位错基本理论PPT课件

1、第二章错位理论。构成物体的原子、离子或分子完全按照空间晶格规则排列，这种晶体被称为理想晶体。在实际晶体中，原子的排列不可能如此规则和完整，但或多或少会有偏离理想结构的区域，导致不完整。一般来说，实际晶体中偏离理想晶格结构的区域称为晶体缺陷。根据几何特征，晶体缺陷可分为三种类型：(1)点缺陷，(2)线缺陷，(3)表面缺陷，(1)点缺陷：其特征是三维空间各个方向的尺寸都很小，也称为零维缺陷。如空位、间隙原子等。(2)线缺陷：以两个方向的小尺寸和一个方向的大尺寸为特征，也称为一维缺陷。如晶体中的各种位错。(3)表面缺陷：以一个方向的小尺寸和另两个方向的大尺寸为特征，也称为二维缺陷。例如晶界、相界、堆

2、垛层错、晶体表面等。研究晶体缺陷的意义：(1)晶体中缺陷的分布和运动对晶体的某些性质(如金属的屈服强度、半导体的电阻率等)有很大的影响。)。(2)晶体缺陷通常对晶体的塑性、强度、扩散和其他结构敏感性起主要作用，而晶体的整个部分处于次要位置。因此，研究晶体缺陷，了解晶体缺陷的基本性质，具有重要的理论和现实意义。点缺陷：晶体中的点缺陷：包括空位、间隙原子和溶质原子，以及小尺寸配合物(如空位对或空位片等)。)由它们组成。点缺陷类型：有三种基本类型：空位、间隙原子和替换原子。晶体中的空位，位于晶格结点的原子不是静止的，而是在其平衡位置热振动的。在一定的温度下，原子热振动的平均能量是恒定的，但每个原子的

3、能量并不完全相等，而且变化频繁，一个接一个。在某个时刻，一些原子大到足以克服周围原子的束缚，可能会离开它们原来的平衡位置。因此，在原始位置有空节点，这被称为空缺。离开平衡位置的原子可以有两个位置：(1)迁移到晶体表面，仅在原始位置形成空位，不形成间隙原子，这被称为肖特基缺陷(图A)；(2)迁移到晶格间隙中，形成的空位称为Frenkeldefece，同时产生间隙原子(图B)。肖特基空位。间隙原子间隙原子：进入晶格间隙的原子。可以是晶体本身固有的原子(自填隙原子)；它也可以是小尺寸的外来原子(溶质原子或杂质原子)。外星原子：如果它取代了晶体本身的原子并落在晶格结点上，它就被称为替代原子。间隙原子：

4、它周围的原子偏离平衡位置，导致晶格膨胀和晶格扭曲。取代原子那些占据原基体原子平衡位置的异质原子称为取代原子。替换原子的半径通常不同于原始基体原子的半径，从而导致晶格畸变。空位和间隙原子的形成与温度密切相关。通常，空位或间隙原子的数量随着温度的升高而增加。因此，点缺陷也称为热缺陷。晶体中的点缺陷并不都是由原子的热运动引起的。高能粒子(如粒子、高速电子和中子)的冷变形加工和轰击(辐照)也会产生点缺陷。热平衡缺陷：热力学分析表明，在高于0K的任何温度下，晶体的最稳定状态不是完整晶体，而是具有一定浓度的点缺陷状态，即该浓度下的最低自由能。这种浓度被称为该温度下晶体中点缺陷的平衡浓度。具有平衡浓度的缺陷

5、也称为热平衡缺陷。热平衡缺陷及其集中：一方面，晶体中点缺陷的存在导致晶格畸变，这增加了晶体的内能，增加了热力学不稳定性。另一方面，原子排列越混乱，晶体越稳定，因为它改变了周围原子的振动频率，增加了晶体的熵值。因此，这两个矛盾的因素导致了在一定温度下晶体中点缺陷的一定平衡数。点缺陷的浓度称为该温度下的热力学平衡浓度。在一定温度下，晶体具有一定的热力学平衡浓度，这是区别点缺陷和其他类型晶体缺陷的一个重要特征。晶体中空位缺陷的平衡浓度：在温度t和压力p的条件下，从由n个原子组成的完整晶体中除去n个原子，即产生n个空位。晶体中空位缺陷的平衡浓度定义为：-是空位形成的能量，k-玻尔兹曼常数。空位和间隙原

