第五章晶体缺陷

1、第第5 5章章 晶体缺陷晶体缺陷Imperfections in crystalline solids（ Crystal Defects ）1 1维纳斯维纳斯“无臂无臂”之美更深入人心之美更深入人心处处留心皆学问处处留心皆学问理解开裂无规则开裂缺陷在实际晶体中，往往存在一些原子的周期性受到破坏的区域，这在实际晶体中，往往存在一些原子的周期性受到破坏的区域，这样的区域就称为晶体缺陷样的区域就称为晶体缺陷理想晶体理想晶体：原子完全规则地排列的晶体。：原子完全规则地排列的晶体。晶体缺陷晶体缺陷：晶体中部分原子排列偏离理想：晶体中部分原子排列偏离理想 状态，局部产生不规则、不完整的原子状态，局部产生不

2、规则、不完整的原子排列。排列。晶体缺陷产生的原因晶体缺陷产生的原因：原子的热振动、晶：原子的热振动、晶体形成条件限制、施加的外部条件等。体形成条件限制、施加的外部条件等。按照缺陷的尺寸和形状，可将晶体缺陷分类按照缺陷的尺寸和形状，可将晶体缺陷分类(p60)： 点缺陷：零维缺陷（空位、间隙原子、杂质原子）点缺陷：零维缺陷（空位、间隙原子、杂质原子） 线缺陷：一维（线状）缺陷（线缺陷：一维（线状）缺陷（刃型位错、螺型位错刃型位错、螺型位错） 面缺陷：二维缺陷（堆垛层错和晶粒边界）面缺陷：二维缺陷（堆垛层错和晶粒边界） 体缺陷：三维缺陷（晶体内部的小晶粒）体缺陷：三维缺陷（晶体内部的小晶粒） ，称为

3、称为反反5.1 点缺陷点缺陷 热运动与点缺陷热运动与点缺陷 晶格原子围绕平衡位置作热振动，频率在晶格原子围绕平衡位置作热振动，频率在101012 12 - - 10101313赫兹（德拜频率）赫兹（德拜频率） 原子的能量不是平均的，也不恒定，原子动能近原子的能量不是平均的，也不恒定，原子动能近似服从似服从Maxwell-BoltzmanMaxwell-Boltzman分布，即能量高于分布，即能量高于E E原子原子所占比例所占比例exp(-E/kt)exp(-E/kt) 少数高能原子离开自己的平衡位置，在晶格节点少数高能原子离开自己的平衡位置，在晶格节点出现空位。出现空位。点缺陷运动方式点缺陷运

4、动方式 迁移迁移 空位或间隙原子由一个位置运动空位或间隙原子由一个位置运动到另一个位置的过程。到另一个位置的过程。 复合复合 间隙原子与空位相遇时，将落入间隙原子与空位相遇时，将落入空位，两者同时消失，这一过程称为复合。空位，两者同时消失，这一过程称为复合。点缺陷的运动点缺陷的运动 点缺陷从一个平衡位置移动到相邻位置，也要克点缺陷从一个平衡位置移动到相邻位置，也要克服能量障碍服能量障碍 只有周围原子具有足够能量才可能实现移动只有周围原子具有足够能量才可能实现移动 点缺陷的运动是一个热激活的过程点缺陷的运动是一个热激活的过程 运动频率与温度有关。例如运动频率与温度有关。例如CuCu中的空位，中的

5、空位，300K 300K 1010-5-5/s, 1300K 10/s, 1300K 108 8/s/s 空位移动所造成的粒子迁移，即晶体中的自扩散。空位移动所造成的粒子迁移，即晶体中的自扩散。（以后会学到）自扩散激活能相当于空位形成能（以后会学到）自扩散激活能相当于空位形成能与移动能的总和。与移动能的总和。点缺陷的动态平衡点缺陷的动态平衡 点缺陷并不是固定不动的，而是处于不断的产生点缺陷并不是固定不动的，而是处于不断的产生和消失过程中和消失过程中 在一定温度下，晶体中点缺陷的数目是一定的，在一定温度下，晶体中点缺陷的数目是一定的，保持动态平衡。保持动态平衡。点缺陷与材料行为点缺陷与材料行为(

