材料科學(xué)基礎(chǔ)第4章 晶體缺陷

1、第第4 4章章 晶體缺陷晶體缺陷重點(diǎn)：重點(diǎn)：固溶強(qiáng)化固溶強(qiáng)化、加工硬化加工硬化和和 細(xì)晶強(qiáng)化細(xì)晶強(qiáng)化。難點(diǎn)：難點(diǎn)：晶體缺陷與性能的關(guān)系晶體缺陷與性能的關(guān)系學(xué)習(xí)方法：學(xué)習(xí)方法： 應(yīng)用應(yīng)用位錯(cuò)理論位錯(cuò)理論解釋強(qiáng)化機(jī)制解釋強(qiáng)化機(jī)制一、缺陷的含義：一、缺陷的含義：l通常把晶體點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)中通常把晶體點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)中周期性勢(shì)場(chǎng)的畸周期性勢(shì)場(chǎng)的畸變變稱為晶體的稱為晶體的結(jié)構(gòu)缺陷結(jié)構(gòu)缺陷。p理想晶體：理想晶體：質(zhì)點(diǎn)嚴(yán)格按照空間點(diǎn)陣排列。質(zhì)點(diǎn)嚴(yán)格按照空間點(diǎn)陣排列。p實(shí)際晶體：實(shí)際晶體：存在著各種各樣的結(jié)構(gòu)的存在著各種各樣的結(jié)構(gòu)的不不完整性完整性。p特別是對(duì)特別是對(duì)塑性變形塑性變形、擴(kuò)散擴(kuò)散、相相變變和和強(qiáng)度強(qiáng)度等起著決

2、定性作用。等起著決定性作用。 二、分類(lèi)二、分類(lèi) 根據(jù)晶體缺陷的幾何形態(tài)根據(jù)晶體缺陷的幾何形態(tài)大小可分為大小可分為三類(lèi)三類(lèi)：p點(diǎn)缺陷點(diǎn)缺陷p線缺陷線缺陷p面缺陷面缺陷第第1 1節(jié)節(jié) 點(diǎn)缺陷點(diǎn)缺陷1 1、定義、定義l是在空間是在空間三維方向上的尺寸都很三維方向上的尺寸都很小小，約為幾個(gè)原子間距，又稱，約為幾個(gè)原子間距，又稱零零維缺陷維缺陷。2 2、分類(lèi)、分類(lèi)l空位空位、間隙原子間隙原子和和置換原子置換原子。a a. . 空位：空位：晶格中晶格中某些缺排原子的某些缺排原子的空結(jié)點(diǎn)?？战Y(jié)點(diǎn)。b. b. 間隙原子：間隙原子：擠擠進(jìn)晶格間隙中的進(jìn)晶格間隙中的原子。原子。體心立方的四面體和八面體間隙體心立方

3、的四面體和八面體間隙c. c. 置換原子置換原子l取代原來(lái)原取代原來(lái)原子位置的外子位置的外來(lái)原子稱置來(lái)原子稱置換原子。換原子。3、點(diǎn)缺陷的形成、點(diǎn)缺陷的形成p空位：空位： 當(dāng)某一原子具有足夠大的當(dāng)某一原子具有足夠大的振動(dòng)能振動(dòng)能而使振幅增大到一定限度時(shí)，就可而使振幅增大到一定限度時(shí)，就可能克服周?chē)訉?duì)它的制約作用，能克服周?chē)訉?duì)它的制約作用，跳離其原來(lái)的位置，使點(diǎn)陣中形成跳離其原來(lái)的位置，使點(diǎn)陣中形成空結(jié)點(diǎn)空結(jié)點(diǎn)，稱為空位。，稱為空位。p離開(kāi)平衡位置的原子有離開(kāi)平衡位置的原子有三個(gè)去處三個(gè)去處：一是遷移到一是遷移到晶體表面晶體表面或或內(nèi)表面內(nèi)表面的的正常結(jié)正常結(jié)點(diǎn)位置點(diǎn)位置上，而使晶體內(nèi)部

4、留下空位，稱上，而使晶體內(nèi)部留下空位，稱為為肖脫基（肖脫基（SchottkySchottky）空位）空位；二是擠人點(diǎn)陣的二是擠人點(diǎn)陣的間隙位置間隙位置，而在晶體中，而在晶體中同時(shí)形成數(shù)目相等的空位和間隙原子，同時(shí)形成數(shù)目相等的空位和間隙原子，則稱為則稱為弗蘭克爾（弗蘭克爾（FrenkelFrenkel）缺陷）缺陷；三是跑到三是跑到其他空位其他空位中，使空位中，使空位消失消失或使或使空位空位移位移位。l弗侖克耳缺陷：弗侖克耳缺陷： 原子離開(kāi)平衡位置進(jìn)入間隙，形成等量原子離開(kāi)平衡位置進(jìn)入間隙，形成等量的空位和間隙原子。的空位和間隙原子。l肖特基缺陷：肖特基缺陷： 只形成空位不形成間隙原子。（構(gòu)成新

5、只形成空位不形成間隙原子。（構(gòu)成新的晶面）。的晶面）。l在一定條件下，在一定條件下，晶體表面上的原子也可能晶體表面上的原子也可能跑到晶體內(nèi)部的間隙位置跑到晶體內(nèi)部的間隙位置形成間隙原子。形成間隙原子。4 4）點(diǎn)缺陷的平衡濃度）點(diǎn)缺陷的平衡濃度p點(diǎn)缺陷點(diǎn)缺陷點(diǎn)陣畸變點(diǎn)陣畸變內(nèi)能內(nèi)能晶體晶體的熱力學(xué)穩(wěn)定性的熱力學(xué)穩(wěn)定性；p點(diǎn)缺陷點(diǎn)缺陷原子排列的混亂程度原子排列的混亂程度其周?chē)拥恼駝?dòng)頻率的改變其周?chē)拥恼駝?dòng)頻率的改變組組態(tài)熵和振動(dòng)熵的改變態(tài)熵和振動(dòng)熵的改變晶體熵值晶體熵值晶體的熱力學(xué)穩(wěn)定性晶體的熱力學(xué)穩(wěn)定性晶體的晶體的熱力學(xué)穩(wěn)定性熱力學(xué)穩(wěn)定性；p熱力學(xué)分析表明，在任何溫度下，熱力學(xué)分析表明，在

6、任何溫度下，晶體晶體最穩(wěn)定的狀態(tài)最穩(wěn)定的狀態(tài)是含有一定濃度是含有一定濃度點(diǎn)缺陷的態(tài)。點(diǎn)缺陷的態(tài)。p空位空位在在T T溫度時(shí)的平衡濃度為溫度時(shí)的平衡濃度為: :)/exp()/exp(RTQATkNENACfAvA式中，式中，Q Qf f=N=NA AE Ev v為形成為形成1 1摩爾空位所需作的功，摩爾空位所需作的功，單位為單位為J/molJ/mol； R=kNR=kN為氣體常數(shù)為氣體常數(shù)(8.31J/mol) (8.31J/mol) 。p例如：例如： CuCu晶體晶體 在在500500時(shí)平衡空位的濃度時(shí)平衡空位的濃度為為1.41.41010-6-6( (很低很低) )，而在每立，而在每立方米

7、的銅晶體存在方米的銅晶體存在1.21.210102323個(gè)個(gè)空位空位( (數(shù)量很多數(shù)量很多) )。p間隙原子間隙原子的平衡濃度的平衡濃度C C 為為: : 式中，式中，NN為間隙位置總數(shù)；為間隙位置總數(shù)；n n 為間隙原子數(shù)；為間隙原子數(shù)；EvEv為形成一個(gè)間隙原子所需的能量。為形成一個(gè)間隙原子所需的能量。p間隙原子的形成能間隙原子的形成能EvEv較大（約為空位較大（約為空位的的3 34 4倍），倍），在同一溫度下，晶體中的平衡在同一溫度下，晶體中的平衡濃度濃度C C原間隙子原間隙子 C 實(shí)際實(shí)際 剪切屈服強(qiáng)度（剪切屈服強(qiáng)度（n n）l例例、銅單晶體、銅單晶體m m= 3000MPa= 300

