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1、1.3 1.3 原子的不规则排列原子的不规则排列1晶体缺陷（晶体缺陷（Crystal Defect）晶体中的缺陷晶体中的缺陷原子排列偏离完整性的区域原子排列偏离完整性的区域点缺陷点缺陷在三个方向上尺寸都很小在三个方向上尺寸都很小线缺陷线缺陷在二个方向上尺寸很小在二个方向上尺寸很小面缺陷面缺陷在一个方向上尺寸很小在一个方向上尺寸很小根据晶体缺陷的几何形态特征：根据晶体缺陷的几何形态特征：2内蒙古工业大学材料科学与工程学院金属学基础内蒙古工业大学材料科学与工程学院金属学基础1 点缺陷（点缺陷（Point Defect） 包括空位、间隙原子、置换原子包括空位、间隙原子、置换原子 局部点阵畸变局部点阵
2、畸变原子热振动原子热振动克服约束，迁移到新的位置克服约束，迁移到新的位置空位、间隙原子、置换原子空位、间隙原子、置换原子部分原子获得足够高的能量部分原子获得足够高的能量形成形成引起引起3内蒙古工业大学材料科学与工程学院金属学基础内蒙古工业大学材料科学与工程学院金属学基础（a）空位）空位（b） 同类原子的间隙原子同类原子的间隙原子(c) 异类原子的间隙原子异类原子的间隙原子 4内蒙古工业大学材料科学与工程学院金属学基础内蒙古工业大学材料科学与工程学院金属学基础(d) 置换原子置换原子 5内蒙古工业大学材料科学与工程学院金属学基础内蒙古工业大学材料科学与工程学院金属学基础空位分类空位分类肖脱基空位
3、肖脱基空位原子迁移到表面原子迁移到表面仅形成空位仅形成空位弗兰克尔空位弗兰克尔空位原子迁移到间隙中原子迁移到间隙中形成空位形成空位- -间隙对间隙对迁移到其它空位处迁移到其它空位处晶格畸变（脱离平衡）晶格畸变（脱离平衡）6内蒙古工业大学材料科学与工程学院金属学基础内蒙古工业大学材料科学与工程学院金属学基础n处于间隙的原子处于间隙的原子n杂质、或同类原子杂质、或同类原子 间隙式（小原子）间隙式（小原子） 置换式（大原子）置换式（大原子）n平衡浓度（溶解度或固平衡浓度（溶解度或固溶度）溶度）n晶格畸变（影响性能）晶格畸变（影响性能）置换原子置换原子（Substitutional Atom）间隙原子
4、间隙原子(Interstitial Atom)间隙原子和置换原子间隙原子和置换原子7内蒙古工业大学材料科学与工程学院金属学基础内蒙古工业大学材料科学与工程学院金属学基础三种点缺陷的形成演示三种点缺陷的形成演示8内蒙古工业大学材料科学与工程学院金属学基础内蒙古工业大学材料科学与工程学院金属学基础空位的热力学分析空位的热力学分析 点点缺缺陷陷是是热热力力学学稳稳定定的的缺缺陷陷：点点缺缺陷陷与与线线、面面缺缺陷陷的的区区别别之之一一是是后后者者为为热热力力学学不不稳稳定定的的缺缺陷陷。在在一一定定温温度度下下，晶晶体体中中有一定平衡数量的空位和间隙原子，其数量可近似算出。有一定平衡数量的空位和间隙
5、原子，其数量可近似算出。 设自由能设自由能F=UF=UTSTS U U为为内能内能，S S为系统熵（包括为系统熵（包括振动熵振动熵S SV V和和排列熵排列熵S SC C）空位的引入，一方面由于弹性畸变使晶体空位的引入，一方面由于弹性畸变使晶体内能增加内能增加；另一方面又使晶体中混乱度增加，使另一方面又使晶体中混乱度增加，使熵增加熵增加。而熵的。而熵的变化包括两部分：变化包括两部分： 空位改变它周围原子的振动引起空位改变它周围原子的振动引起振动熵振动熵S SV V升高升高 空空位位在在晶晶体体点点阵阵中中的的排排列列可可有有许许多多不不同同的的几几何何组组态态，使使排排列熵列熵S SC C增加
