郑大材料科学基础CH3晶体缺陷

1、授课 朱世杰2022-2-51 授课 朱世杰2022-2-52 概述概述 点缺陷点缺陷 线缺陷线缺陷 面缺陷面缺陷授课 朱世杰2022-2-53 一一. .需掌握的概念和术语需掌握的概念和术语 1 1、点缺陷、点缺陷、SchottkySchottky空位、空位、FrankelFrankel空位、间隙原子、置换空位、间隙原子、置换原子原子 2 2、线缺陷、刃型位错、螺型位错、混合型位错、柏氏矢量、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、位错运动、滑移、( (双双) )交滑移、多滑移、攀移、交割、割价、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

2、力、作用在位错上扭折、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、堆垛层错与合成、位错反应、全位错、不全位错、堆垛层错 3 3、面缺陷、表面、界面、界面能、晶界、相界、面缺陷、表面、界面、界面能、晶界、相界 4 4、关于位错的应力场、位错的应变能、线张力等可作为一、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般了解 5 5、晶界的特性、晶界的特性( (大、小角度晶界大、小角度晶界) )、孪晶界、相界的类型、孪晶界、相界的类型授课 朱世杰2022

3、-2-54 1 1、授课 朱世杰2022-2-55概概 述述 前面章节都是就理想状态的完前面章节都是就理想状态的完整晶体而言，即晶体中所有的整晶体而言，即晶体中所有的原子都在各自的平衡位置，处原子都在各自的平衡位置，处于能量最低状态。然而在实际于能量最低状态。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，而是或多或少地规则和完整，而是或多或少地存在离开理想的区域，出现不存在离开理想的区域，出现不完整性。正如我们日常生活中完整性。正如我们日常生活中见到见到玉米棒上玉米粒玉米棒上玉米粒的分布。的分布。通常把这种偏离完整性的区域通常把这种偏离完整性的区域称为称为晶体缺陷晶

4、体缺陷(crystal defect, crystalline imperfection)。 位错实验观测位错实验观测(dislocation.mpg) 图为透射电子显微镜下观察到图为透射电子显微镜下观察到不锈钢不锈钢316L(00Cr17Ni14Mo2)316L(00Cr17Ni14Mo2)的位错线与位错缠结的位错线与位错缠结授课 朱世杰2022-2-56 完美晶体完美晶体：即组成晶体的所有原子或离子都排列在晶格：即组成晶体的所有原子或离子都排列在晶格中它们自己的位置上，没有晶格空位，也没有间隙原子或离中它们自己的位置上，没有晶格空位，也没有间隙原子或离子。晶格中的原子或离子都是化学分子式中

5、的原子或离子，子。晶格中的原子或离子都是化学分子式中的原子或离子，没有外来的杂质；晶体的原子之比符合化学计量比。没有外来的杂质；晶体的原子之比符合化学计量比。 实际晶体实际晶体：与理想晶体有一些差异。如：处于晶体表面：与理想晶体有一些差异。如：处于晶体表面的原子或离子与体内的差异；晶体在形成时，常常是许多部的原子或离子与体内的差异；晶体在形成时，常常是许多部位同时成核生长，结果形成的不是单晶而是许多细小晶粒按位同时成核生长，结果形成的不是单晶而是许多细小晶粒按不规则排列组合起来的多晶体；在外界因素的作用下，原子不规则排列组合起来的多晶体；在外界因素的作用下，原子或离子脱离平衡位置和杂质原子的引

6、入等。或离子脱离平衡位置和杂质原子的引入等。 晶体缺陷的存在，破坏了完美晶体的有序性，引起晶体晶体缺陷的存在，破坏了完美晶体的有序性，引起晶体内能内能U和熵和熵S增加。增加。授课 朱世杰2022-2-57完整不一定精彩完整不一定精彩 缺憾也是一种美缺憾也是一种美! !授课 朱世杰2022-2-58 通常把晶体点阵通常把晶体点阵结构中周期性势场的畸变称为晶体的结构缺陷。结构中周期性势场的畸变称为晶体的结构缺陷。 晶体缺陷对于晶体缺陷对于晶体结构晶体结构来说规则完整排列是主来说规则完整排列是主要的要的, ,而非完整性是次要的。而非完整性是次要的。 对一些对对一些对结构敏感性能结构敏感性能来说，起主

7、要作用的是晶来说，起主要作用的是晶体的不完整性体的不完整性, ,而完整性是次要的；而完整性是次要的； 一些相变、扩散变形等都与晶体缺陷有关。一些相变、扩散变形等都与晶体缺陷有关。授课 朱世杰2022-2-59晶体结构缺陷的类型及特征晶体结构缺陷的类型及特征缺陷的缺陷的类型类型点缺陷点缺陷线缺陷线缺陷面缺陷面缺陷其特点是在三维方向上的尺寸都很小，缺陷的尺寸处在一或几个原子大小的级别，又称零维缺陷，例如空位，间隙原子和杂质原子等。其特点是仅在一维方向上的尺寸较大，而另外二维方向上的尺寸都很小，也称一维缺陷，通常是指各类位错。其特点是仅在二维方向上的尺寸较大，而另外一维方向上的尺寸很小，故也称二维缺

8、陷，例如晶体表面、晶界、亚晶界、孪晶界、亚晶界、孪晶界和相界面等。授课 朱世杰2022-2-510授课 朱世杰2022-2-511 是在晶体晶格结点上或邻是在晶体晶格结点上或邻近区域偏离其正常结构的近区域偏离其正常结构的一种缺陷，它是最简单的一种缺陷，它是最简单的晶体缺陷，晶体缺陷，在三维空间各在三维空间各个方向上尺寸都很小，范个方向上尺寸都很小，范围约为一个或几个原子尺围约为一个或几个原子尺度度。授课 朱世杰2022-2-512 离开平衡位置的原子有三个去处离开平衡位置的原子有三个去处: : 迁移到表面或内表面留下的空位。迁移到表面或内表面留下的空位。 挤入点阵间隙而形成的空位，并出挤入点阵