8、0MPa， 而而n n= 1= 110MPa10MPa。 二、滑移現(xiàn)象二、滑移現(xiàn)象: :二、位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)滑移模型二、位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)滑移模型 p19341934年年泰勒泰勒（G. I. TaylorG. I. Taylor）、）、奧朗依奧朗依（M. PolanyiM. Polanyi）和）和奧羅萬(wàn)奧羅萬(wàn)（E. OrowanE. Orowan）三人幾乎同時(shí)提出）三人幾乎同時(shí)提出晶體中晶體中位錯(cuò)的概念位錯(cuò)的概念：p認(rèn)為位錯(cuò)在切應(yīng)力作用下發(fā)生運(yùn)認(rèn)為位錯(cuò)在切應(yīng)力作用下發(fā)生運(yùn)動(dòng)，動(dòng)，依靠位錯(cuò)的逐漸傳遞完成了依靠位錯(cuò)的逐漸傳遞完成了滑移過(guò)程滑移過(guò)程。p由于由于位錯(cuò)的移動(dòng)只需鄰近原子作位錯(cuò)的移動(dòng)只需鄰近原子作很小距離的

9、彈性偏移很小距離的彈性偏移就能實(shí)現(xiàn)，就能實(shí)現(xiàn)，所以滑移所需的臨界切應(yīng)力大為所以滑移所需的臨界切應(yīng)力大為減小。減小。p滑移是借助滑移是借助位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)的。實(shí)現(xiàn)的。多多 腳腳 蟲(chóng)蟲(chóng) 的的 爬爬 行行p19341934年柏格斯（年柏格斯（BurgersBurgers）提出）提出用用柏氏矢量柏氏矢量來(lái)表征位錯(cuò)的特性的來(lái)表征位錯(cuò)的特性的重要意義，同時(shí)引入重要意義，同時(shí)引入螺旋位錯(cuò)螺旋位錯(cuò)；p19471947年柯垂耳（年柯垂耳（A.H.CottrellA.H.Cottrell）利用利用溶質(zhì)原子與位錯(cuò)的交互作用溶質(zhì)原子與位錯(cuò)的交互作用解釋了低碳鋼的屈服現(xiàn)象解釋了低碳鋼的屈服現(xiàn)象p19501950年弗

10、蘭克（年弗蘭克（FrankFrank）與瑞德）與瑞德（ReadRead）同時(shí)提出了）同時(shí)提出了位錯(cuò)增殖機(jī)位錯(cuò)增殖機(jī)制制F-RF-R位錯(cuò)源。位錯(cuò)源。p5050年代以后，用年代以后，用透射電鏡直接觀透射電鏡直接觀測(cè)測(cè)到晶體中位錯(cuò)的存在、運(yùn)動(dòng)、到晶體中位錯(cuò)的存在、運(yùn)動(dòng)、增殖等。增殖等。透射電鏡下鈦合金中的位錯(cuò)線透射電鏡下鈦合金中的位錯(cuò)線( (黑線黑線) )1 1）定義）定義l指晶體中的指晶體中的原子發(fā)生了有規(guī)律的原子發(fā)生了有規(guī)律的錯(cuò)排錯(cuò)排現(xiàn)象?，F(xiàn)象。2 2）特征）特征l一排或幾排原子發(fā)生錯(cuò)排；一排或幾排原子發(fā)生錯(cuò)排；l在一維方向上很大，直徑為在一維方向上很大，直徑為3 35 5個(gè)原子間距。個(gè)原子間距

11、。3 3）分類(lèi)：）分類(lèi)：（1）刃型位錯(cuò)）刃型位錯(cuò)p幾何特征：幾何特征：位錯(cuò)線與原子滑移方向相垂直；位錯(cuò)線與原子滑移方向相垂直；滑移面上部位錯(cuò)線周?chē)邮軌簯?yīng)力作滑移面上部位錯(cuò)線周?chē)邮軌簯?yīng)力作用，原子間距小于正常晶格間距；用，原子間距小于正常晶格間距；滑移面下部位錯(cuò)線周?chē)邮軓垜?yīng)力作滑移面下部位錯(cuò)線周?chē)邮軓垜?yīng)力作用，原子間距大于正常晶格間距。用，原子間距大于正常晶格間距。p分類(lèi)：分類(lèi)： 正刃位錯(cuò)，正刃位錯(cuò)， “ “ ” ” ；負(fù)刃位錯(cuò)，；負(fù)刃位錯(cuò)， “T T” ” 。（2）螺型位錯(cuò)）螺型位錯(cuò)螺型位錯(cuò)示意圖螺型位錯(cuò)示意圖p幾何特征：幾何特征：位錯(cuò)線與原子滑移方向相平行；位錯(cuò)線與原子滑移方

12、向相平行；位錯(cuò)線周?chē)拥呐渲檬锹菪隣畹?。位錯(cuò)線周?chē)拥呐渲檬锹菪隣畹?。p分類(lèi)：分類(lèi)： 有左、右旋之分，它們之間符合左有左、右旋之分，它們之間符合左手、右手螺旋定則。手、右手螺旋定則。（3）混合型位錯(cuò)）混合型位錯(cuò)1p位錯(cuò)線上任意一點(diǎn)，經(jīng)矢量分解后，位錯(cuò)線上任意一點(diǎn)，經(jīng)矢量分解后，可分解為刃位錯(cuò)和螺位錯(cuò)分量?？煞纸鉃槿形诲e(cuò)和螺位錯(cuò)分量。p晶體中位錯(cuò)線的形狀可以是任意的，晶體中位錯(cuò)線的形狀可以是任意的，但位錯(cuò)線上各點(diǎn)的伯氏矢量相同，但位錯(cuò)線上各點(diǎn)的伯氏矢量相同，只是各點(diǎn)的刃型、螺型分量不同而只是各點(diǎn)的刃型、螺型分量不同而已。已。刃位錯(cuò)的形成刃位錯(cuò)的形成4 4）位錯(cuò)的易動(dòng)性）位錯(cuò)的易動(dòng)性l位錯(cuò)處的

13、原子位錯(cuò)處的原子能量高，不穩(wěn)定能量高，不穩(wěn)定驅(qū)動(dòng)力大；驅(qū)動(dòng)力大；l晶體晶體按位錯(cuò)滑移的方式發(fā)生塑性按位錯(cuò)滑移的方式發(fā)生塑性變形變形，只需要部分原子作稍許移，只需要部分原子作稍許移動(dòng)（移動(dòng)距離短）完成，動(dòng)（移動(dòng)距離短）完成，作的功作的功較少較少。例如、地毯的挪例如、地毯的挪動(dòng)過(guò)程。動(dòng)過(guò)程。5 5）柏氏矢量）柏氏矢量l表示晶體滑移時(shí)表示晶體滑移時(shí)原子移動(dòng)的大小原子移動(dòng)的大小和和方向方向。（1 1）柏氏矢量的確定方法）柏氏矢量的確定方法l作含位錯(cuò)晶體的柏氏回路；作含位錯(cuò)晶體的柏氏回路；l按同樣的步驟（大?。┰诎赐瑯拥牟襟E（大?。┰诶硐刖Ю硐刖w內(nèi)作柏氏回路體內(nèi)作柏氏回路；l將將不重合處用一矢量由終點(diǎn)

14、到起不重合處用一矢量由終點(diǎn)到起始點(diǎn)連接封閉始點(diǎn)連接封閉，該矢量就是柏氏，該矢量就是柏氏矢量。矢量。（2 2）柏氏矢量的物理意義及特征）柏氏矢量的物理意義及特征 反映了柏氏回路包含的位錯(cuò)所引起反映了柏氏回路包含的位錯(cuò)所引起點(diǎn)陣畸變的總積累點(diǎn)陣畸變的總積累；p柏氏矢量柏氏矢量具有守恒性：具有守恒性： 、既一根不分叉的任何形狀的位、既一根不分叉的任何形狀的位錯(cuò)只有一柏氏矢量；錯(cuò)只有一柏氏矢量； 、柏氏回路可任意擴(kuò)大和移動(dòng)。、柏氏回路可任意擴(kuò)大和移動(dòng)。 通常將柏氏矢量稱為通常將柏氏矢量稱為位錯(cuò)強(qiáng)度位錯(cuò)強(qiáng)度，位錯(cuò)的能量、所受的力、應(yīng)力場(chǎng)、位錯(cuò)的能量、所受的力、應(yīng)力場(chǎng)、位錯(cuò)反應(yīng)等性質(zhì)都與柏氏矢量有位錯(cuò)反應(yīng)