6、 (对晶体性能的影响，对晶体性能的影响，P63P63) )点缺陷引起晶格畸变（点缺陷引起晶格畸变（如空位引起晶格收缩，间隙如空位引起晶格收缩，间隙原子引起晶格膨胀，置换原子可引起收缩或膨胀）原子引起晶格膨胀，置换原子可引起收缩或膨胀）, ,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、如物理性质、如R、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),),大量的大量的冷加工冷加工, ,高能粒子高能粒子辐照辐照等方法可获得等方法可获得过饱和（超平衡）点缺

7、过饱和（超平衡）点缺陷陷，如使，如使S S提高；提高； 3.3.影响影响固态相变固态相变, ,化学热处理化学热处理等。等。5.2 5.2 位位 错错(P64)(P64)*位错位错: :位错理论的提出：位错理论的提出：用于解释晶用于解释晶体的体的塑性形变塑性形变。产生原因：产生原因：由于应力超过弹性由于应力超过弹性限度而使晶体发生塑性形变所限度而使晶体发生塑性形变所产生的。产生的。从晶体内部看：从晶体内部看：就是晶体的一就是晶体的一部分对于另一部分发生滑移，部分对于另一部分发生滑移，以致于在滑移区的分界线上出以致于在滑移区的分界线上出现线状缺陷。现线状缺陷。固体在一定的条件下，在外力的作用固体在

8、一定的条件下，在外力的作用下产生形变，当施加的外力撤除或消下产生形变，当施加的外力撤除或消失后该物体不能恢复原状的一种物理失后该物体不能恢复原状的一种物理现象，现象， 又称为又称为“范性形变范性形变”。与之。与之相对应的是相对应的是弹性形变弹性形变。晶体的理论切变晶体的理论切变强度强度：2Gm一般金属：一般金属： m0.1G实际金属单晶：实际金属单晶： 10-310-4G晶体的强度：是指使晶体发生塑性晶体的强度：是指使晶体发生塑性变形所需的最小剪切应力变形所需的最小剪切应力弹性极限弹性极限e以下的曲线线性部分称以下的曲线线性部分称作作胡克区胡克区。在该区域，形变较小，。在该区域，形变较小，材料

9、的行为是纯弹性的，去除应力材料的行为是纯弹性的，去除应力后无永久性形变。后无永久性形变。在弹性极限内，在弹性极限内，应力和应变互成正比，即应力应力和应变互成正比，即应力/应变应变为常数。为常数。这就是著名的这就是著名的胡克定律胡克定律在弹性极限内，剪在弹性极限内，剪切应力对剪切应力对剪切应变的比率称为切应变的比率称为剪切剪切模量模量G在弹性极限以上，材料结构改变产生去除应力在弹性极限以上，材料结构改变产生去除应力后的永久性形变，称为非弹性行为。后的永久性形变，称为非弹性行为。应力应力应变应变=L/L0固体材料的应力固体材料的应力- -应变示意图应变示意图( (e e为弹性极限为弹性极限( (线

10、性区终点线性区终点)e物体由于外因物体由于外因( (受力、湿度变化等受力、湿度变化等) )而变形时，在物体内各部分之间产生相互作而变形时，在物体内各部分之间产生相互作用的内力，以抵抗这种外因的作用，并力图使物体从变形后的位置回复到变形用的内力，以抵抗这种外因的作用，并力图使物体从变形后的位置回复到变形前的位置。在所考察的截面某一点单位面积上的内力称为前的位置。在所考察的截面某一点单位面积上的内力称为应力应力。应力分为正应应力分为正应力，剪切应力。同截面垂直的应力称为正应力力，剪切应力。同截面垂直的应力称为正应力,同截面相切应力的称为（剪）同截面相切应力的称为（剪）切应力切应力。 位错在金属晶体

11、中的存在和运动，对金属位错在金属晶体中的存在和运动，对金属的的塑性变形、强度和断裂塑性变形、强度和断裂起着决定的作用。起着决定的作用。此外，位错对金属的此外，位错对金属的扩散、相变扩散、相变等过程也等过程也有较大的影响。有较大的影响。位错的观测位错的观测 用酸性腐蚀剂（如用酸性腐蚀剂（如氢氟酸氢氟酸和和硝酸硝酸的混合溶液）表面进行腐的混合溶液）表面进行腐蚀，则位错蚀，则位错“露头露头”处的腐蚀速度将远高于其它部分，可处的腐蚀速度将远高于其它部分，可形成一个形成一个“腐蚀坑腐蚀坑”。表面显微观察技术（如。表面显微观察技术（如扫描电子显扫描电子显微镜微镜等）观察。等）观察。 硅硅片表面位错腐蚀坑的