9、间隙而形成的空位，并出现间隙原子。现间隙原子。 授课 朱世杰2022-2-513：在晶格内原子或离子热在晶格内原子或离子热振动时，一些能量足够大的原子离开平振动时，一些能量足够大的原子离开平衡位置后，衡位置后，进入晶格点的间隙进入晶格点的间隙位置，变位置，变成间隙原子，而在原来的位置上成间隙原子，而在原来的位置上形成一形成一个空位个空位。那么晶体中将存在等浓度的晶。那么晶体中将存在等浓度的晶格空位和填隙原子，这种空位格空位和填隙原子，这种空位-间隙原间隙原子对称为子对称为Frankely缺陷缺陷。 ：如果正常格点上的原子：如果正常格点上的原子或离子，热起伏过程中获得能量离开平或离子，热起伏过程

10、中获得能量离开平衡位置，跳跃到晶体的表面，在原正常衡位置，跳跃到晶体的表面，在原正常格点上留下空位。格点上留下空位。 Frankely缺陷缺陷Schottky空位空位授课 朱世杰2022-2-514 (1)置换原子置换原子(substitutional atom)：占：占据在原来基体原子平衡位置上的异类原据在原来基体原子平衡位置上的异类原子子 。 (2) 空位空位(vacancy)：在晶格结点位置：在晶格结点位置未被占据的原子位置未被占据的原子位置 。 (3) 间隙原子间隙原子(interstital atom）晶格正晶格正常节点的的间隙中多余的原子。它们可常节点的的间隙中多余的原子。它们可能

11、是同类原子，也可能是异类原子。能是同类原子，也可能是异类原子。 (4) 杂质杂质原子原子：外来原子进入晶格，就：外来原子进入晶格，就成为晶体中的杂质。成为晶体中的杂质。 异类间隙原子异类间隙原子：原子半径很小的外来原子，外来杂质原子。：原子半径很小的外来原子，外来杂质原子。 自间隙原子自间隙原子(self-interstital atom) (同类同类)：形成弗兰克尔空位时：形成弗兰克尔空位时出现的间隙原子出现的间隙原子 。授课 朱世杰2022-2-515 高分子晶体中的点缺陷高分子晶体中的点缺陷：（：（1）分子链上的异常键结合；（）分子链上的异常键结合；（2）分子链位置发生交换；（分子链位置

12、发生交换；（3）分子链向相对方向折叠。）分子链向相对方向折叠。 离子晶体中的点缺陷离子晶体中的点缺陷：（1）Schottky缺陷：一个正负离子缺陷：一个正负离子空位对。（空位对。（2） Frenkel缺陷：一个空位间隙离子对。缺陷：一个空位间隙离子对。授课 朱世杰2022-2-516 点缺陷是热力学稳定的缺陷：点缺陷与线、面缺陷的区点缺陷是热力学稳定的缺陷：点缺陷与线、面缺陷的区别之一是后者为热力学不稳定的缺陷而在一定温度下，晶体别之一是后者为热力学不稳定的缺陷而在一定温度下，晶体中有一定平衡数量的空位和间隙原子，其数量可近似算出。中有一定平衡数量的空位和间隙原子，其数量可近似算出。 空位形成

13、空位形成时系统自由能的变化：时系统自由能的变化：F=U-TS U为内能，为内能，S为系统熵（包括振动熵为系统熵（包括振动熵SV和排列熵和排列熵SC） 空位的引入，一方面由于弹性畸变使晶体内能增加；另空位的引入，一方面由于弹性畸变使晶体内能增加；另一方面又使晶体中混乱度增加，使熵增加。而一方面又使晶体中混乱度增加，使熵增加。而熵的变化包括熵的变化包括两部分两部分： 空位改变它周围原子的振动引起振动熵，空位改变它周围原子的振动引起振动熵，SV. 空位在晶体点阵中的排列可有许多不同的几何组态，空位在晶体点阵中的排列可有许多不同的几何组态，使排列熵使排列熵SC增加。增加。授课 朱世杰2022-2-51

14、7空位-体系能量曲线授课 朱世杰2022-2-518 内能内能(Internal energy)变化变化U。n个内能为个内能为u的点缺陷使系的点缺陷使系统内能增加总量为统内能增加总量为:UnEv 空位形成能空位形成能(vacancy formation energy):形成一个空位时形成一个空位时引起系统能量的增加，记为引起系统能量的增加，记为Ev TS与组态熵变化有关：点缺陷的存在使体系混乱程度与组态熵变化有关：点缺陷的存在使体系混乱程度增大，大大增加了系统的熵值。增大，大大增加了系统的熵值。 通过热力学分析，在绝对零度以上的任何温度，晶体中通过热力学分析，在绝对零度以上的任何温度，晶体中最

15、稳定的状态是含有一定浓度的点缺陷的状态，这个浓度称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为该温度下晶体中(equilibrium consistence)。经热力学推导：经热力学推导： C与与T、Ev之间呈指数关系之间呈指数关系(下页表）。下页表）。T上升、上升、C升高升高。授课 朱世杰2022-2-519金属种类金属种类 Pb Al Mg Au Cu Pt WEv10-8J0.080.120.140.150.170.240.56C9.2 10-62.8 10-81.5 10-93.6 10-102.0 10-117.8 10-165.7 10-36 由公式可得由

