第三章晶体缺陷-2016

1、2022-4-24材料科学基础CAI课件-李克1第三章 晶体缺陷3.1 点缺陷的类型及形成点缺陷的类型及形成3.2 线缺陷（位错）类型和特征线缺陷（位错）类型和特征位错的运动：滑移和攀移、运动位错的交割（扭折与位错的运动：滑移和攀移、运动位错的交割（扭折与割阶）割阶）位错的生成原因与增殖方式位错的生成原因与增殖方式3.3 面缺陷：晶界和相界特点面缺陷：晶界和相界特点【本章主要内容】简述晶体中产生位错的主要来源。简述晶体中产生位错的主要来源。 简述晶界具有哪些特性。简述晶界具有哪些特性。 2022-4-24材料科学基础CAI课件-李克2It is the defects that makes m

2、aterials so interesting, just like the human being.Defects are at the heart of materials science.材料中材料中的缺陷的缺陷宏观缺陷：孔洞，裂纹，氧化，微观缺陷：晶体缺陷晶体缺陷非晶体缺陷-腐蚀，杂质2022-4-24材料科学基础CAI课件-李克3晶体缺陷：晶体中各种偏离理想结构的区域。晶体缺陷：晶体中各种偏离理想结构的区域。对屈服强度、断裂强度、塑性、电阻率、磁导率产生重要影响。对屈服强度、断裂强度、塑性、电阻率、磁导率产生重要影响。与扩散、相变、塑性变形、再结晶等有密切关系。与扩散、相变、塑性变形

3、、再结晶等有密切关系。根根据据几几何何特特征征分分类类点缺陷 （point defect) 三维空间的各个方向均很小零维缺陷 (zero-dimensional defect)线缺陷 （line defect) 在二个方向尺寸均很小面缺陷 （plane defect) 在一个方向上尺寸很小一维缺陷 (one-dimensional defect)二维缺陷 (two-dimensional defect)2022-4-24材料科学基础CAI课件-李克4*点缺陷分类：点缺陷分类：3.1 点缺陷点缺陷：是晶体内结点上或邻近的微观区域内偏离正常晶粒结构排列的一种缺陷。包括空位、间隙原子、溶质原子和杂质

4、原子、复合体（如：空位对、空位-溶质原子对）2022-4-24材料科学基础CAI课件-李克53.1.1、点缺陷的形成、点缺陷的形成 原因原因（1 1）热运动）热运动产生热平衡缺陷，产生与消亡达致平衡产生热平衡缺陷，产生与消亡达致平衡能量起伏=原子脱离原来的平衡位置而迁移别处=空位空位(vacancy)肖特基空位，-晶体表面弗兰克尔空位，-晶体间隙空位消失或移位（2 2）冷加工、高温淬火）冷加工、高温淬火（3 3）高能粒子辐照）高能粒子辐照- -产生过饱和缺陷产生过饱和缺陷2022-4-24材料科学基础CAI课件-李克6)/exp(RTQACf3.1.2、点缺陷的平衡浓度、点缺陷的平衡浓度- （

5、P85,86）课外课外 根据热力学原理，对空位、间隙原子平衡浓度进行推导，得到：（3.7）空位（3.8）间隙原子)kTEexp(VAC同样的温度条件下，空位平衡浓度比间隙原子浓度大得多。2022-4-24材料科学基础CAI课件-李克7点缺陷运动点缺陷运动产生与消失产生与消失相联系相联系台阶运动与台阶运动与空位扩散空位扩散Reprinted with permission from Nature (K.F. McCarty, J.A. Nobel, and N.C. Bartelt, Vacancies in Solids and the Stability of Surface Morphol

6、ogy,Nature, Vol. 412, pp. 622-625 (2001). Image is5.75 mm by 5.75 mm.)3.1.3 点缺陷的运动及其对晶体性能的影响点缺陷的运动及其对晶体性能的影响2022-4-24材料科学基础CAI课件-李克81）电阻增大4）过饱和缺陷可提高机械性能，如屈服强度3）有利于原子扩散2）体积膨胀，密度减小3.1.3、点缺陷的运动及其对晶体性能的影响、点缺陷的运动及其对晶体性能的影响空位、间隙原子的运动空位、间隙原子的运动： 1）热激活使空位运动；热运动使间隙原子运动；但一定温）热激活使空位运动；热运动使间隙原子运动；但一定温度下平衡浓度不变。度

