第三章晶体缺陷

第三章晶体缺陷李怀勇聊城大学材料科学与工程学院 本章章节结构3.1

点缺陷3.2

位错3.3

表面及界面23

位错（Dislocation）理论的发展

起源：塑性变形(plasticdeformation)-滑移(slip)-滑移线最初模型：“刚性相对滑动模型”

3滑移（slip）滑移面（slipplane）滑移矢量（slipvector)4 理想的晶体滑移模型56

位错（Dislocation）理论的发展计算临界切应力tm=G/30（G—切变模量）纯Fe的切变模量约为：100GPa纯Fe的理论临界切应力：约3000MPa纯Fe的实际屈服强度：1–10MPa相差3-4个数量级What’swrongwiththemodel?6 实际的晶体滑移模型7 位错（Dislocation）理论的发展1934年Taylor、Orowan、Polanyi提出“位错模型”，滑移是通过缺陷（位错）的运动而进行的1950年代后位错模型为实验所验证现在，位错是晶体性能研究中最重要的概念，被广泛用来研究固态相变、晶体光、电、声、磁、热力学，表面及催化等8当晶格中一部分晶体相对于另一部分晶体发生局部滑移时，滑移面上滑移区与未滑移区的交界线称作位错。 3.2.1.位错的基本类型9位错是原子排列的一种特殊组态。根据几何结构刃型位错edgedislocation螺型位错screwdislocation混合位错mixeddislocation 3.2.1.位错的基本类型10

1、刃型位错edgedislocation刃型位错：当一个完整晶体某晶面以上的某处多出半个原子面，该晶面象刀刃一样切入晶体，这个多余原子面的边缘就是刃型位错。11 刃型位错原子组态12ZnO中的刃位错1314

刃型位错的特点15（1）半原子面分正负存在额外半原子面。若额外半原子面位于晶体的上半部，则此处的位错线称为正刃型位错（┴），反之，则称为负刃型位错（┬）。两者没有本质区别。15

刃型位错的特点16（2）刃位错线可曲弯刃型位错线为已滑移区和未滑移区的分界线，它不一定是直线16（3）滑移矢量相垂直刃型位错的位错线和滑移矢量互相垂直，滑移面是同时包括位错线和滑移矢量的平面，一个刃型位错所构成的滑移面只有一个 刃型位错的特点17 刃型位错的特点（4）弹性畸变兼正切位错的存在使得位错周围的点阵发生弹性畸变，即有切应变，又有正应变。对正刃型位错而言，位错线上、下部临近范围内原子受到压应力、拉应力,离位错线较远处原子排列恢复正常。18 刃型位错的特点（5）刃位错是线缺陷在位错线周围的畸变区内，每个原子具有较大的平均能量。这个区域只有几个原子间距宽，是狭长的管道，所以刃型位错是线缺陷。191.当晶格中一部分晶体相对于另一部分发生局部滑移时，滑移面上滑移区与未滑移区的交界线称作位错。位错是原子排列的一种特殊组态。2.根据几何结构刃型位错edgedislocation螺型位错screwdislocation混合位错mixeddislocation 前课提要：20 前课提要：3.刃型位错：当一个完整晶体某晶面以上的某处多出半个原子面，该晶面象刀刃一样切入晶体，这个多余原子面的边缘就是刃型位错。4.刃型位错的特点：（1）半原子面分正负（2）刃位错线可曲弯（3）滑移矢量相垂直（4）弹性畸变兼正切（5）刃位错是线缺陷21 2、螺型位错（Screwdislocation）螺型位错：当一完整晶体被沿某晶面间被切开后，切开部分被扭曲一个原子间距，则在扭曲和未扭曲部分间的交界形成一螺型位错。22

