材料科學與材料世界第2章晶體缺陷

1、材料科學基礎材料科學基礎第二章第二章第二章第二章 晶晶 體體 缺缺 陷陷2.12.1本章綜述本章綜述2.22.2點缺陷點缺陷2.2.12.2.1點缺陷的形成點缺陷的形成2.2.22.2.2點缺陷的平衡濃度點缺陷的平衡濃度2.2.32.2.3點缺陷的運動點缺陷的運動2.2.42.2.4點缺陷對結構和性能點缺陷對結構和性能的影響的影響2.32.3位錯位錯2.3.12.3.1位錯的基本類型和特征位錯的基本類型和特征2.3.22.3.2柏氏矢量柏氏矢量2.3.32.3.3位錯的運動位錯的運動2.3.42.3.4位錯的彈性性質位錯的彈性性質2.3.52.3.5位錯的生成和增殖位錯的生成和增殖2.3.62

2、.3.6實際晶體結構中的位錯實際晶體結構中的位錯2.42.4材料中的面缺陷材料中的面缺陷2.4.12.4.1外表面外表面2.4.22.4.2晶界和亞晶界晶界和亞晶界2.4.32.4.3孿晶界孿晶界2.4.42.4.4相界相界線缺陷線缺陷面缺陷面缺陷點缺陷點缺陷材料科學基礎材料科學基礎第二章第二章 在實際晶體中，由于原子（或離子、分子）的熱運動，以及晶體的形在實際晶體中，由于原子（或離子、分子）的熱運動，以及晶體的形成條件，冷熱加工過程和其他輻射、雜質等因素的影響，實際晶體中原成條件，冷熱加工過程和其他輻射、雜質等因素的影響，實際晶體中原子的排列不可能那樣規(guī)則、完整，常存在各種偏離理想結構的情況

3、，即子的排列不可能那樣規(guī)則、完整，常存在各種偏離理想結構的情況，即晶體缺陷。晶體缺陷對晶體的性能，特別是對那些結構敏感的性能，如晶體缺陷。晶體缺陷對晶體的性能，特別是對那些結構敏感的性能，如屈服強度、斷裂強度、塑性、電阻率、磁導率等都有很大影響。另外，屈服強度、斷裂強度、塑性、電阻率、磁導率等都有很大影響。另外，晶體缺陷還與擴散、相變、塑性變形、再結晶、氧化、燒結等都有密切晶體缺陷還與擴散、相變、塑性變形、再結晶、氧化、燒結等都有密切關系。根據晶體缺陷的幾何特征，可將它們分為三類：關系。根據晶體缺陷的幾何特征，可將它們分為三類：2.12.1本章綜述本章綜述2.2 2.2 點缺陷點缺陷 點缺陷是

4、最簡單的晶體缺陷，它是在結點上或鄰近的微觀區(qū)域內偏離晶體點缺陷是最簡單的晶體缺陷，它是在結點上或鄰近的微觀區(qū)域內偏離晶體結構正常排列的一種缺陷。結構正常排列的一種缺陷。 晶體點缺陷包括：晶體點缺陷包括：空位空位置換原子置換原子雜質雜質間隙原子間隙原子材料科學基礎材料科學基礎第二章第二章2.2.1 2.2.1 點缺陷的形成點缺陷的形成 在晶體中，位于點陣結點上的原子并非是靜止的，而是以其平衡位置為在晶體中，位于點陣結點上的原子并非是靜止的，而是以其平衡位置為中心作熱振動。當溫度一定時，原子熱振動的平均能量是一定的，但是各個中心作熱振動。當溫度一定時，原子熱振動的平均能量是一定的，但是各個原子的熱

5、振動能量并不相同，而且每個原子的熱振動能量在不同的瞬間也不原子的熱振動能量并不相同，而且每個原子的熱振動能量在不同的瞬間也不同，即存在同，即存在能量起伏能量起伏。當某一原子的熱振動能量高到足以克服周圍原子的束。當某一原子的熱振動能量高到足以克服周圍原子的束縛時，它就可能跳離原來的位置，離開平衡位置的原子有三個去處：縛時，它就可能跳離原來的位置，離開平衡位置的原子有三個去處：(1)(1)形成形成SchottkySchottky空位空位(2)(2)形成形成FrankelyFrankely缺陷缺陷(3)(3)跑到其它空位上使空位消失或移位。跑到其它空位上使空位消失或移位。插入課件插入課件材料科學基礎

6、材料科學基礎第二章第二章 晶體中點缺陷的存在一方面造成點陣畸變，使晶體的晶體中點缺陷的存在一方面造成點陣畸變，使晶體的內能升高，降低了晶體的熱力學穩(wěn)定性，另一方面由于增內能升高，降低了晶體的熱力學穩(wěn)定性，另一方面由于增大了原子排列的混亂程度，并改變了其周圍原子的振動頻大了原子排列的混亂程度，并改變了其周圍原子的振動頻率，引起組態(tài)熵和振動熵的改變，使晶體熵值增大，增加率，引起組態(tài)熵和振動熵的改變，使晶體熵值增大，增加了晶體的熱力學穩(wěn)定性。這兩個相互矛盾的因素使得晶體了晶體的熱力學穩(wěn)定性。這兩個相互矛盾的因素使得晶體中的點缺陷在一定的溫度下有一定的平衡濃度。這個濃度中的點缺陷在一定的溫度下有一定的

7、平衡濃度。這個濃度稱為該溫度下晶體中點缺陷的平衡濃度稱為該溫度下晶體中點缺陷的平衡濃度。經熱力學推導：經熱力學推導：)exp(kTEvANnC材料科學基礎材料科學基礎第二章第二章 在一般的晶體中間隙原子的形成能在一般的晶體中間隙原子的形成能E Ev v較大（約為空位形較大（約為空位形成能成能EvEv的的3 34 4倍）。因此，在同一溫度下，晶體中間隙原子的倍）。因此，在同一溫度下，晶體中間隙原子的平衡濃度平衡濃度C C要比空位的平衡濃度要比空位的平衡濃度CC低得多。因此，在通常情況下，低得多。因此，在通常情況下，相對于空位，間隙原子可以忽略不計；但是在高能粒子輻照后，相對于空位，間隙原子可以忽