6、增加。 9内蒙古工业大学材料科学与工程学院金属学基础内蒙古工业大学材料科学与工程学院金属学基础设设在在温温度度T T时时，含含有有N N个个结结点点的的晶晶体体中中形形成成n n个个空空位位，与与无无空空位位晶体相比晶体相比 F=nEF=nEV V-TS-TS EEV V空空位位形形成成能能 S=SS=SC C+nS+nSV Vn n个空位引入，可能的原子排列方式个空位引入，可能的原子排列方式利用玻尔兹曼关系，利用玻尔兹曼关系，S SC C=klnW=klnWC C化简可得：化简可得：Ff(n)Ff(n)令：令： 式中式中A=exp(SA=exp(SV V/k)/k)，由振动熵决定，约为，由振
7、动熵决定，约为1 1101010内蒙古工业大学材料科学与工程学院金属学基础内蒙古工业大学材料科学与工程学院金属学基础由上式可得：由上式可得：1 1）晶晶体体中中空空位位在在热热力力学学上上是是稳稳定定的的，一一定定温温度度T T对对应应一一平衡浓度平衡浓度C C2 2）C C与与T T呈指数关系，呈指数关系，温度升高，空位浓度增大温度升高，空位浓度增大3 3）空位形成能）空位形成能EEV V大大，空位，空位浓度小浓度小例如：已知铜中例如：已知铜中EEV V=1.710=1.710-19-19J J，A A取为取为1 1，则，则 T100K300K 500K700K900K 1000K n/N
8、10-57 10-19 10-11 10-8.110-6.3 10-5.7n若已知若已知EEV V和和SSV V，则可由上式计算出任一，则可由上式计算出任一温度温度T T下的浓度下的浓度C.C.11内蒙古工业大学材料科学与工程学院金属学基础内蒙古工业大学材料科学与工程学院金属学基础过饱和空位过饱和空位 给给定定温温度度下下，晶晶体体中中存存在在一一平平衡衡的的空空位位浓浓度度，下述几种条件下，产生过饱和空位。下述几种条件下，产生过饱和空位。 1 1）高温淬火把）高温淬火把 空位保留到室温空位保留到室温 2 2）塑性变形）塑性变形 3 3）高能粒子辐射）高能粒子辐射 4 4）形成金属间化合物）形
9、成金属间化合物12内蒙古工业大学材料科学与工程学院金属学基础内蒙古工业大学材料科学与工程学院金属学基础空位对金属性能的影响空位对金属性能的影响 1对电阻的影响对电阻的影响 空位引起点阵畸变，使传导电子空位引起点阵畸变，使传导电子 受到散射，产生附加电阻受到散射，产生附加电阻2对力学性能的影响对力学性能的影响3对高温蠕变的影响对高温蠕变的影响13内蒙古工业大学材料科学与工程学院金属学基础内蒙古工业大学材料科学与工程学院金属学基础空位小结空位小结1、空位是热力学空位是热力学稳定稳定的缺陷的缺陷2 2、不同金属、不同金属空位形成能空位形成能不同。不同。3 3、空位浓度与、空位浓度与空位形成能、温度空
10、位形成能、温度密切相关密切相关4 4、空位对金属的物理及力学、空位对金属的物理及力学性能性能有明显影响有明显影响5 5、空位对材料的高温蠕变、沉淀、回复、表面氧化、空位对材料的高温蠕变、沉淀、回复、表面氧化、烧结有重要影响烧结有重要影响14内蒙古工业大学材料科学与工程学院金属学基础内蒙古工业大学材料科学与工程学院金属学基础2、线缺陷（、线缺陷（Line Defect）位错运动位错运动塑变塑变原子面整体滑移原子面整体滑移塑变塑变理论强度远大于实测值理论强度远大于实测值探求新理论探求新理论位错理论位错理论发现问题发现问题促使促使核心核心计算强度值计算强度值 实测值实测值结果结果15内蒙古工业大学材
11、料科学与工程学院金属学基础内蒙古工业大学材料科学与工程学院金属学基础位位错错理理论论16内蒙古工业大学材料科学与工程学院金属学基础内蒙古工业大学材料科学与工程学院金属学基础1）位错（）位错（Dislocations）的定义、类型）的定义、类型定义：定义：位错是晶体中已滑移区域与未滑移区域位错是晶体中已滑移区域与未滑移区域 之间的分界，它是一种线缺陷。之间的分界，它是一种线缺陷。 刃型位错刃型位错 (Edge Dislocation) 螺型位错螺型位错 (Screw Dislocation) 混合位错混合位错 (Mixed Dislocation)类型：类型：17内蒙古工业大学材料科学与工程学院
