晶体缺陷复习课件

1、晶体缺陷复习晶体缺陷复习陶 杰晶体缺陷晶体缺陷n重点与难点重点与难点 n学习晶体结构缺陷理论应以位错理论为学习晶体结构缺陷理论应以位错理论为核心，注意其基本特征和基本性质（热核心，注意其基本特征和基本性质（热力学性质、弹性性质、运动性质及缺陷力学性质、弹性性质、运动性质及缺陷的产生与增殖等特质）。对于实际晶体的产生与增殖等特质）。对于实际晶体中的位错，是以面心立方点阵晶体为例中的位错，是以面心立方点阵晶体为例进行了讨论。进行了讨论。 n本章的难点则是位错周围应力场的分布本章的难点则是位错周围应力场的分布及位错间的交互作用。学习时可以从基及位错间的交互作用。学习时可以从基本概念出发加以理解，并能

2、作相应的计本概念出发加以理解，并能作相应的计算。算。基本要求n(1) 认识晶体缺陷的基本类型、基本特认识晶体缺陷的基本类型、基本特征、基本性质。注意位错线与柏氏矢量，征、基本性质。注意位错线与柏氏矢量，位错线移动方向、晶体滑移方向与外加位错线移动方向、晶体滑移方向与外加切应力方向之间的关系。切应力方向之间的关系。n(2) 了解位错的应力场和应变能，位错的了解位错的应力场和应变能，位错的增殖，塞积与交割。增殖，塞积与交割。基本要求n(3) 掌握位错反应的条件、汤普森四面体掌握位错反应的条件、汤普森四面体的应用、位错理论的应用和计算的应用、位错理论的应用和计算基本要求n(4) 熟悉下列概念和术语：

3、熟悉下列概念和术语：n点缺陷、线缺陷、面缺陷；点缺陷、线缺陷、面缺陷；n空位、间隙原子、肖脱基缺陷、弗兰克空位、间隙原子、肖脱基缺陷、弗兰克尔缺陷；尔缺陷；n刃型位错、螺型位错、混合位错、柏氏刃型位错、螺型位错、混合位错、柏氏矢量、位错密度；矢量、位错密度；n滑移、攀移、交滑移、交割滑移、攀移、交滑移、交割基本要求n位错的应力场、应变能力、线张力、作用在位错的应力场、应变能力、线张力、作用在位错上的力；位错上的力；n位错源、位错的增殖；位错源、位错的增殖；n单位位错、不全位错、堆垛层错、肖克莱位单位位错、不全位错、堆垛层错、肖克莱位错、弗兰克位错；错、弗兰克位错；n扩展位错、固定位错、可动位错

4、、位错反应；扩展位错、固定位错、可动位错、位错反应；n晶界、相界、界面能、大角度晶界、小角度晶界、相界、界面能、大角度晶界、小角度晶界、孪晶界。晶界、孪晶界。晶体缺陷教与学路径n点缺陷线缺陷面缺陷点缺陷线缺陷面缺陷定义引起的结构和能量变化定义引起的结构和能量变化运动特性材料组织和性能的影响运动特性材料组织和性能的影响位错理论n普遍性与特殊性普遍性与特殊性一般理论：针对简单立方提出的位错理论一般理论：针对简单立方提出的位错理论内容包括：内容包括：.位错的分类位错的分类.位错的运动方式位错的运动方式 3. 位错的运动规律位错的运动规律n在未考虑晶体学因素，也没有考虑原子间结合在未考虑晶体学因素，也

5、没有考虑原子间结合健和作用力等因素的前提下，位错的基本几何健和作用力等因素的前提下，位错的基本几何性质可概括如下：性质可概括如下：n（1）位错是晶体中的线缺陷，它实际上是一条细长的管状缺陷区，区内的原子严重地错排或“错配”。n（2）位错可以看成是局部滑移或局部位移区的位错可以看成是局部滑移或局部位移区的边界。边界。n（3）b b与之间的关系确定了三类位错。 b b 的大小决定了位错中心区的原子“错配度”和周围晶体的弹性变形，从而决定了能量大小。n（4）位错线必须是连续的。它或者起止于晶体表面（或晶界），或形成封闭回路（位错环），或者在结点处和其它位错相连。位错运动的v v规则(共性原理)n位错

6、线的滑移就是它在滑移面上的运动，也就是局部滑移区的扩大或缩小，位错运动面就是b b。u刃型位错和混合型位错：滑移面唯一确定u螺型位错：滑移面不确定(一般理论的结论)n就位错的运动方向而言，无论何种位错，其位错线的运动方向就是位错滑移的方向位错线的运动方向就是位错滑移的方向v v，n因而位错线的运动方向位错线的运动方向和位错线垂直（v v ）n这是位错运动的一个共性特征位错运动的一个共性特征。n即当柏氏矢量为b b的位错线沿v v方向运动时，以位错运动面为分界面，v v所指向的那部分晶体必沿着b b的方向运动,这个规则称为v v规则规则nv v规则对刃型位错、螺型位错以及混合型位错的任意运动（包