螺型位错原子组态23螺型位错：位错附近的原子是按螺旋形排列的。位错线（bb’）：已滑移区和未滑移区的分界线。畸变区（aa’b’b）：约几个原子间距宽、上下层原子位置不相吻合的过渡区，原子的正常排列遭破坏。螺型位错也是线缺陷。24 螺型位错的特点(1)螺型位错分左右无额外半原子面，原子错排呈轴对称；根据位错线附近呈螺旋形排列的原子的旋转方向不同，可分为右旋和左旋螺型位错；25 螺型位错的特点(2)滑移矢量相平行螺型位错的位错线与滑移矢量平行，因此一定是直线；位错线的移动方向与晶体滑移方向互相垂直26 螺型位错的特点(3)滑移面可有很多纯螺型位错的滑移面不是唯一的；凡包含位错线的平面都可作为滑移面；一般位错在原子密排面上进行；27 螺型位错的特点(4)弹性畸变仅切变螺位错周围的点阵发生弹性畸变，只有平行于位错线的切应变，无正应变，所以不会引起体积膨胀和收缩。28 螺型位错的特点(5)螺位错是线缺陷螺型位错周围的点阵畸变随离位错线距离的增加而急剧减少，故也是几个原子宽度的线缺陷。29 区分刃、螺位错的依据刃位错线和滑移矢量垂直螺位错线和滑移矢量平行30 3、混合位错mixeddislocation31混合位错晶体模型32混合位错原子组态331、滑移矢量与位错线相交成任意角度2、混合位错线是一条曲线，可分解为刃型和螺型分量 混合位错的结构特点：34位错环35大小：畸变的程度，滑移距离；方向：什么类型的位错；滑移(错位)的方向。

3.2.2伯格氏（Burgers）矢量透射电镜下钛合金中的位错线(黑线)36(a)有位错的晶体(b)完整晶体MNOPQMNOPQ伯氏矢量 1.伯氏矢量的确定(刃型位错)37(a)有位错的晶体(b)完整晶体

伯氏矢量 1.伯氏矢量的确定(螺型位错)38

1.伯氏矢量求法做一个伯式回路，步骤：（1）确定位错线的正方向（2）用右手螺旋定则确定回路。（3）围绕位错做一右旋闭合回路。（4）在完整晶体中按同样的方向和步数作相同的回路，如不闭合，则由终点向起点引一矢量b，即为伯氏矢量。39ScrewEdge40混合位错的形成混合位错分解为刃位错和螺位错示意图41刃位错的正负：右手法则,食－位错线(正向),中－伯氏矢量,拇指代表多余半原子面的位向，规定拇指向上为正，反之为负。螺位错的左右：伯氏矢量与位错线正向平行的为右，反之为左。

位错线伯氏矢量刃型正负右手法则直角坐标bb刃型位错bb右左螺型位错正•负× 判断位错的性质42ScrewEdgebs=bcosb┴=bsin混合位错43思考题一个位错环能否各部分都是螺位错?能否各部分都是刃位错?为什么?解：螺位错的柏氏矢量与位错线平行，而一个位错只有一个柏氏矢量，一个位错环不可能与一个方向处处平行，所以一个位错环不能各部分都是螺位错。刃位错的柏氏矢量与位错线垂直，如果柏氏矢量垂直位错环所在的平面，则位错环处处都是刃位错。这种位错的滑移面是位错环与柏氏矢量方向组成的棱柱面，这种位错又称棱柱位错。4445

2.伯氏矢量的特性1).点阵畸变总累积的物理量。而该矢量的模|b|表示了畸变的程度，称为位错的强度。2).柏氏矢量是唯一的，这就是柏氏矢量的守恒性(计算)。3).一根位错线具有唯一的柏氏矢量（位错线上各处）。4).分解（证明）

5).位错的连续性。不能中断于晶体内部。（证明）交点b=046

3.伯氏矢量的表示方法位错的伯氏矢量，任一原子从一个位置移向另一个位置所引出的矢量。伯氏矢量的大小和方向可以用它在晶轴上的分量来表示。具体做法是：将某个滑移矢量在晶胞坐标轴上的分量，依次填入[

]中，提取公因数k，使括号内的数字成为最小整数即可。47右图中的矢量O’b，其晶向指数为[110]，伯氏矢量b1=1a+1b+0c,对于立方晶体a=b=c，故可简写为：xO’abOyz右图中的矢量Oa，其晶向指数也为[110]，伯氏矢量b2=1/2a+1/2b+0c，可简写为： 举例48 立方晶系晶体柏氏矢量表示方法由于a=b=c，柏氏矢量可用晶向指数表示为：b=a/n<uvw>