12、金属学基础内蒙古工业大学材料科学与工程学院金属学基础18内蒙古工业大学材料科学与工程学院金属学基础内蒙古工业大学材料科学与工程学院金属学基础19内蒙古工业大学材料科学与工程学院金属学基础内蒙古工业大学材料科学与工程学院金属学基础20内蒙古工业大学材料科学与工程学院金属学基础内蒙古工业大学材料科学与工程学院金属学基础21内蒙古工业大学材料科学与工程学院金属学基础内蒙古工业大学材料科学与工程学院金属学基础n定义：位错是晶体中已滑移区域与未滑移区域定义：位错是晶体中已滑移区域与未滑移区域 之间的分界，它是一种线缺陷。之间的分界，它是一种线缺陷。 刃型位错刃型位错 (Edge Dislocation)
13、 螺型位错螺型位错 (Screw Dislocation) 混合位错混合位错 (Mixed Dislocation)类型：类型：1）位错（）位错（Dislocations）的定义、类型）的定义、类型22内蒙古工业大学材料科学与工程学院金属学基础内蒙古工业大学材料科学与工程学院金属学基础刃型位错刃型位错 (Edge Dislocation)DBFCAEGH23内蒙古工业大学材料科学与工程学院金属学基础内蒙古工业大学材料科学与工程学院金属学基础24内蒙古工业大学材料科学与工程学院金属学基础内蒙古工业大学材料科学与工程学院金属学基础刃型位错结构示意图刃型位错结构示意图25内蒙古工业大学材料科学与工程
14、学院金属学基础内蒙古工业大学材料科学与工程学院金属学基础刃型位错（正、负刃型位错）刃型位错（正、负刃型位错）形成形成畸变区畸变区多多（或或少少了了）半排原子面半排原子面用用 （ 或或）表示）表示 刃位错刃位错正：上压下拉正：上压下拉负：上拉下压负：上拉下压 称为称为?间隙和大置换原子在拉应力侧发生聚集，小置换原子聚集于压间隙和大置换原子在拉应力侧发生聚集，小置换原子聚集于压应力侧。造成位错受阻，金属强化应力侧。造成位错受阻，金属强化26内蒙古工业大学材料科学与工程学院金属学基础内蒙古工业大学材料科学与工程学院金属学基础刃刃型型位位错错有有一一额额外外半半原原子子面面，点点阵阵畸畸变变相相对对于
15、于额额外外半半原原子子面面对称。对称。位位错错线线不不一一定定是是直直线线，可可以以是是折折线线、曲曲线线或或位位错错环环，但但刃刃型型位错线必与滑移方向位错线必与滑移方向垂直垂直。滑移面是位错线和滑移方向所构成的滑移面是位错线和滑移方向所构成的唯一平面唯一平面。位错周围的点阵发生弹性畸变，位错周围的点阵发生弹性畸变，既有正应变，又有切应变既有正应变，又有切应变。位错不是一条线，是一个位错不是一条线，是一个具有一定宽度的细长晶格畸变管道具有一定宽度的细长晶格畸变管道。刃型位错特征：刃型位错特征：27内蒙古工业大学材料科学与工程学院金属学基础内蒙古工业大学材料科学与工程学院金属学基础螺型位错螺型
16、位错(Screw Dislocation)28内蒙古工业大学材料科学与工程学院金属学基础内蒙古工业大学材料科学与工程学院金属学基础原原子子面面部部分分错错动动一个原子间距一个原子间距螺位错螺位错 不吻合不吻合过渡区过渡区形成形成畸变区畸变区纯剪切纯剪切应力区应力区 形成形成 称作称作螺型位错螺型位错(Screw Dislocation)29内蒙古工业大学材料科学与工程学院金属学基础内蒙古工业大学材料科学与工程学院金属学基础n分类（根据位错线附近螺旋型原子的旋转方向）分类（根据位错线附近螺旋型原子的旋转方向）左螺型位错左螺型位错右螺型位错右螺型位错n螺型位错的重要特征螺型位错的重要特征F螺型位错
