鄭大材料科學(xué)基礎(chǔ)CH3晶體缺陷

1、授課 朱世杰2022-2-51 授課 朱世杰2022-2-52 概述概述 點(diǎn)缺陷點(diǎn)缺陷 線缺陷線缺陷 面缺陷面缺陷授課 朱世杰2022-2-53 一一. .需掌握的概念和術(shù)語(yǔ)需掌握的概念和術(shù)語(yǔ) 1 1、點(diǎn)缺陷、點(diǎn)缺陷、SchottkySchottky空位、空位、FrankelFrankel空位、間隙原子、置換空位、間隙原子、置換原子原子 2 2、線缺陷、刃型位錯(cuò)、螺型位錯(cuò)、混合型位錯(cuò)、柏氏矢量、線缺陷、刃型位錯(cuò)、螺型位錯(cuò)、混合型位錯(cuò)、柏氏矢量、位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)、滑移、位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)、滑移、( (雙雙) )交滑移、多滑移、攀移、交割、割價(jià)、交滑移、多滑移、攀移、交割、割價(jià)、扭折、塞積；位錯(cuò)應(yīng)力場(chǎng)、應(yīng)變能、線張

2、力、作用在位錯(cuò)上扭折、塞積；位錯(cuò)應(yīng)力場(chǎng)、應(yīng)變能、線張力、作用在位錯(cuò)上的力、位錯(cuò)密度、位錯(cuò)源、位錯(cuò)生成、位錯(cuò)增殖、位錯(cuò)分解的力、位錯(cuò)密度、位錯(cuò)源、位錯(cuò)生成、位錯(cuò)增殖、位錯(cuò)分解與合成、位錯(cuò)反應(yīng)、全位錯(cuò)、不全位錯(cuò)、堆垛層錯(cuò)與合成、位錯(cuò)反應(yīng)、全位錯(cuò)、不全位錯(cuò)、堆垛層錯(cuò) 3 3、面缺陷、表面、界面、界面能、晶界、相界、面缺陷、表面、界面、界面能、晶界、相界 4 4、關(guān)于位錯(cuò)的應(yīng)力場(chǎng)、位錯(cuò)的應(yīng)變能、線張力等可作為一、關(guān)于位錯(cuò)的應(yīng)力場(chǎng)、位錯(cuò)的應(yīng)變能、線張力等可作為一般了解般了解 5 5、晶界的特性、晶界的特性( (大、小角度晶界大、小角度晶界) )、孿晶界、相界的類型、孿晶界、相界的類型授課 朱世杰2022

3、-2-54 1 1、授課 朱世杰2022-2-55概概 述述 前面章節(jié)都是就理想狀態(tài)的完前面章節(jié)都是就理想狀態(tài)的完整晶體而言，即晶體中所有的整晶體而言，即晶體中所有的原子都在各自的平衡位置，處原子都在各自的平衡位置，處于能量最低狀態(tài)。然而在實(shí)際于能量最低狀態(tài)。然而在實(shí)際晶體中原子的排列不可能這樣晶體中原子的排列不可能這樣規(guī)則和完整，而是或多或少地規(guī)則和完整，而是或多或少地存在離開(kāi)理想的區(qū)域，出現(xiàn)不存在離開(kāi)理想的區(qū)域，出現(xiàn)不完整性。正如我們?nèi)粘Ｉ钪型暾?。正如我們?nèi)粘Ｉ钪幸?jiàn)到見(jiàn)到玉米棒上玉米粒玉米棒上玉米粒的分布。的分布。通常把這種偏離完整性的區(qū)域通常把這種偏離完整性的區(qū)域稱為稱為晶體缺陷晶

4、體缺陷(crystal defect, crystalline imperfection)。 位錯(cuò)實(shí)驗(yàn)觀測(cè)位錯(cuò)實(shí)驗(yàn)觀測(cè)(dislocation.mpg) 圖為透射電子顯微鏡下觀察到圖為透射電子顯微鏡下觀察到不銹鋼不銹鋼316L(00Cr17Ni14Mo2)316L(00Cr17Ni14Mo2)的位錯(cuò)線與位錯(cuò)纏結(jié)的位錯(cuò)線與位錯(cuò)纏結(jié)授課 朱世杰2022-2-56 完美晶體完美晶體：即組成晶體的所有原子或離子都排列在晶格：即組成晶體的所有原子或離子都排列在晶格中它們自己的位置上，沒(méi)有晶格空位，也沒(méi)有間隙原子或離中它們自己的位置上，沒(méi)有晶格空位，也沒(méi)有間隙原子或離子。晶格中的原子或離子都是化學(xué)分子式中