，n为正整数。符合加减定律。其中a为晶胞参数，[uvw]表示矢量方向，它与晶体滑移方向的晶向符号相同。只不过晶向指数没有“大小”的概念，而柏氏矢量必须在晶向指数的基础上把该矢量的模（或位错强度）也表示出来，因而要同时标出该矢量在各个晶轴上的分量.49位错的强度：就是错位的距离同一晶体中，柏氏矢量愈大，表明该位错导致点阵畸变愈严重，它所处的能量也愈高。能量较高的位错通常倾向于分解为两个或多个能量较低的位错：b1→b2＋b3，并满足|b1|2＞|b2|2＋|b3|2，以使系统的自由能下降。50判断下列位错反应能否进行？若能进行，试在晶胞上作出矢量图。

思考题：51

3.2.3位错的运动宏观的塑性形变是位错运动的结果；深入理解位错与材料的力学性能的关系；两种最基本的形式：滑移和攀移。52

1.位错的滑移（1）刃型位错的滑移：是刃型位错在外加切应力的作用下，通过位错中心附近的原子沿伯氏矢量方向象毛虫一样爬行。5354 （2）螺型位错的滑移特点：a.滑移面选择很多；b.交滑移；c.双交滑移55 （3）混合位错的滑移沿各点的法线方向在滑移面上向外扩展。56刃位错的运动螺位错的运动混合位错的运动 （4）位错滑移的结果571)位错的运动方向与位错线关系；

2)晶体的滑移方向与位错线关系；

3)切应力方向与柏氏矢量关系；4)晶体的相对位移与柏氏矢量关系；5)对螺型位错，如果在原滑移面上运动受阻时，有可能转移到与之相交的另一滑移面上继续滑移，这称为交滑移(双交滑移）。

（5）位错滑移的特点58位错的滑移特征位错类型柏氏矢量位错线运动方向晶体滑移方向切应力方向滑移面数目刃型位错⊥位错线⊥位错线本身与b一致与b一致唯一确定螺型位错∥位错线⊥位错线本身与b一致与b一致多个混合位错成角度⊥位错线本身与b一致与b一致唯一确定59 几点思考：a.位错运动的推动力？b.同一形变（物质迁移）可以通过不同类型的位错来实现？c.位错运动和原子运动的关系？d.同一切应力作用下b方向相反位错的运动方向有什么不同？外加应力可以方向相反相关但不相同60右旋左旋正负61 （6）位错线运动方向的右手法则拇指沿b方向滑移的那部分晶体中指位错线运动方向食指位错线方向62思考题1、图中有一位错钱AB，其滑移面为图中黄线所示，另有一与滑移面垂直相交于CD的圆环。（1）AB在外力作用下由右向左运动，请在图中标出其柏氏矢量b和所需外加应力；（2）说明AB滑过圆环后，对圆环会产生什么影响？提示：分别按纯刃位错和纯螺位错讨论63ABCD>>>>bttssxyzo2、如图，在晶体的滑移面上有一伯氏矢量为b的位错环，并受到均匀切应力和s的作用。（1）分析该位错环各段位错的结构类型；（2）在的作用下，该位错环将如何运动？（3）在s的作用下，位错环将如何运动？64什么是刃型位错的攀移？ 2.刃型位错的攀移65刃位错攀移示意图（a）正攀移（半原子面缩短）(b)未攀移（c）负攀移（半原子面伸长）66定义：刃型位错在垂直于滑移面的方向上运动，即发生攀移。正负攀移。特点：位错攀移需要热激活，较之滑移所需的能量更大。 2.刃型位错的攀移67在位错的滑移运动过程中，其位错线往往很难同时实现全长的运动。 阻力或者位错间的交割打弯：扭折（处于滑移面上)割阶（垂直于滑移面） 3.运动位错的交割68图3.17位错中出现的割阶与扭折示意图(a)刃型位错（b）螺型位错 扭折和割阶的位错类型刃位错：扭折，螺位错螺位错：均为刃位错割阶，刃位错69两个伯氏矢量互相垂直/平行的刃位错交割垂直平行70两个伯氏矢量互相