15、等性質(zhì)都與柏氏矢量有關(guān)。關(guān)。 柏氏矢量柏氏矢量也表示晶體滑移時(shí)原也表示晶體滑移時(shí)原子移動(dòng)的大小和方向，既子移動(dòng)的大小和方向，既滑移矢滑移矢量量。p因此，對(duì)任意位錯(cuò)，不管其形因此，對(duì)任意位錯(cuò)，不管其形狀如何，狀如何，只要知到它的柏氏矢只要知到它的柏氏矢量，就得知晶體滑移的方向和量，就得知晶體滑移的方向和大小大小，而不必從原子尺度考慮，而不必從原子尺度考慮其運(yùn)動(dòng)細(xì)節(jié)。其運(yùn)動(dòng)細(xì)節(jié)。 利用柏氏矢量與位錯(cuò)線利用柏氏矢量與位錯(cuò)線t t關(guān)關(guān)系，可系，可判定位錯(cuò)的類(lèi)型判定位錯(cuò)的類(lèi)型。lbbt t 則為則為螺型位錯(cuò)螺型位錯(cuò)，其中同，其中同向?yàn)橛衣?，反向?yàn)樽舐?；向?yàn)橛衣?，反向?yàn)樽舐?；lbbt t 則為則為刃型位錯(cuò)

16、刃型位錯(cuò)，其正負(fù)，其正負(fù)用用右手法則判定右手法則判定：大姆指代表半原子面方向大姆指代表半原子面方向中指指向中指指向b方向方向 食指指向食指指向t t方向方向6 6）位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)）位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)滑移、攀移滑移、攀移（1 1）位錯(cuò)的滑移）位錯(cuò)的滑移l條件：條件： 是在是在切應(yīng)力切應(yīng)力作用下進(jìn)行的；作用下進(jìn)行的； 只有當(dāng)滑移面上切應(yīng)力分量只有當(dāng)滑移面上切應(yīng)力分量達(dá)到一定值（大于達(dá)到一定值（大于mm）后，位）后，位錯(cuò)才滑移。錯(cuò)才滑移。刃型位錯(cuò)的滑移過(guò)程。刃型位錯(cuò)的滑移過(guò)程。刃位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)刃位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)螺位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)螺位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)混合位錯(cuò)混合位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)位錯(cuò)環(huán)的滑移位錯(cuò)環(huán)的滑移l刃、螺位錯(cuò)滑移特征（區(qū)別）：刃、螺

17、位錯(cuò)滑移特征（區(qū)別）： 開(kāi)動(dòng)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的開(kāi)動(dòng)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的切應(yīng)力切應(yīng)力方方向不同向不同：l刃位錯(cuò)刃位錯(cuò)t tl螺位錯(cuò)螺位錯(cuò)t t 位錯(cuò)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)方向運(yùn)動(dòng)方向與晶體與晶體滑移方向滑移方向兩者之間的關(guān)系不同：兩者之間的關(guān)系不同：l位錯(cuò)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)方向運(yùn)動(dòng)方向總是與總是與位錯(cuò)線位錯(cuò)線（t t）垂直垂直的。的。 l刃位錯(cuò)：刃位錯(cuò)：運(yùn)動(dòng)方向與晶體滑移方運(yùn)動(dòng)方向與晶體滑移方向向一致一致；p螺位錯(cuò)：螺位錯(cuò)：運(yùn)動(dòng)方向與與晶體滑移運(yùn)動(dòng)方向與與晶體滑移方向方向垂直垂直。 l柏氏矢量柏氏矢量與與運(yùn)動(dòng)方向運(yùn)動(dòng)方向和和晶體滑移晶體滑移方向的關(guān)系：方向的關(guān)系： 位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的切應(yīng)力（切應(yīng)力（）方向）方向與與柏氏矢量柏氏矢量b

18、b方向方向總是總是一致一致的。的。 晶體滑移方向晶體滑移方向也與也與柏氏矢量柏氏矢量b b方向方向總是總是一致一致的。的。類(lèi)類(lèi)型型柏氏柏氏矢量矢量位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)方向方向晶體晶體滑移滑移方向方向切應(yīng)切應(yīng)力力方向方向滑移滑移面?zhèn)€面?zhèn)€數(shù)數(shù)刃刃螺螺混混位錯(cuò)線位錯(cuò)線位錯(cuò)線位錯(cuò)線成一定角度成一定角度位錯(cuò)線位錯(cuò)線位錯(cuò)線位錯(cuò)線位錯(cuò)線位錯(cuò)線與柏與柏氏矢氏矢量一量一致致與柏與柏氏矢氏矢量一量一致致唯一唯一多個(gè)多個(gè)柏氏矢量與位錯(cuò)類(lèi)型柏氏矢量與位錯(cuò)類(lèi)型 （2 2）位錯(cuò)的攀移）位錯(cuò)的攀移l是指刃位錯(cuò)的半原子面是指刃位錯(cuò)的半原子面向上或向向上或向下移動(dòng)下移動(dòng)，位錯(cuò)線也跟著向上或向，位錯(cuò)線也跟著向上或向下移動(dòng)；下移動(dòng)；l

19、半原子面向上移動(dòng)稱半原子面向上移動(dòng)稱正攀移正攀移；l向下移動(dòng)稱向下移動(dòng)稱負(fù)攀移負(fù)攀移。（a）正攀移（半原子）正攀移（半原子面縮短）面縮短）(b)未攀移未攀移（c）負(fù)攀移（半）負(fù)攀移（半原子面伸長(zhǎng)）原子面伸長(zhǎng)）刃型位錯(cuò)攀移運(yùn)動(dòng)模型刃型位錯(cuò)攀移運(yùn)動(dòng)模型 l攀移時(shí)，位錯(cuò)線的運(yùn)動(dòng)方向與攀移時(shí)，位錯(cuò)線的運(yùn)動(dòng)方向與柏氏矢量柏氏矢量b b垂直垂直；l只有只有刃位錯(cuò)才發(fā)生攀移運(yùn)動(dòng)刃位錯(cuò)才發(fā)生攀移運(yùn)動(dòng)，螺位錯(cuò)是不會(huì)攀移的；螺位錯(cuò)是不會(huì)攀移的；p位錯(cuò)的攀移力：位錯(cuò)的攀移力：（1 1）化學(xué)攀移力）化學(xué)攀移力F Fs s：是指不平衡空位濃度施加給是指不平衡空位濃度施加給位錯(cuò)攀移的驅(qū)動(dòng)力。位錯(cuò)攀移的驅(qū)動(dòng)力。（2 2）彈

20、性攀移力）彈性攀移力F Fc c：是指作用于半原子面上的正是指作用于半原子面上的正應(yīng)力分量作用下，刃位錯(cuò)所受的力。應(yīng)力分量作用下，刃位錯(cuò)所受的力。p位錯(cuò)攀移的位錯(cuò)攀移的激活能激活能U Uc c由由割階割階形成的激活能形成的激活能U Uj j及及空空位位的擴(kuò)散活化能的擴(kuò)散活化能U Ud d兩部分所組成。兩部分所組成。p常溫下常溫下位錯(cuò)靠熱激活來(lái)位錯(cuò)靠熱激活來(lái)攀移是很困難攀移是很困難的。但是，的。但是，在許多高溫過(guò)程如蠕變、回復(fù)、單晶拉制中，攀在許多高溫過(guò)程如蠕變、回復(fù)、單晶拉制中，攀移卻起著重要作用。位錯(cuò)攀移在低溫下是難以進(jìn)移卻起著重要作用。位錯(cuò)攀移在低溫下是難以進(jìn)行的，只有在高溫下才可能發(fā)生。