17、螺型位错没有额外的半原子面没有额外的半原子面F螺型位错是一个具有一定宽度的细长晶格畸变管道，螺型位错是一个具有一定宽度的细长晶格畸变管道，其中既其中既只有切应变，而无正应变只有切应变，而无正应变。F位错线与晶体滑移的位错线与晶体滑移的方向平行方向平行，故一定是直线。，故一定是直线。F位错线运动的方向位错线运动的方向垂直于垂直于位错线，而且与晶体滑移位错线，而且与晶体滑移方向互相垂直。方向互相垂直。螺型位错分类及特征螺型位错分类及特征30内蒙古工业大学材料科学与工程学院金属学基础内蒙古工业大学材料科学与工程学院金属学基础混合位错混合位错(Mixed Dislocation)n位位错错线线上上任任
18、一一点点的的滑滑移移矢矢量量相相同同，但但两两者者方方向向夹夹角角呈任意角度，图为混合位错的产生呈任意角度，图为混合位错的产生（a a） 晶体的局部滑移形成混合位错晶体的局部滑移形成混合位错 （b b） 混合位错附近原子组态的俯视图混合位错附近原子组态的俯视图31内蒙古工业大学材料科学与工程学院金属学基础内蒙古工业大学材料科学与工程学院金属学基础32内蒙古工业大学材料科学与工程学院金属学基础内蒙古工业大学材料科学与工程学院金属学基础电电镜镜观观察察到到的的位位错错Ni合金中的合金中的位错位错dislocations in Nialloy33内蒙古工业大学材料科学与工程学院金属学基础内蒙古工业大
19、学材料科学与工程学院金属学基础2 2） 柏氏矢量柏氏矢量反映位错区畸变的方向与程度反映位错区畸变的方向与程度（1 1） 包含位错线做一封闭回路包含位错线做一封闭回路 柏氏回路柏氏回路（2 2） 将同样的回路置于完整晶体中将同样的回路置于完整晶体中 不能闭合不能闭合（3 3） 补一矢量（终点指向起点）使回路闭合补一矢量（终点指向起点）使回路闭合 柏氏矢量柏氏矢量12345678910111234567891011刃位错刃位错柏氏矢量（柏氏矢量（Burgers VectorBurgers Vector）的求法）的求法34内蒙古工业大学材料科学与工程学院金属学基础内蒙古工业大学材料科学与工程学院金属
20、学基础刃型位错的柏氏回路与柏氏矢量刃型位错的柏氏回路与柏氏矢量 （a a）实际晶体的柏氏回路）实际晶体的柏氏回路（b b）完整晶体的相应回路）完整晶体的相应回路35内蒙古工业大学材料科学与工程学院金属学基础内蒙古工业大学材料科学与工程学院金属学基础（1 1） 包含位错线做一封闭回路包含位错线做一封闭回路柏氏回路柏氏回路（2 2） 将同样的回路置于完整晶体中将同样的回路置于完整晶体中不能闭合不能闭合（3 3） 补一矢量（终点指向起点）使回路闭合补一矢量（终点指向起点）使回路闭合柏氏矢量柏氏矢量121234123123411121234123123411螺位错柏氏矢量的求法螺位错柏氏矢量的求法2
21、2） 柏氏矢量柏氏矢量反映位错区畸变的方向与程度反映位错区畸变的方向与程度36内蒙古工业大学材料科学与工程学院金属学基础内蒙古工业大学材料科学与工程学院金属学基础螺型位错的柏氏回路和柏氏矢量螺型位错的柏氏回路和柏氏矢量37内蒙古工业大学材料科学与工程学院金属学基础内蒙古工业大学材料科学与工程学院金属学基础位错正、负（左、右）的确定位错正、负（左、右）的确定人为规定位错线方向人为规定位错线方向38内蒙古工业大学材料科学与工程学院金属学基础内蒙古工业大学材料科学与工程学院金属学基础位错正、负（左、右）的确定位错正、负（左、右）的确定刃位错刃位错有晶体图时用右手法则有晶体图时用右手法则 中指中指b
22、b方向，食指位错线方向，方向，食指位错线方向， 拇指：上拇指：上 正下负正下负无晶体图时用旋转法无晶体图时用旋转法 bb顺时针方向转顺时针方向转9090，与位错线，与位错线 方向：同正反负方向：同正反负LL负负正正 39内蒙古工业大学材料科学与工程学院金属学基础内蒙古工业大学材料科学与工程学院金属学基础柏氏矢量的表示方法柏氏矢量的表示方法方向：晶向指数表示方向：晶向指数表示大小：称为位错强度，可以用模表示大小：称为位错强度，可以用模表示 （模表示了晶向上原子间的距离）（模表示了晶向上原子间的距离）I全位错：柏氏矢量的模全位错：柏氏矢量的模等于等于该晶向上原子的间距该晶向上原子的间距I不全位错：
