材料科学基础第7章晶体缺陷

1、晶晶 体体 缺缺 陷陷概念及分类概念及分类0点缺陷点缺陷1位错的基本知识位错的基本知识2位错的运动位错的运动3位错的生成与增殖位错的生成与增殖5位错的弹性性质位错的弹性性质4实际晶体中的位错实际晶体中的位错6缺陷的概念及分类缺陷的概念及分类平移对称性的平移对称性的示图示图 一、缺陷的概念一、缺陷的概念平移对称性的破坏平移对称性的破坏缺陷的概念及分类缺陷的概念及分类特点：特点：晶体缺陷晶体缺陷普遍存在普遍存在晶体缺陷数量上晶体缺陷数量上微不足道微不足道 例如例如，2020时，时，CuCu的空位浓度为的空位浓度为3.83.81010-17-17；充分充分退火后退火后FeFe中的位错密度为中的位错密

2、度为10101212m m-2-2。（空位、空位、位错位错都是将要都是将要介绍的缺陷形态）介绍的缺陷形态）。 对某些结构对某些结构敏感性敏感性能影响巨大能影响巨大二、缺陷的分类二、缺陷的分类缺陷的概念及分类缺陷的概念及分类 按照按照破坏区域的几何特征，缺陷可以分为四类：破坏区域的几何特征，缺陷可以分为四类： 缺陷类型缺陷类型线缺陷线缺陷面缺陷面缺陷体缺陷体缺陷点缺陷点缺陷点缺陷点缺陷(Point Defect)(Point Defect)：在三维方向上尺寸都很小，：在三维方向上尺寸都很小，又称零维缺陷。（又称零维缺陷。（空位、间隙原子及杂质原子空位、间隙原子及杂质原子等）；等）； 线缺陷线缺陷

3、(Line Defect)(Line Defect)：在空间两个方向尺寸很小，：在空间两个方向尺寸很小，一个方向尺寸较大，又称一维缺陷。（一个方向尺寸较大，又称一维缺陷。（位错位错，本章重，本章重点讨论对象）；点讨论对象）； 面缺陷面缺陷(Plane Defect)(Plane Defect)：在空间一个方向尺寸很小，：在空间一个方向尺寸很小，另两个方向尺寸较大，又称二维缺陷。（另两个方向尺寸较大，又称二维缺陷。（晶界、相界、晶界、相界、晶体表面及层错晶体表面及层错等）；等）； 体缺陷体缺陷：在三维方向上尺度都较大，又称三维缺陷。：在三维方向上尺度都较大，又称三维缺陷。（沉淀相、气孔等）。（沉

4、淀相、气孔等）。 缺陷的概念及分类缺陷的概念及分类多多晶晶体体中中的的常常见见缺缺陷陷模模拟拟图图7.1 7.1 点缺陷点缺陷(Point Defect)(Point Defect)7.1.1 7.1.1 点缺陷的形成点缺陷的形成一、点缺陷的类型一、点缺陷的类型 在点阵节点上或邻近的区域内偏离在点阵节点上或邻近的区域内偏离晶体结构，包括晶体结构，包括空位空位、自间隙原子、外来间隙原子、置换原子等、自间隙原子、外来间隙原子、置换原子等。1 1、空位空位 原子原子脱离了正常格点脱离了正常格点，在在原来的位置上留下原来的位置上留下了了空节点。空节点。2 2、间隙原子间隙原子 进入进入点阵间隙中的原点

5、阵间隙中的原子。子。7.1 7.1 点缺陷点缺陷(Point Defect)(Point Defect)空位和间隙原子作为缺陷，会引起点阵对空位和间隙原子作为缺陷，会引起点阵对称性的称性的破坏，并引起晶格畸变。破坏，并引起晶格畸变。7.1 7.1 点缺陷点缺陷(Point Defect)(Point Defect)二、点缺陷的形成二、点缺陷的形成 热运动热运动，具有足够能量的，具有足够能量的原子离开原子离开原来位置。原来位置。离位原子离位原子迁移到晶体的表面或晶界迁移到晶体的表面或晶界-肖脱基空位肖脱基空位；离位原子离位原子挤入晶体的间隙位置，在晶体内部挤入晶体的间隙位置，在晶体内部同时形同时