16、公式可得： 晶体中空位在热力学上是稳定的，一定温度晶体中空位在热力学上是稳定的，一定温度T对应一平衡对应一平衡浓度浓度C。 C与与T呈指数关系，温度升高，空位浓度增大。呈指数关系，温度升高，空位浓度增大。 空位形成能空位形成能EV大，空位浓度小。大，空位浓度小。授课 朱世杰2022-2-520 点缺陷的运动方式点缺陷的运动方式: : (1) (1) 空位运动空位运动; ; 空位缺陷的运动实质上是原子的迁移过程，它构成了晶体空位缺陷的运动实质上是原子的迁移过程，它构成了晶体中原子传输的基础。中原子传输的基础。 (2) (2) 间隙原子迁移间隙原子迁移; ; (3) (3) 空位和间隙原子相遇，两

17、缺陷同时消失，称为空位和间隙原子相遇，两缺陷同时消失，称为 ; ; (4) (4) 逸出晶体到表面，或移到晶界，点缺陷消失逸出晶体到表面，或移到晶界，点缺陷消失。授课 朱世杰2022-2-521 无论那种点缺陷的存在，都会使其附近的原子稍微偏离原无论那种点缺陷的存在，都会使其附近的原子稍微偏离原结点位置才能平衡，即引起结点位置才能平衡，即引起(distortion of (distortion of lattice),lattice),能量升高，结构不稳定，易发生转变。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：点缺陷的存在会引起性能的变化： (1) (1)物理性质、如物

18、理性质、如R R、V V、 等；等； (2) (2)力学性能：采用力学性能：采用高温急冷高温急冷( (如淬火如淬火 quenching),quenching),大量的冷大量的冷变形变形(cold working),(cold working),高能粒子辐照高能粒子辐照(radiation)(radiation)等方法可获得等方法可获得过饱和点缺陷，如使过饱和点缺陷，如使S S提高；提高； (3) (3)影响固态相变影响固态相变, ,化学热处理化学热处理(chemical heattreatment)(chemical heattreatment)等等授课 朱世杰2022-2-522本节小节 空

19、位的类型空位的类型 空位的平衡浓度及其公式空位的平衡浓度及其公式 授课 朱世杰2022-2-523 授课 朱世杰2022-2-524是是一种线缺陷一种线缺陷,它是晶体中某它是晶体中某处一列或若干列原子发生处一列或若干列原子发生了有规律错排现象；错排了有规律错排现象；错排区是细长的管状畸变区区是细长的管状畸变区,长长度可达几百至几万个原子度可达几百至几万个原子间距间距,宽仅几个原子间距。宽仅几个原子间距。如右图是位错的一种。如右图是位错的一种。 特点特点:在一维方向的尺在一维方向的尺寸较长，另外二维方向上寸较长，另外二维方向上尺寸很小，从宏观看缺陷尺寸很小，从宏观看缺陷是线状的。从微观角度看，是

20、线状的。从微观角度看，位错是管状的。位错是管状的。授课 朱世杰2022-2-525 完整晶体滑移完整晶体滑移和和实际晶体滑移实际晶体滑移：完整晶体滑移的理论剪切强度完整晶体滑移的理论剪切强度要远高于实际晶体滑移的对应要远高于实际晶体滑移的对应强度，实验上所测得的临界切强度，实验上所测得的临界切应力远小于计算值。理论值大应力远小于计算值。理论值大了约了约100010000倍。从而促进倍。从而促进了位错理论的产生和发展。了位错理论的产生和发展。 Orowan把晶体的滑移过程比把晶体的滑移过程比喻为喻为蠕虫的运动蠕虫的运动。是上世纪材料科学最是上世纪材料科学最杰出成就之一。杰出成就之一。授课 朱世杰

21、2022-2-526理想晶体的滑移模型和刃型位错的滑移过程授课 朱世杰2022-2-527金属金属理论切应理论切应力力实验值实验值切变模量切变模量Al38300.78624400Ag39800.37225000Cu64800.49040700-Fe110002.7568950Mg26300.39316400授课 朱世杰2022-2-528 位错的类型：刃型位错（位错的类型：刃型位错（edge dislocationedge dislocation） 螺型位错（螺型位错（screw dislocationscrew dislocation） 混合位错（混合位错（mixed dislocation

22、mixed dislocation）可分解为刃型位）可分解为刃型位错分量和螺型位错分量错分量和螺型位错分量 刃型位错与螺型位错授课 朱世杰2022-2-529(1)刃型位错刃型位错(edge dislocation) 的产生的产生 授课 朱世杰2022-2-530 (2) 刃型位错的定义和立体图示刃型位错的定义和立体图示 在某一水平面以上多出了垂直方向在某一水平面以上多出了垂直方向的原子面，犹如插入的刀刃一样，称为的原子面，犹如插入的刀刃一样，称为刃型位错线刃型位错线。位错线附近区域发生了原。位错线附近区域发生了原子错排，因此称为子错排，因此称为“刃型位错刃型位错” 。 刃型位错线刃型位错线：

23、多余半原子面与滑移：多余半原子面与滑移面的交线。面的交线。(链接链接) 授课 朱世杰2022-2-531 （3 3）刃型位错特征：）刃型位错特征： 刃型位错有一个额外的（多余）半原子面。刃型位错有一个额外的（多余）半原子面。正刃型位错正刃型位错用用“”表示，表示，负刃型位错负刃型位错用用“”表示；其正负只是相对而表示；其正负只是相对而言。言。 判断用判断用右手定则右手定则：食指食指指向位错线方向，指向位错线方向，中指中指指向柏氏矢指向柏氏矢量方向，量方向，拇指拇指指向多余半原子面方向。指向多余半原子面方向。授课 朱世杰2022-2-532 刃型位错线为晶体中已滑移区与未滑移区的边界刃型位错线为