23、柏氏矢量的模不全位错：柏氏矢量的模小于小于该晶向上原子的间距该晶向上原子的间距40内蒙古工业大学材料科学与工程学院金属学基础内蒙古工业大学材料科学与工程学院金属学基础n用柏氏矢量可以用柏氏矢量可以判断位错的类型判断位错的类型位错线垂直于位错线垂直于bb刃型位错刃型位错位错线平行于位错线平行于bb螺型位错螺型位错位错线与位错线与b b成一定角度（不等于成一定角度（不等于090180270090180270）混合位错混合位错n用柏氏矢量可以表示位错区域用柏氏矢量可以表示位错区域晶格畸变总量大小晶格畸变总量大小晶体滑移量大小等于晶体滑移量大小等于b bn用柏氏矢量可以表示用柏氏矢量可以表示晶体滑移方
24、向和大小晶体滑移方向和大小晶体滑移方向与晶体滑移方向与b b的方向相同的方向相同n位错的许多性质，如位错的能量，应力场，位错受力等，位错的许多性质，如位错的能量，应力场，位错受力等，都与都与b b有关。有关。柏氏矢量的物理意义柏氏矢量的物理意义41内蒙古工业大学材料科学与工程学院金属学基础内蒙古工业大学材料科学与工程学院金属学基础一条位错线的柏氏矢量是一条位错线的柏氏矢量是恒定不变恒定不变的的柏柏氏氏矢矢量量与与回回路路起起点点选选择择无无关关，也也与与柏柏氏氏回回路路的的具具体体路径路径，大小大小无关无关柏柏氏氏矢矢量量守守恒恒。几几根根位位错错相相遇遇于于一一点点，其其方方向向朝朝着着节节
25、点点的的各各位位错错线线的的柏柏氏氏矢矢量量 b b之之和和等等于于离离开开节节点点之之和和。如如有有几几根根位位错错线线的的方方向向均均指指向向或或离离开开节节点点，则则这这些些位位错线的柏氏矢量之和值为零错线的柏氏矢量之和值为零 柏氏矢量的特征柏氏矢量的特征42内蒙古工业大学材料科学与工程学院金属学基础内蒙古工业大学材料科学与工程学院金属学基础图、三位错线相遇于一点图、三位错线相遇于一点b1=b2+b343内蒙古工业大学材料科学与工程学院金属学基础内蒙古工业大学材料科学与工程学院金属学基础图、四位错线相遇于一点图、四位错线相遇于一点44内蒙古工业大学材料科学与工程学院金属学基础内蒙古工业大
26、学材料科学与工程学院金属学基础3）位错密度）位错密度单位体积晶体中所有位错线的总长度单位体积晶体中所有位错线的总长度穿过单位截面积的位错线数目（穿过单位面积穿过单位截面积的位错线数目（穿过单位面积的位错线根数，将位错简化为直线）的位错线根数，将位错简化为直线）cm/cm31/cm245内蒙古工业大学材料科学与工程学院金属学基础内蒙古工业大学材料科学与工程学院金属学基础位错的存在，在其周围的点阵发生不同程度的位错的存在，在其周围的点阵发生不同程度的畸变畸变。中中心心部部分分畸畸变变程程度度最最为为严严重重，为为位位错错中中心心区区，这这部部分分超超出了弹性应变范围出了弹性应变范围，不讨论。，不讨
27、论。仅仅讨讨论论中中心心区区以以外外的的弹弹性性畸畸变变区区，借借助助弹弹性性连连续续介介质质模模型型讨论位错的弹性性质。讨论位错的弹性性质。与位置有关系的应力、应变、位移是位置的连续函数与位置有关系的应力、应变、位移是位置的连续函数符合虎克定律符合虎克定律介质各向同性介质各向同性4）位错的应力场）位错的应力场（Elastic Field of Dislocation） 位错的弹性行为位错的弹性行为46内蒙古工业大学材料科学与工程学院金属学基础内蒙古工业大学材料科学与工程学院金属学基础47内蒙古工业大学材料科学与工程学院金属学基础内蒙古工业大学材料科学与工程学院金属学基础螺型位错应力场螺型位错
28、应力场如如图图，在在圆圆柱柱体体内内引引入入相相当当于于螺螺型型位位错错周周围围的的应应力力场场，此此时时沿沿z轴轴的的切切应应变变为为e eq qz。 从从这这个个圆圆柱柱体体中中取取一一个个半半径径为为r的的薄薄壁壁圆圆筒筒展展开开，便便能看出能看出 e eq qz 。螺型位错周围的应变状态螺型位错周围的应变状态(模拟的模拟的)48内蒙古工业大学材料科学与工程学院金属学基础内蒙古工业大学材料科学与工程学院金属学基础沿沿z轴的切应变为轴的切应变为49内蒙古工业大学材料科学与工程学院金属学基础内蒙古工业大学材料科学与工程学院金属学基础 其中：其中：G G为切变模量为切变模量 由由于于圆圆柱柱体
