第二章 晶体的缺陷

第二章晶体的缺陷第一页，共二十五页，2022年，8月28日1点缺陷点缺陷的形成及类型形成：由结晶过程中高温及辐射产生。

类型：肖脱基空位－－原子跑到晶体表面或晶界；

弗仑克尔空位－－原子跳到晶体间隙；

置换原子也可以看成点缺陷；

特点：三维尺寸小，仅引起几个原子范围的点阵结构不完整。第二页，共二十五页，2022年，8月28日点缺陷的运动及平衡浓度热运动使原子离开原位进入空位，原位形成空位，可看作空位的运动间隙原子与空位相遇消失－复合或湮灭

一定温度下空位的平衡浓度

如：Cu:1300K,C=10-4;室温，C=10-19

间隙平衡浓度C′与上式相似，间隙原子的形成能是空位形成能的3-4倍，故同一温度下间隙原子的平衡浓度低很多－－一般晶体中的点缺陷是空位，产生弗仑克尔空位的几率极小：Cu:1300K,C′

=10-153点缺陷对性能的影响

点缺陷使运动电子散射－－电阻增大点缺陷(空位)增加－－密度减小过饱和点缺陷－－提高金属的屈服强度第三页，共二十五页，2022年，8月28日原子发生错排时，在某一方向是几百到上万个原子间距，另外两个方向仅有3-5个间距位错对金属强度、相变影响显著主要讨论刃形位错、螺形位错位错的基本概念

（1）位错学的产生

2.线缺陷第四页，共二十五页，2022年，8月28日

刃型位错（2）位错基本类型第五页，共二十五页，2022年，8月28日螺旋位错第六页，共二十五页，2022年，8月28日（3）柏氏矢量

柏氏矢量的确定方法

位错线由纸面向外为正，以大拇指指示，按右手螺旋定则确定柏氏回路：避开位错严重畸变的区域作一回路，同样方法在完整晶体作同一步数的回路，终点到起点的矢量就是柏氏矢量柏氏矢量与起点无关，与路径无关－－一根不分叉的任何形状的位错只有一个柏氏矢量第七页，共二十五页，2022年，8月28日

同向为右螺旋，反向为左螺旋第八页，共二十五页，2022年，8月28日柏氏矢量的物理意义及特征

物理意义：柏氏矢量反映柏氏回路包含的位错引起点阵畸变的总积累柏氏矢量－－位错强度位错能量、位错的受力、应力场、位错反应都与柏氏矢量有关柏氏矢量表示出晶体滑移的大小和方向柏氏矢量具有守恒型混合位错

第九页，共二十五页，2022年，8月28日（3）位错密度第十页，共二十五页，2022年，8月28日位错的运动2.2.2位错的运动

趋势：从高能位置转移到低能位置形式：滑移、攀移1.位错的滑移－－位错沿着滑移面的移动特点：晶体本身体积不变，称为保守运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的距离，就使位错移动刃形位错的滑移面是b、t决定的平面，滑移面一定螺形位错移动方向与b垂直，b//t=>通过位错线并包含b的所有晶面都可以成为滑移面，螺形位错在原滑移面受阻时，可转移到与之相交的另一滑移面－－交叉滑移

第十一页，共二十五页，2022年，8月28日2.位错的攀移

刃型位错在垂直于滑移面上运动正攀移－－多余半原子面向上运动负攀移－－多余半原子面向下运动

攀移伴随物质的迁移，需要热激活，比滑移需要更多能量攀移引起晶体体积变化－－非保守运动正应力促进正攀移，拉应力促进负攀移晶体中的过饱和空位有利于攀移割阶－－原子最可能附着或脱离多余半原子面的地方，刃形位错通过割阶的运动实现攀移

第十二页，共二十五页，2022年，8月28日2.2.4实际晶体中的位错

实际晶体中的位错由晶体结构和能量条件决定1.实际晶体结构中的单位位错位错能量正比于b2=>实际晶体中存在的柏氏矢量限于少数最短的平移矢量(最近邻的原子间距)，具有这种柏氏矢量的位错称为单位位错

单位位错：面心立方α<110>/2，体心立方<111>α/2，密排六方α<1120>/3，平行于晶体的最密排方向，该位错扫过之后滑移面上下原子排列整齐，故又称全位错或完整位错