24、晶体中已滑移区与未滑移区的边界线。刃型位错线不一定是直线，可以是线。刃型位错线不一定是直线，可以是直线直线、折线折线或或曲曲线线。刃型位错线与晶体移动方向、柏氏矢量垂直。但它。刃型位错线与晶体移动方向、柏氏矢量垂直。但它必与滑移方向相垂直，也垂直于滑移矢量。必与滑移方向相垂直，也垂直于滑移矢量。不同形状的刃型位错授课 朱世杰2022-2-533 滑移面必须是同时包含有位错线和滑移矢量的平面滑移面必须是同时包含有位错线和滑移矢量的平面。由于位错线与滑移矢量互相垂直由于位错线与滑移矢量互相垂直, ,它们构成平面它们构成平面只有一个只有一个。 晶体中存在刃位错后晶体中存在刃位错后, ,位错周围的点阵

25、发生弹性畸变位错周围的点阵发生弹性畸变, ,既有正应变既有正应变, ,也有负应变也有负应变。点阵畸变相对于多余半原子面是。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。左右对称的，其程度随距位错线距离增大而减小。就正刃型就正刃型位错而言，上方晶体位错而言，上方晶体含有多余半原子面含有多余半原子面受压受压，原子间距小于，原子间距小于正常点阵常数；正常点阵常数；下方晶体不下方晶体不含有多余半原子面含有多余半原子面受拉受拉，原子间，原子间距大于正常点阵常数距大于正常点阵常数。负刃型位错与此相反。负刃型位错与此相反。 在位错线周围的畸变区每个原子具有较大的平均能量。在位错线周

26、围的畸变区每个原子具有较大的平均能量。但该区只有几个原子间距宽，但该区只有几个原子间距宽，畸变区是一个狭长的管道畸变区是一个狭长的管道。位。位错在晶体中引起的畸变在位错线中心处最大，随着离位错中错在晶体中引起的畸变在位错线中心处最大，随着离位错中心距离的增大，晶体的畸变逐渐减小。心距离的增大，晶体的畸变逐渐减小。授课 朱世杰2022-2-534 (1) (1)螺型位错的形成螺型位错的形成: :授课 朱世杰2022-2-535螺型位错示意图授课 朱世杰2022-2-536 (1) (1)螺型位错的形成螺型位错的形成: : (2)(2)螺型位错螺型位错的图示的图示 晶体中已滑移区与未滑晶体中已滑移

27、区与未滑移区的边界线（即位错线）移区的边界线（即位错线）若平行于滑移方向，则在该若平行于滑移方向，则在该处附近原子平面已扭曲为螺处附近原子平面已扭曲为螺旋面，即位错线附近的原子旋面，即位错线附近的原子是按螺旋形式排列的，这种是按螺旋形式排列的，这种晶 体 缺 陷 称 为晶 体 缺 陷 称 为 螺 型 位 错螺 型 位 错（screw dislocationscrew dislocation）。）。授课 朱世杰2022-2-537( (3)3)螺型位错的特点螺型位错的特点： 螺型位错无额外的半原子面，原子错排成轴对称。螺型位错无额外的半原子面，原子错排成轴对称。 根据螺旋前进方向可以人为定义根据

28、螺旋前进方向可以人为定义右旋螺型位错右旋螺型位错和和左左旋螺型位错旋螺型位错；左、右旋分别用；左、右旋分别用左左( (右右) )法则法则来判断：拇指来判断：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。无论将晶体如何放置都不会改变其左、为左螺旋位错。无论将晶体如何放置都不会改变其左、右的性质。右的性质。 螺旋位错线与其滑移矢量平行，故螺旋位错线与其滑移矢量平行，故纯螺位错只能是纯螺位错只能是直线直线。且与。且与位错线移动方向与晶体滑

29、移方向垂直位错线移动方向与晶体滑移方向垂直。授课 朱世杰2022-2-538晶体局部滑移造成螺型位错晶体局部滑移造成螺型位错 纯螺位错的滑移面不是唯一的纯螺位错的滑移面不是唯一的，凡包含螺型位错线的平面，凡包含螺型位错线的平面都可以作为它的滑移面；但实际上，滑移通常是在那些原子密排都可以作为它的滑移面；但实际上，滑移通常是在那些原子密排面上进行。面上进行。 螺旋位错线位错周围点阵也发生弹性畸变，但只有平行于螺旋位错线位错周围点阵也发生弹性畸变，但只有平行于位错线的切应变而无正应变，即不引起体积的膨胀和收缩；且在位错线的切应变而无正应变，即不引起体积的膨胀和收缩；且在垂直于位错线的平面投影上，看

30、不到原子的位移，看不出缺陷。垂直于位错线的平面投影上，看不到原子的位移，看不出缺陷。螺位错周围只引起切应变而无体应变。错位线周围的应力场呈轴螺位错周围只引起切应变而无体应变。错位线周围的应力场呈轴对称分布。对称分布。 位错畸变区也是几个原子位错畸变区也是几个原子间距宽度，同样是线缺陷。间距宽度，同样是线缺陷。授课 朱世杰2022-2-539晶体局部滑移造成螺型位错晶体局部滑移造成螺型位错 如果有一条螺型位错线在晶体表面露头，在露头处的如果有一条螺型位错线在晶体表面露头，在露头处的晶面上必然形成一个台阶，这个台阶不会因覆盖了一层晶面上必然形成一个台阶，这个台阶不会因覆盖了一层原子而消失，它将永远

31、存在。原子而消失，它将永远存在。 这样螺位错露头处就是晶体生长的择优点，使之能在这样螺位错露头处就是晶体生长的择优点，使之能在过饱和度不高（过饱和度不高（1%1%，根据理论计算应高达，根据理论计算应高达50%50%）的晶体蒸）的晶体蒸气压或溶液中连续不断地生长。气压或溶液中连续不断地生长。授课 朱世杰2022-2-540 p 无额外的半原子面，原子错无额外的半原子面，原子错排呈轴对称，分右旋和左旋排呈轴对称，分右旋和左旋螺型位错；螺型位错；p 一定是直线，与滑移矢量平一定是直线，与滑移矢量平行，位错线移动方向与晶体行，位错线移动方向与晶体滑移方向垂直；滑移方向垂直；p 滑移面不是唯一的，包含螺