5、的原子或離子，子。晶格中的原子或離子都是化學(xué)分子式中的原子或離子，沒(méi)有外來(lái)的雜質(zhì)；晶體的原子之比符合化學(xué)計(jì)量比。沒(méi)有外來(lái)的雜質(zhì)；晶體的原子之比符合化學(xué)計(jì)量比。 實(shí)際晶體實(shí)際晶體：與理想晶體有一些差異。如：處于晶體表面：與理想晶體有一些差異。如：處于晶體表面的原子或離子與體內(nèi)的差異；晶體在形成時(shí)，常常是許多部的原子或離子與體內(nèi)的差異；晶體在形成時(shí)，常常是許多部位同時(shí)成核生長(zhǎng)，結(jié)果形成的不是單晶而是許多細(xì)小晶粒按位同時(shí)成核生長(zhǎng)，結(jié)果形成的不是單晶而是許多細(xì)小晶粒按不規(guī)則排列組合起來(lái)的多晶體；在外界因素的作用下，原子不規(guī)則排列組合起來(lái)的多晶體；在外界因素的作用下，原子或離子脫離平衡位置和雜質(zhì)原子的引

6、入等?；螂x子脫離平衡位置和雜質(zhì)原子的引入等。 晶體缺陷的存在，破壞了完美晶體的有序性，引起晶體晶體缺陷的存在，破壞了完美晶體的有序性，引起晶體內(nèi)能內(nèi)能U和熵和熵S增加。增加。授課 朱世杰2022-2-57完整不一定精彩完整不一定精彩 缺憾也是一種美缺憾也是一種美! !授課 朱世杰2022-2-58 通常把晶體點(diǎn)陣通常把晶體點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)中周期性勢(shì)場(chǎng)的畸變稱為晶體的結(jié)構(gòu)缺陷。結(jié)構(gòu)中周期性勢(shì)場(chǎng)的畸變稱為晶體的結(jié)構(gòu)缺陷。 晶體缺陷對(duì)于晶體缺陷對(duì)于晶體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)規(guī)則完整排列是主來(lái)說(shuō)規(guī)則完整排列是主要的要的, ,而非完整性是次要的。而非完整性是次要的。 對(duì)一些對(duì)對(duì)一些對(duì)結(jié)構(gòu)敏感性能結(jié)構(gòu)敏感性能來(lái)說(shuō)，起主

7、要作用的是晶來(lái)說(shuō)，起主要作用的是晶體的不完整性體的不完整性, ,而完整性是次要的；而完整性是次要的； 一些相變、擴(kuò)散變形等都與晶體缺陷有關(guān)。一些相變、擴(kuò)散變形等都與晶體缺陷有關(guān)。授課 朱世杰2022-2-59晶體結(jié)構(gòu)缺陷的類型及特征晶體結(jié)構(gòu)缺陷的類型及特征缺陷的缺陷的類型類型點(diǎn)缺陷點(diǎn)缺陷線缺陷線缺陷面缺陷面缺陷其特點(diǎn)是在三維方向上的尺寸都很小，缺陷的尺寸處在一或幾個(gè)原子大小的級(jí)別，又稱零維缺陷，例如空位，間隙原子和雜質(zhì)原子等。其特點(diǎn)是僅在一維方向上的尺寸較大，而另外二維方向上的尺寸都很小，也稱一維缺陷，通常是指各類位錯(cuò)。其特點(diǎn)是僅在二維方向上的尺寸較大，而另外一維方向上的尺寸很小，故也稱二維缺