21、行的，只有在高溫下才可能發(fā)生。 p異類(lèi)原子在刃位錯(cuò)處會(huì)聚集異類(lèi)原子在刃位錯(cuò)處會(huì)聚集： 小原子小原子到多出半原子面處；到多出半原子面處； 大原子大原子到少半原子面處；到少半原子面處； 異類(lèi)原子異類(lèi)原子則溶在位錯(cuò)的間隙處。則溶在位錯(cuò)的間隙處。 p空位會(huì)使刃位錯(cuò)發(fā)生攀移運(yùn)動(dòng)。空位會(huì)使刃位錯(cuò)發(fā)生攀移運(yùn)動(dòng)。 7 7）位錯(cuò)的密度與意義）位錯(cuò)的密度與意義（1 1）體積密度體積密度（m/cmm/cm3 3）：）：l表示單位體積晶體中所包含的表示單位體積晶體中所包含的位錯(cuò)線總長(zhǎng)度。位錯(cuò)線總長(zhǎng)度。 （2 2）面積密度面積密度（根（根/cm/cm2 2）：）：l表示穿越單位面積的位錯(cuò)線的表示穿越單位面積的位錯(cuò)線的數(shù)

22、目。數(shù)目。 （3 3）位錯(cuò)的產(chǎn)生：位錯(cuò)的產(chǎn)生：l晶體中的位錯(cuò)是在晶體中的位錯(cuò)是在凝固凝固、冷卻冷卻及及其他各道工藝其他各道工藝中自然引入。中自然引入。l因此用常規(guī)方法生產(chǎn)的因此用常規(guī)方法生產(chǎn)的金屬都金屬都含有相當(dāng)數(shù)量的位錯(cuò)含有相當(dāng)數(shù)量的位錯(cuò)。l金屬經(jīng)金屬經(jīng)充分退火充分退火后，位錯(cuò)密后，位錯(cuò)密度較低，約為度較低，約為10103 34 4m/mm/m3 3；l即即1cm1cm3 3金屬內(nèi)位錯(cuò)線的總長(zhǎng)度金屬內(nèi)位錯(cuò)線的總長(zhǎng)度約約1 11010公里；公里；l由于這些由于這些位錯(cuò)的存在，使實(shí)位錯(cuò)的存在，使實(shí)際晶體的強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于理想際晶體的強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于理想晶體的強(qiáng)度晶體的強(qiáng)度。 l金屬經(jīng)過(guò)金屬經(jīng)過(guò)冷變形后冷

23、變形后，位錯(cuò)密度，位錯(cuò)密度會(huì)大大增加；會(huì)大大增加；l可達(dá)可達(dá)1010141410101616m/mm/m3 3以上；以上；l金屬的強(qiáng)度大幅度升高，這種金屬的強(qiáng)度大幅度升高，這種現(xiàn)象稱現(xiàn)象稱加工硬化加工硬化或或位錯(cuò)強(qiáng)化位錯(cuò)強(qiáng)化。l“晶須晶須”：是現(xiàn)在能制備出：是現(xiàn)在能制備出含含位錯(cuò)密度最低位錯(cuò)密度最低的一種材料，其的一種材料，其位錯(cuò)密度僅為位錯(cuò)密度僅為10m/cm10m/cm3 3；l強(qiáng)度很高強(qiáng)度很高，但，但尺寸極細(xì)尺寸極細(xì)，直徑，直徑僅為若干微米；僅為若干微米；l不能直接用于制造零件，只能不能直接用于制造零件，只能作為復(fù)合材料的作為復(fù)合材料的強(qiáng)化纖維強(qiáng)化纖維。l借借減少位錯(cuò)密度減少位錯(cuò)密度來(lái)提

24、高晶體的來(lái)提高晶體的強(qiáng)度在工程上強(qiáng)度在工程上沒(méi)有實(shí)際意義沒(méi)有實(shí)際意義；l目前主要還是依靠目前主要還是依靠增加位錯(cuò)密增加位錯(cuò)密度來(lái)提高材料的強(qiáng)度度來(lái)提高材料的強(qiáng)度。（4 4）位錯(cuò)的作用位錯(cuò)的作用p是一種是一種極為重要的晶體缺陷極為重要的晶體缺陷，對(duì)金屬，對(duì)金屬?gòu)?qiáng)度、塑性變形、擴(kuò)散和相變等有顯強(qiáng)度、塑性變形、擴(kuò)散和相變等有顯著影響。著影響。 促使塑性變形；促使塑性變形； 促使原子促使原子擴(kuò)散擴(kuò)散； 材料的材料的電阻電阻明顯增加；明顯增加； 材料的材料的強(qiáng)度提高強(qiáng)度提高（位錯(cuò)強(qiáng)化位錯(cuò)強(qiáng)化或或加工硬化加工硬化），但脆性顯著增加。），但脆性顯著增加。p機(jī)制：機(jī)制：位錯(cuò)密度升高，導(dǎo)致位錯(cuò)密度升高，導(dǎo)致位錯(cuò)

25、位錯(cuò)纏結(jié)纏結(jié)和和釘軋釘軋，對(duì)滑移的阻力增加，對(duì)滑移的阻力增加，使塑性變形抗力顯著升高。使塑性變形抗力顯著升高。 帶割階的螺型位錯(cuò)的滑移過(guò)程帶割階的螺型位錯(cuò)的滑移過(guò)程 (a)短割階；短割階；(b)長(zhǎng)割階；長(zhǎng)割階；(c)中割階中割階 金屬晶須金屬晶須退火態(tài)退火態(tài)(105-108/cm2) 加工硬化態(tài)加工硬化態(tài)(1011-1012/cm2) 一、作用在位錯(cuò)上的力一、作用在位錯(cuò)上的力l滑移時(shí)：滑移時(shí)： F Fd d = =bb 即作用于即作用于單位長(zhǎng)度位錯(cuò)線上單位長(zhǎng)度位錯(cuò)線上的力的力，其大小正好為，其大小正好為bb； 方向垂直于位錯(cuò)線方向垂直于位錯(cuò)線，即指向，即指向位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的方向；位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的方向；l攀

26、移時(shí)：攀移時(shí)： F Fd d = =bb 其中其中為正應(yīng)力。為正應(yīng)力。二、位錯(cuò)的應(yīng)變能二、位錯(cuò)的應(yīng)變能l位錯(cuò)周?chē)诲e(cuò)周?chē)c(diǎn)陣畸變引起彈性應(yīng)力場(chǎng)導(dǎo)致點(diǎn)陣畸變引起彈性應(yīng)力場(chǎng)導(dǎo)致晶體能量增加晶體能量增加，這部分能量稱為位錯(cuò)的，這部分能量稱為位錯(cuò)的應(yīng)變能，或稱為位錯(cuò)的能量。應(yīng)變能，或稱為位錯(cuò)的能量。l位錯(cuò)能量可分為兩部分：位錯(cuò)中心位錯(cuò)能量可分為兩部分：位錯(cuò)中心畸變畸變能能EcEc和位錯(cuò)應(yīng)力場(chǎng)引起的和位錯(cuò)應(yīng)力場(chǎng)引起的彈性應(yīng)變能彈性應(yīng)變能EeEe。l單位長(zhǎng)度位錯(cuò)的總應(yīng)變能單位長(zhǎng)度位錯(cuò)的總應(yīng)變能可簡(jiǎn)化為：可簡(jiǎn)化為： U =G b2其中，其中，- - 常數(shù)常數(shù)，其值為，其值為0.50.51.01.0，螺位錯(cuò)取

27、，螺位錯(cuò)取0.50.5，刃位錯(cuò)取，刃位錯(cuò)取1.01.0；G G-材料的切變模量材料的切變模量：b b-剪切變形量，等于剪切變形量，等于柏氏矢量的模柏氏矢量的模。p由于位錯(cuò)存在應(yīng)變能，由于位錯(cuò)存在應(yīng)變能，為減小這能量為減小這能量，位錯(cuò)線的分布一方面在可能的情況下位錯(cuò)線的分布一方面在可能的情況下盡量減小單位長(zhǎng)度上的能量盡量減小單位長(zhǎng)度上的能量，由位錯(cuò)，由位錯(cuò)結(jié)果決定的，只要晶體結(jié)構(gòu)條件容許，結(jié)果決定的，只要晶體結(jié)構(gòu)條件容許，柏氏矢量盡量小柏氏矢量盡量小。p另一方面就是另一方面就是減小位錯(cuò)線的長(zhǎng)度減小位錯(cuò)線的長(zhǎng)度，兩，兩點(diǎn)之間只要結(jié)構(gòu)容許，以點(diǎn)之間只要結(jié)構(gòu)容許，以直線分布直線分布。p好像沿位錯(cuò)線兩端

