材料的结构详解演示文稿

材料的结构详解演示文稿当前第1页\共有102页\编于星期三\3点（优选）材料的结构当前第2页\共有102页\编于星期三\3点课程简介课程前身：金属学与热处理先修课程：工程材料选用教材：金属学与热处理

崔中圻、覃耀春主编

机械工业出版社参考书目：物理冶金基础/曹明盛/冶金工业出版社材料科学基础/石德珂/机械工业出版社金属热处理原理/戚正风/机械工业出版社金属材料学/王笑天/机械工业出版社教学时间：32/30+2学时绪论当前第3页\共有102页\编于星期三\3点工程材料的分类金属材料：纯金属及其合金钢铁材料(黑色金属)：钢、铸铁；非铁金属材料(有色金属)高分子材料：有机聚合物热塑性塑料：尼龙聚乙烯聚氯乙稀聚丙烯……热固性塑料：树脂聚氨酯……弹性材料：天然橡胶合成橡胶陶瓷材料：一种或多种金属氧化物或其他化合物。复合材料：两种或两种以上性质不同的材料组合起来的一种固体材料。绪论当前第4页\共有102页\编于星期三\3点教学内容绪论第一章：材料的结构(5h)第二章：合金的凝固(3h)第三章：二元相图(8h)第四章：材料的塑性变形(3h)第五章：回复与再结晶(3h)第六章：热处理(5h)第七章：合金钢(3h)习题课、总结绪论当前第5页\共有102页\编于星期三\3点目的要求学习掌握材料科学的基本理论学习掌握材料热加工基本理论和工艺具备基本的组织结构分析能力，为后续的相关专业课程学习及进一步深造打好必要基础。绪论当前第6页\共有102页\编于星期三\3点教学环节按热加工专业对材料学知识的要求作为主线。对于在《工程材料学》中已经学过的部分内容进行快速复习。着重材料学基本原理，以金属材料为主要对象，扩展到其它工程材料。教学方法教材讲课作业复习辅导考核当前第7页\共有102页\编于星期三\3点第一章材料的结构1.1原子间结合—化学键1.2晶体学基础1.3金属的晶体结构1.4材料的晶体缺陷1.5本章小结当前第8页\共有102页\编于星期三\3点引言材料的结构(Structure)晶体结构CrystalStructure微观组织Microstructure当前第9页\共有102页\编于星期三\3点原子原子的结合晶体晶体结构空间点阵引言当前第10页\共有102页\编于星期三\3点Comparisonofcrystalstructuresfor(a)aluminumand(b)magnesium.引言当前第11页\共有102页\编于星期三\3点热压烧结热挤压电弧等离子体法微波湿化学法Bi2Te3当前第12页\共有102页\编于星期三\3点第一节：原子的结合—化学键组成物质整体的质点(原子、分子或离子)间的相互作用力叫化学键。原子间相互作用时，其吸引和排斥情况的不同，从而形成了不同类型的化学键，主要有共价键、离子键和金属键。当前第13页\共有102页\编于星期三\3点1.共价键原子之间不产生电子的转移，此时借共用电子对所产生的力结合，形成共价键。金刚石、单质硅、SiC等属于共价键。共价键具有方向性，故共价键材料是脆性的。具有很好的绝缘性。当前第14页\共有102页\编于星期三\3点2.离子键当两种电负性相差大的原子(如碱金属元素与卤族元素的原子)相互靠近时，其中电负性小的原子失去电子，成为正离子，电负性大的原子获得电子成为负离子，两种离子靠静电引力结合在一起形成离子键。大部分盐类、碱类和金属氧化物在固态下不能导电的，熔融时可以导电。这类化合物为离子化合物。NaCl晶体中，离子晶体中，正负离子间有很强的吸引力，所以有较高熔点，故离子晶体材料基本是脆性的，导电性很差。当前第15页\共有102页\编于星期三\3点3.金属键金属原子的结构特点是外层电子少，容易失去。当金属原子相互靠近时，其外层的价电子脱离原子成为自由电子．为整个金属所共有，它们在整个金属内部运动，形成电子气。这种由金属正离子和自由电子之间互相作用而结合称为金属键。金属键无方向性和饱和性，故金属有良好的延展性，良好的导电性。因此金属具有正的电阻温度系数，更好的导热性，金属不透明，具有金属光泽。当前第16页\共有102页\编于星期三\3点