8、略不計；但是在高能粒子輻照后，產生大量的弗蘭克爾缺陷，間隙原子數(shù)就不能忽略了。產生大量的弗蘭克爾缺陷，間隙原子數(shù)就不能忽略了。 對離子晶體，和純金屬相比，點缺陷形成能都很大，故一般對離子晶體，和純金屬相比，點缺陷形成能都很大，故一般離子晶體中，在平衡狀態(tài)下存在的點缺陷濃度是極小的。離子晶體中，在平衡狀態(tài)下存在的點缺陷濃度是極小的。金屬金屬種類種類 Pb Al Mg Au Cu Pt WEv 10-8J0.080.120.140.150.170.240.56C9.210-62.810-81.510-93.610-102.010-117.810-165.710-36材料科學基礎材料科學基礎第二章第

9、二章 在一定溫度下，晶體中達到統(tǒng)計平衡的空位和間隙原在一定溫度下，晶體中達到統(tǒng)計平衡的空位和間隙原子的數(shù)目是一定的，但是晶體中的點缺陷并不是固定不子的數(shù)目是一定的，但是晶體中的點缺陷并不是固定不動的，而是處于不斷的運動過程中。動的，而是處于不斷的運動過程中。 點缺陷的運動方式：點缺陷的運動方式： (1) (1) 空位運動?？瘴贿\動。 (2) (2) 間隙原子遷移。間隙原子遷移。 (3) (3) 空位和間隙原子相遇，兩缺陷同時消失?？瘴缓烷g隙原子相遇，兩缺陷同時消失。 (4) (4) 逸出晶體到表面，或移到晶界，點缺陷消失逸出晶體到表面，或移到晶界，點缺陷消失。材料科學基礎材料科學基礎第二章第二

10、章點缺陷引起晶格畸變點缺陷引起晶格畸變, ,能量升高，結構不穩(wěn)定，易發(fā)生轉變。能量升高，結構不穩(wěn)定，易發(fā)生轉變。點缺陷的存在會引起性能的變化：點缺陷的存在會引起性能的變化： (1) (1)物理性質、如物理性質、如R R、V V、 等；等； (2) (2)力學性能：采用高溫急冷力學性能：采用高溫急冷( (如淬火如淬火 , ,大量的冷變形大量的冷變形）, ,高能粒子輻照等方法可獲得過飽和點缺陷，如使高能粒子輻照等方法可獲得過飽和點缺陷，如使S S提高；提高； (3) (3)影響固態(tài)相變影響固態(tài)相變, ,化學熱處理等?；瘜W熱處理等。材料科學基礎材料科學基礎第二章第二章位錯的起源：位錯的起源：位錯的概

11、念最早是在研究晶體滑移過程時提出來的。位錯的概念最早是在研究晶體滑移過程時提出來的。剛性相對滑動模型：剛性相對滑動模型： m m = G/30 = G/30 純鐵：純鐵：G 100GPaG 100GPa 純鐵的理論臨界切應力：約純鐵的理論臨界切應力：約30003000MPaMPa 純鐵的實際屈服強度：純鐵的實際屈服強度：10MPa10MPa 19341934年年 Taylor Taylor、OrowanOrowan、PolanyiPolanyi提出位錯模型，提出位錯模型， 滑移是通過稱為位錯的運動而進行的滑移是通過稱為位錯的運動而進行的19501950年代年代 位錯模型為試驗所驗證位錯模型為試

12、驗所驗證現(xiàn)在，位錯是晶體的性能研究中最重要的概念?，F(xiàn)在，位錯是晶體的性能研究中最重要的概念。材料科學基礎材料科學基礎第二章第二章1 1、刃型位錯、刃型位錯（南航課件）（南航課件）刃型位錯形成過程 原子排列具體模型 多余的半原子面與滑移面的交線就稱為刃型位錯線多余的半原子面與滑移面的交線就稱為刃型位錯線刃型位錯線也可理解為晶體中已滑移區(qū)與未滑移區(qū)的邊界線刃型位錯線也可理解為晶體中已滑移區(qū)與未滑移區(qū)的邊界線材料科學基礎材料科學基礎第二章第二章 刃型位錯有一個額外的（多余）半原子面。正刃型位錯用刃型位錯有一個額外的（多余）半原子面。正刃型位錯用“”“”表表示，負刃型位錯用示，負刃型位錯用“”“”表示

13、；其正負只是相對而言。判斷用右手表示；其正負只是相對而言。判斷用右手定則：食指指向位錯線方向，中指指向柏氏矢量方向，拇指指向多定則：食指指向位錯線方向，中指指向柏氏矢量方向，拇指指向多余半原子面方向。余半原子面方向。 刃型位錯可以是直線、折線或曲線。它與滑移方向、柏氏矢量垂直。刃型位錯可以是直線、折線或曲線。它與滑移方向、柏氏矢量垂直。 滑移面必須是同時包含有位錯線和滑移矢量的平面。位錯線與滑移滑移面必須是同時包含有位錯線和滑移矢量的平面。位錯線與滑移矢量互相垂直矢量互相垂直, ,它們構成平面只有一個。它們構成平面只有一個。 晶體中存在刃位錯后晶體中存在刃位錯后, ,位錯周圍的點陣發(fā)生彈性畸變