28、作用了一個(gè)好像沿位錯(cuò)線兩端作用了一個(gè)線張力線張力。p結(jié)論：結(jié)論：位錯(cuò)的能量包括兩部分：位錯(cuò)的能量包括兩部分：EcEc和和EeEe。位錯(cuò)中心。位錯(cuò)中心區(qū)的能量區(qū)的能量EcEc一般小于總能量一般小于總能量1 11010，常可忽略；，?？珊雎?；而位錯(cuò)的彈性應(yīng)變能隨而位錯(cuò)的彈性應(yīng)變能隨r r緩慢地增加，所以緩慢地增加，所以位位錯(cuò)具有長(zhǎng)程應(yīng)力場(chǎng)錯(cuò)具有長(zhǎng)程應(yīng)力場(chǎng)。位錯(cuò)的應(yīng)變能與位錯(cuò)的應(yīng)變能與b b2 2成正比。因此，從能量的成正比。因此，從能量的觀點(diǎn)來(lái)看，晶體中觀點(diǎn)來(lái)看，晶體中具有最小具有最小b b的位錯(cuò)應(yīng)該是最的位錯(cuò)應(yīng)該是最穩(wěn)定穩(wěn)定的，而的，而b b大的位錯(cuò)有可能大的位錯(cuò)有可能分解分解為為b b小的位小

29、的位錯(cuò)，以降低系統(tǒng)的能量。由此也可理解為滑錯(cuò)，以降低系統(tǒng)的能量。由此也可理解為滑移方向總是沿著原子的移方向總是沿著原子的密排方向密排方向的。的。螺位錯(cuò)的彈性應(yīng)變能約為刃位錯(cuò)的螺位錯(cuò)的彈性應(yīng)變能約為刃位錯(cuò)的2/32/3。位錯(cuò)的能量是以單位長(zhǎng)度的能量來(lái)定位錯(cuò)的能量是以單位長(zhǎng)度的能量來(lái)定義的，故位錯(cuò)的能量還與位錯(cuò)線的形義的，故位錯(cuò)的能量還與位錯(cuò)線的形狀有關(guān)。直線位錯(cuò)的應(yīng)變能小于彎曲狀有關(guān)。直線位錯(cuò)的應(yīng)變能小于彎曲位錯(cuò)的，因此，位錯(cuò)的，因此，位錯(cuò)線有盡量變直和位錯(cuò)線有盡量變直和縮短其長(zhǎng)度的趨勢(shì)縮短其長(zhǎng)度的趨勢(shì)。位錯(cuò)的存在使晶體處于高能的不穩(wěn)定位錯(cuò)的存在使晶體處于高能的不穩(wěn)定狀態(tài)，可見(jiàn)狀態(tài)，可見(jiàn)位錯(cuò)是熱

30、力學(xué)上不穩(wěn)定的位錯(cuò)是熱力學(xué)上不穩(wěn)定的晶體缺陷晶體缺陷。三、位錯(cuò)的線張力：三、位錯(cuò)的線張力： T T = =G b G b 2 2 （J/mJ/m）四、作用在位錯(cuò)上的切應(yīng)力：四、作用在位錯(cuò)上的切應(yīng)力： =RGb2l位錯(cuò)在晶體中的存在使其周?chē)悠诲e(cuò)在晶體中的存在使其周?chē)悠x平衡位置而導(dǎo)致離平衡位置而導(dǎo)致點(diǎn)陣畸變點(diǎn)陣畸變和和彈性應(yīng)彈性應(yīng)力場(chǎng)力場(chǎng)的產(chǎn)生。的產(chǎn)生。l定量計(jì)算是復(fù)雜而困難的。定量計(jì)算是復(fù)雜而困難的。l假設(shè)：假設(shè)：晶體是完全彈性體，服從虎晶體是完全彈性體，服從虎克定律；克定律；各向同性；各向同性；由連續(xù)介質(zhì)由連續(xù)介質(zhì)組成。組成。a螺位錯(cuò)的應(yīng)力場(chǎng)螺位錯(cuò)的應(yīng)力場(chǎng) 切應(yīng)變：切應(yīng)變：切應(yīng)力：

31、切應(yīng)力：=b/2r =b/2r = G = Gb/2r = G = Gb/2rp螺型位借的應(yīng)力場(chǎng)的特點(diǎn)：螺型位借的應(yīng)力場(chǎng)的特點(diǎn)：只有切應(yīng)力分量，正應(yīng)力分量全為零，只有切應(yīng)力分量，正應(yīng)力分量全為零，這表明螺位錯(cuò)這表明螺位錯(cuò)不引起晶體的膨脹不引起晶體的膨脹和和收縮收縮。螺型位錯(cuò)的切應(yīng)力分量只與螺型位錯(cuò)的切應(yīng)力分量只與r r有關(guān)（成有關(guān)（成反比），而與反比），而與、z z無(wú)關(guān)。無(wú)關(guān)。具有軸對(duì)稱，即與位錯(cuò)等距離的各處，具有軸對(duì)稱，即與位錯(cuò)等距離的各處，其切應(yīng)力值相等，并隨著與位錯(cuò)距離的其切應(yīng)力值相等，并隨著與位錯(cuò)距離的增大，應(yīng)力值減小。增大，應(yīng)力值減小。b b刃型位錯(cuò)的應(yīng)力場(chǎng)刃型位錯(cuò)的應(yīng)力場(chǎng)l比螺型位

32、錯(cuò)復(fù)雜得多。比螺型位錯(cuò)復(fù)雜得多。l同樣，若將一空心的彈同樣，若將一空心的彈性圓柱體切開(kāi)，使切面性圓柱體切開(kāi)，使切面兩側(cè)兩側(cè)沿徑向（沿徑向（x x軸方向）軸方向）相對(duì)位移一個(gè)相對(duì)位移一個(gè)b b的距離的距離，再膠合起來(lái)，于是，就再膠合起來(lái)，于是，就形成了一個(gè)正刃型位錯(cuò)形成了一個(gè)正刃型位錯(cuò)應(yīng)力場(chǎng)。應(yīng)力場(chǎng)。p刃型位錯(cuò)應(yīng)力場(chǎng)的特點(diǎn)：刃型位錯(cuò)應(yīng)力場(chǎng)的特點(diǎn)：同時(shí)存在正應(yīng)力分量與切應(yīng)力分量，同時(shí)存在正應(yīng)力分量與切應(yīng)力分量，而且各應(yīng)力分量的而且各應(yīng)力分量的大小與大小與G G和和b b成正比，成正比，與與r r成反比成反比，即，即隨著與位錯(cuò)距離的增大，隨著與位錯(cuò)距離的增大，應(yīng)力的絕對(duì)值減小應(yīng)力的絕對(duì)值減小。各應(yīng)力

33、分量都各應(yīng)力分量都是是x x，y y的函數(shù)，而與的函數(shù)，而與z z無(wú)關(guān)。無(wú)關(guān)。這表明在平行于位錯(cuò)線的直線這表明在平行于位錯(cuò)線的直線上，任一點(diǎn)的應(yīng)力均相同。上，任一點(diǎn)的應(yīng)力均相同。刃型位錯(cuò)的應(yīng)力場(chǎng)對(duì)稱于多余半原子面刃型位錯(cuò)的應(yīng)力場(chǎng)對(duì)稱于多余半原子面（y-zy-z面），面），即對(duì)稱于即對(duì)稱于y y軸。軸。y=0y=0時(shí)，時(shí)，xxxx=yyyy=zzzz=0=0，說(shuō)明，說(shuō)明在滑移面上，沒(méi)有在滑移面上，沒(méi)有正應(yīng)力，只有切應(yīng)力正應(yīng)力，只有切應(yīng)力，而且，而且切應(yīng)力切應(yīng)力xyxy達(dá)到極大值達(dá)到極大值。y y0 0時(shí)，時(shí)，xxxx0 0；而；而y y0 0時(shí)，時(shí)，xxxx0 0。這說(shuō)明正刃。這說(shuō)明正刃型位錯(cuò)的