6、子的平衡浓度随温度的升高而急剧增加，呈指数关系。非平衡点缺陷：在点缺陷的平衡浓度下，晶体自由能最低且最稳定。然而，在某些情况下，晶体中点缺陷的浓度可能高于平衡浓度。这种点缺陷称为过饱和点缺陷或非平衡点缺陷。获得过饱和点缺陷通常有几种方法：(1)高温淬火热力学分析表明，随着温度的升高，晶体中的空位浓度急剧增加。如果晶体被加热到高温，然后迅速冷却(淬火)，在高温下形成的空位将不能扩散和消失，并且在高温状态下的空位浓度，即过饱和空位，将保持在低温下。(2)冷加工金属在室温下的冷加工塑性变形也会产生大量的过饱和空位，这是由于位错输送形成的切削步骤的缩放。(3)在高能粒子的照射下，晶格上的原子被敲除，原

7、子发生位错。此外，错位原子的能量很高，其他原子在进入稳定间隙之前将被撞击，从而形成大量相等间隙的原子和空位(即弗兰克尔缺陷)。一般来说，晶体点缺陷的平衡浓度极低，对金属的机械性能影响很小。然而，在高能粒子的照射下，由于形成大量点缺陷，金属将显著硬化和脆化，这被称为“辐射硬化”。点缺陷的运动：晶体中的点缺陷不是固定的，而是在不断变化的位置上运动。由于热振动能量的波动，空位周围的原子跃迁到空位中，从而在原子的原始位置形成空位。这个过程是空位向相邻节点的迁移。如图所示，(一)原始位置；(b)中级职位；迁移后，职位空缺从职位A迁移到职位B，17岁。当原子在位置C时，它处于能量较高的不稳定状态。空位迁移

8、必须获得足够的能量来克服这一障碍，称为空位迁移活化能Em。一些金属晶体的空位迁移活化能Em和一些晶体的Em的实验值如下表所示。晶体中的间隙原子：由于热振动，它们也可以从一个间隙位置迁移到另一个间隙位置，只是它们的迁移活化能比空位的迁移活化能小得多。在间隙原子运动的过程中，当它遇到空位时，它会落入空位，两者都会消失。这个过程叫做重组，也叫做“湮灭”。点缺陷对金属性能的影响：(1)点缺陷的存在导致晶体体积膨胀，密度降低。如果形成肖特基缺陷，体积膨胀约为0.5原子体积。并产生一个间隙原子，约1 2个原子体积。(2)点缺陷导致电阻增加。晶体中存在点缺陷，这导致传导电子的额外散射并增加电阻。例如，铜中每

9、有1%的空位，电阻率就会增加1.5cm。(3)位错是晶体中常见的线性缺陷，对晶体生长、相变、塑性变形、断裂等物理化学性质有重要影响。位错理论是现代物理冶金和材料科学的基础。错位概念：它不是幻想的产物，相反，它的理解是基于深刻的科学实验。位错的概念是人们在对晶体强度进行一系列理论计算后首次提出的。在许多实验中发现，晶体的实际强度远低于其理论强度，因此不能用理想晶体模型来解释。在此基础上，有人提出。塑性变形是提高金属强度和制造金属产品的重要手段。早在位错被认识之前，晶体塑性变形的宏观规律就已被广泛研究。发现塑性变形的主要方式是滑移，即在剪应力的作用下，晶体的相邻部分相对滑动。晶体滑移：总是沿着某一

10、滑移面(紧密堆积面)及其上方的一个滑移方向，只有当剪切应力达到某一临界值时，滑移才开始。这种剪应力称为临界剪应力，即晶体的剪切强度。1926年，弗兰克尔根据刚性滑移模型计算了晶体的理论强度。假设滑动面上沿滑动方向施加的剪切应力为，滑动面上上部晶体相对于下部晶体的位移为x。然后将所需的设置为周期函数：当位移很小时(xa)，我们可以得到：从胡克定律，我们可以得到：其中：是晶体的理论强度。如果取ab，则为晶体滑移的理论临界剪切应力(理论剪切强度)。之后，理想的完整晶体开始滑动和变形。与晶体的实际强度相比，G/2显得太大，平均金属： g 104 105 MPa， m 103 104 MPa，但平均纯金

11、属单晶的实际剪切强度只有1 10 MPa。通过实验测得的实际强度至少比理论强度低3个数量级。理论剪切强度和实际剪切强度之间的巨大差异从根本上否定了理想完整晶体刚性相对滑移的假设，即实际晶体是不完整的和有缺陷的。滑移也不是刚性的，而是从晶体中的局部薄弱区域(即缺陷)开始逐步进行的。1934年，泰勒、波兰尼和奥罗万几乎同时从晶体学的角度提出了位错的概念。特别是，泰勒把位错和晶体的塑性变形联系起来，并开始建立和逐渐发展位错理论。直到1950年，电子显微镜实验技术的发展才证实了位错的存在和运动。在透射电镜下观察了316L(00Cr17Ni14Mo2)不锈钢的位错线和位错缠结。位错型：位错：本质上是原子