8、陷，例如晶體表面、晶界、亞晶界、孿晶界、亞晶界、孿晶界和相界面等。授課 朱世杰2022-2-510授課 朱世杰2022-2-511 是在晶體晶格結(jié)點(diǎn)上或鄰是在晶體晶格結(jié)點(diǎn)上或鄰近區(qū)域偏離其正常結(jié)構(gòu)的近區(qū)域偏離其正常結(jié)構(gòu)的一種缺陷，它是最簡(jiǎn)單的一種缺陷，它是最簡(jiǎn)單的晶體缺陷，晶體缺陷，在三維空間各在三維空間各個(gè)方向上尺寸都很小，范個(gè)方向上尺寸都很小，范圍約為一個(gè)或幾個(gè)原子尺圍約為一個(gè)或幾個(gè)原子尺度度。授課 朱世杰2022-2-512 離開(kāi)平衡位置的原子有三個(gè)去處離開(kāi)平衡位置的原子有三個(gè)去處: : 遷移到表面或內(nèi)表面留下的空位。遷移到表面或內(nèi)表面留下的空位。 擠入點(diǎn)陣間隙而形成的空位，并出擠入點(diǎn)陣

9、間隙而形成的空位，并出現(xiàn)間隙原子?，F(xiàn)間隙原子。 授課 朱世杰2022-2-513：在晶格內(nèi)原子或離子熱在晶格內(nèi)原子或離子熱振動(dòng)時(shí)，一些能量足夠大的原子離開(kāi)平振動(dòng)時(shí)，一些能量足夠大的原子離開(kāi)平衡位置后，衡位置后，進(jìn)入晶格點(diǎn)的間隙進(jìn)入晶格點(diǎn)的間隙位置，變位置，變成間隙原子，而在原來(lái)的位置上成間隙原子，而在原來(lái)的位置上形成一形成一個(gè)空位個(gè)空位。那么晶體中將存在等濃度的晶。那么晶體中將存在等濃度的晶格空位和填隙原子，這種空位格空位和填隙原子，這種空位-間隙原間隙原子對(duì)稱為子對(duì)稱為Frankely缺陷缺陷。 ：如果正常格點(diǎn)上的原子：如果正常格點(diǎn)上的原子或離子，熱起伏過(guò)程中獲得能量離開(kāi)平或離子，熱起伏過(guò)程

10、中獲得能量離開(kāi)平衡位置，跳躍到晶體的表面，在原正常衡位置，跳躍到晶體的表面，在原正常格點(diǎn)上留下空位。格點(diǎn)上留下空位。 Frankely缺陷缺陷Schottky空位空位授課 朱世杰2022-2-514 (1)置換原子置換原子(substitutional atom)：占：占據(jù)在原來(lái)基體原子平衡位置上的異類原據(jù)在原來(lái)基體原子平衡位置上的異類原子子 。 (2) 空位空位(vacancy)：在晶格結(jié)點(diǎn)位置：在晶格結(jié)點(diǎn)位置未被占據(jù)的原子位置未被占據(jù)的原子位置 。 (3) 間隙原子間隙原子(interstital atom）晶格正晶格正常節(jié)點(diǎn)的的間隙中多余的原子。它們可常節(jié)點(diǎn)的的間隙中多余的原子。它們可能

11、是同類原子，也可能是異類原子。能是同類原子，也可能是異類原子。 (4) 雜質(zhì)雜質(zhì)原子原子：外來(lái)原子進(jìn)入晶格，就：外來(lái)原子進(jìn)入晶格，就成為晶體中的雜質(zhì)。成為晶體中的雜質(zhì)。 異類間隙原子異類間隙原子：原子半徑很小的外來(lái)原子，外來(lái)雜質(zhì)原子。：原子半徑很小的外來(lái)原子，外來(lái)雜質(zhì)原子。 自間隙原子自間隙原子(self-interstital atom) (同類同類)：形成弗蘭克爾空位時(shí)：形成弗蘭克爾空位時(shí)出現(xiàn)的間隙原子出現(xiàn)的間隙原子 。授課 朱世杰2022-2-515 高分子晶體中的點(diǎn)缺陷高分子晶體中的點(diǎn)缺陷：（：（1）分子鏈上的異常鍵結(jié)合；（）分子鏈上的異常鍵結(jié)合；（2）分子鏈位置發(fā)生交換；（分子鏈位置