7、下平衡浓度不变。 2）空位与间隙原子不断产生与复合，无规则布朗运动）空位与间隙原子不断产生与复合，无规则布朗运动，是，是晶体内原子的自扩散，是固态相变、表面热处理、蠕变等过程的内在机制。点缺陷对晶体性能的影响：点缺陷对晶体性能的影响：2022-4-24材料科学基础CAI课件-李克9首先，实验观察到位错的“线索”或“影子” 滑移线怎么解释？机制是什么？变形晶体表面的滑移线变形晶体表面的滑移线（一）实验观察线缺陷位错，材料科学中的有关晶体的核心概念之一；也是难懂的概念之一。对位错的认识过程：对位错的认识过程：实验观察实验观察 理论解释理论解释 实验验证实验验证3.2 位错dislocation 线

8、缺陷2022-4-24材料科学基础CAI课件-李克10 单晶体强度：理论计算值与实验之间存在巨大误差理论值：根据刚性相对滑动模型刚性相对滑动模型得到tc=103104MPa 实验值：tc=110 MPa，相差甚远 ？（二）理论解释计算中的假设：计算中的假设：1 1 完整晶体，没有缺陷完整晶体，没有缺陷2 2 整体滑动整体滑动以上假设与实际不符！应是局部滑动！以上假设与实际不符！应是局部滑动！而非整体滑动而非整体滑动假说：1934年，Taylor等提出位错的概念，认为存在着某种缺陷-位错，其模型：位错的运动（逐步传递）位错的运动（逐步传递）=晶体的逐晶体的逐步滑移步滑移，计算证实理论屈服强度接近

9、实验值。2022-4-24材料科学基础CAI课件-李克11位错的运动位错的运动-滑移，滑移，是有缺陷晶体的局部滑动1、存在着某种缺陷-位错（dislocation）2、位错的运动（逐步传递）=晶体的逐步滑移晶体的逐步滑移 小人移大毯！小人移大毯！毛毛虫的蠕动毛毛虫的蠕动日常生活和大自然的启示日常生活和大自然的启示= =2022-4-24材料科学基础CAI课件-李克12证实：依靠电子显微分析技术20世纪50年代，电镜实验观察到螺旋位错；位错等晶体缺陷因此得以成为六、位错等晶体缺陷因此得以成为六、七十年代的研究热点。七十年代的研究热点。位错理论进一步发展，用于研究固态相变，晶体的声、光、电、磁、热

10、、催化、表面性质晶体中的生长螺旋生长螺旋（三）实验验证刃型位错刃型位错2022-4-24材料科学基础CAI课件-李克13定义：定义：是原子排列的一种是原子排列的一种特殊组态特殊组态，是晶体中的线缺陷，是晶体中的线缺陷，是是滑移面上已滑动区域与未滑动区域的边界。滑移面上已滑动区域与未滑动区域的边界。位错怎么运动？位错怎么运动？运动前方：未滑动区域运动后方：已滑动区域位错在哪里？位错在哪里？3.2.1 位错的基本类型和特征分类分类：根据几何结构特征，分为刃型位错和螺型位错。：根据几何结构特征，分为刃型位错和螺型位错。两区域边界即位错所在位置两区域边界即位错所在位置晶体局部滑动的推进晶体局部滑动的推

11、进2022-4-24材料科学基础CAI课件-李克14特征特征： 1 1）额外原子面额外原子面， 刃口处的原子列称为刃口处的原子列称为位错线位错线。半原子面。半原子面在上在上, ,正刃型位错正刃型位错 ；下为负刃型位错；下为负刃型位错 2 2）位错线位错线- -滑移区域边界线。不一定滑移区域边界线。不一定是是直线，可以是折线，直线，可以是折线，也可以是曲线，也可以是曲线， 但位错线必与滑移矢量垂直。但位错线必与滑移矢量垂直。图图3.53.53 3）位错线垂直于滑移矢量位错线垂直于滑移矢量，位错线与滑移矢量构成的面，位错线与滑移矢量构成的面是滑移面，是滑移面， 刃位错的滑移面是唯一的。刃位错的滑移

12、面是唯一的。4 4）刃型位错周围的晶体产生）刃型位错周围的晶体产生点阵点阵畸变畸变，上压，上压， 下拉，下拉， 半半原子面是对称的，原子面是对称的， 位错线附近畸变大，位错线附近畸变大， 远处畸变小。远处畸变小。 5 5）位错周围的）位错周围的畸变区一般只有几个原子宽畸变区一般只有几个原子宽（一般点阵畸（一般点阵畸变程度大于其正常原子间距的变程度大于其正常原子间距的1/41/4的区域宽度，的区域宽度， 定义为位定义为位错宽度，错宽度， 约约2525个原子间距。）个原子间距。）* * 畸变区是狭长的管道，畸变区是狭长的管道， 故位错可看成是线缺陷。故位错可看成是线缺陷。1. 刃型位错 edgee