4.范德瓦尔斯键—分子键许多物质其分子具有永久极性。分子的一部分往往带正电荷，而另一部分往往带负电荷，一个分子的正电荷部位和另一分子的负电荷部位间，以微弱静电力相吸引，使之结合在一起，称为范德瓦尔键也叫分子键。当前第17页\共有102页\编于星期三\3点5.工程材料的键性金属材料的结合主要是金属键，陶瓷材料的结合键主要是离子键与共价键。高分子材料的链状分子间的结合是范德瓦尔键而链内是共价键。当前第18页\共有102页\编于星期三\3点第二节晶体学基础一、晶体和非晶体晶体原子、离子或分子在三维空间按一定规律呈周期性重复排列，长程有序。不同方向原子的排列方式不相同，因而其表现的性能也有差异，各向异性。具有固定的熔点。当前第19页\共有102页\编于星期三\3点原子、离子或分子长程无规则的堆积，长程无序，短程有序。各向同性；无固定熔点，有一定软化温度范围。随温度的升高黏度减小，在液体和固体之间没有明显的温度界限。2.非晶体当前第20页\共有102页\编于星期三\3点二、晶体结构和空间点阵晶体中原子（或离子、分子、原子团）在三维空间周期性排列形成各种特定的晶体结构。将晶体结构中的实际质点抽象为纯粹的几何点,称之为阵点。它可以是原子、分子、原子团或分子团的中心。这些阵点有规则重复排列形成的空间构架称为空间点阵或晶格。

当前第21页\共有102页\编于星期三\3点三、晶胞与点阵常数由于晶格中原子排列的周期性，为简便起见，晶体学中选取一个能够反映晶格全部对称性的最小重复单元对其晶格结构进行表征，这个单元称为晶胞或单胞（Unitcell）。它是构成晶格的最基本单元。在三维空间重复堆砌可构成整个空间点阵，通常为小的平行六面体。晶胞选取要先后满足：①能充分反映整个空间点阵的对称性，②具有尽可能多的直角，③体积要最小。平行六面体晶胞的三个棱长a、b、c及其夹角a、b、g，可决定平行六面体尺寸和形状，这六个量称为晶格的点阵常数。当前第22页\共有102页\编于星期三\3点四、七大晶系和十四种布拉菲格子按点阵常数的特征对晶体的分类。简单、体心、面心简单、体心简单简单、底心、体心、面心简单简单、底心简单当前第23页\共有102页\编于星期三\3点五、晶向与晶面指数A.晶向指数晶体中不同方向的原子排列方式不同，从而导致各方向声、光、电、热、力等性能亦不相同。晶体点阵中任两节点间连线的方向代表一特定原子列的方向，可以采用晶向指数来表征。立方晶系晶向指数的标定建立坐标系，结点为原点，三棱为方向，点阵常数为单位；在晶向上任两点的坐标(x1,y1,z1)(x2,y2,z2)。(若平移晶向或坐标，让第一点在原点则下一步更简单)；计算x2-x1：y2-y1：z2-z1；简化成最小、整数比u：v：w；晶向指数即为[uvw]，注意使用方括号，中间不加逗号，负号记在上方。当前第24页\共有102页\编于星期三\3点六方晶系的晶向指数标定六方晶系可以采用三轴(a1、a2、c)和四轴(a1、a2、a3、c)两种坐标系进行标定。三轴坐标系的标定方法与立方晶系完全相同。四轴坐标系中，由于多了一个坐标轴而有所不同具体有以下三种方法：当前第25页\共有102页\编于星期三\3点方法2：1）将坐标原点平移使其与晶向中的一点重合。2）连接坐标原点和该晶向上任一格点P形成一矢量。3）该矢量在四坐标轴上投影，可以表示为：方法1：1）用三轴坐标系(a1,a2,c)求出晶向指数[UVW]2）根据以下方程换算成四轴体系的[uvtw]:u=2/3U-1/3Vv=2/3V-1/3Uw=W,t=-(u+v)当前第26页\共有102页\编于星期三\3点方法3：1）将坐标原点平移使其与晶向中的一点重合。2）从原点出发，沿平行于四个坐标轴方向依次移动，使之最后到达要标定方向上的某一格点，移动时要使a3轴移动的距离是a1、a2两轴移动距离之和的负值。4）将各轴移动距离简化为最小整数加上方括号，即可得晶向指数。4）考虑到三维空间的独立坐标轴不会超过3个，因此有：

p＋q＋r＝0

5）将p，q，r，s约简成最小整数比u：v：t：w，放在方括号内写成[uvtw]，不加逗号，负号记在上方，即为该方向的晶向指数。当前第27页\共有102页\编于星期三\3点晶向族：原子排列情况相同，但空间位向不同的一组晶向的集合。