12、發(fā)生交換；（3）分子鏈向相對(duì)方向折疊。）分子鏈向相對(duì)方向折疊。 離子晶體中的點(diǎn)缺陷離子晶體中的點(diǎn)缺陷：（1）Schottky缺陷：一個(gè)正負(fù)離子缺陷：一個(gè)正負(fù)離子空位對(duì)。（空位對(duì)。（2） Frenkel缺陷：一個(gè)空位間隙離子對(duì)。缺陷：一個(gè)空位間隙離子對(duì)。授課 朱世杰2022-2-516 點(diǎn)缺陷是熱力學(xué)穩(wěn)定的缺陷：點(diǎn)缺陷與線、面缺陷的區(qū)點(diǎn)缺陷是熱力學(xué)穩(wěn)定的缺陷：點(diǎn)缺陷與線、面缺陷的區(qū)別之一是后者為熱力學(xué)不穩(wěn)定的缺陷而在一定溫度下，晶體別之一是后者為熱力學(xué)不穩(wěn)定的缺陷而在一定溫度下，晶體中有一定平衡數(shù)量的空位和間隙原子，其數(shù)量可近似算出。中有一定平衡數(shù)量的空位和間隙原子，其數(shù)量可近似算出。 空位形成

13、空位形成時(shí)系統(tǒng)自由能的變化：時(shí)系統(tǒng)自由能的變化：F=U-TS U為內(nèi)能，為內(nèi)能，S為系統(tǒng)熵（包括振動(dòng)熵為系統(tǒng)熵（包括振動(dòng)熵SV和排列熵和排列熵SC） 空位的引入，一方面由于彈性畸變使晶體內(nèi)能增加；另空位的引入，一方面由于彈性畸變使晶體內(nèi)能增加；另一方面又使晶體中混亂度增加，使熵增加。而一方面又使晶體中混亂度增加，使熵增加。而熵的變化包括熵的變化包括兩部分兩部分： 空位改變它周圍原子的振動(dòng)引起振動(dòng)熵，空位改變它周圍原子的振動(dòng)引起振動(dòng)熵，SV. 空位在晶體點(diǎn)陣中的排列可有許多不同的幾何組態(tài)，空位在晶體點(diǎn)陣中的排列可有許多不同的幾何組態(tài)，使排列熵使排列熵SC增加。增加。授課 朱世杰2022-2-51

14、7空位-體系能量曲線授課 朱世杰2022-2-518 內(nèi)能內(nèi)能(Internal energy)變化變化U。n個(gè)內(nèi)能為個(gè)內(nèi)能為u的點(diǎn)缺陷使系的點(diǎn)缺陷使系統(tǒng)內(nèi)能增加總量為統(tǒng)內(nèi)能增加總量為:UnEv 空位形成能空位形成能(vacancy formation energy):形成一個(gè)空位時(shí)形成一個(gè)空位時(shí)引起系統(tǒng)能量的增加，記為引起系統(tǒng)能量的增加，記為Ev TS與組態(tài)熵變化有關(guān)：點(diǎn)缺陷的存在使體系混亂程度與組態(tài)熵變化有關(guān)：點(diǎn)缺陷的存在使體系混亂程度增大，大大增加了系統(tǒng)的熵值。增大，大大增加了系統(tǒng)的熵值。 通過(guò)熱力學(xué)分析，在絕對(duì)零度以上的任何溫度，晶體中通過(guò)熱力學(xué)分析，在絕對(duì)零度以上的任何溫度，晶體中最

15、穩(wěn)定的狀態(tài)是含有一定濃度的點(diǎn)缺陷的狀態(tài)，這個(gè)濃度稱最穩(wěn)定的狀態(tài)是含有一定濃度的點(diǎn)缺陷的狀態(tài)，這個(gè)濃度稱為該溫度下晶體中為該溫度下晶體中(equilibrium consistence)。經(jīng)熱力學(xué)推導(dǎo)：經(jīng)熱力學(xué)推導(dǎo)： C與與T、Ev之間呈指數(shù)關(guān)系之間呈指數(shù)關(guān)系(下頁(yè)表）。下頁(yè)表）。T上升、上升、C升高升高。授課 朱世杰2022-2-519金屬種類金屬種類 Pb Al Mg Au Cu Pt WEv10-8J0.080.120.140.150.170.240.56C9.2 10-62.8 10-81.5 10-93.6 10-102.0 10-117.8 10-165.7 10-36 由公式可得由