32、滑移面不是唯一的，包含螺型位错线的平面都可以作为型位错线的平面都可以作为它的滑移面；它的滑移面；p 位错周围点阵也发生弹性畸位错周围点阵也发生弹性畸变，但只有平行于位错线的变，但只有平行于位错线的切应变而无正应变，即不引切应变而无正应变，即不引起体积的膨胀和收缩；起体积的膨胀和收缩；p 位错畸变区位错畸变区也是几个原子间也是几个原子间距宽度，同样是线位错。距宽度，同样是线位错。 刃形位错有一个额外半原刃形位错有一个额外半原子面子面; ; 刃形位错线是一个具有一刃形位错线是一个具有一定宽度的细长晶格畸变管定宽度的细长晶格畸变管道道, ,其中既有正应变其中既有正应变, ,又有又有切应变切应变; ;

33、 位错线与晶体滑移的方向位错线与晶体滑移的方向垂直垂直, ,即位错线运动的方向即位错线运动的方向垂直于位错线垂直于位错线授课 朱世杰2022-2-541 (1) (1) 混合位错混合位错（mixed dislocationmixed dislocation）的图示的图示 晶体中已滑移区与未滑移区的边界线（即位错线）晶体中已滑移区与未滑移区的边界线（即位错线）既不平行也不垂直于滑移方向，即滑移矢量与位错线成既不平行也不垂直于滑移方向，即滑移矢量与位错线成任意角度，这种晶体缺陷称为混合型位错。任意角度，这种晶体缺陷称为混合型位错。 晶体局部滑移形成混合位错晶体局部滑移形成混合位错授课 朱世杰202

34、2-2-542 (2) 混合位错特征混合位错特征:混合位错混合位错可分为刃型分量和螺型分量，可分为刃型分量和螺型分量，它们分别具有刃位错和螺位错它们分别具有刃位错和螺位错的特征。的特征。 刃刃:b ; 螺螺: b ;混合位错的原子组态授课 朱世杰2022-2-543 晶体中位错处的原子处于高能不太稳定状态，因此在切晶体中位错处的原子处于高能不太稳定状态，因此在切应力作用下原子很容易移动。含有位错晶体的滑移过程实应力作用下原子很容易移动。含有位错晶体的滑移过程实质上是位错的运动过程，此过程质上是位错的运动过程，此过程中原子实际的位移距离远中原子实际的位移距离远小于原子间距小于原子间距，这种滑移要

35、比两个相邻原子面整体相对移，这种滑移要比两个相邻原子面整体相对移动（即刚性滑移）容易得多。动（即刚性滑移）容易得多。（视频（视频dislocation motiondislocation motion）位错位错在外力作用下的运动过程。因此实际在外力作用下的运动过程。因此实际晶体滑移晶体滑移所需要的临所需要的临界切应力便远远小于刚性滑移，即晶体的实际强度比理论界切应力便远远小于刚性滑移，即晶体的实际强度比理论强度低得多。强度低得多。多个位错的运动导致晶体的宏观变形。多个位错的运动导致晶体的宏观变形。授课 朱世杰2022-2-544 用来描述位错区域原子的畸变特征（包括畸变发用来描述位错区域原子的

36、畸变特征（包括畸变发生在什么晶向以及畸变有多大）的物理参量，称为生在什么晶向以及畸变有多大）的物理参量，称为(Burgers vector)(Burgers vector)。在实际晶体中，假定有一。在实际晶体中，假定有一位错，在位错周围的位错，在位错周围的“好好”区内围绕位错线作一任意区内围绕位错线作一任意大小的闭合回路，即称为大小的闭合回路，即称为。 ，回路回路的起点是任取的，即：规定位错线指出屏幕的起点是任取的，即：规定位错线指出屏幕( (纸面纸面) )为为正，我们用右手的拇指指向位错的正向，其余四指的正，我们用右手的拇指指向位错的正向，其余四指的指向就是柏氏回路的方向。指向就是柏氏回路的

37、方向。 授课 朱世杰2022-2-545Burgers vector)： 选定位错线的正方向选定位错线的正方向( ()。一般选定出纸面的方向为位一般选定出纸面的方向为位错线的正向错线的正向。 在实际晶体中在实际晶体中避开严重畸变区避开严重畸变区作作柏氏回路柏氏回路(Burgers (Burgers circuit)circuit)，即在位错周围沿着点阵结点形成封闭回路。，即在位错周围沿着点阵结点形成封闭回路。 在完整晶在完整晶体中按体中按(2)(2)中相同方中相同方向和步数作同样大向和步数作同样大小的回路。回路不小的回路。回路不封闭，由终点向起封闭，由终点向起点作矢量即为点作矢量即为柏氏柏氏矢

38、量矢量。授课 朱世杰2022-2-546授课 朱世杰2022-2-547授课 朱世杰2022-2-548授课 朱世杰2022-2-549三种类型位错的矢量图解法 授课 朱世杰2022-2-550: :是一个反映位错性质以及由位错引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。起的晶格畸变大小的物理量。u 代表位错代表位错，并表示其特征并表示其特征（强度、畸变量）；（强度、畸变量）；表示晶体滑移表示晶体滑移的方向和大小的方向和大小，也表示出晶体滑移时原子移动的大小和方向。，也表示出晶体滑移时原子移动的大小和方向。滑移量大小为柏氏矢量滑移量大小为柏氏矢量b，滑移方向为柏氏矢量的方向。，滑