13、dge dislocation2022-4-24材料科学基础CAI课件-李克152. 螺型位错 screwscrew dislocation 1 1）无额外半原子面无额外半原子面， 原子错排是轴对称的；原子错排是轴对称的；2 2）分左分左、右、右螺旋位错螺旋位错，分别分别符合左手法则符合左手法则和和右右手法则手法则3 3）位错线与滑移矢量平行位错线与滑移矢量平行，且为直线，且为直线，因此因此滑移面非唯一，滑移面非唯一，凡是包含螺型凡是包含螺型位错线的晶面都可为滑移面位错线的晶面都可为滑移面（bbbb）。4 4）点阵畸变点阵畸变引起平行于位错线的引起平行于位错线的切应变，无正应变切应变，无正应变

14、。5 5）螺型位错是包含几个原子宽度的线缺陷，位错线附近畸变程度高。）螺型位错是包含几个原子宽度的线缺陷，位错线附近畸变程度高。位错线位错线bb：已滑移区和未滑移区的边界线：已滑移区和未滑移区的边界线特征：特征：2022-4-24材料科学基础CAI课件-李克163.混合位错 A处是螺型位错处是螺型位错C处是刃型位错处是刃型位错A、C之间是混合位错之间是混合位错位错特性：位错线是滑移面上位错特性：位错线是滑移面上已滑动区域与未滑动区域的边已滑动区域与未滑动区域的边界，因此界，因此位错线不能终止于晶位错线不能终止于晶体内部，只能露头于晶体表面体内部，只能露头于晶体表面。2022-4-24材料科学基

15、础CAI课件-李克173.2.2 柏氏矢量（Burgers Vector ）柏氏矢量：描述位错并表征不同类型位错特征。柏氏矢量：描述位错并表征不同类型位错特征。两个矢量：表征位错的几何特征两个矢量：表征位错的几何特征-线缺陷线缺陷位错线方向矢量（切矢量）位错线方向矢量（切矢量）滑移矢量滑移矢量（柏氏矢量）（柏氏矢量）指明滑移方向指明滑移方向，不是，不是位错运动方向位错运动方向2022-4-24材料科学基础CAI课件-李克181。首先，在实际晶体实际晶体中选定位错的正向 ； (出纸面的方向)2。然后绕位错线周围作右旋闭合回路-柏氏回路柏氏回路；在不含有位错的完整晶体完整晶体中作同样步数和方向同样

16、步数和方向的路径，3。由终点向始点引一矢量，即为此位错线的柏氏矢量，记为 b1、柏氏矢量的确定方法：柏氏回路法起点M终点Q图图3.9 3.9 刃型位错刃型位错指明刃型位错滑移方向指明刃型位错滑移方向2022-4-24材料科学基础CAI课件-李克19图图3.10 3.10 螺型位错螺型位错1、实际晶体实际晶体中选定位错的正向 ； (出纸面的方向)2、绕位错线周围作右旋闭合回路-柏氏回路柏氏回路；在不含有位错的完整晶体完整晶体中作同样步数和方向同样步数和方向的路径，3、由终点向始点引一矢量，即为此位错线的柏氏矢量，记为 b指明螺型位错滑移方向指明螺型位错滑移方向2022-4-24材料科学基础CAI

17、课件-李克20图3.11 各种位错的柏氏矢量-图解法edgescrew2022-4-24材料科学基础CAI课件-李克21图图3.7 3.7 混合位错的柏氏矢量混合位错的柏氏矢量 滑移矢量既不平行也不垂直滑移矢量既不平行也不垂直于位错线，于位错线， 而是与位错线相而是与位错线相交成任意角度，一般情况下交成任意角度，一般情况下混合位错为曲线形式，混合位错为曲线形式， 故每故每一点的滑移矢量与位错线的一点的滑移矢量与位错线的交角不同。交角不同。 其中其中指明混合位错的滑移方向指明混合位错的滑移方向2022-4-24材料科学基础CAI课件-李克22(1)物理意义：一方面，反映位错周围点阵畸变的物理意义