16、公式可得： 晶體中空位在熱力學(xué)上是穩(wěn)定的，一定溫度晶體中空位在熱力學(xué)上是穩(wěn)定的，一定溫度T對(duì)應(yīng)一平衡對(duì)應(yīng)一平衡濃度濃度C。 C與與T呈指數(shù)關(guān)系，溫度升高，空位濃度增大。呈指數(shù)關(guān)系，溫度升高，空位濃度增大。 空位形成能空位形成能EV大，空位濃度小。大，空位濃度小。授課 朱世杰2022-2-520 點(diǎn)缺陷的運(yùn)動(dòng)方式點(diǎn)缺陷的運(yùn)動(dòng)方式: : (1) (1) 空位運(yùn)動(dòng)空位運(yùn)動(dòng); ; 空位缺陷的運(yùn)動(dòng)實(shí)質(zhì)上是原子的遷移過(guò)程，它構(gòu)成了晶體空位缺陷的運(yùn)動(dòng)實(shí)質(zhì)上是原子的遷移過(guò)程，它構(gòu)成了晶體中原子傳輸?shù)幕A(chǔ)。中原子傳輸?shù)幕A(chǔ)。 (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

17、缺陷同時(shí)消失，稱為空位和間隙原子相遇，兩缺陷同時(shí)消失，稱為 ; ; (4) (4) 逸出晶體到表面，或移到晶界，點(diǎn)缺陷消失逸出晶體到表面，或移到晶界，點(diǎn)缺陷消失。授課 朱世杰2022-2-521 無(wú)論那種點(diǎn)缺陷的存在，都會(huì)使其附近的原子稍微偏離原無(wú)論那種點(diǎn)缺陷的存在，都會(huì)使其附近的原子稍微偏離原結(jié)點(diǎn)位置才能平衡，即引起結(jié)點(diǎn)位置才能平衡，即引起(distortion of (distortion of lattice),lattice),能量升高，結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，易發(fā)生轉(zhuǎn)變。能量升高，結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，易發(fā)生轉(zhuǎn)變。 點(diǎn)缺陷的存在會(huì)引起性能的變化：點(diǎn)缺陷的存在會(huì)引起性能的變化： (1) (1)物理性質(zhì)、如物

18、理性質(zhì)、如R R、V V、 等；等； (2) (2)力學(xué)性能：采用力學(xué)性能：采用高溫急冷高溫急冷( (如淬火如淬火 quenching),quenching),大量的冷大量的冷變形變形(cold working),(cold working),高能粒子輻照高能粒子輻照(radiation)(radiation)等方法可獲得等方法可獲得過(guò)飽和點(diǎn)缺陷，如使過(guò)飽和點(diǎn)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(xué)熱處理化學(xué)熱處理(chemical heattreatment)(chemical heattreatment)等等授課 朱世杰2022-2-522本節(jié)小節(jié) 空

19、位的類型空位的類型 空位的平衡濃度及其公式空位的平衡濃度及其公式 授課 朱世杰2022-2-523 授課 朱世杰2022-2-524是是一種線缺陷一種線缺陷,它是晶體中某它是晶體中某處一列或若干列原子發(fā)生處一列或若干列原子發(fā)生了有規(guī)律錯(cuò)排現(xiàn)象；錯(cuò)排了有規(guī)律錯(cuò)排現(xiàn)象；錯(cuò)排區(qū)是細(xì)長(zhǎng)的管狀畸變區(qū)區(qū)是細(xì)長(zhǎng)的管狀畸變區(qū),長(zhǎng)長(zhǎng)度可達(dá)幾百至幾萬(wàn)個(gè)原子度可達(dá)幾百至幾萬(wàn)個(gè)原子間距間距,寬僅幾個(gè)原子間距。寬僅幾個(gè)原子間距。如右圖是位錯(cuò)的一種。如右圖是位錯(cuò)的一種。 特點(diǎn)特點(diǎn):在一維方向的尺在一維方向的尺寸較長(zhǎng)，另外二維方向上寸較長(zhǎng)，另外二維方向上尺寸很小，從宏觀看缺陷尺寸很小，從宏觀看缺陷是線狀的。從微觀角度看，是