表示方法：用尖括号<uvw>表示，如：可见任意交换指数的位置和改变符号后的所有结果都是该族的范围。与原点位置无关；每一指数对应一组平行的晶向。晶向指数特征当前第28页\共有102页\编于星期三\3点B.晶面指数晶体点阵中,不在一直线任三个阵点所构成的原子平称为晶面，晶面的方位可用晶面指数来表示。以晶胞相互垂直的三棱建立坐标系，采用平移法使坐标原点落在标定面以外，以免出现零截距。以棱边长度（点阵常数）为度量单位，求出待定晶面在三个坐标上的截距a1、a2、a3。计算其倒数b1、b2、b3，约简成最小整数比h：k：l。放在圆括号内，不加逗号，有负号记在上方，(hkl)即为晶面指数。立方晶系晶面指数的标定当前第29页\共有102页\编于星期三\3点六方晶系的晶面指数建立坐标系：为正确反映晶体六次对称性，底面用互成120度的三个坐标轴a1、a2、a3，其单位为晶格常数a，加上垂直于底面的方向Z轴一起构建坐标系，其单位为高度方向的晶格常数c。注意a1、a2、a3三个坐标值不是独立的变量。方法同立方晶系，(hkil)为在四个坐标轴的截距倒数的化简，其中h＋k＋i＝0。底面指数为(0001)，侧面的指数为(1010)。当前第30页\共有102页\编于星期三\3点晶面族：

原子排列情况相同，但空间位向不同的一组晶面的集合，用花括号{hkl}表示

，如：可见任意交换指数的位置和改变符号后的所有结果都是该族的范围。

晶面指数特征：

与原点位置无关；每一指数对应一组平行的晶面。当前第31页\共有102页\编于星期三\3点六、其它晶体学概念晶向的原子密度：该晶向单位长度上的节点(原子)数。晶面的原子密度：该晶面单位面积上的节点(原子)数。晶带和晶带轴：相交和平行于某一晶向的所有晶面的组合称为晶带，此直线叫做它们的晶带轴。晶带用晶带轴的晶向指数表示。具有相同指数的晶带轴和晶面相互垂直。[hkl]⊥(hkl)晶带定律：立方晶系中晶面(hkl)和其晶带轴[uvw]的指数之间满足关系：hu＋kv＋lw＝０当前第32页\共有102页\编于星期三\3点两非平行晶面(h1k1l1)和(h2k2l2)晶带轴[uvw]的确定：u=k1l2-k2l1v=l1h2-l2h1w=h1k2-h2k1晶面间距：相邻两个平行晶面之间的垂直距离。晶面间距越大，该晶面上的原子密度也越大。同一晶面族的原子排列方式相同，它们的晶面间距也相同。不同晶面族的晶面间距也不相同。

当前第33页\共有102页\编于星期三\3点立方晶系的晶面间距对于简单立方，晶面(hkl)的晶面间距直接按下述公式计算，其中ａ为晶格常数:当前第34页\共有102页\编于星期三\3点对于bcc,fcc结构晶面fcc金属中，如晶面指数(hkl)已约化成最简，当(hkl)不为全奇、全偶数时，有2倍数附加面：如{100}，{110}