12、的一种特殊构型。熟悉其结构特征是掌握位错各种性质的基础。根据原子滑移方向和位错线取向的不同几何特征，位错分为边缘位错、螺旋位错和混合位错。27，1，边缘位错，在外部剪切应力的作用下，晶体以ABCD面为滑移面滑移，EFGH面向左滑移，尚未向右滑移，导致ABCD面上下晶体之间的原子位错。滑动面分为滑动区和非滑动区，称为“位错”。EFGH晶面被称为多重半原子面。刃形位错图，这种位错就像一把插入晶体的刀，有一个刃形多余的半原子表面，所以称为“刃形位错”(或刃形位错)。“切削刃”EF被称为刃位错线。嘿。28，边缘位错的结构特征，1)还有一个附加的半原子平面。晶体上半部分具有更多原子平面的位错称为正边缘位

13、错，用符号“”表示，而负边缘位错用“.”表示这种积极和消极的区别只是相对的意义，没有本质的区别。如果晶体旋转180度，同一位错的符号就会改变。边缘位错平面图正边缘位错-负边缘位错-，。231和3)边缘位置位错线EF垂直于滑移矢量B，滑移面是位错线EF和滑移矢量B形成的唯一平面.位错不能在其他表面滑动。32，4)晶体中存在边缘位错，导致其周围晶格的弹性变形，包括剪切应变和正应变。正边缘位错：滑动面上方晶格的压应力和滑动面下方晶格的拉应力。负边缘位错是相反的。33，5)位错线周围的过渡区(畸变区)中的每个原子具有较大的平均能量。但是只有2 5个原子有很宽的间距，并且是又长又窄的管道。嘿。34，螺丝

14、错位。在外部剪切应力的作用下，晶体右端的上下区域在ABCD处发生原子间距剪切。BC是滑动带和非滑动带的结合点，即错误的线。当BC线和aa线之间的原子失去正常的相邻关系时，该连接变成螺旋路径，并且被该路径包围的长管状原子的无序区域变成螺旋位错。螺旋位错的原子组态，35，根据进动方向的不同，螺旋位错有左、右两点。右手法则：右手的拇指代表螺旋的前进方向，另外四个手指代表螺旋的旋转方向。任何右旋位错都称为右旋位错。那些符合左手法则的称为左旋错位。嘿。36、螺旋位错特性，1)没有附加的半原子表面，原子的位错是轴对称的。2)螺旋位错线平行于滑移矢量，所以它必须是一条直线，位错线的移动方向和晶体的滑移方向相

15、互垂直。3)纯螺位错的滑移面不是唯一的。任何包含螺旋位错线的平面都可以是它的滑移面，所以存在无限，但滑移通常是在原子紧密堆积的面上，所以它也是有限的。螺旋位错周围的晶格也经历弹性变形，但只有平行于位错线的剪切应变。5)螺旋位错周围的晶格畸变随着离位错线的距离的增加而急剧减小，因此它也是一种具有几个原子宽度的线缺陷。在螺旋位错形成之后，所有垂直于位错线的晶面将以位错线为中心轴从平面变为螺旋平面。晶体平面的形状垂直于螺旋位错，39、混合位错，除了两种基本位错之外，还有一种更常见的形式，它的滑移矢量既不平行也不垂直于位错线，而是以任何角度与位错线相交，这种位错称为混合位错。图中显示了由晶体局部滑移形

16、成的混合位错及其原子构型。晶体的局部滑移形成混合位错，混合位错的原子构型如下：混合位错线AC为曲线。在，位错线平行于滑移矢量，所以它是螺旋位错。在C，位错线垂直于滑移矢量B，所以它是边缘位错。A和C之间的位错线：既不垂直也不平行于滑移矢量B，其中每一小段位错线可分解为两个分量：叶片型和螺旋型。因为位错线是滑移区和非滑移区之间的边界线，所以位错具有非常重要的性质，即位错线不能在晶体内部中断。位错线：只能连接到晶体表面(包括晶界)，或者连接到其他位错，或者形成闭合的位错环。该图是晶体中位错环ACBDA的俯视图。可以看出：A和B是数量不同的边缘位错；c和D是不同数目的螺旋位错。混合位错随处可见。混合位错：可分为螺旋分量bs和边缘分量be，bs=bcos，be=bsin。混合位错(a)立体图(b)俯视图。43，伯杰矢量：1939年，J.M.Burgers提出用伯杰环来定义位错。位错的特征可以用伯杰矢量来表示，这可以更准确地揭示位错的本质，方便地描述位错的各种行为。这个向量叫做“伯杰向量”或“伯杰向量”，用B表示.贝尔德矢量的确定：1)首先确定方向按照同样的方法，在完整的晶体中做同样的循环，步骤的数目和方向与上述循环相同，那么终点q和起点m不重合，从终点q到起点m的矢量QM就是伯恩斯坦矢量