12、形态，根据腐蚀坑边缘的形状确定片表面位错腐蚀坑的形态，根据腐蚀坑边缘的形状确定硅片的硅片的晶体学晶体学取向取向 (100)硅片表面的位错 (111)硅片表面的位错 利用透射电子显微镜（TEM）直接观察到材料微结构中的位错。1.位错的基本类型和特征位错的基本类型和特征设有一简单立方结构的晶体，在切应力的作用下发生局部滑设有一简单立方结构的晶体，在切应力的作用下发生局部滑移，发生局部滑移后晶体内在垂直方向出现了一个多余的半移，发生局部滑移后晶体内在垂直方向出现了一个多余的半原子面，显然在晶格内产生了缺陷，这就是原子面，显然在晶格内产生了缺陷，这就是位错位错，这种位错，这种位错在晶体中有一个刀刃状的

13、多余半原子面，所以称为在晶体中有一个刀刃状的多余半原子面，所以称为刃型位错刃型位错。刃型位错的刃型位错的位错线位错线垂直于滑移的方向垂直于滑移的方向（滑移矢量）（滑移矢量）。通常称晶体上半部多出原子面的位错为通常称晶体上半部多出原子面的位错为正刃型位错正刃型位错，用符号，用符号“”表示，反之为表示，反之为负刃型位错负刃型位错，用，用“”表示。表示。位错线位错线：已滑移区和未滑移区的的边界已滑移区和未滑移区的的边界线就是位错线线就是位错线晶体局部滑移造成的刃型位错晶体局部滑移造成的刃型位错 从滑移角度看，位错是滑移面上已滑移从滑移角度看，位错是滑移面上已滑移和未滑移部分的和未滑移部分的交界交界。

14、 刃型位错的特点刃型位错的特点： 刃型位错有一个额外的（多余）半原子面。正刃型位刃型位错有一个额外的（多余）半原子面。正刃型位错用错用“”“”表示，负刃型位错用表示，负刃型位错用“”“”表示；其正负只表示；其正负只是相对而言。是相对而言。 刃型位错线是已滑移区与未滑移区的边界线，可以刃型位错线是已滑移区与未滑移区的边界线，可以是是直线直线、折线折线或或曲线曲线。它与滑移方向、滑移矢量垂直。它与滑移方向、滑移矢量垂直。（2 2）螺型位错）螺型位错 设想在简单立方晶体右端施加一切应力，使右端设想在简单立方晶体右端施加一切应力，使右端ABCD滑移滑移面上下两部分晶体发生一个原子间距的相对切变，在已滑

15、移区面上下两部分晶体发生一个原子间距的相对切变，在已滑移区与未滑移区的交界处，与未滑移区的交界处，BC线右侧的上下两层原子发生了错排线右侧的上下两层原子发生了错排和不对齐现象，它们围绕着和不对齐现象，它们围绕着BC线连成了一个螺旋线，而被线连成了一个螺旋线，而被BC线所贯穿的一组原来是平行的晶面则变成了一个以线所贯穿的一组原来是平行的晶面则变成了一个以BC线为轴线为轴的螺旋面。此种晶格缺陷被称为的螺旋面。此种晶格缺陷被称为螺型位错螺型位错。螺型位错的位错线螺型位错的位错线平行于滑移的方向（滑移矢量）平行于滑移的方向（滑移矢量） 螺型位错分为螺型位错分为左旋左旋螺型位错和螺型位错和右旋右旋螺型位

16、错。螺型位错。 所谓所谓左左(右右)旋螺型位错旋螺型位错：伸出左：伸出左(右右)手握住位错，并使拇指手握住位错，并使拇指平行于位错线。如果沿着其余四指的回旋方向运动后，晶体是平行于位错线。如果沿着其余四指的回旋方向运动后，晶体是沿拇指方向前进的，那么所论位错是左沿拇指方向前进的，那么所论位错是左(右右)旋螺型位错。旋螺型位错。3131螺型位错示意图螺型位错示意图螺型位错的特点螺型位错的特点1 1）无额外半原子面无额外半原子面，原子错排，原子错排呈轴对称呈轴对称。2 2）分为：）分为：右旋和左旋右旋和左旋螺型位错。螺型位错。 3 3）螺型位错线螺型位错线/滑移矢量滑移矢量，故一定是直线，故一定是