bcc金属中，如晶面指数（hkl）已约化成最简，当h+k+l=奇数时，有2倍数附加面：{100}，{111}。以上这些面的晶面间距的计算应采用下面公式。当前第35页\共有102页\编于星期三\3点晶向和晶面之间的夹角在立方晶系中按矢量关系，晶向[u1v1w1]与[u2v2w2]之间的夹角满足关系：在立方晶系，晶面(h1k1l1)与(h2k2l2)之间的夹角也就是其法线[h1k1l1]与[h2k2l2]的夹角，用上述公式同样可以求出。非立方晶系，晶面或晶向之间的夹角可以计算，但要复杂许多。当前第36页\共有102页\编于星期三\3点第三节纯金属的晶体结构金属原子趋向于紧密排列，当前工业应用的金属元素中，绝大多数都具有比较简单的晶体结构，其中最典型、最常见的晶体结构有三种，分别为：体心立方（bcc）—Body-centeredcubic面心立方（fcc）—Face-centeredcubic密堆六方（hcp）—Hexagonalclosepacking其中fcc、bcc为立方晶系，hcp为六方晶系。当前第37页\共有102页\编于星期三\3点一、体心立方原子位置:立方体的八个顶角和体心当前第38页\共有102页\编于星期三\3点在体心立方晶格中密排面为{110}，密排方向为<111>当前第39页\共有102页\编于星期三\3点密堆积结构中的两类空隙

A:四面体空隙

一层的三个球与上或下层密堆积的球间的空隙。B:八面体空隙一层的三个球与错位排列的另一层三个球间的空隙。当前第40页\共有102页\编于星期三\3点四面体空隙当前第41页\共有102页\编于星期三\3点八面体空隙当前第42页\共有102页\编于星期三\3点体心立方中的间隙八面体间隙四面体间隙位置：面心和棱中点侧面中心线1/4和3/4处

单胞内个数：12/4+6/2=612个大小：<100>方向，0.155r0.291r<110>方向，0.633r当前第43页\共有102页\编于星期三\3点bcc金属中各类间隙的特点bcc结构中的四面体和八面体的各棱长并不相等，有a和两种棱长，不是正多面体。bcc中四面体间隙处于八面体之内，并且在<100>方向四面体尺寸大于八面体间隙，但四面体间隙并不是八面体间隙的一部分。虽然处于八面体间隙中，但仍不失四面体间隙的特点。bcc结构不能由全部间隙所组成的四面体和八面体堆垛而成，每个间隙多面体在bcc结构中不是独立的结构组成单元。八面体间隙具有非对称性，沿<110>和<100>方向差别很大，<110>方向间隙半径达0.633r，因此碳原子在a-Fe中不填入四面体间隙，而填入八面体间隙。bcc金属中的不对称多面体间隙，溶入间隙原子后会产生更大的非对称晶格其变，对材料的机械性能产生影响比fcc、hcp金属中的正多面体间隙更为重要。当前第44页\共有102页\编于星期三\3点二、面心立方

立方体的八个顶角和每个侧面中心都有原子

当前第45页\共有102页\编于星期三\3点面心立方中原子排列面心立方晶格中密排面为{111}，密排方向为<110>当前第46页\共有102页\编于星期三\3点面心立方中的间隙八面体间隙：位置：体心和棱中点单胞中数量：12/4+1=4大小：0.414r四面体间隙：位置：体对角线1/4、3/4处。

单胞中数量：8大小：当前第47页\共有102页\编于星期三\3点三、密排六方原子位置：12个顶角、上下底心和体内3处在密堆六方晶格中密排面为{0001}，密排方向为<1120>当前第48页\共有102页\编于星期三\3点密堆六方中的间隙八面体间隙：位置:相间三棱柱中心线1/4和3/4处.单胞数量:6大小：四面体间隙：位置:1)棱及中心线的3/8和5/82)相间三棱柱中心线1/8和7/8处单胞内数量:12大小：0.225r当前第49页\共有102页\编于星期三\3点四、面心立方和密堆六方的