14、位錯周圍的點陣發(fā)生彈性畸變, ,既有正應變既有正應變, ,也也有負應變。點陣畸變相對于多余半原子面是左右對稱的，其程度隨有負應變。點陣畸變相對于多余半原子面是左右對稱的，其程度隨距位錯線距離增大而減小。就正刃型位錯而言距位錯線距離增大而減小。就正刃型位錯而言, ,上方受壓上方受壓, ,下方受拉。下方受拉。 在位錯線周圍的畸變區(qū)每個原子具有較大的平均能量。畸變區(qū)是一在位錯線周圍的畸變區(qū)每個原子具有較大的平均能量?；儏^(qū)是一個狹長的管道。個狹長的管道。刃型位錯的特征刃型位錯的特征材料科學基礎材料科學基礎第二章第二章2 2、螺型位錯、螺型位錯插入一個螺型位錯的形成過程動畫插入一個螺型位錯的形成過程動

15、畫材料科學基礎材料科學基礎第二章第二章1).1).螺型位錯無額外半原子面，原子錯排是呈軸對稱的。螺型位錯無額外半原子面，原子錯排是呈軸對稱的。2).2).根據位錯線附近呈螺旋形排列的原子的旋轉方向不同，螺型位錯可分為根據位錯線附近呈螺旋形排列的原子的旋轉方向不同，螺型位錯可分為右旋和左旋螺型位錯。右旋和左旋螺型位錯。3).3).螺型位錯線與滑移矢量平行，因此一定是直線，而且位錯線的移動方向螺型位錯線與滑移矢量平行，因此一定是直線，而且位錯線的移動方向與晶體滑移方向互相垂直。與晶體滑移方向互相垂直。4).4).純螺型位錯的滑移面不是唯一的。凡是包含螺型位錯線的平面都可以作純螺型位錯的滑移面不是唯

16、一的。凡是包含螺型位錯線的平面都可以作為它的滑移面。但實際上，滑移通常是在那些原子密排面上進行。為它的滑移面。但實際上，滑移通常是在那些原子密排面上進行。 5).5).螺型位錯線周圍的點陣也發(fā)生了彈性畸變，但是，只有平行于位錯線的螺型位錯線周圍的點陣也發(fā)生了彈性畸變，但是，只有平行于位錯線的切應變而無正應變，即不會引起體積膨脹和收縮，且在垂直于位錯線的切應變而無正應變，即不會引起體積膨脹和收縮，且在垂直于位錯線的平面投影上，看不到原子的位移，看不出有缺陷。平面投影上，看不到原子的位移，看不出有缺陷。 6).6).螺型位錯周圍的點陣畸變隨離位錯線距離的增加而急劇減少，故它也是螺型位錯周圍的點陣畸

17、變隨離位錯線距離的增加而急劇減少，故它也是包含幾個原子寬度的線缺陷。包含幾個原子寬度的線缺陷。螺型位錯的特征：螺型位錯的特征：材料科學基礎材料科學基礎第二章第二章3 3、混合位錯、混合位錯 除了上面介紹的兩種基本型位錯外，還有一種形式更為普遍的位錯，其滑除了上面介紹的兩種基本型位錯外，還有一種形式更為普遍的位錯，其滑移矢量既不平行也不垂直于位錯線，而是與位錯線相交成任意角度，這種位移矢量既不平行也不垂直于位錯線，而是與位錯線相交成任意角度，這種位錯稱為混合位錯。錯稱為混合位錯。插入混合位錯的形成過程動畫插入混合位錯的形成過程動畫材料科學基礎材料科學基礎第二章第二章1. 1. 柏氏矢量的確定：柏

18、氏矢量的確定： (1) (1) 選定位錯線的正方向選定位錯線的正方向( ()一般選定出紙面的方向為位錯線的正向。一般選定出紙面的方向為位錯線的正向。 (2) (2) 在實際晶體中作柏氏回路在實際晶體中作柏氏回路 (3) (3) 在完整晶體中按在完整晶體中按(2)(2)中相同方向和步數(shù)作回路?；芈凡环忾]，由中相同方向和步數(shù)作回路。回路不封閉，由終點向起點作矢量，即為柏氏矢量。終點向起點作矢量，即為柏氏矢量。材料科學基礎材料科學基礎第二章第二章(1)(1) 刃型位錯刃型位錯 bb 右手法則右手法則: :食指指向位錯線方向，中指指向柏氏矢量食指指向位錯線方向，中指指向柏氏矢量方向，拇指指向代表多余半

19、面子面位向，向上為正，方向，拇指指向代表多余半面子面位向，向上為正，向下為負。向下為負。(2)(2) 螺型位錯螺型位錯 bb 正向（方向相同）為右螺旋位錯，負向（方向相反）正向（方向相同）為右螺旋位錯，負向（方向相反）為左螺旋位錯。為左螺旋位錯。(3)(3) 混合位錯混合位錯 柏氏矢量與位錯線方向成夾角柏氏矢量與位錯線方向成夾角材料科學基礎材料科學基礎第二章第二章柏氏矢量特性柏氏矢量特性: : (1) (1) 用柏氏矢量可以表示位錯區(qū)域晶格畸變總量的大小。柏氏矢量可表用柏氏矢量可以表示位錯區(qū)域晶格畸變總量的大小。柏氏矢量可表示位錯性質和取向示位錯性質和取向, ,即晶體滑移方向。即晶體滑移方向。

20、 柏氏矢量越大柏氏矢量越大, ,位錯周圍晶體畸位錯周圍晶體畸變越嚴重。變越嚴重。 (2) (2) 柏氏矢量具有守恒性。即一條位錯線的柏氏矢量恒定不變。（柏氏柏氏矢量具有守恒性。即一條位錯線的柏氏矢量恒定不變。（柏氏矢量與回路起點及其具體途徑無關）矢量與回路起點及其具體途徑無關） (3) (3) 柏氏矢量的唯一性。即一根位錯線具有唯一的柏氏矢量。柏氏矢量的唯一性。即一根位錯線具有唯一的柏氏矢量。 (4) (4) 柏氏矢量守恒定律。柏氏矢量守恒定律。 位錯分解位錯分解 位錯交于一點位錯交于一點柏氏矢量的物理意義柏氏矢量的物理意義是一個反映位錯性質以及由位錯引起的晶格是一個反映位錯性質以及由位錯引起