17、直线，4 4）纯螺型位错的）纯螺型位错的滑移面不是唯一滑移面不是唯一的，但实际上滑的，但实际上滑移移通常是在原子密排面上进行通常是在原子密排面上进行，5 5）螺位错周围的）螺位错周围的点阵点阵也发生了也发生了弹性畸变弹性畸变，但只有，但只有平行于位错线的平行于位错线的切应变切应变，无，无正应变正应变（在垂直于（在垂直于位错线的平面投影上，看不出缺陷位错线的平面投影上，看不出缺陷）混合位错示意图混合位错的位错线特点混合位错的位错线特点（1 1）形状：不一定是直线，位错及其畸变区是一条管道）形状：不一定是直线，位错及其畸变区是一条管道 （2 2）是已滑移区和未滑移区的边界。）是已滑移区和未滑移区的

18、边界。 （3 3）不能中断于晶体内部。可在表面露头，或终止于晶）不能中断于晶体内部。可在表面露头，或终止于晶界和相界，或与其它位错相交，或自行封闭成环。界和相界，或与其它位错相交，或自行封闭成环。2.2.柏氏柏氏(Burgers)矢量矢量(p69)(p69) 柏氏矢量柏氏矢量: :用来描述用来描述位错区域原子的畸变特征位错区域原子的畸变特征（包括（包括畸变发生在什么晶向以及畸变有多大）的物理参量，畸变发生在什么晶向以及畸变有多大）的物理参量，称为柏氏矢量（称为柏氏矢量（Burgers vector）。它是一个矢量，）。它是一个矢量，19391939年由柏格斯（年由柏格斯（J.M.Burgers

19、J.M.Burgers）率先提出。）率先提出。 柏氏矢量的确定方法柏氏矢量的确定方法 先确定位错的方向（一般规定位错线垂直纸面时，由纸先确定位错的方向（一般规定位错线垂直纸面时，由纸面向外为正），按面向外为正），按右手法则右手法则做柏氏回路，右手大拇指指位做柏氏回路，右手大拇指指位错正方向，回路方向按右手螺旋方向确定。从实际晶体中错正方向，回路方向按右手螺旋方向确定。从实际晶体中任一原子任一原子M 出发，避开位错附近的严重畸变区作一闭合回出发，避开位错附近的严重畸变区作一闭合回路路 MNOPQ，回路每一步连结相邻原子。按同样方法在完回路每一步连结相邻原子。按同样方法在完整晶体中做同样回路，步数

20、，方向与上述回路一致，这时整晶体中做同样回路，步数，方向与上述回路一致，这时终点终点 Q 和起点和起点 M 不重合，由终点不重合，由终点Q 到起点到起点M 引一矢量引一矢量QM 即为即为柏氏矢量柏氏矢量b。柏氏矢量与起点的选择无关，也与路径柏氏矢量与起点的选择无关，也与路径无关。无关。刃型位错柏氏矢量的确定(a) 有位错的晶体 (b) 完整晶体 MNOPQMNOPQ柏氏矢量螺型位错柏氏矢量的确定(a) 有位错的晶体 (b) 完整晶体 柏氏矢量柏氏矢量的特征：柏氏矢量的特征： 用柏氏矢量可判断位错的类型。用柏氏矢量可判断位错的类型。柏氏矢量与位错线垂直者柏氏矢量与位错线垂直者为刃型位错，平行者为

21、螺型位错，既不垂直又不平行者为混为刃型位错，平行者为螺型位错，既不垂直又不平行者为混合位错。合位错。柏氏矢量反映位错区域点阵畸变总累积的大小。柏氏矢量反映位错区域点阵畸变总累积的大小。柏氏矢量柏氏矢量越大，位错周围晶体畸变越严重。越大，位错周围晶体畸变越严重。用柏氏矢量可以表示晶体滑移的方向和大小。用柏氏矢量可以表示晶体滑移的方向和大小。位错运动导位错运动导致晶体滑移时，滑移量大小即柏氏矢量致晶体滑移时，滑移量大小即柏氏矢量b，滑移方向即为柏氏，滑移方向即为柏氏矢量的方向。矢量的方向。 一条位错线具有唯一的柏氏矢量。一条位错线具有唯一的柏氏矢量。它与柏氏回路的大小和它与柏氏回路的大小和回路在位