6、形 成成数目相等的空位和间隙原子数目相等的空位和间隙原子-弗兰克空位弗兰克空位。7.1 7.1 点缺陷点缺陷(Point Defect)(Point Defect)三三、离子晶体中的点缺陷离子晶体中的点缺陷 肖脱基缺陷：为了肖脱基缺陷：为了维持电性的中性维持电性的中性，出现，出现空位团，空位团由正离子和负离子空位空位团，空位团由正离子和负离子空位组成。组成。7.1 7.1 点缺陷点缺陷(Point Defect)(Point Defect)弗兰克缺陷：弗兰克缺陷：在离子晶体中把离子从正常在离子晶体中把离子从正常位置位置移入移入附近的间隙位置，这样就形成弗兰克缺陷附近的间隙位置，这样就形成弗兰克

7、缺陷对。对。 7.1 7.1 点缺陷点缺陷(Point Defect)(Point Defect)7.1.2 7.1.2 点缺陷的平衡浓度点缺陷的平衡浓度 晶体中出现点缺陷后，对体系存在两种相反的影响：晶体中出现点缺陷后，对体系存在两种相反的影响：造成造成点阵畸变，使晶体的内能增加，提高了系统的点阵畸变，使晶体的内能增加，提高了系统的自由能，降低了晶体的稳定性；自由能，降低了晶体的稳定性；增加了点阵排列的混乱度，系统的微观状态数目发增加了点阵排列的混乱度，系统的微观状态数目发生变化，使体系的组态熵增加，引起自由能下降生变化，使体系的组态熵增加，引起自由能下降。7.1 7.1 点缺陷点缺陷(Po

8、int Defect)(Point Defect)当内能和组当内能和组态熵达到态熵达到统一统一时，系统就达时，系统就达到平衡到平衡。由此由此确定的确定的点缺陷浓度即点缺陷浓度即为该温度下的为该温度下的平衡浓度。平衡浓度。7.1 7.1 点缺陷点缺陷(Point Defect)(Point Defect) 系统系统的自由能的自由能FUTS 设设一完整晶体中总共有一完整晶体中总共有N个同类原子排列在个同类原子排列在N个阵点上。若个阵点上。若将其中将其中n个原子从晶体内部移至晶体表面，则可形成个原子从晶体内部移至晶体表面，则可形成n个肖脱基个肖脱基空位，假定空位，假定空位的形成能为空位的形成能为Ef

9、，则晶体内能将增加，则晶体内能将增加D DUnEf。 另一方面，空位形成后，由于晶体比原来增加了另一方面，空位形成后，由于晶体比原来增加了n个空位，个空位，因此晶体的组态熵（混合熵）增大。因此晶体的组态熵（混合熵）增大。 根据统计热力学原理，组态熵可表示为：根据统计热力学原理，组态熵可表示为：Sc = klnW 其中其中k为玻尔兹曼常数为玻尔兹曼常数(1.3810-23J/K), W W为微观状态数：为微观状态数：7.1 7.1 点缺陷点缺陷(Point Defect)(Point Defect)!)!(nNnN W!)!(lnnNnNkSC 由于由于(N+n)!/(N!n!)中各项的数目都很

10、大中各项的数目都很大(Nn1)，可用斯特林可用斯特林(Stirling)近似公式近似公式lnx!xlnxx(x1时时)将上式简化：将上式简化：lnln)ln()(nnNNnNnNkScD7.1 7.1 点缺陷点缺陷(Point Defect)(Point Defect)0DTnFvfSTnnNNnNnNnkTEDlnln)ln()(0lnDvfSTnnNkTE 此时系统自由能变化此时系统自由能变化D DF：)(VcfSSTnESTUFDDDDDvfSnTnnNNnNnNkTnEDlnln)ln()( 在平衡态，自由能应为最小，即在平衡态，自由能应为最小，即:7.1 7.1 点缺陷点缺陷(Poi

11、nt Defect)(Point Defect) 将将上式中指数的分子分母同乘以阿伏加德罗常数上式中指数的分子分母同乘以阿伏加德罗常数NA：式式中中Qf为形成为形成1mol空位所需作的空位所需作的功功(空位形成激活能）空位形成激活能），R为气体常数（为气体常数（8.31J/mol）。）。 按照类似的方法，也可求得间隙原子的平衡浓度：按照类似的方法，也可求得间隙原子的平衡浓度：可得可得空位平衡浓度空位平衡浓度：exp ()/exp(/)fvfnCET SkTAEkTN D/)exp(/)exp(AAffN EkN TAQRTnCNexp(/)fAEkTnCN7.1 7.1 点缺陷点缺陷(Poin

12、t Defect)(Point Defect)缺陷类缺陷类型型形成能形成能(eV)(eV)不同温度下不同温度下FeFe中的缺陷平衡浓度中的缺陷平衡浓度5735731073107315731573空空 位位1 11010-17-171010-7-71010-4-4间隙原间隙原子子4 41010-67-671010-25-251010-15-15 间隙原子与空位相比数量可忽略不计；间隙原子与空位相比数量可忽略不计； 肖脱基空位形成远比弗兰克空位更容易。肖脱基空位形成远比弗兰克空位更容易。7.1 7.1 点缺陷点缺陷(Point Defect)(Point Defect)7.1.3 7.1.3 点缺