29、体只只在在z z方方向向产产生生位位移移，在在x x、y y方方向向没没有有位位移移，所所以以其其余余的的应应力分量均为力分量均为0 0，即，即 螺型位错应力场螺型位错应力场50内蒙古工业大学材料科学与工程学院金属学基础内蒙古工业大学材料科学与工程学院金属学基础应力也可以用直角坐标表示：应力也可以用直角坐标表示：51内蒙古工业大学材料科学与工程学院金属学基础内蒙古工业大学材料科学与工程学院金属学基础螺型位错应力场特征：螺型位错应力场特征：1 1）只有）只有切应力切应力，无正应力，无正应力2 2） 的大小与的大小与r r呈反比呈反比，与，与G G、b b呈正比呈正比3 3） 与与 无关，所以切应
30、力是无关，所以切应力是轴对称轴对称的的 4 4）r0r0， Z Z，公式不适用于，公式不适用于r r很小的范围很小的范围 rrrr0 0时公式不适用，用量子力学理论解决。时公式不适用，用量子力学理论解决。切应力切应力 也可以用直角坐标表示：也可以用直角坐标表示：52内蒙古工业大学材料科学与工程学院金属学基础内蒙古工业大学材料科学与工程学院金属学基础刃型位错应力场刃型位错应力场刃型位错周围的应变状态刃型位错周围的应变状态53内蒙古工业大学材料科学与工程学院金属学基础内蒙古工业大学材料科学与工程学院金属学基础其中：其中：G G为切变模量，为切变模量， 为泊松比为泊松比 刃型位错应力场刃型位错应力场
31、刃型位错模型，由弹性理论求得：刃型位错模型，由弹性理论求得：54内蒙古工业大学材料科学与工程学院金属学基础内蒙古工业大学材料科学与工程学院金属学基础刃型位错应力场特征：刃型位错应力场特征：1 1）正应力、切应力正应力、切应力同时存在同时存在2 2）应力场仅为）应力场仅为x x、y y的函数，与的函数，与z z无关属于无关属于平面应力平面应力3 3） 4 4） 5 5）x= yx= y时，只有正应力，且没有时，只有正应力，且没有6 6） rrrEmES，可可见见在在晶晶体体中中最最易易于于形形成成螺螺型型位错位错。d)两两点点间间以以直直线线最最短短，所所以以直直线线位位错错比比曲曲线线位位错错
32、能能量量小小，位位错错总总有有伸伸直直趋势趋势e)位位错错存存在在导导致致内内能能升升高高，同同时时位位错错的的引引入入又又使使晶晶体体熵熵值值增增加加。由由F=E内内-TS，通通过过估估算算得得出出，因因应应变变能能而而引引起起系系统统自自由由能能的的增增加加，远远大大于于熵熵增增加加而而引引起起系系统统自自由由能能的的减减小小。故故位位错错与与空空位位不不同同，它它在在热热力力学学上上是是不不稳定的稳定的。从以上讨论可得：从以上讨论可得：66内蒙古工业大学材料科学与工程学院金属学基础内蒙古工业大学材料科学与工程学院金属学基础刚性滑移刚性滑移(Rigidity Slip in Ideal C
33、rystal)67内蒙古工业大学材料科学与工程学院金属学基础内蒙古工业大学材料科学与工程学院金属学基础地地毯毯的的运运动动68内蒙古工业大学材料科学与工程学院金属学基础内蒙古工业大学材料科学与工程学院金属学基础6）位错的运动）位错的运动A、两种方式：滑移、攀移、两种方式：滑移、攀移 a、滑移滑移 保守运动（晶体体积不变）保守运动（晶体体积不变） 位错线在滑移面上的运动，如图所示，位错线移动到晶体表位错线在滑移面上的运动，如图所示，位错线移动到晶体表面时，位错即消失，形成柏氏矢量值大小的滑移台阶。面时，位错即消失，形成柏氏矢量值大小的滑移台阶。 69内蒙古工业大学材料科学与工程学院金属学基础内蒙
