13原子的不规则排列a

1、1.3 原子的不规则排列晶体缺陷（Crystal Defect）晶体中的缺陷原子排列偏离完整性的区域点缺陷在三个方向上尺寸都很小线缺陷在二个方向上尺寸很小面缺陷在一个方向上尺寸很小根据晶体缺陷的几何形态特征：1 点缺陷（Point Defect） 包括空位、间隙原子、置换原子 局部点阵畸变原子热振动克服约束，迁移到新的位置空位、间隙原子、置换原子部分原子获得足够高的能量形成引起（a）空位（b） 同类原子的间隙原子(c) 异类原子的间隙原子 (d) 置换原子 空位分类肖脱基空位原子迁移到表面仅形成空位弗兰克尔空位原子迁移到间隙中形成空位-间隙对迁移到其它空位处晶格畸变（脱离平衡）处于间隙的原子杂

2、质、或同类原子 间隙式（小原子） 置换式（大原子）平衡浓度（溶解度或固溶度）晶格畸变（影响性能）置换原子（Substitutional Atom）间隙原子(Interstitial Atom)间隙原子和置换原子三种点缺陷的形成演示空位的热力学分析 2.点缺陷的平衡浓度晶体中点缺陷的存在，一方面造成点阵畸变，使晶体的内能升高，增大了晶体的热力学不稳定性；另一方面，由于增大了原子排列的混乱程度，并改变了其周围原子的振动频率，又使晶体的熵值增大。熵值越大，晶体便越稳定。由于存在着这两个互为矛盾的因素，晶体中的点缺陷在一定温度下有一定的平衡数目，这时点缺陷的浓度就称为它们在该温度下的热力学平衡浓度。在

3、一定温度下有一定的热力学平衡浓度，这是点缺陷区别于其它类型晶体缺陷的重要特点。图 空位-体系能量曲线空位对金属性能的影响 点缺陷的存在使晶体体积膨胀，密度减小。点缺陷引起电阻的增加，这是由于晶体中存在点缺陷时，对传导电子产生了附加的电子散射，使电阻增大。空位对金属的许多过程有着影响，特别是对高温下进行的过程起着重要的作用。金属的扩散、高温塑性变形的断裂、退火、沉淀、表面化学热处理、表面氧化、烧结等过程都与空位的存在和运动有着密切的联系。 过饱和点缺陷（如淬火空位、辐照缺陷）还提高了金属的屈服强度。空位小结1、空位是热力学稳定的缺陷2、不同金属空位形成能不同。3、空位浓度与空位形成能、温度密切相

4、关4、空位对金属的物理及力学性能有明显影响5、空位对材料的高温蠕变、沉淀、回复、表面氧化、烧结有重要影响2、线缺陷（Line Defect）位错运动塑变原子面整体滑移塑变理论强度远大于实测值探求新理论位错理论发现问题促使核心计算强度值 实测值结果位错理论1）位错（Dislocations）的定义、类型定义：位错是晶体中已滑移区域与未滑移区域 之间的分界，它是一种线缺陷。 刃型位错 (Edge Dislocation) 螺型位错 (Screw Dislocation) 混合位错 (Mixed Dislocation)类型：图 理想晶体的滑移模型和刃型位错的滑移过程图 刃型位错与螺型位错位错的基本

5、类型位错可分为刃性位错和螺型位错。刃型位错 (Edge Dislocation)DBFCAEGH刃型位错的概念：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，EF称为刃型位错线。位错线附近区域发生了原子错排，因此称为“刃型位错” 。把多余半原子面在滑移面以上的位错称为正刃型位错，用符号“”表示，反之为负刃型位错，用“”表示。含有多余半原子面的晶体受压，原子间距小于正常点阵常数；不含多余半原子面的晶体受张力，原子间距大于正常点阵常数。位错在晶体中引起的畸变在位错线中心处最大，随着离位错中心距离的增大，晶体的畸变逐渐减小 。刃型位错的特点：1).刃型位错有一个额外的半原子面。其实正、

6、负之分只具相对意义而无本质的区别。2).刃型位错线可理解为晶体中已滑移区与未滑移区的边界线。它不一定是直线，也可以是折线或曲线，但它必与滑移方向相垂直，也垂直于滑移矢量。图 不同形状的刃型位错3).滑移面必定是同时包含有位错线和滑移矢量的平面，在其他面上不能滑移。由于在刃型位错中，位错线与滑移矢量互相垂直，因此，由它们所构成的平面只有一个。4).晶体中存在刃型位错之后，位错周围的点阵发生弹性畸变，既有切应变，又有正应变。就正刃型位错而言，滑移面上方点阵受到压应力，下方点阵受到拉应力：负刃型位错与此相反。5).在位错线周围的过渡区（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，畸

7、变区是狭长的管道，所以刃型位错是线缺陷。刃型位错结构示意图刃型位错（正、负刃型位错）形成畸变区多（或少了）半排原子面用（或）表示 刃位错正：上压下拉负：上拉下压 称为间隙和大置换原子在拉应力侧发生聚集，小置换原子聚集于压应力侧。造成位错受阻，金属强化（a）立体图； （b）顶视图图 螺型位错的原子组态 螺型位错图 螺型位错原子模型及其形成示意螺型位错(Screw Dislocation)螺型位错的结构特征 无额外的半原子面，原子错排程轴对称，分右旋和左旋螺型位错；一定是直线，与滑移矢量平行，位错线移动方向与晶体滑移方向垂直；滑移面不是唯一的，包含螺型位错线的平面都可以作为它的滑移面；位错周围点阵