18、：一方面，反映位错周围点阵畸变的总积累总积累（包括强度和（包括强度和方向）；另一方面，该矢量的方向表示位错运动导致晶体滑移的方向）；另一方面，该矢量的方向表示位错运动导致晶体滑移的方向方向。 矢量的模矢量的模表示畸变的表示畸变的程度，程度，称为位错的强度。称为位错的强度。 只要存在位错，其柏氏矢量一定不为零。只要存在位错，其柏氏矢量一定不为零。(2)守恒性守恒性：不随移动而变化。：不随移动而变化。与柏氏回路起点的选择无关，与柏氏回路起点的选择无关， 也与回也与回路的具体途径无关路的具体途径无关(3)唯一性唯一性：一根位错线具有唯一柏氏矢量：一根位错线具有唯一柏氏矢量，其各处的柏氏矢量都相同，其

19、各处的柏氏矢量都相同，且当位错运动时，其柏氏矢量也不变。且当位错运动时，其柏氏矢量也不变。(4)连续性连续性：位错线是滑移面上已滑动区域与未滑动区域的边界，位错位错线是滑移面上已滑动区域与未滑动区域的边界，位错线一头只能线一头只能终止终止在晶体表面或界面上，在晶体表面或界面上， 而不能中止于晶体内部（单晶而不能中止于晶体内部（单晶和多晶）；在晶体内部它只能形成封闭的环线和多晶）；在晶体内部它只能形成封闭的环线（位错环，图（位错环，图3.8）或或与其他位错相交于结点上。与其他位错相交于结点上。2、柏氏矢量的特性2022-4-24材料科学基础CAI课件-李克23 柏氏矢量的大小和方向可用它在晶轴上

20、的分量-点阵矢量 来表示 在立方晶体中， 可用与b同向的晶向指数来表示： 3、柏氏矢量的表示法（略）222wvunab位错强度位错合并反映位错周围点阵畸变的程度（能量），倾向于分解为能量更低的状态。反映位错周围点阵畸变的程度（能量），倾向于分解为能量更低的状态。对于对于2022-4-24材料科学基础CAI课件-李克241、位错的滑移、位错的滑移滑滑 移：在外加切应力的作用下，通过位错中心附近的原子沿柏氏移：在外加切应力的作用下，通过位错中心附近的原子沿柏氏矢量方向在滑移面上，不断地作少量的位移（小于一个原子间距）矢量方向在滑移面上，不断地作少量的位移（小于一个原子间距）3.2.3 位错的运动人

21、们为什么对位错感兴趣？人们为什么对位错感兴趣？l大量位错在晶体中的运动大量位错在晶体中的运动 =晶体宏观塑性变形晶体宏观塑性变形l力学性能如强度、塑性、断裂都与位错运动有关，因此力学性能如强度、塑性、断裂都与位错运动有关，因此要掌握其规律要掌握其规律位错运动的两种基本形式：位错运动的两种基本形式：滑移、攀移滑移、攀移（相对滑移面运动）（相对滑移面运动）名词解释P942022-4-24材料科学基础CAI课件-李克25滑移时，刃型位错的运动方向始终垂直于位错线，而平行于滑移时，刃型位错的运动方向始终垂直于位错线，而平行于柏氏矢量柏氏矢量位错线与滑移矢量（柏氏矢量）构成的面是位错线与滑移矢量（柏氏矢

22、量）构成的面是滑移面。滑移面。位错线与滑移矢量垂直，因此刃型位错的滑移仅限于单一的位错线与滑移矢量垂直，因此刃型位错的滑移仅限于单一的滑移面上滑移面上刃型位错的滑移刃型位错的滑移：板书：板书：P94在外加切应力的作用下，通过位错中心附近的原子沿柏氏矢量方向在外加切应力的作用下，通过位错中心附近的原子沿柏氏矢量方向在滑移面上，不断地作少量的位移（小于一个原子间距）在滑移面上，不断地作少量的位移（小于一个原子间距）2022-4-24材料科学基础CAI课件-李克26位错线与滑移矢量平行，因此螺型位错的滑移不仅限于单一的位错线与滑移矢量平行，因此螺型位错的滑移不仅限于单一的滑移面上，凡是以螺型位错为晶

23、带轴的晶带面都可以为滑移面滑移面上，凡是以螺型位错为晶带轴的晶带面都可以为滑移面-（共带面）（共带面）滑移时，螺型位错线的运动方向，垂直于位错线和柏氏矢量滑移时，螺型位错线的运动方向，垂直于位错线和柏氏矢量螺型位错的滑移：螺型位错的滑移： P952022-4-24材料科学基础CAI课件-李克27螺型位错的滑移不仅限于螺型位错的滑移不仅限于单一的滑移面上单一的滑移面上滑移时螺型位错线的运动滑移时螺型位错线的运动方向垂直于位错线和柏氏方向垂直于位错线和柏氏矢量矢量螺型位错螺型位错滑移时刃型位错的运动方滑移时刃型位错的运动方向始终垂直于位错线，而向始终垂直于位错线，而平行于柏氏矢量平行于柏氏矢量刃型