34、古工业大学材料科学与工程学院金属学基础刃型位错的滑移刃型位错的滑移70内蒙古工业大学材料科学与工程学院金属学基础内蒙古工业大学材料科学与工程学院金属学基础刃型位错的滑移刃型位错的滑移71内蒙古工业大学材料科学与工程学院金属学基础内蒙古工业大学材料科学与工程学院金属学基础The motion of an edge dislocation and the production of a unit step of slip at the surface of the crystal under the action of a shearing force. 72内蒙古工业大学材料科学与工程学院金属学
35、基础内蒙古工业大学材料科学与工程学院金属学基础刃型位错的滑移刃型位错的滑移73内蒙古工业大学材料科学与工程学院金属学基础内蒙古工业大学材料科学与工程学院金属学基础螺型位错的滑移螺型位错的滑移74内蒙古工业大学材料科学与工程学院金属学基础内蒙古工业大学材料科学与工程学院金属学基础混合位错的滑移混合位错的滑移75内蒙古工业大学材料科学与工程学院金属学基础内蒙古工业大学材料科学与工程学院金属学基础位错环的滑移位错环的滑移76内蒙古工业大学材料科学与工程学院金属学基础内蒙古工业大学材料科学与工程学院金属学基础1.刃刃型型位位错错的的位位错错线线滑滑移移方方向向与与外外力力 及及柏柏氏氏矢矢量量b平行平
36、行， 正、负刃位错滑移方向相反。正、负刃位错滑移方向相反。2.螺螺型型位位错错的的位位错错线线滑滑移移方方向向与与外外力力 及及柏柏氏氏矢矢量量b垂直垂直，左、右螺型位错滑移方向相反。，左、右螺型位错滑移方向相反。3.混混合合位位错错的的位位错错线线滑滑移移方方向向与与外外力力 及及柏柏氏氏矢矢量量b成成一定角度一定角度（即沿位错线法线方向滑移）。（即沿位错线法线方向滑移）。4.晶体的滑移方向晶体的滑移方向与外力与外力 及位错的柏氏矢量及位错的柏氏矢量b相相一致一致，但并不一定与，但并不一定与位错线的滑移方向位错线的滑移方向相同。相同。（例如螺型位错、位错环）（例如螺型位错、位错环）位错滑移的
37、特点位错滑移的特点77内蒙古工业大学材料科学与工程学院金属学基础内蒙古工业大学材料科学与工程学院金属学基础b、攀移攀移非非保守运动（晶体体积改变）保守运动（晶体体积改变）指在热缺陷或外力作用下，位错线在垂直其滑移面方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。少。攀移的实质攀移的实质是多余半原子面的伸长或缩短。是多余半原子面的伸长或缩短。螺位错螺位错没没有多余半原子面，故有多余半原子面，故无攀移无攀移运动。运动。6）位错的运动）位错的运动 A、两种方式：滑移、攀移、两种方式：滑移、攀移78
38、内蒙古工业大学材料科学与工程学院金属学基础内蒙古工业大学材料科学与工程学院金属学基础刃位错攀移示意图刃位错攀移示意图（a a）正攀移正攀移（半原子面缩短）（半原子面缩短）额外半原子面下端原子扩散出去，或额外半原子面下端原子扩散出去，或与空位交换位置，位错线向上运动与空位交换位置，位错线向上运动(b)(b)未攀移未攀移（c c）负攀移负攀移 （半（半原子面伸长）原子面伸长）79内蒙古工业大学材料科学与工程学院金属学基础内蒙古工业大学材料科学与工程学院金属学基础影响攀移因素：影响攀移因素： 温度温度。 温度升高，原子扩散能力增大，攀移易于进行温度升高，原子扩散能力增大，攀移易于进行 正应力正应力。
39、 垂垂直直于于额额外外半半原原子子面面的的压压应应力力，促促进进正正攀攀移移，拉拉应应力，促进负攀移力，促进负攀移 6）位错的运动）位错的运动 A、两种方式：滑移、攀移、两种方式：滑移、攀移80内蒙古工业大学材料科学与工程学院金属学基础内蒙古工业大学材料科学与工程学院金属学基础位错的易动性，如图可见，处于位错的易动性，如图可见，处于1 1或或2 2处的位错，处的位错，其两侧原子处于对称状态，作用在位错上的原子力其两侧原子处于对称状态，作用在位错上的原子力互相抵消，位错处于低能量状态互相抵消，位错处于低能量状态6）位错的运动）位错的运动 B、位错滑移时的晶格阻力、位错滑移时的晶格阻力81内蒙古工