21、的晶格畸變大小的物理量?；兇笮〉奈锢砹?。材料科學基礎材料科學基礎第二章第二章 (5)(5) 位錯的連續(xù)性位錯的連續(xù)性: :可以形成位錯環(huán)、連接于其他位錯、終止于晶界或露可以形成位錯環(huán)、連接于其他位錯、終止于晶界或露頭于表面頭于表面, ,但不能中斷于晶體內但不能中斷于晶體內. . (6) (6) 可用柏氏矢量判斷位錯類型可用柏氏矢量判斷位錯類型 刃型位錯刃型位錯: : eebebe，右手法則判斷正負右手法則判斷正負 螺型位錯螺型位錯: : sbssbs，二者同向右旋二者同向右旋, ,反向左旋反向左旋 (7) (7) 柏氏矢量表示晶體滑移方向和大小柏氏矢量表示晶體滑移方向和大小. .大小大小|

22、|b|b|，方向為柏氏矢量方向。方向為柏氏矢量方向。 (8) (8) 刃型位錯滑移面為刃型位錯滑移面為與柏氏矢量所構成的平面與柏氏矢量所構成的平面, ,只有一個；螺型位錯只有一個；螺型位錯滑移面不定滑移面不定, ,多個。多個。材料科學基礎材料科學基礎第二章第二章 柏氏矢量的大小和方向可用它在晶軸上的分量，即用點陣柏氏矢量的大小和方向可用它在晶軸上的分量，即用點陣矢量矢量abcabc來表示。一般立方晶系中柏氏矢量可表示為：來表示。一般立方晶系中柏氏矢量可表示為：b=a/n,b=a/n,其中其中n n為正整數(shù)。為正整數(shù)。 通常還用通常還用b b =a/n=a/n來表示位錯的強度，稱為來表示位錯的強

23、度，稱為柏氏矢量的大小或模，即位錯的強度。柏氏矢量的大小或模，即位錯的強度。 同一晶體中，柏氏矢量越大，表明該位錯導致點陣畸變越同一晶體中，柏氏矢量越大，表明該位錯導致點陣畸變越嚴重，它所處的能量也越高，能量較高的位錯傾向于分解嚴重，它所處的能量也越高，能量較高的位錯傾向于分解為兩個或多個能量較低的位錯，以使系統(tǒng)的自由能下降。為兩個或多個能量較低的位錯，以使系統(tǒng)的自由能下降。u2+v2+w2材料科學基礎材料科學基礎第二章第二章位錯的運動方式有兩種最基本形式位錯的運動方式有兩種最基本形式: :位錯最重要的性質之一是它可在晶體中運動，而晶體宏觀的塑性變位錯最重要的性質之一是它可在晶體中運動，而晶體

24、宏觀的塑性變形是通過位錯運動來實現(xiàn)的。晶體的力學性能如強度、塑性和斷裂形是通過位錯運動來實現(xiàn)的。晶體的力學性能如強度、塑性和斷裂等均與位錯的運動有關。等均與位錯的運動有關?；苹婆室婆室瞥坪团室仆膺€有交割和扭折除滑移和攀移外還有交割和扭折材料科學基礎材料科學基礎第二章第二章任何類型的位錯均可進行滑移任何類型的位錯均可進行滑移. . (1) (1) 刃位錯的滑移過程刃位錯的滑移過程 b b、b b 、滑移方向滑移方向 、滑移方向滑移方向b b，單一滑移面。單一滑移面。 (2) (2) 螺型位錯的滑移過程螺型位錯的滑移過程 b b、b b 、滑移方向滑移方向 、滑移、滑移方向方向 b b ，

25、非單一滑移面非單一滑移面?？砂l(fā)生交滑移。可發(fā)生交滑移。 (3) (3) 混合位錯的滑移過程混合位錯的滑移過程 沿位錯線各點的法線方向在滑移面上沿位錯線各點的法線方向在滑移面上擴展，滑動方向垂直于位錯線方向。但滑動方向與柏氏矢量有夾角。擴展，滑動方向垂直于位錯線方向。但滑動方向與柏氏矢量有夾角。材料科學基礎材料科學基礎第二章第二章僅當有切應力作用僅當有切應力作用 在一個位錯的滑移面上，并且平行在一個位錯的滑移面上，并且平行于它的柏氏矢量時，這個位錯才會運動或趨于運動。于它的柏氏矢量時，這個位錯才會運動或趨于運動。刃位錯刃位錯螺位錯螺位錯bbvv材料科學基礎材料科學基礎第二章第二章l位錯的攀移位錯

26、的攀移: :在垂直于滑移面方向上運動在垂直于滑移面方向上運動l攀移的實質攀移的實質: :刃位錯多余半原子面的擴大和縮小刃位錯多余半原子面的擴大和縮小. .l刃位錯的攀移過程刃位錯的攀移過程: :正攀移正攀移, ,向上運動；負攀移向上運動；負攀移, , 向下運動向下運動l注意：只有刃型位錯才能發(fā)生攀移；滑移不涉及原子擴散，而攀移注意：只有刃型位錯才能發(fā)生攀移；滑移不涉及原子擴散，而攀移必須借助原子擴散；外加應力對攀移起促進作用，壓（拉）促進正必須借助原子擴散；外加應力對攀移起促進作用，壓（拉）促進正（負）攀移；高溫影響位錯的攀移（負）攀移；高溫影響位錯的攀移l攀移力：化學攀移力，彈性攀移驅動力（