39、移方向为柏氏矢量的方向。u 反映出柏氏回路包含的位错所引起周围反映出柏氏回路包含的位错所引起周围晶体点阵畸变的总积晶体点阵畸变的总积累累。 b 越大，位错引起的晶体弹性能越高。越大，位错引起的晶体弹性能越高。u 通常将柏氏矢量称为通常将柏氏矢量称为位错强度位错强度，该矢量的模，该矢量的模|b|表示了畸变的表示了畸变的程度，称为位错强度。程度，称为位错强度。u 位错的许多性质如位错的能量、所受的力、应力场、位错反位错的许多性质如位错的能量、所受的力、应力场、位错反应等均与其有关。应等均与其有关。授课 朱世杰2022-2-551: : (1) (1) 柏氏矢量可以表示位错区域柏氏矢量可以表示位错区

40、域晶格畸变总量的大小。柏氏矢量可表示位错性质和取向晶格畸变总量的大小。柏氏矢量可表示位错性质和取向, ,即晶即晶体滑移方向体滑移方向。柏氏矢量越大。柏氏矢量越大, ,位错周围晶体畸变越严重。位错周围晶体畸变越严重。 (2) (2) 。 守恒性守恒性：一条位错线的柏氏矢量恒定不变。：一条位错线的柏氏矢量恒定不变。 位错交于一点位错交于一点：如果数条位错线交于一节点，则流入节：如果数条位错线交于一节点，则流入节点的各位错线的柏氏矢量和等于流出节点的各位错线柏氏矢量点的各位错线的柏氏矢量和等于流出节点的各位错线柏氏矢量之和，即：之和，即： 位错分解位错分解：若位错可分解，则：若位错可分解，则分解后各

41、分位错的柏氏矢量之和等于分解后各分位错的柏氏矢量之和等于原位错的柏氏矢量。原位错的柏氏矢量。b1b3b2授课 朱世杰2022-2-552 (3) (3)。即一根位错线具有唯一的柏氏。即一根位错线具有唯一的柏氏矢量。矢量。它与柏氏回路的大小和回路在位错线上的位置无关它与柏氏回路的大小和回路在位错线上的位置无关，位错在晶体中运动或改变方向时，其柏氏矢量不变。位错在晶体中运动或改变方向时，其柏氏矢量不变。 ( (4)4): : 可以形成位错环、连接于其他位错、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终止于晶界或露头于表面, ,但不能中断于晶体内。但不能中断于晶体内。 ( (5)5) 可

42、以表征位错线的可以表征位错线的性质，据性质，据柏氏矢量与位错线的取向关系柏氏矢量与位错线的取向关系可确定位错线性质。可确定位错线性质。 刃型位错刃型位错: : eebebe，右手法则判断正负。右手法则判断正负。 螺型位错螺型位错: : sbssbs，二者同向右旋二者同向右旋, ,反向左旋。反向左旋。授课 朱世杰2022-2-553 ( (6) 6) . .位错运位错运动导致晶体滑移时，滑移量大小动导致晶体滑移时，滑移量大小| |b|b|，滑移方向为柏滑移方向为柏氏矢量的方向。氏矢量的方向。 ( (7)7) 为为与柏氏矢量所构成的平与柏氏矢量所构成的平面面, ,不定不定, ,。 ( (8) 8)

43、 柏氏矢量可以定义为柏氏矢量可以定义为: :授课 朱世杰2022-2-554a 代表位错，并表示其特征（强度、畸变量）代表位错，并表示其特征（强度、畸变量）。b 判断位错的类型，确定滑移面判断位错的类型，确定滑移面。 b正刃型位错正刃型位错 负刃型位错负刃型位错 右螺型位错右螺型位错 左螺型位错左螺型位错c 表示晶体滑移的方向和大小表示晶体滑移的方向和大小。 如右图所示，确定位错线分别为刃如右图所示，确定位错线分别为刃型位错和螺型位错时扫过晶体导致的表型位错和螺型位错时扫过晶体导致的表面圆形标记的变化情况。面圆形标记的变化情况。授课 朱世杰2022-2-555 立方晶系立方晶系中对于柏氏矢量中

44、对于柏氏矢量b b沿晶向沿晶向uvwuvw的位错的位错 ，其大小成为位错强度其大小成为位错强度，用用 模表示模表示 ，模的大小表示该模的大小表示该晶向上原子间的距离晶向上原子间的距离。 六方晶系中六方晶系中: : b=b=（a/na/n）uvtwuvtw 授课 朱世杰2022-2-556基本形式基本形式: :滑移和攀移滑移和攀移 滑移（滑移（slipslip）: :是在外加切应力作用下，通过位错中是在外加切应力作用下，通过位错中心附近的原子沿柏氏矢量方向在滑移面上不断地作少量心附近的原子沿柏氏矢量方向在滑移面上不断地作少量位移（小于一个原子间距）而逐步实现的。位移（小于一个原子间距）而逐步实现

45、的。 攀移攀移（climbclimb）：）：刃型位错在垂直于滑移面方向上运刃型位错在垂直于滑移面方向上运动动. .攀移的实质是刃位错多余半原子面的扩大和缩小。攀移的实质是刃位错多余半原子面的扩大和缩小。 除滑移和攀移还有除滑移和攀移还有交割交割（cross/ interactioncross/ interaction）和和扭扭折折（kinkkink）授课 朱世杰2022-2-557位错的滑移位错的滑移 位错的滑移位错的滑移(slipping of disloction):是在外加切应力作用下，是在外加切应力作用下，通过位错中心附近的原子沿柏氏矢量方向在滑移面上不断地作通过位错中心附近的原子沿柏

46、氏矢量方向在滑移面上不断地作少量位移（小于一个原子间距）而逐步实现的。任何类型的位少量位移（小于一个原子间距）而逐步实现的。任何类型的位错均可进行滑移，任何类型的位错均可进行滑移。错均可进行滑移，任何类型的位错均可进行滑移。 刃型位错的滑移刃型位错的滑移螺型位错的滑移螺型位错的滑移授课 朱世杰2022-2-558 对纯刃型位错而言，位错的滑移沿位错线的法线方向进行。对纯刃型位错而言，位错的滑移沿位错线的法线方向进行。具有唯一的滑移面，具有唯一的滑移面，滑移面滑移面同时包含柏矢量同时包含柏矢量b b和位错线。和位错线。 、 bb、b b 、滑移方向滑移方向 、滑移方向滑移方向b b。位错沿位错沿