13、陷的运动点缺陷的运动空位迁移空位迁移7.1 7.1 点缺陷点缺陷(Point Defect)(Point Defect)间隙原子移动间隙原子移动7.1 7.1 点缺陷点缺陷(Point Defect)(Point Defect)7.1.4 7.1.4 点缺陷对材料性能的影响点缺陷对材料性能的影响1 1、电阻率的变化、电阻率的变化淬火温度淬火温度T()30050070010001500电阻率电阻率10-8 (cm)12.29012.54812.68612.81912.966 2.密度的变化密度的变化 晶体体积膨胀，密度减小。晶体体积膨胀，密度减小。 例如，形成一个肖脱基空位，晶体增加一个原子体积

14、。考虑例如，形成一个肖脱基空位，晶体增加一个原子体积。考虑空位周围原子收缩，约增大空位周围原子收缩，约增大0.5倍原子体积。倍原子体积。 一个间隙原子引起一个间隙原子引起12倍原子体积膨胀。倍原子体积膨胀。7.1 7.1 点缺陷点缺陷(Point Defect)(Point Defect)7.1.5 7.1.5 热力学非平衡点缺陷热力学非平衡点缺陷1 1、淬火：将晶体加热到、淬火：将晶体加热到高温急冷，使高温急冷，使空位在冷却过空位在冷却过程中来不及消失，在低温时保留下来，形成过饱和空程中来不及消失，在低温时保留下来，形成过饱和空位；位；2 2、辐照、辐照：高能粒子轰击，形成弗兰克缺陷。：高能

15、粒子轰击，形成弗兰克缺陷。 如如：每个直接被快中子：每个直接被快中子(1Mev)(1Mev)击中的原子，大约击中的原子，大约可产生可产生100100200200对空位和间隙原子；对空位和间隙原子；3 3、塑性变形：晶体塑性变形时，通过位错的相互作、塑性变形：晶体塑性变形时，通过位错的相互作用也可产生大量用也可产生大量的过饱和点缺陷。的过饱和点缺陷。7.2 7.2 位错位错 (Dislocation)(Dislocation)晶体生长和相变过程常常依赖位错进行晶体生长和相变过程常常依赖位错进行金刚砂晶体生长的螺线金刚砂晶体生长的螺线7.2 7.2 位错位错 (Dislocation)(Dislo

16、cation)晶体的力学性能与位错密切相关晶体的力学性能与位错密切相关7.2 7.2 位错的基本知识位错的基本知识7.2.1 7.2.1 位错概念的产生位错概念的产生 是对晶体塑性变形过程研究的结果是对晶体塑性变形过程研究的结果钴单晶形变扫描电镜图钴单晶形变扫描电镜图7.2 7.2 位错的基本知识位错的基本知识滑移系滑移系研究结果表明晶体塑性变形与晶体结构存在相关性：研究结果表明晶体塑性变形与晶体结构存在相关性： 滑移面滑移面 滑移方向滑移方向 临界切应力临界切应力：导致滑移的滑移面滑移方向上最小：导致滑移的滑移面滑移方向上最小切应力切应力。7.2 7.2 位错的基本知识位错的基本知识上述过程

17、的宏观特征：上述过程的宏观特征：上述过程的微观特征：上述过程的微观特征：7.2 7.2 位错的基本知识位错的基本知识19261926年晶体屈服强度的计算：弗兰克年晶体屈服强度的计算：弗兰克(Frenkel)(Frenkel)的刚体模型的刚体模型晶体：完整的简单结构，平行于滑移面的原子面间距为晶体：完整的简单结构，平行于滑移面的原子面间距为a a。7.2 7.2 位错的基本知识位错的基本知识假定假定t t是是x的正弦函数：的正弦函数： 其中其中t tm对应正弦函数的振幅，对应正弦函数的振幅，a是周期。是周期。t tm估计：估计： 一方面，考虑位移很小一方面，考虑位移很小( (x0)(y0)，xx

18、xx00，说明晶体受压应力；不包，说明晶体受压应力；不包含半原子面的晶体含半原子面的晶体(y0)(y00，说明晶体受拉应力。，说明晶体受拉应力。 在滑移面上（在滑移面上（y=0y=0），只有切应力，没有正应力；当），只有切应力，没有正应力；当x=0 x=0或或|x|=|y|x|=|y|时时，无切应力。，无切应力。7.7.4 4 位错的弹性性质位错的弹性性质刃位错应力分量符号与位置的关系刃位错应力分量符号与位置的关系7.7.4 4 位错的弹性性质位错的弹性性质7.4.2 7.4.2 位错的应变能位错的应变能 位错中心的能量位错中心的能量E Ec c： 点阵畸变很大，点阵模型，点阵畸变很大，点阵模