原子堆垛圆球平面排列的两种方式当前第50页\共有102页\编于星期三\3点在第一密置层，当一园球周围排列6个球时，周围留下了6个空隙，若第二密置层的球心（B）相间对准第一密置层的一半空隙，第三密置层球心（C）又相间对准另一半空隙，第四密置层的球心（A）又对准第一密置层的球心A。然后依次重复，则形成ABC、ABC、ABC……的堆积方式，简称ABC堆积（图a）。在这种堆积中，每个球周围等距离地排列了十二个球，故配位数为12，从堆积中划出立方晶体，是面心立方晶胞（图b），故称面心立方密堆积。当前第51页\共有102页\编于星期三\3点当前第52页\共有102页\编于星期三\3点若第二密置层的球心（B）相间对准第一密置层六个空隙的一半，第三密置层的球心又对准第一密置层的球心（A），重复下去，则成AB、AB、AB……的堆积方式，称AB堆积（图7-48（a））。这种堆积的配位数和空间利用率同于面心立方密堆积，从这种堆积中可以划分出六方晶胞（图7-48（b）），故称六方密堆积。当前第53页\共有102页\编于星期三\3点当前第54页\共有102页\编于星期三\3点五、同素异构转变大部分金属只有一种晶体结构，但也有少数金属如Fe、Mn、Ti、Co等具有两种或几种晶体结构，即具有多晶型。当外部条件(如温度和压力)改变时，金属由一种晶体结构向另一种晶体结构的转变称为多晶型转变或同素异构转变。铁的同素异构转变在热处理中有非常重大的意义六、晶体的各向异性各向异性是晶体的一个重要特性。晶体具有各向异性的根本原因是由于在不同晶向上的原子排列紧密程度不同所致。原子紧密程度不同，意味不同方向原子间结合力不同，从而使晶体在不同晶向的理化、机械性能不同。如：体心立方结构的a-Fe单晶<111>方向的弹性模量是<110>方向的两倍多。当前第55页\共有102页\编于星期三\3点七、原子半径利用原子等径刚球密堆模型，以相切两刚球的中心距(原子间距)之半作为原子半径。原子的半径并不是固定不变的，它随着结合键的类型和外界环境不同而不同。一般表现规律为：①温度升高，原子半径增大；压力增大，原子半径减小；②原子间结合键愈强，如离子键或金属键，原子间距相应较小，即原子的半径也较小；③晶体中，原子的配位数的降低，原子的半径也随之减小，在同素异晶转变中，这种改变可减小转变中的体积变化，铁的面心立方与体心立方晶格之间的变化就是一例。当前第56页\共有102页\编于星期三\3点完美晶体：原子完全象晶体学中论述的(理想晶体)那样呈现周期性的规则重复的排列。缺陷晶体：实际晶体中可能在某个格位出现缺位，某些位置出现原子错排等缺陷。晶体缺陷的种类、数量将给材料的性能带来巨大的影响。晶体缺陷的分类：点缺陷：三维方向上原子尺寸大小级别的晶体缺陷，如空位、间隙原子等。线缺陷：一个方向上的尺寸很大，另两个方向上的尺寸很小(原子尺寸大小)的晶体缺陷，主要是晶体中的位错。面缺陷：两个方向上的尺寸很大(晶粒数量级)，另外一个方向尺寸很小(原子尺寸大小)的晶体缺陷，如晶界、亚晶界等。第四节晶体缺陷当前第57页\共有102页\编于星期三\3点4.1点缺陷1)点缺陷的类型空位(Schottky缺陷)间隙原子(Frenkel缺陷)错位缺陷异类原子(杂质原子)

Schottky缺陷Frenkel缺陷错位缺陷当前第58页\共有102页\编于星期三\3点2）点缺陷的平衡浓度空位是体系热涨落形成的一种热平衡点缺陷，一定温度下它有一定的平衡浓度，因此可以依据热力学原理对空位的平衡浓度进行计算。以Schottky缺陷为例，设晶体中有N个原子，在温度为T时空位数为n，每个空位的形成能为Ev，则形成n个空位体系内能增加nEv。另一方面，空位形成将引起体系熵值改变DS，而熵变包括组态熵变DSc和振动熵变DSv两部分。当前第59页\共有102页\编于星期三\3点DSc

是由于缺陷的产生引起晶体微观状态数(W)增加而引起的熵变部分。根据统计热力学的原理有：DSc＝klnW，k为Boltzmann常数，W为n个空位在晶体中可能出现的排列方式。而：

因此组态熵变：,根据Stirling公式，x很大时，lnx!xlnx-x，所以：DSc＝k[NlnN-(N-n)ln(N-n)-nlnn]

振动熵Sv与晶体中电子能级被占据的方式有关，所以形成n个空位体系自由能变化为：DF＝nDEv－TDS＝nDEv－T(DSc＋nDSv)

nDEv－nTDSv－kT[NlnN-(N-n)ln(N-n)-nlnn]点缺陷浓度达到平衡时，体系自由能应最小，所以应有：所以得：DEv－TDSV－kTln[(N-n)/n]＝