22、错线上的位置无关，位错在晶体中运动或改变方向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。时，其柏氏矢量不变。 若位错可分解，则分解后各分位错的柏氏矢量之和等于原若位错可分解，则分解后各分位错的柏氏矢量之和等于原位错的柏氏矢量。位错的柏氏矢量。 位错的滑移特征总结位错的滑移特征总结3.3.位错的运动位错的运动(p72)(p72) 位错最重要的性质之一是它可以在晶体中运动。位错最重要的性质之一是它可以在晶体中运动。刃型位错的运动可有两种方式：一种是位错线沿刃型位错的运动可有两种方式：一种是位错线沿着滑移面的移动，称为位错的滑移；另一种是位着滑移面的移动，称为位错的滑移；

23、另一种是位错线垂直于滑移面的移动，称为位错的攀移。对错线垂直于滑移面的移动，称为位错的攀移。对螺型位错来说，它只作滑移而不存在攀移。螺型位错来说，它只作滑移而不存在攀移。位错的运动刃型位错运动螺型位错运动滑移滑移攀移（1 1）刃型位错的滑移）刃型位错的滑移：对含刃型位错的晶体加切应力，：对含刃型位错的晶体加切应力，切应力方向平行于柏氏矢量，位错周围原子只要移动切应力方向平行于柏氏矢量，位错周围原子只要移动很小距离，就使位错由位置很小距离，就使位错由位置(a)(a)移动到位置移动到位置(c)(c)。 当位错运动到晶体表面时，整个上半部晶体相对当位错运动到晶体表面时，整个上半部晶体相对下半部移动了

24、一个柏氏矢量晶体表面产生了高度为下半部移动了一个柏氏矢量晶体表面产生了高度为b b的台阶。的台阶。 刃型位错的柏氏矢量刃型位错的柏氏矢量b b与位错线与位错线l l互相垂直，故滑互相垂直，故滑移面为移面为b b与与l l 决定的平面，它是决定的平面，它是唯一确定唯一确定的。刃型位的。刃型位错移动的方向与错移动的方向与b b方向一致，和位错线垂直。方向一致，和位错线垂直。刃型位错的运动刃型位错的运动：(a) (b) (c)刃型位错的滑移滑移面滑移台阶位错滑移的比喻位错滑移的比喻（2 2）刃型位错的攀移）刃型位错的攀移由于原子扩散而导致的位错线脱离滑移面的运动称为位错由于原子扩散而导致的位错线脱离

25、滑移面的运动称为位错的的攀移攀移，其中导致半原子面缩小的攀移为，其中导致半原子面缩小的攀移为正攀移正攀移，导致半，导致半原子面扩大的攀移为原子面扩大的攀移为负攀移负攀移。刃型位错的攀移(a)正攀移 (b)原始位置 (c)负攀移 螺型位错的滑移也是局部滑移区的不断扩大。螺型位错的滑移也是局部滑移区的不断扩大。 螺型位错的移动方向与螺型位错的移动方向与b b平行平行。此外因螺型位。此外因螺型位错错b b 与与l l平行，故通过位错线并包含平行，故通过位错线并包含b b的随所有晶的随所有晶面都可能成为它的滑移面。面都可能成为它的滑移面。这表明螺型位错的滑这表明螺型位错的滑移面不是唯一的。移面不是唯一

26、的。当螺型位错在原滑移面运动受当螺型位错在原滑移面运动受阻时，可转移到与之相交的另一个滑移面上去，阻时，可转移到与之相交的另一个滑移面上去，这样的过程叫交叉滑移，简称这样的过程叫交叉滑移，简称交滑移交滑移。螺型位错的运动（滑移）：螺型位错的运动（滑移）：螺型位错的滑移 假设，位错线假设，位错线dl,dl,向任意方向移动向任意方向移动ds,ds,扫过的面积扫过的面积为为 晶体体积变化晶体体积变化 滑移时，体积不变，保守运动滑移时，体积不变，保守运动； 攀移时，体积变化，非保守运动攀移时，体积变化，非保守运动dAnsdl dAddAnbAdbV位错运动与晶体体积变化关系位错运动与晶体体积变化关系晶