19、型，1/10-1/151/10-1/15 位错中心区域以外的能量位错中心区域以外的能量E Ee e：弹性力学理论：弹性力学理论 采用连续介质弹性力学模型根据单位长度位错所作的采用连续介质弹性力学模型根据单位长度位错所作的功功7.7.4 4 位错的弹性性质位错的弹性性质韧性位错的应变能，如图，韧性位错的应变能，如图，单位长度单位长度韧位错韧位错假设从完整晶体至目前状态逐步进行：假设从完整晶体至目前状态逐步进行：7.7.4 4 位错的弹性性质位错的弹性性质同样可得螺型位错应变能：同样可得螺型位错应变能：02ln4rRGbEseseeeEE)1 (1 考虑到一般金属的泊松比考虑到一般金属的泊松比v

20、v0.30.30.40.4，若取，若取 =1/3=1/3，则刃型位错的弹性应，则刃型位错的弹性应变能比螺型位错约大变能比螺型位错约大50%50%。7.7.4 4 位错的弹性性质位错的弹性性质对混合位错：对混合位错：02022022ln4ln4cosln)1 (4sinrRkGbrRGbrRGbEEEseeeme2cos1)1 (K，混合位错的角度因素，混合位错的角度因素，k k110.75 0.75 位错应变能与位错应变能与b b2 2成正比。因此，成正比。因此，|b|b|小的位错更稳定，因而小的位错更稳定，因而|b|b|大的位错可能分解为大的位错可能分解为|b|b|小的位错，以降低系统能量，

21、同时小的位错，以降低系统能量，同时位 错 滑 移 方 向 一 般 都 是 沿 原 子 的 密 排 方 向位 错 滑 移 方 向 一 般 都 是 沿 原 子 的 密 排 方 向 ; ; 单位长度单位长度位错应变能可进一步简化为位错应变能可进一步简化为 E=aGbE=aGb2 2 ，a a取取0.50.51 17.7.4 4 位错的弹性性质位错的弹性性质7.4.3 7.4.3 位错运动的动力和阻力位错运动的动力和阻力一、位错滑移的动力一、位错滑移的动力 位错在外切应力作用下，将会在滑移面上产生滑移运动。位错在外切应力作用下，将会在滑移面上产生滑移运动。由于位错的滑移方向总是与位错线垂直，因此，可以

22、理解为有由于位错的滑移方向总是与位错线垂直，因此，可以理解为有一垂直于位错线的力作用在位错线一垂直于位错线的力作用在位错线上。上。 如果如果作用在位错线的力为作用在位错线的力为F F，并使位错位移，并使位错位移dsds，该力做功，该力做功为为W W，则有：，则有：F = dW / ds7.7.4 4 位错的弹性性质位错的弹性性质设位错贯穿晶体长度为设位错贯穿晶体长度为l, ,当滑移当滑移dsds距离时，法向力作功为距离时，法向力作功为FdsFds。若晶体滑移面总面积为若晶体滑移面总面积为A A，位错滑移，位错滑移dsds距离使滑移区同样增加距离使滑移区同样增加dsds距离，产生的滑移量为距离，

23、产生的滑移量为 ，分切应力所作的功，分切应力所作的功 bAldsbAldsAtbldsFdstblFtblFft/单位长度位错受力：单位长度位错受力：7.7.4 4 位错的弹性性质位错的弹性性质二、位错滑移的点阵阻力二、位错滑移的点阵阻力 位错所受滑移力大于滑移的阻力时，位错就可滑动。位错位错所受滑移力大于滑移的阻力时，位错就可滑动。位错移动时受到周期性的期性的晶格阻力，称移动时受到周期性的期性的晶格阻力，称Peierls-NabarroPeierls-Nabarro力力（P-NP-N模型）。模型）。7.7.4 4 位错的弹性性质位错的弹性性质P-NP-N力相当于在理想简单立方晶体中使一刃位错