0

，即：所以空位平衡浓度Cv为：当前第60页\共有102页\编于星期三\3点F0Fn-T(DSc+nDSv)DFnDEvnv点缺陷浓度与晶体自由能关系示意图空位是一种热力学平衡缺陷，即一定温度下，晶体中总会有一定浓度的空位缺陷存在，这时体系的能量处于最低状态，也就是说，具有平衡浓度的晶体比理想晶体在热力学上更稳定。当前第61页\共有102页\编于星期三\3点振动熵一般变化不大，A值约1－10；空位的平衡浓度主要取决于温度T和空位的形成能DEV。DEV的减小和T的升高将引起空位平衡浓度呈指数关系增大。对于离子晶体，n个空位所产生Schottky缺陷中同时存在阴离子和阳离子，缺陷的平衡浓度为：，一般来说，离子晶体中点缺陷的形成能相当大，但像CaF2这样具有很大晶格常数的晶体及像AgBr这样容易产生离子极化的晶体，容易形成Schottky缺陷。同一晶体中，Frenkel缺陷的形成能大于肖特基缺陷，两者相差较大，其缺陷浓度的计算方法同Schottky缺陷。在表面、晶界等晶格畸变原子排列混乱区域较容易形成Frenkel缺陷。

当前第62页\共有102页\编于星期三\3点3)点缺陷对材料性能的影响点缺陷的存在，会使其附近原子稍微偏离原结点位置，造成小区域的晶格畸变，对材料宏观性能产生影响。电子在点缺陷处受到额外的散射，增大材料的电阻。有利于原子扩散，空位可作为原子运动的周转站。形成其它晶体缺陷。过饱和的空位可集中在晶体内部形成空洞，集中一片的塌陷形成位错。改变材料的力学性能。空位移动到位错处可造成刃位错的攀移，间隙原子和异类原子的存在会增加位错的运动阻力。会使强度提高，塑性下降。当前第63页\共有102页\编于星期三\3点4.2位错理论基础位错模型的提出背景完整晶体塑性变形─滑移的模型→金属晶体的理论强度→理论强度比实测强度高出几个数量级→晶体缺陷的设想─位错模型（1934）→以位错滑移模型计算出的晶体强度，与实测值基本相符。1956年，利用电子显微镜观察到位错。位错模型得到证实。当前第64页\共有102页\编于星期三\3点位错的类型根据位错线取向和位错线周围原子排列的几何特征，位错分为:刃位错螺位错混合位错当前第65页\共有102页\编于星期三\3点4.2.1刃型位错

(Edgedislocation)如下图，将晶体的上半部分向左移动一个原子间距，再按原子的结合方式连接起来，这样在分界线的上方将多出半个原子面，这种原子错排缺陷称为刃型位错，表记为“⊥”或“”，错排原子列边缘为位错线。Ａ．原子模型Ｂ．成因刃位错成因有多种可能，本质上是晶体受到应力作用产生滑移的结果。如：晶体塑性变形时，局部发生滑移，即可形成位错。因此位错可以理解为已滑移区和未滑移区的边界。当前第66页\共有102页\编于星期三\3点滑移面上方：原子拥挤，原子间距变小，晶格受压应力。滑移面下方：原子稀疏，原子间距变大，晶格受到拉应力。滑移面上：晶格受切应力。C．刃型位错的应力场位错线周围一定区域内，原子离开平衡位置，晶格产生畸变，在半原子面两边的畸变是对称的，上下不对称。畸变区内存在复杂的应力场:当前第67页\共有102页\编于星期三\3点D．位错和点缺陷的交互作用各种间隙原子和尺寸较大的置换原子，应力场为压应力，与正刃位错的下半部分应力场相反，倾向于聚集在正刃错的下部和负刃错的上部。尺寸较小的置换原子，应力场为拉应力，倾向于位于正刃错的上部。刃位错总是携带大量的溶质原子，形成“柯氏气团”，一方面有助降低晶格畸变，另一方面使位错难以移动，从而强化金属。当前第68页\共有102页\编于星期三\3点E、位错间的交互作用位错线周围存在应力场，对附近其它位错有力的作用和影响，如一对在同一滑移面上平行刃位错，当其方向相同时互相排斥，有条件移动时，相互远离。当其方向相反时则互相吸引，有条件移动时则相互靠近，最后可能互相中和而消失。螺型位错也有相同的行为。当前第69页\共有102页\编于星期三\3点F、刃位错的特征概括刃位错有一额外半原子面。位错线不一定是直线，也可以是直线或曲线，但位错线运动方向垂直于位错线。滑移面必定是同时包含位错线和滑移矢量的晶面，其它面上不能滑移。由于位错线与滑移矢量垂直，因此它们构成的滑移面只有一个。刃位错既有正应变，又有切应变。对于正刃型位错，滑移面上方为压应力，下方为拉应力。负刃错与之相反。当前第70页\共有102页\编于星期三\3点A.位错的原子模型若将晶体的上半部分向后切变移动一个原子间距，同样除分界线附近的一管形区域例外，其它部分基本也都是完好的晶体。而在分界线的区域形成一螺旋面，这就是螺型位错。螺型位错