34、型位錯(cuò)的位錯(cuò)滑移面上側(cè)為壓應(yīng)力，滑移面下側(cè)為位錯(cuò)滑移面上側(cè)為壓應(yīng)力，滑移面下側(cè)為張應(yīng)力。張應(yīng)力。在應(yīng)力場(chǎng)的任意位置處，在應(yīng)力場(chǎng)的任意位置處，|xxxx| |yyyy| |。x= x= y y時(shí)，時(shí)，yyyy，xyxy均為零，說(shuō)明均為零，說(shuō)明在直角坐標(biāo)的兩在直角坐標(biāo)的兩條對(duì)角線處，只有條對(duì)角線處，只有xxxx ，而且在每條對(duì)角線的兩側(cè)，而且在每條對(duì)角線的兩側(cè)，xyxy(yxyx) )及及yyyy的符號(hào)相反。的符號(hào)相反。p晶體中存在位錯(cuò)時(shí)，在它的周?chē)惝a(chǎn)晶體中存在位錯(cuò)時(shí)，在它的周?chē)惝a(chǎn)生一個(gè)生一個(gè)應(yīng)力場(chǎng)應(yīng)力場(chǎng)。p實(shí)際晶體中往往有實(shí)際晶體中往往有許多位錯(cuò)同時(shí)存在許多位錯(cuò)同時(shí)存在。p任一位錯(cuò)在其相鄰位

35、錯(cuò)應(yīng)力場(chǎng)作用下任一位錯(cuò)在其相鄰位錯(cuò)應(yīng)力場(chǎng)作用下都會(huì)受到作用力，此都會(huì)受到作用力，此交互作用力交互作用力隨位隨位錯(cuò)類(lèi)型、柏氏矢量大小、位錯(cuò)線相對(duì)錯(cuò)類(lèi)型、柏氏矢量大小、位錯(cuò)線相對(duì)位向的變化而變化。位向的變化而變化。p一對(duì)在同一滑移面當(dāng)其一對(duì)在同一滑移面當(dāng)其方向相反方向相反時(shí)，時(shí)，表現(xiàn)為表現(xiàn)為互相吸引互相吸引，有條件時(shí)相互靠近，有條件時(shí)相互靠近，最后可能互相中和而消失。最后可能互相中和而消失。 p上平行刃位錯(cuò)，當(dāng)其方向上平行刃位錯(cuò)，當(dāng)其方向相同相同時(shí)，時(shí)，表現(xiàn)為互相表現(xiàn)為互相排斥排斥，有條件時(shí)相互移動(dòng)，有條件時(shí)相互移動(dòng)來(lái)增加其距離。來(lái)增加其距離。平行螺型位錯(cuò)的相互作用平行螺型位錯(cuò)的相互作用 p一對(duì)平

36、行的一對(duì)平行的螺位錯(cuò)螺位錯(cuò)：當(dāng)其當(dāng)其方向相同方向相同時(shí)，也表現(xiàn)為時(shí)，也表現(xiàn)為互相排斥互相排斥，有條件時(shí)相互移動(dòng)來(lái)有條件時(shí)相互移動(dòng)來(lái)增加其距離增加其距離。當(dāng)其當(dāng)其方向相反方向相反時(shí)，也表現(xiàn)為時(shí)，也表現(xiàn)為互相吸引互相吸引，有條件時(shí)有條件時(shí)相互靠近相互靠近，最后可能，最后可能互相中和互相中和而消失。而消失。 p處在處在其他情況其他情況下的位錯(cuò)間的相互作下的位錯(cuò)間的相互作用較為用較為復(fù)雜復(fù)雜。 p實(shí)際晶體中，組態(tài)不穩(wěn)定的位錯(cuò)可以轉(zhuǎn)實(shí)際晶體中，組態(tài)不穩(wěn)定的位錯(cuò)可以轉(zhuǎn)化為組態(tài)穩(wěn)定的位錯(cuò)；化為組態(tài)穩(wěn)定的位錯(cuò)；p具有不同帕氏矢量的位錯(cuò)線可以具有不同帕氏矢量的位錯(cuò)線可以合并合并為為一條位錯(cuò)線；反之，一條位錯(cuò)線也

37、可以一條位錯(cuò)線；反之，一條位錯(cuò)線也可以分解分解為兩條或更多條具有不同柏氏矢量為兩條或更多條具有不同柏氏矢量的位錯(cuò)線。的位錯(cuò)線。p通常，將通常，將位錯(cuò)之間的相互轉(zhuǎn)化位錯(cuò)之間的相互轉(zhuǎn)化（分解或（分解或合并）稱為合并）稱為位錯(cuò)反應(yīng)位錯(cuò)反應(yīng)。2 2實(shí)際晶體中位錯(cuò)的柏氏矢量實(shí)際晶體中位錯(cuò)的柏氏矢量p簡(jiǎn)單立方晶體中位錯(cuò)的柏氏矢量簡(jiǎn)單立方晶體中位錯(cuò)的柏氏矢量b b總是等于點(diǎn)總是等于點(diǎn)陣矢量。陣矢量。p但實(shí)際晶體中，位錯(cuò)的柏氏矢量除了等于點(diǎn)但實(shí)際晶體中，位錯(cuò)的柏氏矢量除了等于點(diǎn)陣矢量外還可能小于或大于點(diǎn)陣矢量。陣矢量外還可能小于或大于點(diǎn)陣矢量。p通常把柏氏矢量等于單位點(diǎn)陣矢量的位錯(cuò)稱通常把柏氏矢量等于單位點(diǎn)陣

38、矢量的位錯(cuò)稱為為“單位位錯(cuò)單位位錯(cuò)”，即，即“全位錯(cuò)全位錯(cuò)”，故全位錯(cuò)，故全位錯(cuò)滑移后晶體原子排列不變；滑移后晶體原子排列不變；p把柏氏矢量不等于點(diǎn)陣矢量的位錯(cuò)稱為把柏氏矢量不等于點(diǎn)陣矢量的位錯(cuò)稱為“不不全位錯(cuò)全位錯(cuò)”，或稱為，或稱為“部分位錯(cuò)部分位錯(cuò)”，不全位錯(cuò)，不全位錯(cuò)滑移后原子排列規(guī)律發(fā)生變化?；坪笤优帕幸?guī)律發(fā)生變化。p從能量條件看，由于位錯(cuò)能量正比于從能量條件看，由于位錯(cuò)能量正比于b b2 2，b b越越小越穩(wěn)定，即小越穩(wěn)定，即單位位錯(cuò)應(yīng)該是最穩(wěn)定的位錯(cuò)單位位錯(cuò)應(yīng)該是最穩(wěn)定的位錯(cuò)。3 3堆垛層錯(cuò)堆垛層錯(cuò)p實(shí)際晶體中所出現(xiàn)的實(shí)際晶體中所出現(xiàn)的不全位錯(cuò)通常不全位錯(cuò)通常與與其原子堆垛結(jié)其

39、原子堆垛結(jié)構(gòu)的變化有關(guān)構(gòu)的變化有關(guān)。p實(shí)際晶體結(jié)構(gòu)中，密排面的正常堆垛順序有可能遭實(shí)際晶體結(jié)構(gòu)中，密排面的正常堆垛順序有可能遭到破壞和錯(cuò)排，稱為到破壞和錯(cuò)排，稱為堆垛層錯(cuò)堆垛層錯(cuò)，簡(jiǎn)稱層錯(cuò)。，簡(jiǎn)稱層錯(cuò)。p形成層錯(cuò)形成層錯(cuò)破壞了晶體的完整性和正常的周期性破壞了晶體的完整性和正常的周期性 晶體的能量晶體的能量 “ “堆垛層錯(cuò)能堆垛層錯(cuò)能 （J/mJ/m2 2）”。p晶體中出現(xiàn)層錯(cuò)的幾率與層錯(cuò)能有關(guān)，層錯(cuò)能越高晶體中出現(xiàn)層錯(cuò)的幾率與層錯(cuò)能有關(guān)，層錯(cuò)能越高則幾率越小。則幾率越小。p如在層錯(cuò)能很低的如在層錯(cuò)能很低的奧氏體不銹鋼奧氏體不銹鋼中，?？煽吹酱罅恐?，?？煽吹酱罅康膶渝e(cuò)，而在的層錯(cuò)，而在層錯(cuò)能高的