24、位错的滑移仅限于单刃型位错的滑移仅限于单一的滑移面上一的滑移面上螺型位错螺型位错2022-4-24材料科学基础CAI课件-李克28位错有一定宽度，位错滑移一个b时，位错中原子各移动一小距离。宽位错更容易移动！位错线各部分的运动方向不一致！混合位错的滑移：P952022-4-24材料科学基础CAI课件-李克29螺型位错的交滑移螺型位错的交滑移：当某一螺型位错在原滑移面上运动受阻时，从原滑移面转移到与之相交的另一滑移面上去继续滑移的过程。是滑移的一种特殊方式。滑移受阻后，滑移面的转移涉及多个滑移面。滑移受阻后，滑移面的转移涉及多个滑移面。名词解释图图3.17双交滑移双交滑移：交滑移的位错再次转回到

25、原滑移面上继续运动。是特殊的交滑移。P95螺型位错的滑移不仅限于单一的滑移面上螺型位错的滑移不仅限于单一的滑移面上2022-4-24材料科学基础CAI课件-李克302、刃型位错的攀、刃型位错的攀移移攀移：刃型位错攀移：刃型位错滑移面滑移面 多余半原子面的扩大或缩小多余半原子面的扩大或缩小 原子或原子或空位的扩散空位的扩散特点：特点：(1) 有物质迁移有物质迁移-“非守恒运动非守恒运动” ，滑移则为，滑移则为“守恒运动守恒运动”；扩散需要热扩散需要热激活，比滑移需要更大的能量。因此，高温下更容易产生攀移。激活，比滑移需要更大的能量。因此，高温下更容易产生攀移。(2) 高温淬火、冷变形等产生过饱和

26、空位、间隙原子，有利于攀移进行。高温淬火、冷变形等产生过饱和空位、间隙原子，有利于攀移进行。 P962022-4-24材料科学基础CAI课件-李克31 思考：螺型位错是否能发生攀移？为什么？螺型位错是否能发生攀移？为什么？螺型位错没有多余的半原子面，所以不发生攀移螺型位错没有多余的半原子面，所以不发生攀移2、刃型位错的攀、刃型位错的攀移移2022-4-24材料科学基础CAI课件-李克323、位错运动过程中的相互作用、位错运动过程中的相互作用-交割交割交割：位错与穿过其滑移面的位错彼此切割交割：位错与穿过其滑移面的位错彼此切割两种结果：割阶与扭折两种结果：割阶与扭折 Jog and KinkJo

27、g and Kink位错运动受阻位错运动受阻部分原子列先滑移，滑移不一致部分原子列先滑移，滑移不一致形成曲折线段形成曲折线段P96-97线段在滑移面上线段在滑移面上扭折；扭折；线段垂直滑移面线段垂直滑移面割阶。割阶。刃型位错的攀移，会刃型位错的攀移，会产生割阶还是扭折？产生割阶还是扭折？2022-4-24材料科学基础CAI课件-李克33n割阶：所有的割阶都是刃位错；割阶：所有的割阶都是刃位错；n扭折：螺型位错的扭折是刃位错，刃型位错的扭折是螺位扭折：螺型位错的扭折是刃位错，刃型位错的扭折是螺位错。错。交割的意义：对位错的运动产生阻碍，使位错增殖，有利于交割的意义：对位错的运动产生阻碍，使位错增

28、殖，有利于晶体强化、空位和间隙原子的产生。晶体强化、空位和间隙原子的产生。2022-4-24材料科学基础CAI课件-李克34割阶：刃型位错的攀移，割阶：刃型位错的攀移，导致材料的硬化导致材料的硬化割阶的三种情况：割阶的三种情况：1。高度。高度1-2b，拖着走，拖着走，一排一排点缺陷点缺陷2。几个。几个b-20nm，形成位错偶。，形成位错偶。3。20nm，各自旋转，各自旋转2022-4-24材料科学基础CAI课件-李克353.2.4 位错的弹性性质（略）P99考研自学位错的能量、相互作用力、位错与晶体其它缺陷位错的能量、相互作用力、位错与晶体其它缺陷的相互作用等。的相互作用等。2022-4-24