20、線狀的。從微觀角度看，位錯(cuò)是管狀的。位錯(cuò)是管狀的。授課 朱世杰2022-2-525 完整晶體滑移完整晶體滑移和和實(shí)際晶體滑移實(shí)際晶體滑移：完整晶體滑移的理論剪切強(qiáng)度完整晶體滑移的理論剪切強(qiáng)度要遠(yuǎn)高于實(shí)際晶體滑移的對(duì)應(yīng)要遠(yuǎn)高于實(shí)際晶體滑移的對(duì)應(yīng)強(qiáng)度，實(shí)驗(yàn)上所測(cè)得的臨界切強(qiáng)度，實(shí)驗(yàn)上所測(cè)得的臨界切應(yīng)力遠(yuǎn)小于計(jì)算值。理論值大應(yīng)力遠(yuǎn)小于計(jì)算值。理論值大了約了約100010000倍。從而促進(jìn)倍。從而促進(jìn)了位錯(cuò)理論的產(chǎn)生和發(fā)展。了位錯(cuò)理論的產(chǎn)生和發(fā)展。 Orowan把晶體的滑移過(guò)程比把晶體的滑移過(guò)程比喻為喻為蠕蟲(chóng)的運(yùn)動(dòng)蠕蟲(chóng)的運(yùn)動(dòng)。是上世紀(jì)材料科學(xué)最是上世紀(jì)材料科學(xué)最杰出成就之一。杰出成就之一。授課 朱世杰

21、2022-2-526理想晶體的滑移模型和刃型位錯(cuò)的滑移過(guò)程授課 朱世杰2022-2-527金屬金屬理論切應(yīng)理論切應(yīng)力力實(shí)驗(yàn)值實(shí)驗(yàn)值切變模量切變模量Al38300.78624400Ag39800.37225000Cu64800.49040700-Fe110002.7568950Mg26300.39316400授課 朱世杰2022-2-528 位錯(cuò)的類型：刃型位錯(cuò)（位錯(cuò)的類型：刃型位錯(cuò)（edge dislocationedge dislocation） 螺型位錯(cuò)（螺型位錯(cuò)（screw dislocationscrew dislocation） 混合位錯(cuò)（混合位錯(cuò)（mixed dislocation

22、mixed dislocation）可分解為刃型位）可分解為刃型位錯(cuò)分量和螺型位錯(cuò)分量錯(cuò)分量和螺型位錯(cuò)分量 刃型位錯(cuò)與螺型位錯(cuò)授課 朱世杰2022-2-529(1)刃型位錯(cuò)刃型位錯(cuò)(edge dislocation) 的產(chǎn)生的產(chǎn)生 授課 朱世杰2022-2-530 (2) 刃型位錯(cuò)的定義和立體圖示刃型位錯(cuò)的定義和立體圖示 在某一水平面以上多出了垂直方向在某一水平面以上多出了垂直方向的原子面，猶如插入的刀刃一樣，稱為的原子面，猶如插入的刀刃一樣，稱為刃型位錯(cuò)線刃型位錯(cuò)線。位錯(cuò)線附近區(qū)域發(fā)生了原。位錯(cuò)線附近區(qū)域發(fā)生了原子錯(cuò)排，因此稱為子錯(cuò)排，因此稱為“刃型位錯(cuò)刃型位錯(cuò)” 。 刃型位錯(cuò)線刃型位錯(cuò)線：