27、作用在多余半原子面的正攀移力：化學攀移力，彈性攀移驅動力（作用在多余半原子面的正應力）。應力）。插入課件材料科學基礎材料科學基礎第二章第二章刃型位錯的割階仍為刃型位錯刃型位錯的割階仍為刃型位錯, ,扭折為螺型位錯。螺型扭折為螺型位錯。螺型位錯的割階和扭折均為刃型位錯。位錯的割階和扭折均為刃型位錯。刃型位錯的扭折是一可動螺位錯刃型位錯的扭折是一可動螺位錯, ,割階也是一可動的刃割階也是一可動的刃位錯。螺型位錯的扭折是可動的刃型位錯位錯。螺型位錯的扭折是可動的刃型位錯, ,割階是不可割階是不可動的刃型位錯。動的刃型位錯。割階扭折曲折段垂直于位錯的滑移面曲折段垂直于位錯的滑移面曲折段在位錯的滑移面曲

28、折段在位錯的滑移面注意材料科學基礎材料科學基礎第二章第二章材料科學基礎材料科學基礎第二章第二章材料科學基礎材料科學基礎第二章第二章 結論：結論： 運動位錯交割后運動位錯交割后, ,可以產生扭折或割階可以產生扭折或割階, ,其大小和方向取決與另一其大小和方向取決與另一位錯的柏氏矢量位錯的柏氏矢量, ,其方向平行其方向平行, ,大小為其模大小為其模, ,但具原位錯的柏氏矢但具原位錯的柏氏矢量。如果另一位錯的柏氏矢量與該位錯線平行量。如果另一位錯的柏氏矢量與該位錯線平行, ,則交割后該位錯則交割后該位錯線不出現(xiàn)曲折。線不出現(xiàn)曲折。 所有割階都是刃位錯所有割階都是刃位錯, ,而扭折可以是刃位錯而扭折可

29、以是刃位錯, ,也可以是螺位錯。交也可以是螺位錯。交割后曲折段的方向取決與位錯相對滑移過后引起晶體的相對位移割后曲折段的方向取決與位錯相對滑移過后引起晶體的相對位移情況。相對位移可通過右手定則來判斷。情況。相對位移可通過右手定則來判斷。 扭折與原位錯在同一滑面上扭折與原位錯在同一滑面上, ,可隨主位錯線一起運動可隨主位錯線一起運動, ,幾乎不產生幾乎不產生阻力阻力, ,且扭折在線張力作用下易與消失。且扭折在線張力作用下易與消失。 割階與原位錯線在同一滑移面上割階與原位錯線在同一滑移面上, ,除攀移外割階一般不能隨主除攀移外割階一般不能隨主位錯一起運動位錯一起運動, ,成為位錯運動的障礙。成為位

30、錯運動的障礙。材料科學基礎材料科學基礎第二章第二章（1 1） 內應力的表示法內應力的表示法 內應力用內應力用9 9個分量表示個分量表示 （a a） 直角坐標系（直角坐標系（xyzxyz） 3 3個正應力分量個正應力分量( (xxxx yyyy zzzz) ) 和和 6 6個切應力分量個切應力分量( (xyxy=yxyx yzyz=zyzy xzxz=zxzx ) ) ；下標中第下標中第1 1個字母表示應力作用面的外法線方個字母表示應力作用面的外法線方向向 ，第，第2 2字母表示應力的指向。字母表示應力的指向。1.1. 位錯的應力場位錯的應力場 采用彈性連續(xù)介質模型；三個假說采用彈性連續(xù)介質模型

31、；三個假說: :完全彈性體完全彈性體由連續(xù)介質組成由連續(xù)介質組成各向同性各向同性插入直角坐標課件插入直角坐標課件材料科學基礎材料科學基礎第二章第二章（b b） 圓柱坐標系圓柱坐標系( ( rz) rz) 3 3個正應力分量個正應力分量 ( (、zzzz、rrrr) ) 和六個切應力分量和六個切應力分量( (zrzr=rzrz、rr=rr、zz=zz) ) 注：注：(1) (1) 單元六面體中各面上的切應力都是成雙出現(xiàn)的單元六面體中各面上的切應力都是成雙出現(xiàn)的, ,表示表示力的方向時規(guī)定以作用在體積元的上、前、右面上的力為判斷標力的方向時規(guī)定以作用在體積元的上、前、右面上的力為判斷標準。準。 (

32、2) (2) 圓柱圓柱以逆時針方向為正。以逆時針方向為正。 (3) (3) 二者換算：二者換算： x = rcosx = rcos y = rsin y = rsin、 z = z z = z 插入圓柱坐標課件插入圓柱坐標課件材料科學基礎材料科學基礎第二章第二章 螺位錯的應力場為純的切應力場，大小與螺位錯柏氏矢量成正比螺位錯的應力場為純的切應力場，大小與螺位錯柏氏矢量成正比, ,與與r r成反成反比。只有一個切應變。所以比。只有一個切應變。所以 zz=zz = Gb/2r = Gb/2r rrrr=zzzz=rr=rr=rzrz=zr zr = 0= 0 也可用直角坐標系表示，但需要注意上式和

33、也可用直角坐標系表示，但需要注意上式和3.103.10式為右螺旋位錯周圍的式為右螺旋位錯周圍的應力場；如果是左螺旋位錯，則符號相反。應力場；如果是左螺旋位錯，則符號相反。l螺位錯應力場特點：螺位錯應力場特點： 只有切應力分量只有切應力分量, ,沒有正應力分量。沒有正應力分量。 應力場是呈軸對稱分布大。即在同一半徑上應力場是呈軸對稱分布大。即在同一半徑上, ,無論無論 值大小值大小, ,切應力值切應力值都相等。都相等。 上式不適用于位錯中心的嚴重畸變區(qū)。上式不適用于位錯中心的嚴重畸變區(qū)。材料科學基礎材料科學基礎第二章第二章22222)()3()1 (2yxyxyGbxx22222)()()1 (