27、体中存在位错时，位错线附近的原子偏离了正晶体中存在位错时，位错线附近的原子偏离了正常位置，引起点阵畸变，从而产生常位置，引起点阵畸变，从而产生应力场应力场。 在位错的中心部，原子排列特别紊乱，超出在位错的中心部，原子排列特别紊乱，超出弹性变形范围，虎克定律已不适用。中心区外，弹性变形范围，虎克定律已不适用。中心区外，位错形成的弹性应力场可用各向同性连续介质的位错形成的弹性应力场可用各向同性连续介质的弹性理论来处理。弹性理论来处理。 分析位错应力场时，常设想把半径约为分析位错应力场时，常设想把半径约为0.50.51nm1nm的中心区挖去，而在中心区以外的区域的中心区挖去，而在中心区以外的区域采用

28、采用连续弹性介质模型连续弹性介质模型导出应力场公式。导出应力场公式。 4.位错的应力场位错的应力场(p77)（1 1）螺型位错的应力场）螺型位错的应力场模型：将一个空心厚壁圆筒模型：将一个空心厚壁圆筒沿纵向切开一半（切面包含沿纵向切开一半（切面包含中心轴中心轴Z Z），然后使切面两），然后使切面两边的晶体分别沿边的晶体分别沿+Z+Z轴和轴和-Z-Z轴轴方向位移方向位移b/2b/2（相对位移为（相对位移为b b，b b是位错的柏氏矢量），最是位错的柏氏矢量），最后将切面胶合。这样就相当后将切面胶合。这样就相当于形成了一个螺型位错。位于形成了一个螺型位错。位错线就是错线就是Z Z轴，圆筒的空心轴，

29、圆筒的空心部分相当于位错的中心区，部分相当于位错的中心区，实心部分相当于位错的弹性实心部分相当于位错的弹性区。区。采用圆柱坐标系。在离开中心采用圆柱坐标系。在离开中心r r处的切应变为处的切应变为 其相应切应力其相应切应力 式中，式中，G G为切变模量。由于圆柱只在为切变模量。由于圆柱只在Z Z方向有位移，方向有位移，X,YX,Y方方向无位移，所以其余应力分量为零。向无位移，所以其余应力分量为零。 螺型位错应力场是径向对称的，即同一半径上的切螺型位错应力场是径向对称的，即同一半径上的切应力相等。且不存在正应力分量。应力相等。且不存在正应力分量。rbZZ2rGbGZZZ2（2 2）刃型位错应力场

30、）刃型位错应力场模型：将一个空心厚壁圆筒模型：将一个空心厚壁圆筒沿纵向切开一半（切面包含沿纵向切开一半（切面包含中心轴中心轴Z Z），然后使切面两），然后使切面两边的晶体沿径向发生相对位边的晶体沿径向发生相对位移移b b（b b是位错的柏氏矢量），是位错的柏氏矢量），最后将切面胶合。这样就相最后将切面胶合。这样就相当于形成了一个刃型位错。当于形成了一个刃型位错。位错线就是位错线就是Z Z轴，圆筒的空轴，圆筒的空心部分相当于位错的中心区，心部分相当于位错的中心区，实心部分相当于位错的弹性实心部分相当于位错的弹性区。区。刃型位错周围的应力场刃型位错刃型位错x和和y方向方向相反。表明在刃型位相反。表

31、明在刃型位错半原子面的区域，错半原子面的区域，沿沿x方向的正应力是方向的正应力是压应力，而在不含半压应力，而在不含半原子面的区域为拉应原子面的区域为拉应力力5.位错的起源和位错的增殖位错的起源和位错的增殖(p88) 位错的产生导致吉布斯自由能增加（内能和焓位错的产生导致吉布斯自由能增加（内能和焓增加，熵减少），增加，熵减少），位错是一种非平衡缺陷位错是一种非平衡缺陷。 在材料的制备和加工过程中不可避免地会形成位在材料的制备和加工过程中不可避免地会形成位错：错：(1) 位错的起源位错的起源 1）凝固时在晶体长大相遇处，因位向略有差别而形成；）凝固时在晶体长大相遇处，因位向略有差别而形成； 2）因