40、业大学材料科学与工程学院金属学基础内蒙古工业大学材料科学与工程学院金属学基础位错由位错由12经过不对称状态，位错必越过一势垒才能前进。经过不对称状态，位错必越过一势垒才能前进。位错移动受到一阻力位错移动受到一阻力点阵（晶格）阻力，又叫点阵（晶格）阻力，又叫派派纳力纳力（Peirls-Nabarro），此阻力来源于周期排列的晶体点阵。），此阻力来源于周期排列的晶体点阵。6）位错的运动）位错的运动 B、位错滑移时的晶格阻力、位错滑移时的晶格阻力82内蒙古工业大学材料科学与工程学院金属学基础内蒙古工业大学材料科学与工程学院金属学基础派派纳力（纳力（ P-NP-N）实质上是周期点阵中移动）实质上是周期
41、点阵中移动单个位错所需的临界切应力，近似计算得：单个位错所需的临界切应力，近似计算得： 式中：式中：b b为柏氏矢量的模，为柏氏矢量的模，G G：切变模量，：切变模量， ：泊松比：泊松比 WW为位错宽度，为位错宽度，W=a/1-W=a/1- ，a a为面间距为面间距6）位错的运动）位错的运动 B、位错滑移时的晶格阻力、位错滑移时的晶格阻力83内蒙古工业大学材料科学与工程学院金属学基础内蒙古工业大学材料科学与工程学院金属学基础由此可得：由此可得：1 1）通过位错滑动而使晶体滑移，）通过位错滑动而使晶体滑移， P-N P-N 较小较小 一般一般abab， 约为约为0.30.3，则，则 P-NP-N
42、为（为（1010-3 -31010-4 -4）G G， 仅为理想晶体的仅为理想晶体的1/1001/10001/1001/1000。 2 2） P-NP-N随随a a值值的的增增大大和和b b值值的的减减小小而而下下降降。可可解解释释晶晶体体滑滑移移为为什什么么多是沿着晶体中原子密度最大的面和原子密排方向进行？多是沿着晶体中原子密度最大的面和原子密排方向进行？ （在在晶晶体体中中，原原子子最最密密排排面面其其面面间间距距a a为为最最大大，原原子子最最密密排排方向其方向其b b值为最小值为最小）3 3） P-NP-N随位错宽度减小而增大随位错宽度减小而增大 可可见见总总体体上上强强化化金金属属途
43、途径径：一一是是建建立立无无位位错错状状态态，二二是是引引入入大量位错或其它障碍物，使其难以运动。大量位错或其它障碍物，使其难以运动。 84内蒙古工业大学材料科学与工程学院金属学基础内蒙古工业大学材料科学与工程学院金属学基础位错密度位错密度单位体积晶体中所有位错线的总长度单位体积晶体中所有位错线的总长度穿过单位截面积的位错线数目（穿过单位面积穿过单位截面积的位错线数目（穿过单位面积的位错线根数，将位错简化为直线）的位错线根数，将位错简化为直线）cm/cm31/cm2经过充分退火的金属中位错密度为经过充分退火的金属中位错密度为经过剧烈冷变形的金属中位错密度为经过剧烈冷变形的金属中位错密度为/cm
44、2/cm285内蒙古工业大学材料科学与工程学院金属学基础内蒙古工业大学材料科学与工程学院金属学基础电镜中位错的运动电镜中位错的运动透射电子显微镜中观察到位错的运动透射电子显微镜中观察到位错的运动dislocations movement picturesstartafterfive minutesafterten minutes86内蒙古工业大学材料科学与工程学院金属学基础内蒙古工业大学材料科学与工程学院金属学基础6）位错的运动）位错的运动 C、位错的易动性、位错的易动性n位错中心附近的原子做小于一个原子间距的运位错中心附近的原子做小于一个原子间距的运动，位错可以运动一个原子间距动，位错可以运动一个原子间距87内蒙古工业大学材料科学与工程学院金属学基础内蒙古工业大学材料科学与工程学院金属学基础