8、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；位错畸变区也是几个原子间距宽度，同样是线位错。混合位错(Mixed Dislocation)位错线上任一点的滑移矢量相同，但两者方向夹角呈任意角度，图为混合位错的产生位错的性质：形状：不一定是直线，位错及其畸变区是一条管道。是已滑移区与未滑移区的边界。不能中断于晶体内部。可在表面露头，或中止于晶界和相界，或与其它位错相交，或自行封闭成环。位错的易动性刚性滑移地毯的运动 1939年柏格斯(Brugers)提出，把形成一个位错的滑移矢量定义为位错矢量，并称为柏氏矢量（或柏矢量），以b表示，它是位错的特征标志。 2） 柏

9、氏矢量反映位错区畸变的方向与程度柏氏矢量确定方法a 规定位错线指出屏幕（纸面）为正b 在位错周围沿着点阵结点形成右螺旋的封闭回路。（柏氏回路）c 在理想晶体中按同样顺序作同样大小的回路。 （不能闭合）d 在理想晶体中从终点到起点的矢量即为柏氏矢量。NOQ123456891011 12 137PMNOQ123456891011 12 137PM柏氏矢量确定方法a 在位错周围沿着点阵结点形成右螺旋的封闭回路。（柏氏回路）b 在理想晶体中按同样顺序作同样大小的回路。c 在理想晶体中从终点到起点的矢量即为柏氏矢量。121234123123411121234123123411柏氏矢量的表示方法表示:b

10、求模：全位错：柏氏矢量的模等于该晶向上的原子间距的位错， 又叫单位位错。不全位错： 柏氏矢量的模小于该晶向上的原子间距的位错柏氏矢量的特性a 代表位错，并表示其特征（强度、畸变量）。b 表示晶体滑移的方向和大小：b平行于滑移方向c 柏氏矢量的守恒性（唯一性）：一条位错线具有唯一的柏氏矢量。d 判断位错的类型：刃型位错b垂直于位错线，螺型位错b平行于位错线。e 用柏氏回路求得的柏氏矢量为回路中包围的所有位错柏氏矢量的总和（矢量和） 可加性 求柏氏矢量的和位错正、负（左、右）的确定人为规定位错线方向位错正、负（左、右）的确定刃位错有晶体图时用右手法则 中指b方向，食指位错线方向， 拇指：上 正下负

11、无晶体图时用旋转法 b顺时针方向转90，与位错线 方向：同正反负LL负正 用柏氏矢量可以判断位错的类型位错线垂直于b刃型位错位错线平行于b螺型位错位错线与b成一定角度（不等于090180270）混合位错用柏氏矢量可以表示位错区域晶格畸变总量大小晶体滑移量大小等于b用柏氏矢量可以表示晶体滑移方向和大小晶体滑移方向与b的方向相同位错的许多性质，如位错的能量，应力场，位错受力等，都与b有关。柏氏矢量的物理意义一条位错线的柏氏矢量是恒定不变的柏氏矢量与回路起点选择无关，也与柏氏回路的具体路径，大小无关柏氏矢量守恒。几根位错相遇于一点，其方向朝着节点的各位错线的柏氏矢量 b之和等于离开节点之和。如有几根

12、位错线的方向均指向或离开节点，则这些位错线的柏氏矢量之和值为零 柏氏矢量的特征图、三位错线相遇于一点b1=b2+b3图、四位错线相遇于一点3）位错密度单位体积晶体中所有位错线的总长度穿过单位截面积的位错线数目（穿过单位面积的位错线根数，将位错简化为直线）cm/cm31/cm2VL=r4）位错的运动A、两种方式：滑移、攀移 a、滑移 保守运动（晶体体积不变） 位错线在滑移面上的运动，如图所示，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。 刃型位错的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（a）原始位置； （b）位错向左移动一个原子间距图 螺型位错滑移 图

13、 螺型位错滑移导致晶体塑性变形的过程混合位错的滑移位错环的滑移刃型位错的位错线滑移方向与外力及柏氏矢量b平行， 正、负刃位错滑移方向相反。螺型位错的位错线滑移方向与外力及柏氏矢量b垂直，左、右螺型位错滑移方向相反。混合位错的位错线滑移方向与外力及柏氏矢量b成一定角度（即沿位错线法线方向滑移）。晶体的滑移方向与外力及位错的柏氏矢量b相一致，但并不一定与位错线的滑移方向相同。（例如螺型位错、位错环）位错滑移的特点b、攀移非保守运动（晶体体积改变）指在热缺陷或外力作用下，位错线在垂直其滑移面方向上的运动，结果导致晶体中空位或间隙质点的增殖或减少。攀移的实质是多余半原子面的伸长或缩短。螺位错没有多余半原子面，故无攀移运动。4）位错的运动 A、两种方式：滑移、攀移刃位错攀移示意图（a）正攀移（半原子面缩短）额外半原子面下端原子扩散出去，或与空位交换位置