24、运动所需的临力相当于在理想简单立方晶体中使一刃位错运动所需的临近切应力。近切应力。7.7.4 4 位错的弹性性质位错的弹性性质注意：注意：7.7.4 4 位错的弹性性质位错的弹性性质7.7.4 4 位错的弹性性质位错的弹性性质7.4.4 7.4.4 位错的线张力位错的线张力 因为位错能量与位错线的长度成正比，所以它有尽可能缩因为位错能量与位错线的长度成正比，所以它有尽可能缩短其长度而降低自由能的趋势。短其长度而降低自由能的趋势。 定义：位错线增加单位长度时，引起晶体能量的增加，即，定义：位错线增加单位长度时，引起晶体能量的增加，即，单位长度位错的应变能（数量级为单位长度位错的应变能（数量级为G

25、bGb2 2）2GbT221GbT 考虑到位错通常都是弯曲的：考虑到位错通常都是弯曲的：7.7.4 4 位错的弹性性质位错的弹性性质2sin2tdTdsb22sinddrdds rGbrTb22trGbbrT2t tt t或7.7.4 4 位错的弹性性质位错的弹性性质7.4.5 7.4.5 位错间的相互作用力位错间的相互作用力1 1、平行螺位错间的力、平行螺位错间的力位错位错b b1 1在在(r(r，)处的切应力为：处的切应力为：rGbzt21显然，位错显然，位错b b2 2在在t t Z Z作用下受到的力为：作用下受到的力为：rbGbbfzrt22127.7.4 4 位错的弹性性质位错的弹性

26、性质2 2、平行刃位错间的力、平行刃位错间的力 b b1 1应力场中，应力场中，只有切应力分量只有切应力分量yxyx和正应力分量和正应力分量xxxx对位错对位错b b2 2起作用，前者驱使其沿起作用，前者驱使其沿X X轴方向滑移，后者驱使其沿轴方向滑移，后者驱使其沿Y Y轴方向攀轴方向攀移。这两个力分别为移。这两个力分别为：22222212)()()1 (2yxyxxbGbbfyxxt22222212)()3()1 (2yxyxybGbbfxxy/4/4xxyy7.7.4 4 位错的弹性性质位错的弹性性质22222212)()()1 (2yxyxxbGbbfyxxt22222212)()3()

27、1 (2yxyxybGbbfxxy同号刃性位错的交互作用同号刃性位错的交互作用 异号刃位错的交互作用异号刃位错的交互作用7.7.4 4 位错的弹性性质位错的弹性性质其他情况位错相互作用（了解）其他情况位错相互作用（了解）7.4.6 7.4.6 位错塞积位错塞积7.7.4 4 位错的弹性性质位错的弹性性质 塞积群在垂直于位错线方向的长度，对于刃型位错为塞积群在垂直于位错线方向的长度，对于刃型位错为nGb/tt (1-v)，对于螺型位错为，对于螺型位错为nGb/tt，其中，其中n为塞积群中的位错总数，为塞积群中的位错总数，t t为外加切应力（实际上应为减掉晶格阻力之后的有效切应力）。为外加切应力（

28、实际上应为减掉晶格阻力之后的有效切应力）。可见塞积群的长度正比于可见塞积群的长度正比于n，反比于，反比于t t。 当有当有n个位错被外加切应力个位错被外加切应力t t推向障碍物时，在塞积群的前端推向障碍物时，在塞积群的前端将产生将产生n倍于外力的应力集中。倍于外力的应力集中。 7.7.4 4 位错的弹性性质位错的弹性性质刃型位错塞积造成的微裂纹刃型位错塞积造成的微裂纹7.7.4 4 位错的弹性性质位错的弹性性质7.4.7 7.4.7 运动位错的交割运动位错的交割 割阶割阶 扭折扭折 1 1、两刃型位错的交割、两刃型位错的交割7.7.4 4 位错的弹性性质位错的弹性性质7.7.4 4 位错的弹性

29、性质位错的弹性性质7.7.4 4 位错的弹性性质位错的弹性性质7.7.4 4 位错的弹性性质位错的弹性性质2 2、刃型位错与螺型位错的交割、刃型位错与螺型位错的交割7.7.4 4 位错的弹性性质位错的弹性性质7.7.4 4 位错的弹性性质位错的弹性性质3 3、两螺型位错的交割、两螺型位错的交割7.7.4 4 位错的弹性性质位错的弹性性质7.7.4 4 位错的弹性性质位错的弹性性质带刃型割阶的螺型位错的运动带刃型割阶的螺型位错的运动7.7.4 4 位错的弹性性质位错的弹性性质带带刃刃型型割割阶阶的的螺螺型型位位错错的的运运动动带小割阶位错运动带小割阶位错运动带位错偶极的位错运动带位错偶极的位错运

