变形形部分的的分界线线。图36 刃型位错模型动作：此动作较难做好？能不能象图5位错产生一样作一下操作？因为此图是一个立体图，做好很形象。2刃型型位错的的类型正刃型位位错：半半原子面面位于滑滑移面上上方，用用“”表示。负刃型位位错：半半原子面面位于滑滑移面下下方，用用“”表示。
12、（二）螺型位位错模型型1. 螺螺型位错错的形成成：（模模拟操作作） 图37 螺型位错 a) 晶体的局部滑移 b）c) 螺型位错的原子组态动作：a）图，先作一个完美晶体，然后沿XY方向插入以平面（如阴影部分）然后沿X反方向（方向）移动一个原子间距而后胶合，BC线即为位错线，并闪烁BC线。 b）图，先将如图中图形画出，然后以BC线为界限分别闪烁BC线左边和右边的图形以表示变形区与非变形区的界限，再显示螺型图形（BC线与aa线之间的螺型）如c）图所示。c)刃型位错错晶体滑滑移的方方向与位位错线垂垂直，而而螺型位位错晶体体滑移的的方向与与位错线线（BCC线）平平行移动动了一个个原子间间距而后后胶合便便
13、产生螺螺型位错错，如图图366 a)所示。BC线为为螺型位位错线。2.螺型型位错分分左螺型型位错和和右螺型型位错。(三)柏格斯斯矢量（简简称柏氏氏矢量）与与柏氏逥逥路19399年柏格格斯提出出用柏氏氏矢量来来表征位位错特性性。即用用一个柏柏氏矢量量来表征征畸变区区的大小小和方向向，只有有位错才才有柏氏氏矢量，柏氏矢矢量用“b”表示，该该矢量的的模 b ，称称为位错错的强度度。 1柏柏氏矢量量的确定定（如图图388所示） 柏氏氏矢量是是通过柏柏氏逥路路确定的的。其步步骤如下下：（1）柏柏氏矢量量首先确确定位错错线的方方向（一一般有内内向外为为正向）（2）柏柏氏逥路路在有缺缺陷的晶晶体内任任选一点点绕位错错线按着着右手定定则作一一闭合逥逥路。（3）然然后在完完美晶体体中作同同样柏氏氏逥路（不不闭合）。 图38柏氏逥路和柏氏矢量 （a）刃型位错 （b）螺型位错NRP（4）在在不闭合合逥路中中由终点点到始点点引矢量量即为该该位错的的柏氏矢矢量。动作：（a）图，先画出除箭头以外的图形，然后由M点起沿着箭头方向作MNRPQ闭合迴路；然后在右图中 画出除箭头以外的图形，再有M点起作同样方向的MNRPQ迴路，此时的迴路Q点与M点 不重合，连接QM为矢量，并标出柏氏矢量 （矢量应戴箭头！），并闪烁此矢量。 （b）图，作法与（a）图相同。 由此可以以看出： 柏氏氏逥路符符合右手手定则。 柏氏