第十三页，共二十五页，2022年，8月28日2.不全位错部分位错－－柏氏矢量小于最短的平移矢量不全位错－－柏氏矢量不等于最短的平移矢量的整数倍不全位错扫过之后，滑移面上下原子产生错排，形成层错

堆垛层错－－正常的堆垛顺序被扰乱层错破坏了晶体的周期性，使能量增加，但层错不产生点阵畸变，层错能比晶界能低得多

层错破坏了晶体的周期性，使能量增加，但层错不产生点阵畸变，层错能比晶界能低得多

铝的层错能高，看不到层错，铜的层错能低，有大量位错；晶体中的层错区与好区的交界就是不全位错。

第十四页，共二十五页，2022年，8月28日3.位错反应及汤普逊四面体位错之间的互相转化称为位错反应。(1)必须满足几何条件即柏氏矢量的守恒性，反应前后诸位错的柏氏矢量和相等。(2)必须满足能量条件，即反应后诸位错的总能量应小于反应前诸位错的总能量。位错反应条件：第十五页，共二十五页，2022年，8月28日汤普逊四面体第十六页，共二十五页，2022年，8月28日第十七页，共二十五页，2022年，8月28日练习：第十八页，共二十五页，2022年，8月28日2.3面缺陷

固态材料的界面：表面、晶界、亚晶界、相界2.3.1外表面由于另一侧无原子，配位数少于晶体内部，表面几层原子点阵畸变，能量高于晶体内部表面能γ－－晶体表面单位面积能量的增加，与表面张力σ相等不同的晶面为外表面时，被破坏的结合键的数目不同=>表面能各向异性密排面的表面能低：体心立方{110}与{100}，面心立方{111}与{100}表面能最低外表面杂质的吸附显著影响表面能T杂质在外表面的物理吸附(分子键)，化学吸附(离子键、共价键)第十九页，共二十五页，2022年，8月28日2.3.2晶界与亚晶界

多晶体中，每一个晶粒就是一个小单晶相邻晶粒的位向不同，交界面叫晶粒界，简称晶界晶粒内部位向差极小的亚结构，交界为亚晶界晶界的结构、性质与相邻晶粒的位向差有关。位向差小于10o，小角度晶界；10o以上，大度角晶界晶界处原子排列紊乱，能量增高=>晶界能

第二十页，共二十五页，2022年，8月28日小角度晶界对称倾侧晶界是最简单的小角度晶界

当q很小时，晶界中位错间距D≈b/q，当接近10o时，得到的位错密度太大，模型不适用同号位错垂直排列，刃位错的压应力场和拉应力场抵消，能量很低2.大角度晶界

晶界中原子过于密集的区域为压应力区，原子过于松散的区域为拉应力区大角度晶界晶界能较高，在0.5-0.6J/m2，与相邻位向无关第二十一页，共二十五页，2022年，8月28日3.孪晶界孪晶：指相邻两晶粒或一个晶粒内部相邻两部分沿一个公共晶面(孪晶界)构成镜面对称的位向关系。

孪晶界是最简单的一种晶界孪晶界与堆垛层错有密切关系具有不同晶体结构的两相之间的分界叫相界。相结构有三种：共格界面、半共格晶面和共格晶面。4.相界第二十二页，共二十五页，2022年，8月28日共格界面半共格界面非共格界面共格界面：两相必须有特殊的位向关系，而且原子的排列、晶面间距相差不大，大多数情况下共格界面产生弹性应变和应力，使界面原子匹配半共格界面：相邻晶面间距相差较大，界面上原子不能完全对应失配度δ＝(aa-ab)/aa

失配度越大，界面位错间距D越小：

δ<0.05为完全共格。δ=0.05~0.25为半共格界面

非共格界面：δ>0.25，完全失去匹配能力，成为非共格界面。共格界面界面能最低，非共格界面界面能最高，半共格界面界面能居中第二十三页，共二十五页，2022年，8月28日5.晶界特性当晶体中存在能降低界面能的异类原子时，这些原子将向晶界偏聚－－内吸附；晶界上原子具有较高的能量，且存在较多的晶体缺陷，使原子的扩散速度比晶粒内部快得多；常温下，晶界对位错运动起阻碍作用，故金属材料的晶粒越细，则单位体