30、动带大割阶位错运动带大割阶位错运动7.7.4 4 位错的弹性性质位错的弹性性质7.4.8 7.4.8 位错与点缺陷的交互作用位错与点缺陷的交互作用 科垂耳科垂耳(Cottrell)(Cottrell)：简化模型首：简化模型首先假定：晶体为连续弹性介质；溶先假定：晶体为连续弹性介质；溶质原子为刚球；溶质原子所引起的畸质原子为刚球；溶质原子所引起的畸变是球面对称的。变是球面对称的。( (只存在于刃位错中）只存在于刃位错中）100rrr错配度错配度 304rV DVvvGbAD)1 (3)1 ( rAU sin刃位错和溶质原子交互作用能为刃位错和溶质原子交互作用能为7.7.4 4 位错的弹性性质位错

31、的弹性性质位错与溶质原子的相互作用示意图位错与溶质原子的相互作用示意图 由于溶质原子与位错有相互作用，若温度和时间允许，它由于溶质原子与位错有相互作用，若温度和时间允许，它们将向位错附近聚集，形成溶质原子气团即所谓的们将向位错附近聚集，形成溶质原子气团即所谓的柯垂耳柯垂耳(Cottrell)(Cottrell)气团气团，使位错的运动受到限制。，使位错的运动受到限制。7.7.5 5 位错的位错的生成与增殖生成与增殖7.5.1 7.5.1 位错密度位错密度VLVSnS 严格地说严格地说v v与与s s是不同的。一般来说是不同的。一般来说v v s s。 一些实例：一些实例： 1 1、剧烈冷加工的晶

32、体：、剧烈冷加工的晶体： s s = 10 = 101616m m-2-2。 2 2、充分退火的金属晶体：、充分退火的金属晶体： s s = = 10108 810101212m m-2-2。 3 3、精心制备超纯半导体：、精心制备超纯半导体： s s = 10 = 106 6m m-2-2。即使在即使在s s=10=101616m m-2-2的情况下，则试样的任一平面上，约的情况下，则试样的任一平面上，约10001000个原子中才有一个位错露头，最终缺陷所占的比例很小。个原子中才有一个位错露头，最终缺陷所占的比例很小。 7.7.5 5 位错的位错的生成与增殖生成与增殖7.5.2 7.5.2

33、位错的生成位错的生成1 1、凝固时相位略有偏差的两部分晶体交会时由于原子错配而形、凝固时相位略有偏差的两部分晶体交会时由于原子错配而形成位错；成位错；2 2、在随后的生长及冷却过程中，由于温度梯度、成分不均、晶、在随后的生长及冷却过程中，由于温度梯度、成分不均、晶体结构变化等将导致局部应力集中，从而导致位错产生；体结构变化等将导致局部应力集中，从而导致位错产生；3 3、过饱和空位、过饱和空位聚集形成空位片，在应力作用下，可发生塌陷而聚集形成空位片，在应力作用下，可发生塌陷而在空位片周围形成位错环。在空位片周围形成位错环。7.7.5 5 位错的位错的生成与增殖生成与增殖7.5.3 7.5.3 位

34、错的增殖位错的增殖 在晶体塑性变形过程中，有大量的位错滑移出晶体表面在晶体塑性变形过程中，有大量的位错滑移出晶体表面而消失，晶体中位错数量按理将越来越少，但是实验表明，而消失，晶体中位错数量按理将越来越少，但是实验表明，塑性变形过程中位错的数量不仅没有减少，反而大大增加了，塑性变形过程中位错的数量不仅没有减少，反而大大增加了，这表明，位错在以某种方式进行增殖，这个能增殖位错的地这表明，位错在以某种方式进行增殖，这个能增殖位错的地方就是位错源。方就是位错源。7.7.5 5 位错的位错的生成与增殖生成与增殖Frank-ReadFrank-Read提出的位错增殖机制提出的位错增殖机制U U型平面源型

35、平面源7.7.5 5 位错的位错的生成与增殖生成与增殖7.7.5 5 位错的位错的生成与增殖生成与增殖Frank-ReadFrank-Read提出的位错增殖机制提出的位错增殖机制U U型平面源型平面源1 1、滑移面上存在一刃位错、滑移面上存在一刃位错DDDD；2 2、DDDD两端被钉轧；两端被钉轧；3 3、在外力作用下，、在外力作用下，DDDD开始运动；开始运动； 4 4、由于、由于D D、DD点被钉轧，位错线弯曲扩展，并会发生回转；点被钉轧，位错线弯曲扩展，并会发生回转；5 5、由于位错的柏氏矢量不变，因此弯曲回转后位错各处性质、由于位错的柏氏矢量不变，因此弯曲回转后位错各处性质发生变化；发