34、2yxyxyGbyyzz = （xx +yy） 22222)()()1 (2yxyxxGbyxxyxz =zx =yz =zy = 0 材料科學基礎材料科學基礎第二章第二章 正應力分量和切應力分量同時存在。正應力分量和切應力分量同時存在。 各應力分量都是各應力分量都是x x、 y y的函數(shù)的函數(shù), ,而與而與z z無關。無關。 應力場以多余半原子面對稱。應力場以多余半原子面對稱。 y=0y=0時時, , =0=0只有切應力而無正應力只有切應力而無正應力, ,切應力最大值切應力最大值Gb/2(1-)xGb/2(1-)x y0 y0 時時, , xxxx00；y0y0 0 。說時正刃位錯滑移面上說

35、時正刃位錯滑移面上部受壓部受壓, ,下部分受拉。下部分受拉。 應力場中任意一點位置應力場中任意一點位置,|,|xxxx| | |yyyy| | x = x = y y時及時及y y軸上軸上 yyyy = 0 = 0，xy xy = 0 , = 0 ,說明在直角坐標說明在直角坐標系中的對角線處只有系中的對角線處只有xxxx , ,而且在每條對角線的兩側而且在每條對角線的兩側, , xyxy及及yyyy 的符號相反。的符號相反。 上述公式不能適用于刃位錯的中心區(qū)。上述公式不能適用于刃位錯的中心區(qū)。刃位錯應力場特點：刃位錯應力場特點：材料科學基礎材料科學基礎第二章第二章2 位錯的應變能位錯的應變能位

36、錯周圍點陣畸變引起彈性應力場導致的晶體能量的增加 位錯的能量。位錯的能量位錯中心畸變能(大約為總應變能的1/10-1/15)位錯應力場引起的彈性應變能(主要 )單位長度刃型位錯的應變能: 02ln)1 (4rRGbEee單位長度螺型位錯的應變能: 02ln4rRGbEse簡化的單位長度位錯的總應變能： E = GbE = Gb2 2 約為0.5 - 1 材料科學基礎材料科學基礎第二章第二章基本結論:1) 位錯的應變能與b2成正比，大位錯可能分解為小位錯，以降低系統(tǒng)能量；2) Ees / Eee = 1-，故螺位錯的彈性應變能約為刃位錯的2/3；3) 位錯的能量是以單位長度的能量來定義的，從系統(tǒng)

37、能量的角度， 位錯線有盡量變直和縮短其長度的趨勢；4) 位錯的存在使晶體處于高能的不穩(wěn)定狀態(tài)。 材料科學基礎材料科學基礎第二章第二章3.位錯的線張力位錯的線張力 線張力可以理解為使位錯增加單位長度所需的能量，故： T = kGb2， k約為0.5-1若位錯長度為ds， 單位長度位錯線所受的力為b則：bds = 2Tsin（d/2）由于ds = rd，當d很小時，sin（d/2）（d/2） b = T/r Gb2/2r兩端固定的位錯在切應力作用下與位錯線彎曲度 r 的關系 = Gb/2r = Gb/2r材料科學基礎材料科學基礎第二章第二章l利用虛功原理利用虛功原理, ,可求出可求出 Fd = b

38、Fd = blF Fd d為作用在單位長度位錯線上的力為作用在單位長度位錯線上的力, ,其方向與位錯其方向與位錯垂直并指向滑移面未滑移部分。垂直并指向滑移面未滑移部分。l注意：注意：(1) (1) F Fd d是一個假想力是一個假想力 (2) (2) F Fd d被看成是引起位錯運動的原因。被看成是引起位錯運動的原因。F Fd d必必然與位錯線運動方向一致，永遠垂直于位錯線。然與位錯線運動方向一致，永遠垂直于位錯線。 (3 (3）引起位錯線運動的外切應力）引起位錯線運動的外切應力必須作必須作用在滑移面上。在純刃位錯中用在滑移面上。在純刃位錯中FFd d，螺位錯中螺位錯中F Fd d 上述為滑移

39、力情況上述為滑移力情況l引起位錯攀移的力引起位錯攀移的力： dy = dy = bb材料科學基礎材料科學基礎第二章第二章 (1) (1) 兩平行螺位錯間的交互作用兩平行螺位錯間的交互作用(3) (3) 相互平行的刃位錯和螺位錯間不發(fā)生交互作相互平行的刃位錯和螺位錯間不發(fā)生交互作用用, ,即交互作用力為即交互作用力為0 0。(2) (2) 兩平行刃位錯間交互作用兩平行刃位錯間交互作用材料科學基礎材料科學基礎第二章第二章 兩平行螺位錯的交互作用力兩平行螺型位錯間的作用力，其大小與兩位錯強度的乘積成正兩平行螺型位錯間的作用力，其大小與兩位錯強度的乘積成正比，而與兩位錯間距成反比，其方向則沿徑向比，而

40、與兩位錯間距成反比，其方向則沿徑向r r垂直于所作用的垂直于所作用的位錯線，當位錯線，當blbl與與b2b2同向時，同向時，frfr0 0，即兩同號平行螺型位錯相互即兩同號平行螺型位錯相互排斥；而當排斥；而當blbl與與b2b2反向時，反向時，frfr0 0，即兩異號平行螺型位錯相互即兩異號平行螺型位錯相互吸引。吸引。材料科學基礎材料科學基礎第二章第二章兩刃型位錯在x軸方向的交互作用材料科學基礎材料科學基礎第二章第二章1. 1. 位錯的密度位錯的密度 表達式：表達式：= l/v = l/v 或或 = n/A = n/A 單位單位:1/:1/2. 2. 位錯的生成位錯的生成 晶體中位錯來源：晶體