40、鋁層錯(cuò)能高的鋁中，就看不到層錯(cuò)。中，就看不到層錯(cuò)。面心立方結(jié)構(gòu)的堆垛層錯(cuò)面心立方結(jié)構(gòu)的堆垛層錯(cuò) (a)抽出型；抽出型；(b)插入型插入型4. 4. 不全位錯(cuò)不全位錯(cuò)p若堆垛層錯(cuò)不是發(fā)生在晶體的整個(gè)原子若堆垛層錯(cuò)不是發(fā)生在晶體的整個(gè)原子面上而只是部分區(qū)域存在，那么，面上而只是部分區(qū)域存在，那么，在層在層錯(cuò)與完整晶體的交界處就存在柏氏矢量錯(cuò)與完整晶體的交界處就存在柏氏矢量b b不等于點(diǎn)陣矢量的不全位錯(cuò)不等于點(diǎn)陣矢量的不全位錯(cuò)。p在在面心立方晶體面心立方晶體中，有兩種重要的不全中，有兩種重要的不全位錯(cuò)：位錯(cuò)：肖克萊（肖克萊（ShockleyShockley）不全位錯(cuò)）不全位錯(cuò)和和弗蘭克（弗蘭克（Fr

41、ankFrank）不全位錯(cuò)）不全位錯(cuò)。肖克萊不全位錯(cuò)及其柏氏矢量肖克萊不全位錯(cuò)及其柏氏矢量 a肖克萊不全位錯(cuò)肖克萊不全位錯(cuò)p圖中右邊晶體按圖中右邊晶體按ABCABCABCABC正常順序堆垛，正常順序堆垛，而左邊晶體是按而左邊晶體是按ABCBCABABCBCAB順序堆垛，即順序堆垛，即有層錯(cuò)存在，有層錯(cuò)存在，層錯(cuò)與完整晶體的邊界層錯(cuò)與完整晶體的邊界就就是肖克萊位錯(cuò)，系刃型不全位錯(cuò)。是肖克萊位錯(cuò)，系刃型不全位錯(cuò)。p根據(jù)其根據(jù)其柏氏矢量與位錯(cuò)線的夾角關(guān)系柏氏矢量與位錯(cuò)線的夾角關(guān)系，它既可以是它既可以是純?nèi)行图內(nèi)行?，也可以是，也可以是純螺型純螺型或或混合型混合型。p肖克萊不全位錯(cuò)可以在其所在的肖克萊不

42、全位錯(cuò)可以在其所在的111111面面上滑移，滑移的結(jié)果使層錯(cuò)擴(kuò)大或縮小。上滑移，滑移的結(jié)果使層錯(cuò)擴(kuò)大或縮小。負(fù)弗蘭克不全位錯(cuò)（抽出型）負(fù)弗蘭克不全位錯(cuò)（抽出型）和和正弗蘭克不全位錯(cuò)（插入型）正弗蘭克不全位錯(cuò)（插入型） b弗蘭克不全位錯(cuò)弗蘭克不全位錯(cuò)p圖中為圖中為抽去半層抽去半層密排面形成的弗蘭克密排面形成的弗蘭克不全位錯(cuò)。與抽出型層錯(cuò)聯(lián)系的不全不全位錯(cuò)。與抽出型層錯(cuò)聯(lián)系的不全位錯(cuò)通常稱位錯(cuò)通常稱負(fù)弗蘭克不全位錯(cuò)負(fù)弗蘭克不全位錯(cuò)；p而與而與插人型層錯(cuò)插人型層錯(cuò)相聯(lián)系的不全位錯(cuò)稱相聯(lián)系的不全位錯(cuò)稱為為正弗蘭克不全位錯(cuò)正弗蘭克不全位錯(cuò)。p它們的柏氏矢量都垂直于位錯(cuò)線。弗它們的柏氏矢量都垂直于位錯(cuò)線。

43、弗蘭克位錯(cuò)屬蘭克位錯(cuò)屬純?nèi)行臀诲e(cuò)純?nèi)行臀诲e(cuò)。5 5面心立方晶體中的位錯(cuò)面心立方晶體中的位錯(cuò)a a湯普森（湯普森（Thompson NThompson N）四面體）四面體p面心立方晶體中所有重要的位錯(cuò)和位錯(cuò)反應(yīng)面心立方晶體中所有重要的位錯(cuò)和位錯(cuò)反應(yīng)可用湯普森提出的可用湯普森提出的參考四面體參考四面體和和一套標(biāo)記一套標(biāo)記清清晰而直觀地表示出來(lái)。晰而直觀地表示出來(lái)。四面體的四面體的4 4個(gè)面即為個(gè)面即為4 4個(gè)可能的滑移面?zhèn)€可能的滑移面。四面體的四面體的6 6個(gè)棱邊代表個(gè)棱邊代表1212個(gè)晶向個(gè)晶向，即為面心立，即為面心立方晶體中全位錯(cuò)方晶體中全位錯(cuò)1212個(gè)可能的柏氏矢量個(gè)可能的柏氏矢量( (羅羅

44、- -羅羅向量向量) )。每個(gè)面的頂點(diǎn)與其中心的連線代表每個(gè)面的頂點(diǎn)與其中心的連線代表2424個(gè)個(gè) 型的滑移矢量，它們相當(dāng)于面心立方晶體中可型的滑移矢量，它們相當(dāng)于面心立方晶體中可能的能的2424個(gè)肖克萊不全位錯(cuò)的柏氏矢量個(gè)肖克萊不全位錯(cuò)的柏氏矢量（不對(duì)（不對(duì)應(yīng)的羅應(yīng)的羅- -希向量）。希向量）。4 4個(gè)頂點(diǎn)到它所對(duì)的三角形中點(diǎn)的連線代表個(gè)頂點(diǎn)到它所對(duì)的三角形中點(diǎn)的連線代表8 8個(gè)個(gè) 型的滑移矢量。它們相當(dāng)于面心立型的滑移矢量。它們相當(dāng)于面心立方晶體中可能有的方晶體中可能有的8 8個(gè)弗蘭克不全位錯(cuò)的柏氏個(gè)弗蘭克不全位錯(cuò)的柏氏矢量矢量（對(duì)應(yīng)的羅（對(duì)應(yīng)的羅- -西向量）。西向量）。4 4個(gè)面中心相

45、連即為是個(gè)面中心相連即為是壓桿位錯(cuò)壓桿位錯(cuò)的一種（希的一種（希- -希向量）。希向量）。1113111261b b擴(kuò)展位錯(cuò)擴(kuò)展位錯(cuò)p通常把一個(gè)全通常把一個(gè)全位錯(cuò)分解為兩位錯(cuò)分解為兩個(gè)不全位錯(cuò)，個(gè)不全位錯(cuò)，中間夾著一個(gè)中間夾著一個(gè)堆垛層錯(cuò)的整堆垛層錯(cuò)的整個(gè)位錯(cuò)組態(tài)稱個(gè)位錯(cuò)組態(tài)稱為擴(kuò)展位錯(cuò)。為擴(kuò)展位錯(cuò)。擴(kuò)展位錯(cuò)擴(kuò)展位錯(cuò) 八、位錯(cuò)的增殖八、位錯(cuò)的增殖p經(jīng)經(jīng)劇烈塑性變形劇烈塑性變形后的金屬晶體，其后的金屬晶體，其位錯(cuò)密度可增加位錯(cuò)密度可增加4 45 5個(gè)數(shù)量級(jí)個(gè)數(shù)量級(jí)。這個(gè)。這個(gè)現(xiàn)象充分說(shuō)明晶體在變形過(guò)程中位現(xiàn)象充分說(shuō)明晶體在變形過(guò)程中位錯(cuò)必然是在不斷地增殖。錯(cuò)必然是在不斷地增殖。p位錯(cuò)的位錯(cuò)的增殖機(jī)