47、着滑移面移动，晶体滑移方向与位错运动方向一致。着滑移面移动，晶体滑移方向与位错运动方向一致。刃型位错滑移导致晶体塑性变形的刃型位错滑移导致晶体塑性变形的过程过程授课 朱世杰2022-2-559 b b、b b 、滑移方向滑移方向 、滑移方向滑移方向b b ，非单一滑移面，非单一滑移面，具具有多个滑移面。有多个滑移面。 切应力方向与位错线平行，晶切应力方向与位错线平行，晶体滑移方向与位错运动方向垂直。体滑移方向与位错运动方向垂直。螺型位错滑移导致晶体塑性变形的过程螺型位错滑移导致晶体塑性变形的过程授课 朱世杰2022-2-560 对于螺型位错，由于所有包含位错线的晶面都可以成为它对于螺型位错，由

48、于所有包含位错线的晶面都可以成为它的滑移面，因此当某一螺型位错在原滑移面上运动受阻时，有的滑移面，因此当某一螺型位错在原滑移面上运动受阻时，有可能从原滑移面转移到与之相交的另一滑移面上继续滑移，这可能从原滑移面转移到与之相交的另一滑移面上继续滑移，这一过程称为一过程称为交滑移交滑移。 如果交滑移后的位错再转回和原滑移面平行的滑移面上继如果交滑移后的位错再转回和原滑移面平行的滑移面上继续运动，则称为续运动，则称为双交滑移双交滑移。(sjhy)(sjhy)。螺位错的交滑移授课 朱世杰2022-2-561 沿位错线各点的法线方向在滑移面上扩展，滑沿位错线各点的法线方向在滑移面上扩展，滑动方向垂直于位

49、错线方向。但滑动方向与柏氏矢量动方向垂直于位错线方向。但滑动方向与柏氏矢量有夹角。有夹角。(hhwc1(hhwc1)授课 朱世杰2022-2-562 因为位错线和柏氏矢量平行，所以螺型位错可以有多因为位错线和柏氏矢量平行，所以螺型位错可以有多个滑移面，螺型位错无论在那个方向移动都是滑移。个滑移面，螺型位错无论在那个方向移动都是滑移。 晶体两部分的相对移动量决定于柏氏矢量的大小和方晶体两部分的相对移动量决定于柏氏矢量的大小和方向，与位错线的移动方向无关。向，与位错线的移动方向无关。 位错沿着滑移面的移动位错沿着滑移面的移动; ; 切应力方向与柏氏矢量一致；切应力方向与柏氏矢量一致； 晶体滑移与柏

50、氏矢量一致。晶体滑移与柏氏矢量一致。 位错线移动到晶体表面时，位错即消失，形成柏氏矢量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。值大小的滑移台阶。授课 朱世杰2022-2-563 位错的攀移位错的攀移( (climbing of disloctionclimbing of disloction) ) : :在垂直于滑在垂直于滑移面方向上运动移面方向上运动 攀移的实质攀移的实质: :刃位错多余半原子面的扩大和缩小。刃位错多余半原子面的扩大和缩小。 机制：机制：通过物质迁移即原子通过物质迁移即原子或空位的扩散来实现的。或空位的扩散来实现的。 刃位错的攀移分类和过程刃位错的攀

51、移分类和过程: :正攀移正攀移, ,向上运动向上运动( (空位加入空位加入) )；负攀移负攀移, , 向下运动向下运动( (原子加入原子加入) )。授课 朱世杰2022-2-564 注意：注意：只有刃型位错才能发生攀移只有刃型位错才能发生攀移；滑移不涉及原子扩散，；滑移不涉及原子扩散，而攀移必须而攀移必须借助原子扩散借助原子扩散；外加应力对攀移起促进作用，；外加应力对攀移起促进作用，压压( (拉拉) )促进正促进正( (负负) )攀移；攀移；高温影响位错的攀移高温影响位错的攀移 攀移运动外力需要做功，即攀移有阻力。粗略地分析，攀攀移运动外力需要做功，即攀移有阻力。粗略地分析，攀移阻力约为移阻力

52、约为Gb/5Gb/5。 螺型位错不止一个滑移面，它只能以滑移的方式运动，它螺型位错不止一个滑移面，它只能以滑移的方式运动，它是没有攀移运动的。是没有攀移运动的。 攀移为攀移为非守恒非守恒( (非保守非保守) )运动运动，滑移为，滑移为守恒守恒( (保守保守) )运动运动。 ： 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 应力。应力。半原子面侧半原子面侧) )垂直于额外关原子面的压应力有利垂直于额外关原子面的压应力有利于正攀移，拉应力有利于负攀移。拉应力，促进负攀移。于正攀移，拉应力有利于负攀移。拉应力，促进负攀移。授课 朱世杰2022-2-56

53、5 判断位错运动后判断位错运动后, ,它扫过的它扫过的两侧的位移方向两侧的位移方向：根据位错线：根据位错线的正向和柏氏矢量以及位错运的正向和柏氏矢量以及位错运动方向来确定位错扫过的两侧动方向来确定位错扫过的两侧滑动的方向。可用滑动的方向。可用判判断：断：指向位错线正方向，指向位错线正方向，指向位错运动方向，指向位错运动方向，指向沿柏氏矢量方向位移的那指向沿柏氏矢量方向位移的那一侧的晶体。一侧的晶体。授课 朱世杰2022-2-566：刃型位错的割：刃型位错的割阶为一可动的刃型位错阶为一可动的刃型位错, ,扭扭折为一可动的螺型位错。折为一可动的螺型位错。 螺型位错的割阶和扭螺型位错的割阶和扭折均为