41、中位錯來源： (1) (1)晶體生長過程中產生。晶體生長過程中產生。 (2) (2)晶體中過飽和空位的聚集。晶體中過飽和空位的聚集。 (3) (3)應力集中，產生局部區(qū)域滑移產生位錯應力集中，產生局部區(qū)域滑移產生位錯 材料科學基礎材料科學基礎第二章第二章3. 3. 位錯的增殖位錯的增殖： FrankRead位錯源增殖過程為使為使FRFR源動作，外應力需源動作，外應力需克服位錯線彎曲時線張力所克服位錯線彎曲時線張力所引起的阻力，計算可知其臨引起的阻力，計算可知其臨界切應力為：界切應力為：材料科學基礎材料科學基礎第二章第二章 晶體塑性變形時往往發(fā)生這樣的情況，即在一個滑移面上晶體塑性變形時往往發(fā)生

42、這樣的情況，即在一個滑移面上有許多位錯被迫堆積在某種障礙物前，形成位錯群的塞積。有許多位錯被迫堆積在某種障礙物前，形成位錯群的塞積。這些位錯來自于同一位錯源，所以具有相同的柏氏矢量。這些位錯來自于同一位錯源，所以具有相同的柏氏矢量。從理論上分析位錯塞積群的分布，發(fā)現(xiàn)塞積群在垂直于位從理論上分析位錯塞積群的分布，發(fā)現(xiàn)塞積群在垂直于位錯線方向的長度，對于刃型位錯為錯線方向的長度，對于刃型位錯為N N b/ (1- ), b/ (1- ),對于螺型位錯為對于螺型位錯為N N b/ b/ ，其中其中N N為塞積群的位錯總數(shù)，為塞積群的位錯總數(shù)， 為外加切應力（實際上應為減掉晶格阻力之后的有效為外加切應

43、力（實際上應為減掉晶格阻力之后的有效切應力）?？梢娙e群的長度正比于切應力）?？梢娙e群的長度正比于N N，反比于反比于。位錯塞積群的一個重要效應是在它的前端引起位錯塞積群的一個重要效應是在它的前端引起應力集中應力集中。當。當有有n n個位錯被外加切應力個位錯被外加切應力推向障礙物時，在塞積群的前推向障礙物時，在塞積群的前端將產生端將產生n n倍于外力的應力集中。倍于外力的應力集中。材料科學基礎材料科學基礎第二章第二章1.1.實際晶體中位錯的柏氏矢量實際晶體中位錯的柏氏矢量 實際晶體中位錯的柏氏矢量不是任意的，必須符合晶實際晶體中位錯的柏氏矢量不是任意的，必須符合晶體的結構條件和能量條件體的結

44、構條件和能量條件l結構條件：柏氏矢量大小與方向，必須連接一個原子平結構條件：柏氏矢量大小與方向，必須連接一個原子平衡位置到另一個原子平衡位置衡位置到另一個原子平衡位置l能量條件：位錯能量能量條件：位錯能量EbEb2 2 , , 柏氏矢量越小越穩(wěn)定柏氏矢量越小越穩(wěn)定 基本概念：單位位錯基本概念：單位位錯 ( ( dislocationdislocation):): 全位錯全位錯( (perfect dislocationperfect dislocation):): 不全位錯不全位錯( (部分位錯部分位錯 partial dislocationpartial dislocation)材料科學基礎

45、材料科學基礎第二章第二章正常堆垛順序正常堆垛順序 fccfcc：ABCABCABCABC hcp hcp：ABABABABABAB堆垛層錯（堆垛層錯（stacking faultstacking fault）：）：上述正常堆垛順序遭到上述正常堆垛順序遭到破壞或錯排，有兩類：破壞或錯排，有兩類： 堆垛層錯能：堆垛層錯能： 為產生單位面積層錯所需的能量。為產生單位面積層錯所需的能量。 2.2. 堆垛層錯堆垛層錯抽出型層錯抽出型層錯插入型層錯插入型層錯材料科學基礎材料科學基礎第二章第二章l 3 3不全位錯不全位錯l完整晶體和層錯的邊界l ShockleyShockley不全位錯不全位錯 ： b b=

46、a/6l特點： 1 1） 滑移型層錯的邊界滑移型層錯的邊界l 2 2） 只能滑移，刃型不能攀移，螺型不能交滑移只能滑移，刃型不能攀移，螺型不能交滑移)011(材料科學基礎材料科學基礎第二章第二章材料科學基礎材料科學基礎第二章第二章位錯線之間可以合并或分解，但需滿足以下條件：112612161012aaa112612161012aaa222112612161012aaa幾何條件：能量條件： 4 位錯反應位錯反應能量條件幾何條件反應前后諸位錯的柏氏矢量之和相等 b bb b1 1 + b + b2 2；反應后位錯的總能量小于反應前位錯的總能量b2 b12 +b22材料科學基礎材料科學基礎第二章第二

47、章(1) (1) ThompsonThompson四面體四面體 利用利用ThompsonThompson四面體可確定四面體可確定fccfcc結構中的位錯反應。結構中的位錯反應。 (2) (2)擴展位錯擴展位錯： 兩個不全位錯加上中間一片堆垛層錯區(qū)的組態(tài)。兩個不全位錯加上中間一片堆垛層錯區(qū)的組態(tài)。fccfcc中的擴展位錯為兩個中的擴展位錯為兩個ShockleyShockley不全位錯加上中間的堆不全位錯加上中間的堆垛層錯垛層錯 擴展位錯的束集：外力作用下收縮為原來全位錯的過程。擴展位錯的束集：外力作用下收縮為原來全位錯的過程。 擴展位錯的交滑移：擴展位錯擴展位錯的交滑移：擴展位錯 （原滑移面）（