23、多余半原子面與滑移：多余半原子面與滑移面的交線。面的交線。(鏈接鏈接) 授課 朱世杰2022-2-531 （3 3）刃型位錯(cuò)特征：）刃型位錯(cuò)特征： 刃型位錯(cuò)有一個(gè)額外的（多余）半原子面。刃型位錯(cuò)有一個(gè)額外的（多余）半原子面。正刃型位錯(cuò)正刃型位錯(cuò)用用“”表示，表示，負(fù)刃型位錯(cuò)負(fù)刃型位錯(cuò)用用“”表示；其正負(fù)只是相對(duì)而表示；其正負(fù)只是相對(duì)而言。言。 判斷用判斷用右手定則右手定則：食指食指指向位錯(cuò)線方向，指向位錯(cuò)線方向，中指中指指向柏氏矢指向柏氏矢量方向，量方向，拇指拇指指向多余半原子面方向。指向多余半原子面方向。授課 朱世杰2022-2-532 刃型位錯(cuò)線為晶體中已滑移區(qū)與未滑移區(qū)的邊界刃型位錯(cuò)線為

24、晶體中已滑移區(qū)與未滑移區(qū)的邊界線。刃型位錯(cuò)線不一定是直線，可以是線。刃型位錯(cuò)線不一定是直線，可以是直線直線、折線折線或或曲曲線線。刃型位錯(cuò)線與晶體移動(dòng)方向、柏氏矢量垂直。但它。刃型位錯(cuò)線與晶體移動(dòng)方向、柏氏矢量垂直。但它必與滑移方向相垂直，也垂直于滑移矢量。必與滑移方向相垂直，也垂直于滑移矢量。不同形狀的刃型位錯(cuò)授課 朱世杰2022-2-533 滑移面必須是同時(shí)包含有位錯(cuò)線和滑移矢量的平面滑移面必須是同時(shí)包含有位錯(cuò)線和滑移矢量的平面。由于位錯(cuò)線與滑移矢量互相垂直由于位錯(cuò)線與滑移矢量互相垂直, ,它們構(gòu)成平面它們構(gòu)成平面只有一個(gè)只有一個(gè)。 晶體中存在刃位錯(cuò)后晶體中存在刃位錯(cuò)后, ,位錯(cuò)周圍的點(diǎn)陣

25、發(fā)生彈性畸變位錯(cuò)周圍的點(diǎn)陣發(fā)生彈性畸變, ,既有正應(yīng)變既有正應(yīng)變, ,也有負(fù)應(yīng)變也有負(fù)應(yīng)變。點(diǎn)陣畸變相對(duì)于多余半原子面是。點(diǎn)陣畸變相對(duì)于多余半原子面是左右對(duì)稱的，其程度隨距位錯(cuò)線距離增大而減小。左右對(duì)稱的，其程度隨距位錯(cuò)線距離增大而減小。就正刃型就正刃型位錯(cuò)而言，上方晶體位錯(cuò)而言，上方晶體含有多余半原子面含有多余半原子面受壓受壓，原子間距小于，原子間距小于正常點(diǎn)陣常數(shù)；正常點(diǎn)陣常數(shù)；下方晶體不下方晶體不含有多余半原子面含有多余半原子面受拉受拉，原子間，原子間距大于正常點(diǎn)陣常數(shù)距大于正常點(diǎn)陣常數(shù)。負(fù)刃型位錯(cuò)與此相反。負(fù)刃型位錯(cuò)與此相反。 在位錯(cuò)線周圍的畸變區(qū)每個(gè)原子具有較大的平均能量。在位錯(cuò)線周

26、圍的畸變區(qū)每個(gè)原子具有較大的平均能量。但該區(qū)只有幾個(gè)原子間距寬，但該區(qū)只有幾個(gè)原子間距寬，畸變區(qū)是一個(gè)狹長(zhǎng)的管道畸變區(qū)是一個(gè)狹長(zhǎng)的管道。位。位錯(cuò)在晶體中引起的畸變?cè)谖诲e(cuò)線中心處最大，隨著離位錯(cuò)中錯(cuò)在晶體中引起的畸變?cè)谖诲e(cuò)線中心處最大，隨著離位錯(cuò)中心距離的增大，晶體的畸變逐漸減小。心距離的增大，晶體的畸變逐漸減小。授課 朱世杰2022-2-534 (1) (1)螺型位錯(cuò)的形成螺型位錯(cuò)的形成: :授課 朱世杰2022-2-535螺型位錯(cuò)示意圖授課 朱世杰2022-2-536 (1) (1)螺型位錯(cuò)的形成螺型位錯(cuò)的形成: : (2)(2)螺型位錯(cuò)螺型位錯(cuò)的圖示的圖示 晶體中已滑移區(qū)與未滑晶體中已滑移