7、括滑移或攀移）都适用。位错的运动（滑移和攀移）方向（ v v ）、 运动面两边的晶体运动方向（ V V ） 以及外加应力（ ij ）之间存在对应关系:n外加剪应力和晶体相对位移方向一致。n刃型位错滑移时，包含半原子面的那部分晶体总是和半原子面（或位错线）一道运动。n攀移时，位错的运动面就是半原子面，位错的运动方向（沿滑移面法线方向）仍然和位错线垂直。n位错运动的一般理论（DE、DS、DM分别代表刃、螺和混合型位错）运动方式：运动方式：DE ：滑移、攀移；DS ：只滑移，不能攀移；DM ：可以滑移， 也可一面滑移（螺型分量滑移） 一面攀移（刃型分量攀移）。n运动面：滑移面是由b b和决定的平面，

8、即b b。DE、DM：滑移面是唯一的；DS：滑移面是不唯一的，几何学上包含位错线的任何平面都可以是滑移面；DE攀移时运动面就是垂直于滑移面的半原子面。n运动方向：不论何种位错，不论滑移、攀移或既滑移又攀移，位错线的运动方向v v始终垂直于位错线方向。n位错的运动方向v v、晶体各部分的位移方向V V和外加应力ij的关系：V V和ij的关系不言而喻，v v和ij的关系由v v规则确定。实际晶体中位错运动的特殊性肖克莱不全位错扩展位错弗兰克不全位错面角位错n位错运动的运动面：滑移面是由b b和决定的平面，即b b。DE、DM：滑移面是唯一的；DS：滑移面是不唯一的，几何学上包含位错线的任何平面都可

9、以是滑移面；(特殊性:实际晶体中的DS位错的运动必须在其密排面上,因而不是任意的,而是有限的!)DE攀移时运动面就是垂直于滑移面的半原子面。n位错的运动方向：不论何种位错，不论滑移、攀移或既滑移又攀移，位错线的运动方向v v始终垂直于位错线方向。n位错的运动方向v v、晶体各部分的位移方向V V和外加应力ij的关系：V V和ij的关系不言而喻，v v和ij的关系由v v规则确定。点缺陷线缺陷面缺陷的相互联系与转化点缺陷线缺陷面缺陷的相互联系与转化n点缺陷 过饱和点缺陷偏聚 弗兰克不全位错 点缺陷线缺陷面缺陷的相互联系与转化点缺陷线缺陷面缺陷的相互联系与转化n位错的交互作用产生割阶 在外力的作用

10、下 产生点缺陷点缺陷线缺陷面缺陷的相互联系与转化点缺陷线缺陷面缺陷的相互联系与转化n位错应力场交互作用 形成位错墙 对称倾侧晶界点缺陷线缺陷面缺陷的相互联系与转化点缺陷线缺陷面缺陷的相互联系与转化n几种晶界的位错构成点缺陷与线缺陷的交互作用n柯氏气团n铃木气团n对位错运动的阻碍点缺陷与面缺陷的交互作用n晶界偏析n对晶界迁移的阻碍缺陷运动的动力与阻力n点缺陷n线缺陷线缺陷 f=F/dl=|b| n面缺陷 1变形储能 2界面曲率 bfc缺陷的产生与控制n点缺陷热力学平衡点缺陷；过饱和点缺陷的产生n线缺陷位错增殖机制n面缺陷液相金属中晶粒大小的控制（自发形核和非自发形核、单晶生长、影响晶界迁移的因素

11、）固相金属中晶粒大小的控制（晶粒细化方法）（晶粒细化方法）缺陷引起的弹性应变能n点缺陷n线缺陷n面缺陷刃型位错的应变能rGxrcos)1 (2n为克服切应力r所作的功为： 图中刃型位错为单位长度 0200ln)1 (41)1 (200rRGbdxdrrGxdxdrWRrbRrbr 此W即为单位长度刃型位错的应变能Eee螺型位错的应变能图中螺型位错为单位长度 rGbz2单位长度螺型位错的应变能Ees：02ln4rRGbEsen当b相同时， seeeEE)1 (1Eee比Ees约大50%=0.30.4 混合型位错的应变能02022022ln4ln4cosln)1 (4sinrRkGbrRGbrRG

12、bEEEseeeme2cos1)1 (kn式中 ，称为混合位错的角度因素， 约为10.75小角界面能n由于小角晶界是有位错构成的，因此其界面能可由位错能量计算出。 n对于对称倾转晶界，设位错间距为D，取一个面积元，其面积为D1，仅含一根位错，而单位长度刃位错的能量为：nn因此单位面积上的界面能为：EBE/DEq/b bCErRGbE02ln)1 (4大角界面能大角界面能n一般大角界面 包括非共格相界面，原子排列混乱，界面原子键合受到很大破坏，具有很高的化学键能，并且不随位相差改变，约500-600mJ/m2 形成重合位置点阵后，界面能下降至300-400 mJ/m2 。大角界面能大角界面能n共格和半共格界面 共格界面化学键能不高，但界面原子发生弹性变形以维持共格，故有高的共格应变能，共格界面能主要共格应变能引起，约50-200mJ/m2。 半共格界面由共格区和位错区组成，界面能包括共格应变能、位错应变能和非共格区的化学键能，约200-500mJ/m2大角界面能大角界面能n孪晶界 对共格孪晶界，化学键能很低，应变能基本没有，界面能约20mJ