29、材料科学基础CAI课件-李克363.2.5 位错的生成和增殖位错密度：单位体积中所含位错线的总长度 r = L/V （1/cm2）（1） r= nl/lA = n/A （2） （实际计算结果：面积A中 位错线数目n） （2）（1） 金属晶体中的位错密度位错密度 超纯金属单晶体：超纯金属单晶体：成分不同=先后形成的晶体点阵常数不同=位错作为过渡 b、温度浓度梯度、振动温度浓度梯度、振动=生长晶体偏转、弯曲=位相差=位错过渡(刃型位错构成的小角度晶界) c、相邻晶粒碰撞、体积变化、热应力相邻晶粒碰撞、体积变化、热应力=台阶或变形=产生位错(小平面生长螺型位错形成)快速凝固快速凝固 ( (冷速较高情

30、况冷速较高情况) ) =过饱和空位过饱和空位=聚集聚集=位错位错固相当中固相当中界面和微裂纹附近界面和微裂纹附近的的热应力和组织应力热应力和组织应力=应力集中应力集中=局部滑局部滑移移=位错位错晶体内部原始位错的生成原因有哪些？晶体内部原始位错的生成原因有哪些？塑性变形是产生位错、使位错增加的更重要原因！塑性变形是产生位错、使位错增加的更重要原因！P108重要2022-4-24材料科学基础CAI课件-李克383、原始位错的增殖原因-塑性变形 事实上：位错密度增加，可达事实上：位错密度增加，可达4-5 4-5 个数量级，个数量级，因此，必有位错增殖！因此，必有位错增殖！ 理论上，位错滑移到表面理

31、论上，位错滑移到表面=宏观变形宏观变形 （会不会使位错减少？）（会不会使位错减少？） 三种增殖机制：a、Frank-Read 位错源b、双交滑移增殖c、攀移增殖 P1082022-4-24材料科学基础CAI课件-李克39图图3.34 F-R源动作过程源动作过程首先，刃型位错首先，刃型位错AB的两端的两端A和和B被位错用被位错用结点钉扎住。外力作用下弯曲形成结点钉扎住。外力作用下弯曲形成混合位混合位错错。m,n两处位错线靠近时，与两处位错线靠近时，与b方向平行方向平行，同属同属纯螺型位错纯螺型位错，性质恰好相反，性质恰好相反，两者相两者相遇时，彼此便会抵消遇时，彼此便会抵消，这使原来整根位错，这

32、使原来整根位错线断开成两部分，外面为封闭的位错环，线断开成两部分，外面为封闭的位错环，里面为一段连接里面为一段连接A和和B的位错线，在线张的位错线，在线张力作用下变直恢复到原始状态。力作用下变直恢复到原始状态。在外力的继续作用下重复上述过程，每重在外力的继续作用下重复上述过程，每重复一次就产生一个位错环，从而造成位错复一次就产生一个位错环，从而造成位错的增殖，并使晶体产生可观的滑移量。的增殖，并使晶体产生可观的滑移量。FR位错增殖机制已为实验所证实位错增殖机制已为实验所证实：Si、Ge、Al-Cu晶体中观察到晶体中观察到a、主要增殖机制：Frank-Read 位错源 m nP1092022-4

33、-24材料科学基础CAI课件-李克40b、螺型位错的双交滑移增殖螺型位错通过交滑移形成螺型位错通过交滑移形成刃型割阶刃型割阶BDBD、ACAC，不能与位错，不能与位错CDCD同向同向运动，使之钉扎形成运动，使之钉扎形成F-RF-R源源；CDCD有时转移到第三个滑移面上有时转移到第三个滑移面上这种方式比单纯的这种方式比单纯的Frank-ReadFrank-Read源增殖更有效源增殖更有效! !图3.35P109图3.172022-4-24材料科学基础CAI课件-李克413.2.6 实际晶体结构中的位错（内容较多，略）自学，考研可能重要！ 简单立方晶体：柏氏矢量 = 点阵矢量 实际晶体：柏氏矢量

34、= ，, 点阵矢量 全位错（perfect dislocation：柏氏矢量 = n*点阵矢量 n=1时: 单位位错 不全位错（imperfect dislocation): 柏氏矢量 != n* 点阵矢量 n1时: 部分位错(partial dislocation)1、实际晶体中位错的柏氏矢量2022-4-24材料科学基础CAI课件-李克423.3 表面及界面（surface and interface）界面：界面：包括外表面（自由表面）和内界面包括外表面（自由表面）和内界面外表面外表面：固体与气体或液体的分界面。：固体与气体或液体的分界面。与摩擦、与摩擦、氧化、腐蚀、催化、吸附等相关。对于