46、制增殖機(jī)制可有多種，其中一可有多種，其中一種主要方式是種主要方式是弗蘭克弗蘭克- -瑞德（瑞德（Frank-Frank-ReadRead）位錯(cuò)源）位錯(cuò)源。弗蘭克弗蘭克-瑞德源的位錯(cuò)增殖機(jī)制瑞德源的位錯(cuò)增殖機(jī)制 雙交滑移位錯(cuò)增殖模型雙交滑移位錯(cuò)增殖模型 p界面：界面：包括外表面（自由表面）和內(nèi)包括外表面（自由表面）和內(nèi)界面。界面。p表面：表面：是指固體材料與氣體或液體的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、分界面，它與摩擦、磨損、氧化、腐蝕、偏析、催化、吸附現(xiàn)象，以及光學(xué)、微偏析、催化、吸附現(xiàn)象，以及光學(xué)、微電子學(xué)等均密切相關(guān)；電子學(xué)等均密切相關(guān)；p內(nèi)界面：內(nèi)界面：可分為

47、可分為晶粒邊界晶粒邊界和和晶內(nèi)的亞晶內(nèi)的亞晶界晶界、孿晶界孿晶界、層錯(cuò)層錯(cuò)及及相界面相界面等。等。p界面通常包含界面通常包含幾個(gè)原子層厚的區(qū)域幾個(gè)原子層厚的區(qū)域，該區(qū)域內(nèi)的原子排列甚至化學(xué)成分該區(qū)域內(nèi)的原子排列甚至化學(xué)成分往往不同于晶體內(nèi)部，又因它系往往不同于晶體內(nèi)部，又因它系二二維結(jié)構(gòu)分布維結(jié)構(gòu)分布，故也稱為，故也稱為晶體的面缺晶體的面缺陷陷。p界面的存在界面的存在對(duì)晶體的力學(xué)、物理和對(duì)晶體的力學(xué)、物理和化學(xué)等性能產(chǎn)生重要的影響化學(xué)等性能產(chǎn)生重要的影響。一、晶體的外表面一、晶體的外表面p晶體的外表面晶體的外表面能量高能量高于晶內(nèi)。于晶內(nèi)。p表面能具有表面能具有各向異性各向異性。p表面吸附表面

48、吸附：外表面會(huì)吸附外來(lái)雜質(zhì)：外表面會(huì)吸附外來(lái)雜質(zhì), ,顯著改變表面能。顯著改變表面能。p應(yīng)用：應(yīng)用：三廢處理、食品加工（純凈三廢處理、食品加工（純凈水、蔗糖脫色）、溶劑回收、化學(xué)水、蔗糖脫色）、溶劑回收、化學(xué)處理等。處理等。二、晶界二、晶界1 1、定義、定義l晶界晶界是指空間是指空間取向（位向）不同取向（位向）不同的相鄰的晶粒之間的交界面的相鄰的晶粒之間的交界面。l亞晶界亞晶界是每個(gè)晶粒有時(shí)又由若干是每個(gè)晶粒有時(shí)又由若干個(gè)位向稍有差異的亞晶粒所組成，個(gè)位向稍有差異的亞晶粒所組成，相鄰亞晶粒間的界面。相鄰亞晶粒間的界面。p晶粒的平均直徑通常在晶粒的平均直徑通常在0.015-0.25 mm0.01

49、5-0.25 mm范圍內(nèi)；范圍內(nèi)；p而亞晶粒的平均直徑則通常為而亞晶粒的平均直徑則通常為0.001mm0.001mm數(shù)量級(jí)。數(shù)量級(jí)。2 2、晶界的分類(lèi)、晶界的分類(lèi)p當(dāng)相鄰晶粒的當(dāng)相鄰晶粒的取向差約小于取向差約小于10100 0時(shí)時(shí), ,叫叫小小角度晶界角度晶界；p取向差取向差大于大于10100 0時(shí)時(shí), ,叫叫大角度晶界大角度晶界，占占90%90%以上。以上。顯微組織的顯示顯微組織的顯示p孿晶界孿晶界 對(duì)稱傾斜晶界對(duì)稱傾斜晶界 不對(duì)稱傾斜晶界不對(duì)稱傾斜晶界 扭轉(zhuǎn)晶界扭轉(zhuǎn)晶界1）小角度晶界）小角度晶界（1 1）大角度晶界的結(jié)構(gòu)）大角度晶界的結(jié)構(gòu)p多晶體材料中各晶粒之間的晶界。多晶體材料中各晶粒之

50、間的晶界。p大角度晶界的大角度晶界的結(jié)構(gòu)較復(fù)雜結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，其中原，其中原子排列較不規(guī)則，不能用位錯(cuò)模型子排列較不規(guī)則，不能用位錯(cuò)模型來(lái)描述。來(lái)描述。p純金屬中大角度晶界的純金屬中大角度晶界的寬度不超過(guò)寬度不超過(guò)3 3個(gè)原子間距個(gè)原子間距。（2 2）晶界能）晶界能p定義：定義：為形成單位面積界面時(shí)，系統(tǒng)的自為形成單位面積界面時(shí)，系統(tǒng)的自由能變化（由能變化（dF/dA dF/dA ），它等于界面區(qū)單位），它等于界面區(qū)單位面積的能量減去無(wú)界面時(shí)該區(qū)單位面積的面積的能量減去無(wú)界面時(shí)該區(qū)單位面積的能量。能量。p小角度晶界的能量：小角度晶界的能量：主要來(lái)自位錯(cuò)能量，主要來(lái)自位錯(cuò)能量，而位錯(cuò)密度又決定于晶粒

51、間的位向差，所而位錯(cuò)密度又決定于晶粒間的位向差，所以，以，小角度晶界能也和位向差有關(guān)小角度晶界能也和位向差有關(guān)：)ln(0 A三個(gè)晶界相交于一直線三個(gè)晶界相交于一直線p晶界能可以界面張力的形式來(lái)表現(xiàn)晶界能可以界面張力的形式來(lái)表現(xiàn)，且可以通過(guò)界面交角的測(cè)定求出它且可以通過(guò)界面交角的測(cè)定求出它的相對(duì)值。的相對(duì)值。p在達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)，在達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)，O O點(diǎn)處的界面張點(diǎn)處的界面張力必須達(dá)到力學(xué)平衡，即其力必須達(dá)到力學(xué)平衡，即其矢量和矢量和為零為零，故：，故：213132321sinsinsin p因此，若取其中某一晶界能作為基因此，若取其中某一晶界能作為基準(zhǔn)，則準(zhǔn)，則通過(guò)測(cè)量通過(guò)測(cè)量 角即可求得其

52、他角即可求得其他晶界的相對(duì)能量晶界的相對(duì)能量。p在平衡狀態(tài)下，在平衡狀態(tài)下，三叉晶界的各面角三叉晶界的各面角均趨向于最穩(wěn)定的均趨向于最穩(wěn)定的120120，此時(shí)，此時(shí)，各各晶粒之間的晶界能基本相等晶粒之間的晶界能基本相等。l結(jié)構(gòu)起伏結(jié)構(gòu)起伏l成分起伏成分起伏l能量起伏能量起伏（3）晶界的特性）晶界的特性 晶界處點(diǎn)陣畸變大，存在著晶界能。晶界處點(diǎn)陣畸變大，存在著晶界能。l因此，因此，晶粒的長(zhǎng)大晶粒的長(zhǎng)大和和晶界的平直化晶界的平直化都都能減少晶界面積，從而降低晶界的總能減少晶界面積，從而降低晶界的總能量，這是一個(gè)能量，這是一個(gè)自發(fā)過(guò)程自發(fā)過(guò)程。l然而晶粒的長(zhǎng)大和晶界的平直化均需然而晶粒的長(zhǎng)大和晶界的平直化均需通過(guò)原子的擴(kuò)散來(lái)實(shí)現(xiàn)通過(guò)原子的擴(kuò)散來(lái)實(shí)現(xiàn)，因此，隨著，因此，隨著溫度升高和保溫時(shí)間的增長(zhǎng)溫度升高和保溫時(shí)間的增長(zhǎng)，均有利，均有利于這兩過(guò)程的進(jìn)行。于這兩過(guò)程的進(jìn)行。p大角度晶界界面能最高，故其大角度晶界界面能最高，故其晶界晶界遷移速率最大遷移速率最大。原因：原因：晶粒的