(Screwdislocation)当前第71页\共有102页\编于星期三\3点螺位错滑移面两侧晶面上原子的滑移情况：上层原子：下层原子与螺位错垂直的晶面的形状当前第72页\共有102页\编于星期三\3点B.螺型位错的特点螺位错没有额外半原子面，原子错排呈轴对称。螺型位错线是一个具有一定宽度的细长的晶格畸变管道，只有切应变，没有正应变。即在垂直于位错线的平面投影上，看不到原子的位移，看不出有缺陷。螺型位错线与滑移方向平行，因此一定是直线。位错线运动方向与位错线垂直。当前第73页\共有102页\编于星期三\3点4.2.3混合位错

（Compositedislocation）在外力作用下，晶体两部分之间发生相对滑移，在晶体内部已滑移和未滑移部分的交线既不垂直也不平行滑移方向（柏氏矢量b），这样的位错称为混合位错。当前第74页\共有102页\编于星期三\3点（a）混合位错的形成（b）混合位错分解为刃位错和螺位错示意图(c)混合位错线附近原子滑移透视图当前第75页\共有102页\编于星期三\3点4.2.4柏氏矢量（Burgersvector）位错线附近的一定区域内，均发生了晶格畸变。位错类型不同，则位错区域内的原子排列情况与晶格畸变的大小和方向都不相同。因此如果有一个物理量，用它不仅可以表示位错的性质，而且可以表示晶格畸变的大小和方向。有了这个物理量，在研究位错时就可以摆脱位错区域内原子排列细节的约束。基于此，物理学家J.M.Burgers提出用一矢量可以表征位错性质，解决了以上问题，因此该矢量称为柏氏矢量。当前第76页\共有102页\编于星期三\3点A、柏氏矢量的确定方法首先人为假设位错线的方向。对于刃位错目前有两种假定：一种是纸背到纸面的方向为正，另一种恰好相反。应当注意不同假设不会导致位错线和柏氏矢量方向的相对位向关系发生改变。这里采用第一种假设。当前第77页\共有102页\编于星期三\3点在原子排列基本正常区域M出发，作一个包含位错的回路，也称为柏氏回路，这个回路包含了位错发生的畸变区。用右手螺旋法则来确定柏氏回路的走向，使大拇指指向位错线的正向，右螺旋的走向为柏氏回路的走向，这样就可以确定柏氏回路的方向为逆时针方向。当前第78页\共有102页\编于星期三\3点在完整晶体中以同样方向和步数作相同回路，此时回路不能封闭。由完整晶体的回路终点Q到起点M引一矢量b使回路封闭，这个矢量就称为该位错的柏氏矢量。当前第79页\共有102页\编于星期三\3点螺位错的柏氏矢量可用相同方法（即人为的确定由上向下或由纸背指向纸面为螺位错的正向，再根据右手螺旋法则确定柏氏回路的方向）和步骤确定。它的柏氏矢量与位错线平行，规定位错线与矢量b同向时为右螺旋位错，反向是为左螺型位错。当前第80页\共有102页\编于星期三\3点bb正刃错负刃错bb右螺型左螺型bb1b2混合型当前第81页\共有102页\编于星期三\3点B、柏氏矢量的重要特征利用柏氏矢量可以简单判断位错类型。柏氏矢量与位错线相互垂直时为刃型位错；柏氏矢量与位错线相互平行时为螺型位错；柏氏矢量与位错线的夹角在0~90o为混合位错。柏氏矢量的大小可以表示位错的强度。通过柏氏回路将畸变叠加起来，总量的大小可用柏氏矢量表示出来。柏氏矢量越大，晶格畸变越严重。柏氏矢量可以表示晶体滑移的方向和大小。位错线是晶体在滑移面上已滑移区和未划移区的边界线。位错线运动时扫过滑移面，晶体即发生滑移，滑移量的大小为柏氏矢量的模，方向为柏氏矢量的方向。当前第82页\共有102页\编于星期三\3点C、柏氏矢量守恒同一位错的柏氏矢量与柏氏回路的大小和回路在位错线上的位置无关，每根位错具有唯一的柏氏矢量。一根不分叉的位错线，不管其形状如何，对应唯一柏氏矢量。方向朝着节点的各位错柏氏矢量之和等于离开节点的各位错柏氏矢量之和。当前第83页\共有102页\编于星期三\3点4.2.5位错的运动