32、熔体中杂质原子在凝固过程中不均匀分布使晶体的）因熔体中杂质原子在凝固过程中不均匀分布使晶体的先后凝固部分成分不同，从而点阵常数也有差异，而在过先后凝固部分成分不同，从而点阵常数也有差异，而在过渡区出现位错；渡区出现位错； 3）流动液体冲击、冷却时局部应力集中导致位错的萌生。）流动液体冲击、冷却时局部应力集中导致位错的萌生。 4）晶体裂纹尖端、沉淀物或夹杂物界面、表面损伤处等）晶体裂纹尖端、沉淀物或夹杂物界面、表面损伤处等都易产生应力集中，这些应力也促使位错的形成。都易产生应力集中，这些应力也促使位错的形成。 5）过饱和空位的聚集成片也是位错的重要来源。）过饱和空位的聚集成片也是位错的重要来源。

33、塑性变形时，有大量位错滑出晶体，所以变形以后晶体中的位错数目塑性变形时，有大量位错滑出晶体，所以变形以后晶体中的位错数目应当减少。应当减少。但实际上，位错密度随着变形量的增加而加大，在经过剧烈变形以后但实际上，位错密度随着变形量的增加而加大，在经过剧烈变形以后甚至可增加个数量级。甚至可增加个数量级。此现象表明：此现象表明：变形过程中位错肯定是以某种方式不断增殖，变形过程中位错肯定是以某种方式不断增殖，而能增值而能增值位错的地方称为位错的地方称为位错源位错源。位错增殖机制位错增殖机制有多种，其中最重要的是：有多种，其中最重要的是：弗兰克和瑞德弗兰克和瑞德于于19501950年年提出并已为实验所证

34、实的位错增殖机制称为提出并已为实验所证实的位错增殖机制称为弗弗兰克兰克- -瑞德瑞德(Frank-Rend(Frank-Rend）源，又称为）源，又称为U U型位错机制，简称型位错机制，简称F-RF-R源源。设想晶体中某滑移面上有一段刃型位错设想晶体中某滑移面上有一段刃型位错ABAB，其两端被位错网节点钉住，其两端被位错网节点钉住，如图：如图：(2) 位错的增殖位错的增殖弗兰克弗兰克-瑞德源的结构瑞德源的结构当外切应力满足必要的条当外切应力满足必要的条件时，位错线件时，位错线DDDD将受到将受到滑移力的作用而发生滑移滑移力的作用而发生滑移运动。运动。在应力场均匀的情况下，在应力场均匀的情况下，

35、沿位错线各处的滑移力沿位错线各处的滑移力t t大小都相等，位错大小都相等，位错线本应平行向前滑移，但线本应平行向前滑移，但因位错因位错DDDD两端被固定住，两端被固定住，不能运动，势必在运动的不能运动，势必在运动的同时发生弯曲，结果位错同时发生弯曲，结果位错变成曲线形状，如图（变成曲线形状，如图（b b）所示。所示。U型位错机制型位错机制（Frank-Read Source，F-R源）源） U型位错是由三段位错型位错是由三段位错BD, DD，DB组成。组成。 DD段位错在滑移面上，段位错在滑移面上， BD和和DB均垂直于滑移面（均垂直于滑移面（B点和点和D点重合点重合, B和和D 重合），分析

36、重合），分析U型型位错在滑移面上的切应力位错在滑移面上的切应力作用下如何运动作用下如何运动。当外切应力满足必要的条当外切应力满足必要的条件时，位错线件时，位错线DDDD将受到将受到滑移力的作用而发生滑移滑移力的作用而发生滑移运动。在应力场均匀的情运动。在应力场均匀的情况下，沿位错线各处的滑况下，沿位错线各处的滑移力移力t t大小都相等，大小都相等，位错线本应平行向前滑移，位错线本应平行向前滑移，位错所受力位错所受力t t总是处处与总是处处与位错本身垂直，即使位错位错本身垂直，即使位错弯曲也如此弯曲也如此. .在应力作用在应力作用下，位错的每一微线段都下，位错的每一微线段都沿其法线方向向外运动，沿其法线方向向外运动，经历图（经历图（c c）（）（d d）。）。当位错线再向前走出一段当位错线再向前走出一段