48、原滑移面） 束集束集 全螺位錯全螺位錯 轉移分解轉移分解 擴展位錯（另一滑移面）擴展位錯（另一滑移面） 5.5.fccfcc晶體中的位錯晶體中的位錯材料科學基礎材料科學基礎第二章第二章(3)(3)位錯網絡：實際晶體中存在幾個位錯網絡：實際晶體中存在幾個b b位錯時會組成二維位錯時會組成二維或三維的位錯網絡或三維的位錯網絡(4)(4)面角位錯：面角位錯： 兩全位錯，在外力作用下滑移后：兩全位錯，在外力作用下滑移后： 1 1在兩個面交線發(fā)生反應進行洛瑪反應在兩個面交線發(fā)生反應進行洛瑪反應 2 2在各自面分解在各自面分解 形成擴展位錯形成擴展位錯 3 3兩擴展位錯移動反應形成壓桿位錯。兩擴展位錯移動

49、反應形成壓桿位錯。 結結果在兩個果在兩個111111面之間的面角上面之間的面角上, ,形成由三個不全形成由三個不全位錯和兩個層錯所構成的組態(tài)位錯和兩個層錯所構成的組態(tài), ,稱為稱為LomerCottrelLomerCottrel位位錯，又稱面角位錯。錯，又稱面角位錯。材料科學基礎材料科學基礎第二章第二章 嚴格來說，界面包括外表面（自由表面）和內界面。嚴格來說，界面包括外表面（自由表面）和內界面。表面是指固體材料與氣體或液體的分界面，它與摩擦、表面是指固體材料與氣體或液體的分界面，它與摩擦、磨損、氧化、腐蝕、偏析、催化、吸附現(xiàn)象，以及光磨損、氧化、腐蝕、偏析、催化、吸附現(xiàn)象，以及光學、微電子學等

50、均密切相關；而內界面可分為晶粒邊學、微電子學等均密切相關；而內界面可分為晶粒邊界和晶內的亞晶界、孿晶界、層錯及相界面等。界和晶內的亞晶界、孿晶界、層錯及相界面等。 界面通常包含幾個原子層厚的區(qū)域，該區(qū)域內的原界面通常包含幾個原子層厚的區(qū)域，該區(qū)域內的原子排列甚至化學成分往往不同于晶體內部，又因它系子排列甚至化學成分往往不同于晶體內部，又因它系二維結構分布，故也稱為晶體的面缺陷。界面的存在二維結構分布，故也稱為晶體的面缺陷。界面的存在對晶體的力學、物理和化學等性能產生重要的影響。對晶體的力學、物理和化學等性能產生重要的影響。材料科學基礎材料科學基礎第二章第二章 在晶體表面上，原子排列情況與晶內不

51、同在晶體表面上，原子排列情況與晶內不同, ,表面原子會偏表面原子會偏離其正常的平衡位置，并影響到鄰近的幾層原子，造成表離其正常的平衡位置，并影響到鄰近的幾層原子，造成表層的點陣畸變，使它們的能量比內部原子高，這幾層高能層的點陣畸變，使它們的能量比內部原子高，這幾層高能量的原子層稱為表面。晶體表面單位面積自由能的增加稱量的原子層稱為表面。晶體表面單位面積自由能的增加稱為表面能為表面能 （J/m2J/m2）。）。表面能也可理解為產生單位面積新表面能也可理解為產生單位面積新表面所作的功：表面所作的功： 式中式中dWdW為產生為產生dSdS表面所作的功。表面能也可以單位長度上的表面所作的功。表面能也可

52、以單位長度上的表面張力表面張力( (N/m)N/m)表示。表示。 表面能與晶體表面原子排列致密程度有關，原子密排的表面能與晶體表面原子排列致密程度有關，原子密排的表面具有最小的表面能。所以自由晶體暴露在外的表面通表面具有最小的表面能。所以自由晶體暴露在外的表面通常是低表面能的原子密排晶面。常是低表面能的原子密排晶面。材料科學基礎材料科學基礎第二章第二章l晶界晶界l亞晶界亞晶界l確定晶界位置用：確定晶界位置用： (1) (1)兩晶粒的位向差兩晶粒的位向差 (2) (2)晶界相對于一個點陣某一平面的夾角晶界相對于一個點陣某一平面的夾角。l 按按的大小分類：的大小分類： 小角度晶界小角度晶界1010

53、10材料科學基礎材料科學基礎第二章第二章 小角度晶界小角度晶界：由一系列相隔一定距離的刃型位錯所組成。由一系列相隔一定距離的刃型位錯所組成。 分類：分類： (1) (1)對稱傾斜界面：晶界平面為兩個相鄰晶粒的對稱面。對稱傾斜界面：晶界平面為兩個相鄰晶粒的對稱面。是由一列平行的刃型位錯所組成。相鄰位錯距離是由一列平行的刃型位錯所組成。相鄰位錯距離D D與與 b b、之間關系：之間關系：3.393.39式式 (2) (2)不對稱傾斜界面：兩晶粒不以二者晶界為對稱的晶界不對稱傾斜界面：兩晶粒不以二者晶界為對稱的晶界看成兩組看成兩組 互相垂直的刃型位錯排列而成的。兩位錯各自互相垂直的刃型位錯排列而成的。兩位錯各自的間距為的間距為DD和和DD，則有則有3.403.40式。式。 (3) (3)扭轉晶界扭轉晶界：將一塊晶體沿橫斷面切開將一塊晶體沿橫斷面切開, ,并使上下部分并使上下部分晶體繞軸轉動晶體繞軸轉動角角, ,再與下部分驚天動晶體粘在一起形成。再與下部分驚天動晶體粘在一起形成。可看成是由互相交叉的螺位錯所組成?？煽闯墒怯苫ハ嘟徊娴穆菸诲e所組成。材料科學基礎材料科學基礎第二章第二章材料科學基礎材料科學基礎第二