35、低维纳氧化、腐蚀、催化、吸附等相关。对于低维纳米材料尤其很重要米材料尤其很重要内界面内界面：晶粒边界、晶粒内的亚晶界、孪晶界、：晶粒边界、晶粒内的亚晶界、孪晶界、层错、相界面（不同结构，如固溶体与中间相层错、相界面（不同结构，如固溶体与中间相的界面）的界面）界面界面厚度为厚度为几个原子层厚，原子排几个原子层厚，原子排列、化学成分不同于内部列、化学成分不同于内部二维面缺陷二维面缺陷界面对力学、物化性能产生重要影响。界面对力学、物化性能产生重要影响。2022-4-24材料科学基础CAI课件-李克433.3.1 外表面表面特征：表面特征：环境环境与晶体内部原子不一样。与晶体内部原子不一样。能量能量比

36、内部偏高。比内部偏高。成分偏析、表面吸附等，导致表层原子结合成分偏析、表面吸附等，导致表层原子结合键与晶体内部的差异，引起点阵畸变，能量偏离平衡状态。键与晶体内部的差异，引起点阵畸变，能量偏离平衡状态。. .iT V UdWdA恒温恒容，组温恒容，组元化学位不变被割断的化学键数目能量每个键形成了新的表面表面能定义表面能定义：形成单位面积的新表面所需做的功形成单位面积的新表面所需做的功或用单位长度上的表面张力（或用单位长度上的表面张力（N/M）表示）表示P122或或 形成单位新表面割断的结合键数形成单位新表面割断的结合键数2022-4-24材料科学基础CAI课件-李克441 1、表面张力是各向异

37、性的、表面张力是各向异性的, ,因此表面能是各因此表面能是各向异性的。向异性的。2 2、表面能与原子排列致密程度有关，即、表面能与原子排列致密程度有关，即原原子密度最大的面具有最低的子密度最大的面具有最低的 值值晶体表面晶体表面一般为原子密度最大的面。一般为原子密度最大的面。如如图图3.573.57, fcc, fcc的的AuAu晶体中的晶体中的(111)(111)面。面。3 3、表面能与曲率有关：曲率越大，原子面、表面能与曲率有关：曲率越大，原子面台阶越多，表面能越大台阶越多，表面能越大表面能的性质：表面能的性质：表面能对晶体生长、固态相变新相形成有重要作用。表面能对晶体生长、固态相变新相形

38、成有重要作用。2022-4-24材料科学基础CAI课件-李克453.3.2 晶界和亚晶界晶界晶界：组成晶体的多个晶粒中，属于同组成晶体的多个晶粒中，属于同一固相（具有相同结构）、但位向不同一固相（具有相同结构）、但位向不同的晶粒之间的界面。的晶粒之间的界面。亚晶界亚晶界：每个晶粒有时由位向稍有差异的亚每个晶粒有时由位向稍有差异的亚晶粒组成，相邻亚晶粒间的界面。晶粒组成，相邻亚晶粒间的界面。亚晶界的亚晶界的位位向向差一般小于差一般小于2 2o o，属于小角度晶界，具有，属于小角度晶界，具有晶界的一般特征。晶界的一般特征。 一般一般晶粒直径晶粒直径(0.0150.25mm)，每个晶粒中，每个晶粒中

39、还可分成若干个更为细小的还可分成若干个更为细小的亚晶粒亚晶粒(0.001mm)，亚晶粒之间存在着，亚晶粒之间存在着小的位相差小的位相差，相邻相邻亚晶粒亚晶粒之间的界面成为之间的界面成为亚晶界亚晶界。亚晶粒亚晶粒更接近于理想的单晶体。更接近于理想的单晶体。P123 图3.59,3.60大角度和小角度晶界大角度和小角度晶界：区别区别- -1010o o为界为界 2022-4-24材料科学基础CAI课件-李克461、小角度晶界的结构图图3.61、3.62推导过程，如图推导过程，如图3.63P123小角度晶界可看成两部分晶体绕某一轴小角度晶界可看成两部分晶体绕某一轴相对旋转一角度相对旋转一角度而形成而