位错运动有滑移和攀移两种方式。过位错线并和柏氏矢量平行的平面(晶面)是该位错的滑移面位错在滑移面上的运动称为滑移位错在垂直于滑移面方向的运动称为攀移。当前第84页\共有102页\编于星期三\3点A.移动单个位错所需临界切应力⊥1⊥2刃位错滑移时周围原子的动作位错移动时势能的变化位错处于1和2位置时，左右两侧作用在位错上的原子力可以抵消，因此处于低能状态，但从1移动到2过程中两侧原子要经历不对称状态，位错运动必须越过势垒才能到达2位置。说明位错运动会遇到一种阻力，此阻力来源于周期排列的晶体点阵，因此称为“点阵阻力”。⊥12⊥tt当前第85页\共有102页\编于星期三\3点派尔斯（Peirls）和纳巴罗（Nabarro）估算了这一阻力，因此又称“派-纳力”。派-纳力（tp）实质上是指周期点阵中移动单个位错所需的临界切应力，其近似计算式为：式中：G为切变模量，W为位错宽度，n为泊松比；d为滑移面晶面间距，b为柏氏矢量的模。当前第86页\共有102页\编于星期三\3点由派-纳力公式可得以下重要结论：通过位错移动使晶体滑移，所需临界切应力较小。一般d≈b,n=0.3，因此tp约为(10-3~10-4)G，比理想晶体作刚性滑动所需临界切应力低得多，而和实际晶体的临界分切应力值接近。点阵阻力随d增大和b减小而下降。晶体中密排面间距最大，密排方向b最小，因此晶体滑移常在密排面上沿密排方向进行。点阵阻力随位错宽度W[W=d/(1-n)]减小而增大。离子晶体、陶瓷和具有共价键的晶体，位错宽度很小，所以点阵阻力很大，表现为脆性。当前第87页\共有102页\编于星期三\3点B.位错运动方向的确定xzy食指（位错线方向）中指（位错线运动方向）大拇指顺着柏氏矢量而位移的那部分晶块确定位错运动方向的右手定则当前第88页\共有102页\编于星期三\3点例1.方形位错环的运动bEFGHttbb正刃错负刃错bb右螺型左螺型HG段：正刃错-x方向xyzEF段：负刃错x方向EH段：正螺错-y方向GF段：负刃错y方向当前第89页\共有102页\编于星期三\3点假如晶体中有一刃型位错在图示切应力作用下，应力足够大时，位错将在应力作用下发生向右的运动。因此：位错的运动在外加切应力的作用下发生；刃位错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。位错运动扫过的区域晶体上下两部分发生了柏氏矢量大小的相对运动；位错移出晶体将在晶体的表面上产生柏氏矢量大小的台阶。C、刃位错的滑移运动tt当前第90页\共有102页\编于星期三\3点假如晶体中有一螺型位错，晶体受到足够大切应力作用下，螺位错将向后发生移动，移动过的区间上边晶体向右移动一柏氏矢量。因此：螺位错是在外加切应力的作用下发生运动；螺位错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。位错扫过区域晶体的两部分发生了柏氏矢量大小的相对运动(滑移)；位错移过部分在表面留下部分台阶，全部移出晶体的表面上产生柏氏矢量大小的完整台阶。D、螺型位错的滑移运动tt当前第91页\共有102页\编于星期三\3点E、混合位错的运动混合位错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）。tt当前第92页\共有102页\编于星期三\3点正攀移（半原子面缩短）未攀移负攀移（半