54、刃型位错。扭折是可折均为刃型位错。扭折是可动的刃型位错动的刃型位错, ,割阶是不可割阶是不可动的刃型位错。动的刃型位错。运动的位错互相切割的过程。运动的位错互相切割的过程。 割阶：曲折段垂直于位错的滑移面时割阶：曲折段垂直于位错的滑移面时 扭折：曲折段在位错的滑移面上时扭折：曲折段在位错的滑移面上时授课 朱世杰2022-2-567 交割后要遵循柏氏矢量的一些特征。交割后要遵循柏氏矢量的一些特征。 AB AB位错被交割后位错被交割后产生产生PP割阶割阶, b2PP, PP大小和方向取大小和方向取决于决于b1，为刃型位错为刃型位错。因因XY位错与位错与ABAB位错的柏氏矢量平行，位错的柏氏矢量平行

55、，交割后在交割后在XYXY上不产生任何割阶和扭折。上不产生任何割阶和扭折。授课 朱世杰2022-2-568 AB位错与位错与XY位错的柏氏矢量分别与对方（新产生的小段）位位错的柏氏矢量分别与对方（新产生的小段）位错线平行，交割后产生错线平行，交割后产生PP为扭折，为扭折， b2PP，QQ 为扭折，为扭折， b1QQ， PP和和QQ都是螺位错。都是螺位错。授课 朱世杰2022-2-569 两柏氏矢量相互垂直的刃型位错和两柏氏矢量相互垂直的刃型位错和螺型位错交割螺型位错交割 在在AB位错上产生位错上产生MM(或或PP)为割阶为割阶, b1 MM, MM大小大小和方向取决于和方向取决于b2，为刃型位

56、错，为刃型位错。NN(或或QQ)为扭折，为扭折， b2 NN， NN大小和方向取决于大小和方向取决于b1，为刃型位错；但如果交割留下的小为刃型位错；但如果交割留下的小段位错不再原滑移面内，则是割阶。段位错不再原滑移面内，则是割阶。 刃型位错与螺型位错的交割刃型位错与螺型位错的交割位错割阶位错割阶刃型位错刃型位错位错扭折位错扭折刃型位错刃型位错授课 朱世杰2022-2-570 两柏氏矢量相互垂直的两柏氏矢量相互垂直的螺型位错交割螺型位错交割 MM MM和和NNNN均为刃型割阶。均为刃型割阶。螺型位错与螺型位错的交割螺型位错与螺型位错的交割位错割阶位错割阶刃型位错刃型位错位错割节位错割节刃型位错刃

57、型位错授课 朱世杰2022-2-571 运动位错交割后运动位错交割后, ,可以产生扭折或割阶可以产生扭折或割阶, ,其大小和其大小和方向取决与另一位错的柏氏矢量方向取决与另一位错的柏氏矢量, ,其方向平行其方向平行, ,大小为其大小为其模模, ,但具原位错的柏氏矢量。如果另一位错的柏氏矢量与但具原位错的柏氏矢量。如果另一位错的柏氏矢量与该位错线平行该位错线平行, ,则交割后该位错线不出现曲折。则交割后该位错线不出现曲折。 所有割阶都是刃位错所有割阶都是刃位错, ,而扭折可以是刃位错而扭折可以是刃位错, ,也可也可以是螺位错。交割后曲折段的方向取决与位错相对滑移以是螺位错。交割后曲折段的方向取决

58、与位错相对滑移过后引起晶体的相对位移情况。相对位移可通过右手定过后引起晶体的相对位移情况。相对位移可通过右手定则来判断。则来判断。 扭折与原位错在同一滑面上扭折与原位错在同一滑面上, ,可随主位错线一起可随主位错线一起运动运动, ,几乎不产生阻力几乎不产生阻力, ,且扭折在线张力作用下易与消失。且扭折在线张力作用下易与消失。割阶与原位错不在同一滑面上割阶与原位错不在同一滑面上, ,不能随主位错线一起运动不能随主位错线一起运动, ,成为障碍，产生成为障碍，产生。授课 朱世杰2022-2-572（1） 如果割阶如果割阶的高度只有的高度只有1 12 2个原子间距，在个原子间距，在外力足够大的条外力足

59、够大的条件下，螺形位错件下，螺形位错可以把割阶拖着可以把割阶拖着走，在割阶后面走，在割阶后面将会留下一排点将会留下一排点缺陷。缺陷。授课 朱世杰2022-2-573 （2） 如果割阶的高度很如果割阶的高度很大，能在大，能在20nm20nm以上，此时以上，此时割阶两端的位错相隔太远，割阶两端的位错相隔太远，它们之间的相互作用较小，它们之间的相互作用较小，那它们可以各自独立地在那它们可以各自独立地在各自的滑移面上滑移，并各自的滑移面上滑移，并以割阶为轴，在滑移面上以割阶为轴，在滑移面上旋转，这实际也是在晶体旋转，这实际也是在晶体中产生位错的一种方式。中产生位错的一种方式。 授课 朱世杰2022-2

60、-574（3） 如果割阶的高度介于上如果割阶的高度介于上述两种高度之间，位错不可能述两种高度之间，位错不可能拖着割阶运动。在外力作用下，拖着割阶运动。在外力作用下，割阶之间的位错线弯曲，位错割阶之间的位错线弯曲，位错前进就会在其身后留下一对拉前进就会在其身后留下一对拉长了的异号刃位错线段，也称长了的异号刃位错线段，也称为位错偶。为降低应变能，这为位错偶。为降低应变能，这种位错偶常会断开而留下一个种位错偶常会断开而留下一个长的位错环，而位错线仍恢复长的位错环，而位错线仍恢复原来带割阶的状态，而长的位原来带割阶的状态，而长的位错环又常会再进一步分裂成小错环又常会再进一步分裂成小的位错环，这也是形成