36、生变化；6 6、p p、q q处位错同为纯螺型位错，且旋向相反，相遇时彼此抵处位错同为纯螺型位错，且旋向相反，相遇时彼此抵消；消；7 7、形成位错环继续扩展，留下、形成位错环继续扩展，留下DDDD位错循环上述过程。位错循环上述过程。7.7.5 5 位错的位错的生成与增殖生成与增殖rGb2tlGbrGbc2t 通常通常l的数量级为的数量级为1010-4-4cmcm，b b1010-8-8cmcm，则上式给出的，则上式给出的c c约为约为1010-4-4。如果把位错源的开动看成是晶体的屈服，则。如果把位错源的开动看成是晶体的屈服，则c c就是临界分切应力，这和实际晶体的屈服强度接近。就是临界分切应

37、力，这和实际晶体的屈服强度接近。 7.7.5 5 位错的位错的生成与增殖生成与增殖单边单边F-RF-R源动作过程源动作过程 实验观察实验观察7.7.5 5 位错的位错的生成与增殖生成与增殖 双交滑移机制双交滑移机制7.6.1 7.6.1 实际晶体中位错的柏氏矢量实际晶体中位错的柏氏矢量全位错全位错单位位错单位位错不全位错不全位错分位错分位错典型晶体结构中单位位错的柏氏矢量及其大小和数量典型晶体结构中单位位错的柏氏矢量及其大小和数量结构类型结构类型简单立方简单立方面心立方面心立方体心立方体心立方密排六密排六方方柏氏矢量柏氏矢量 数数 量量36437 7.6 .6 实际晶体中的位错实际晶体中的位错

38、面心立方晶体中的全位错面心立方晶体中的全位错7 7.6 .6 实际晶体中的位错实际晶体中的位错7.6.2 7.6.2 堆垛层错堆垛层错 1.1.正常堆垛顺序正常堆垛顺序7 7.6 .6 实际晶体中的位错实际晶体中的位错面心立方结构面心立方结构面心立方晶胞面心立方晶胞密排六方结构密排六方结构7 7.6 .6 实际晶体中的位错实际晶体中的位错7 7.6 .6 实际晶体中的位错实际晶体中的位错7 7.6 .6 实际晶体中的位错实际晶体中的位错2 2、堆垛层错、堆垛层错堆垛层错：实际晶体中堆垛顺序与正常的堆垛顺序出现差异。堆垛层错：实际晶体中堆垛顺序与正常的堆垛顺序出现差异。7 7.6 .6 实际晶体

39、中的位错实际晶体中的位错抽出型层错抽出型层错插入型层错插入型层错 形成堆垛层错后并没有产生点阵畸变，也不改变最近邻关形成堆垛层错后并没有产生点阵畸变，也不改变最近邻关系，仅仅改变了原子间的次近邻关系，但是它破坏了晶体的周系，仅仅改变了原子间的次近邻关系，但是它破坏了晶体的周期性和完整性，因此也会导致晶体能量的期性和完整性，因此也会导致晶体能量的增加。增加。 这这部分增加的能量称为部分增加的能量称为层错能层错能，层错能越小，层错出现的，层错能越小，层错出现的几率越大。几率越大。7 7.6 .6 实际晶体中的位错实际晶体中的位错7.6.3 7.6.3 不全位错不全位错 如果堆垛层错不是发生在整个晶

40、面上，而是终止在晶体内如果堆垛层错不是发生在整个晶面上，而是终止在晶体内部部 ，则层错与完整晶体的交界处就存在柏氏矢量，则层错与完整晶体的交界处就存在柏氏矢量b b不等于点阵不等于点阵矢量的不全位错。矢量的不全位错。7.6 实际晶体中的位错实际晶体中的位错一、一、 肖克莱不全位错肖克莱不全位错 在在(111)(111)面上把任意一层原子面以上的部分晶体沿面上把任意一层原子面以上的部分晶体沿b b1 1方向作方向作相对滑移，这样形成的位错是全位错。相对滑移，这样形成的位错是全位错。但是这样运动能量较大，如果按如图所示的路径，分两步但是这样运动能量较大，如果按如图所示的路径，分两步滑动，引起的晶体

41、畸变要小得多。滑动，引起的晶体畸变要小得多。7.6 实际晶体中的位错实际晶体中的位错7.6 实际晶体中的位错实际晶体中的位错7.6 实际晶体中的位错实际晶体中的位错7 7.6 .6 实际晶体中的位错实际晶体中的位错肖克莱位错的特点：肖克莱位错的特点：柏氏矢量平行于层错面；柏氏矢量平行于层错面； 由于层错只能位于一个平面上，因此位错为二维曲线；由于层错只能位于一个平面上，因此位错为二维曲线； 位错位错可为刃型、螺型和可为刃型、螺型和混合型；混合型；只能滑移，造成层错面的扩大或缩小，不能攀移和交只能滑移，造成层错面的扩大或缩小，不能攀移和交滑移滑移。7.6 实际晶体中的位错实际晶体中的位错二、弗兰