40、形成2022-4-24材料科学基础CAI课件-李克47A、对称倾斜晶界1个自由度：图图3.62 对称倾斜晶界对称倾斜晶界2022-4-24材料科学基础CAI课件-李克48B、不对称倾斜晶界两个自由度：和 首先晶体1绕C轴逆时针旋转/2，晶体2绕C轴顺时针旋转/2；形成的晶界与轴E形成夹角推导过程，根据图推导过程，根据图3.63推导上式推导上式Dsin = ；Dcos =2022-4-24材料科学基础CAI课件-李克49C、扭转晶界扭转晶界的转轴垂直于晶界，由螺型位错组成。一个自由度扭转晶界的转轴垂直于晶界，由螺型位错组成。一个自由度 bD 2022-4-24材料科学基础CAI课件-李克502、

41、大角度晶界的结构1 1、台阶、台阶模型模型（左图）（左图） *相邻晶粒在交界处的形状不是光滑的曲面，而是由不规则台阶组成的，A A独立独立原子原子,B,B压压缩区缩区,C,C扩张区扩张区, ,D D共用共用原子原子 2 2、重合位置点阵模型、重合位置点阵模型（右图）（右图） * * *晶界能较低晶界能较低 * * *特殊位向（表特殊位向（表3.33.3） * *晶界可看成是晶界可看成是好好区与坏区区与坏区交替相间交替相间组合而成的。组合而成的。* *一般大角度晶界一般大角度晶界的宽度一般不超过的宽度一般不超过三个原子间距。三个原子间距。2022-4-24材料科学基础CAI课件-李克513、晶界

42、能 晶界能：晶界能：等于接口区单位面积的能量减去无界面等于接口区单位面积的能量减去无界面时该区单位面积的能量。也可看成由于晶界上点时该区单位面积的能量。也可看成由于晶界上点阵畸变增加的那部分额外自由能。阵畸变增加的那部分额外自由能。dAdFr iiidAdnudAdFr在纯金属中 在合金中晶介面积A改变而引起的晶粒内i组元原子数的改变2022-4-24材料科学基础CAI课件-李克52小角度晶界的界面能：小角度晶界的界面能：P127单位长度刃型位错的能量：单位长度刃型位错的能量：cErRvGbE0ln)1 (4刃 bD DE1D1E 而c0Ebln)1 (4rRvGbbr0DR )(lnA0令则

43、 ，2cGbv-14EA）（刃2Gbv-14）（0故小角度晶界故小角度晶界能能 是相邻两晶粒之间位相差是相邻两晶粒之间位相差 的函数的函数，随位向差增加而增大。随位向差增加而增大。（3.42）2022-4-24材料科学基础CAI课件-李克53大角度晶界的界面能大角度晶界的界面能313123231212sinsinsin大角度晶界能与晶粒间的位向差无关，以界面张力形式表现。可通过测定界面交角求出其相对值：如图3.69，三个晶粒相遇，在达到平衡时，在o点处接口张力必须达到力学平衡 故测得在平衡状态下，三叉晶界的各面在平衡状态下，三叉晶界的各面角均趋于最稳定的角均趋于最稳定的120120。图3.69

44、2022-4-24材料科学基础CAI课件-李克544、晶界的特性有哪些？-Important P1281 1）晶界处点阵畸变变大，存在晶界能）晶界处点阵畸变变大，存在晶界能。故晶粒长大和晶界平直。故晶粒长大和晶界平直化，使晶界面积减小，是一个原子扩散的化，使晶界面积减小，是一个原子扩散的自发自发过程过程2 2）晶界处原子排列不规则）晶界处原子排列不规则阻碍塑性变形阻碍塑性变形晶界晶界H Hb b，s sb b（细（细晶晶强化强化）3 3）晶界处存在较多缺陷）晶界处存在较多缺陷（位错、空位等）（位错、空位等）有利原子有利原子扩散扩散4 4）晶界能量高、原子活力高）晶界能量高、原子活力高固态固态相

45、变相变先发生，先发生，dd形核率形核率5 5）成分偏析和内吸附）成分偏析和内吸附，又富集杂质原子，又富集杂质原子晶界熔点低晶界熔点低“过烧过烧”现象现象6 6）晶界能量高、原子不稳定）晶界能量高、原子不稳定晶界晶界腐蚀腐蚀速度速度晶界能量高产生哪些效应？晶界能量高产生哪些效应？2022-4-24材料科学基础CAI课件-李克553.3.3 孪晶界（Twin boundary ）孪晶孪晶：两个晶体（或一个晶体的两部分）沿一个公共晶面构成两个晶体（或一个晶体的两部分）沿一个公共晶面构成镜面对称镜面对称的位相关系，这两个晶体就称为孪晶，这个公共的晶面即成为孪晶面的位相关系，这两个晶体就称为孪晶，这个公共的晶面即成为孪晶面