42、克不全位错二、弗兰克不全位错 如果在如果在fccfcc晶体的晶体的111111面间插入或抽出半个原子面，这样面间插入或抽出半个原子面，这样形成的层错边界就是弗兰克不全位错形成的层错边界就是弗兰克不全位错。 这样这样形成的不全位错柏矢量为形成的不全位错柏矢量为 ，垂直于，垂直于111111面面( (垂垂直于层错面和位错线直于层错面和位错线) )，是纯刃型的。，是纯刃型的。 7.6 实际晶体中的位错实际晶体中的位错负弗兰克不全位错负弗兰克不全位错正弗兰克不全位错正弗兰克不全位错正弗兰克不全位错的形成正弗兰克不全位错的形成 7.6 实际晶体中的位错实际晶体中的位错负弗兰克不全位错的运动负弗兰克不全位

43、错的运动 7.6 实际晶体中的位错实际晶体中的位错7.6 实际晶体中的位错实际晶体中的位错弗兰克不全位错不能在滑移面上进行滑移，否则就要离弗兰克不全位错不能在滑移面上进行滑移，否则就要离开所在的开所在的111面，所以有时把弗兰克不全位错称为不滑面，所以有时把弗兰克不全位错称为不滑动位错。不过弗兰克不全位错能够通过点缺陷的运动沿动位错。不过弗兰克不全位错能够通过点缺陷的运动沿层错面进行攀移，使层错面扩大或缩小。层错面进行攀移，使层错面扩大或缩小。位错名称位错名称全位错全位错肖克莱位错肖克莱位错弗兰克位错弗兰克位错柏氏矢量柏氏矢量位错类型位错类型刃、螺、混刃、螺、混刃、螺、混刃、螺、混纯刃纯刃位错

44、线形状位错线形状空间曲线空间曲线111111面上任意面上任意曲线曲线111111面上任面上任意曲线意曲线可能的运动方可能的运动方式式滑移、攀移、滑移、攀移、交滑移交滑移只能滑移，不只能滑移，不能攀移、交滑能攀移、交滑移移只能攀移，不只能攀移，不能滑移能滑移1102a1126a1113a7.6 实际晶体中的位错实际晶体中的位错4 4、位错反应、位错反应位错反应：晶体中组态不稳定的位错转化为组态稳定的位错，位错反应：晶体中组态不稳定的位错转化为组态稳定的位错，或具有不同柏氏矢量的位错发生合并或分解等转换。或具有不同柏氏矢量的位错发生合并或分解等转换。两个条件：两个条件：几何条件几何条件：根据柏氏矢

45、量守恒性的要求，反应前后位错的：根据柏氏矢量守恒性的要求，反应前后位错的柏氏矢量之和应当相等，即：柏氏矢量之和应当相等，即：S Sb b前前= =S Sb b后后 能量条件能量条件：位错反应应当是一个导致系统能量降低的过程，：位错反应应当是一个导致系统能量降低的过程，因此反应后位错的总能量应当小于反应发生时的能量，由于因此反应后位错的总能量应当小于反应发生时的能量，由于位错的能量正比于位错的柏氏矢量位错的能量正比于位错的柏氏矢量b b2 2，因此，有：，因此，有：S S|b|b前前| |2 2 | |S Sb b后后| |2 2 7.6 实际晶体中的位错实际晶体中的位错5 5、扩展位错、扩展位

46、错扩展位错：分解后的这两个不全位错位于同一滑移面上，其柏扩展位错：分解后的这两个不全位错位于同一滑移面上，其柏氏矢量夹角是氏矢量夹角是6060，它们是互相排斥的，有分开的趋势，在两，它们是互相排斥的，有分开的趋势，在两个不全位错之间夹了一片层错区。通常我们将这种两个不全位个不全位错之间夹了一片层错区。通常我们将这种两个不全位错夹一个层错区的组态称之为扩展位错。错夹一个层错区的组态称之为扩展位错。7.6 实际晶体中的位错实际晶体中的位错由于层错能的存在，因此层错区的出现会导致系统能量的增加，由于层错能的存在，因此层错区的出现会导致系统能量的增加，而由全位错分解为不全位错，会降低系统能量，或者说层错能而由全位错分解为不全位错，会降低系统能量，或者说层错能与不全位错间的斥力平衡将导致扩展位错存在一个平衡宽度与不全位错