27、區(qū)與未滑移區(qū)的邊界線（即位錯(cuò)線）移區(qū)的邊界線（即位錯(cuò)線）若平行于滑移方向，則在該若平行于滑移方向，則在該處附近原子平面已扭曲為螺處附近原子平面已扭曲為螺旋面，即位錯(cuò)線附近的原子旋面，即位錯(cuò)線附近的原子是按螺旋形式排列的，這種是按螺旋形式排列的，這種晶 體 缺 陷 稱 為晶 體 缺 陷 稱 為 螺 型 位 錯(cuò)螺 型 位 錯(cuò)（screw dislocationscrew dislocation）。）。授課 朱世杰2022-2-537( (3)3)螺型位錯(cuò)的特點(diǎn)螺型位錯(cuò)的特點(diǎn)： 螺型位錯(cuò)無(wú)額外的半原子面，原子錯(cuò)排成軸對(duì)稱。螺型位錯(cuò)無(wú)額外的半原子面，原子錯(cuò)排成軸對(duì)稱。 根據(jù)螺旋前進(jìn)方向可以人為定義根據(jù)

28、螺旋前進(jìn)方向可以人為定義右旋螺型位錯(cuò)右旋螺型位錯(cuò)和和左左旋螺型位錯(cuò)旋螺型位錯(cuò)；左、右旋分別用；左、右旋分別用左左( (右右) )法則法則來(lái)判斷：拇指來(lái)判斷：拇指指向螺旋前進(jìn)的方向，而其余四指代表旋轉(zhuǎn)方向，凡符指向螺旋前進(jìn)的方向，而其余四指代表旋轉(zhuǎn)方向，凡符合右手法則的稱為右螺旋型位錯(cuò)，凡符合左手法則的稱合右手法則的稱為右螺旋型位錯(cuò)，凡符合左手法則的稱為左螺旋位錯(cuò)。無(wú)論將晶體如何放置都不會(huì)改變其左、為左螺旋位錯(cuò)。無(wú)論將晶體如何放置都不會(huì)改變其左、右的性質(zhì)。右的性質(zhì)。 螺旋位錯(cuò)線與其滑移矢量平行，故螺旋位錯(cuò)線與其滑移矢量平行，故純螺位錯(cuò)只能是純螺位錯(cuò)只能是直線直線。且與。且與位錯(cuò)線移動(dòng)方向與晶體滑

29、移方向垂直位錯(cuò)線移動(dòng)方向與晶體滑移方向垂直。授課 朱世杰2022-2-538晶體局部滑移造成螺型位錯(cuò)晶體局部滑移造成螺型位錯(cuò) 純螺位錯(cuò)的滑移面不是唯一的純螺位錯(cuò)的滑移面不是唯一的，凡包含螺型位錯(cuò)線的平面，凡包含螺型位錯(cuò)線的平面都可以作為它的滑移面；但實(shí)際上，滑移通常是在那些原子密排都可以作為它的滑移面；但實(shí)際上，滑移通常是在那些原子密排面上進(jìn)行。面上進(jìn)行。 螺旋位錯(cuò)線位錯(cuò)周圍點(diǎn)陣也發(fā)生彈性畸變，但只有平行于螺旋位錯(cuò)線位錯(cuò)周圍點(diǎn)陣也發(fā)生彈性畸變，但只有平行于位錯(cuò)線的切應(yīng)變而無(wú)正應(yīng)變，即不引起體積的膨脹和收縮；且在位錯(cuò)線的切應(yīng)變而無(wú)正應(yīng)變，即不引起體積的膨脹和收縮；且在垂直于位錯(cuò)線的平面投影上，看

30、不到原子的位移，看不出缺陷。垂直于位錯(cuò)線的平面投影上，看不到原子的位移，看不出缺陷。螺位錯(cuò)周圍只引起切應(yīng)變而無(wú)體應(yīng)變。錯(cuò)位線周圍的應(yīng)力場(chǎng)呈軸螺位錯(cuò)周圍只引起切應(yīng)變而無(wú)體應(yīng)變。錯(cuò)位線周圍的應(yīng)力場(chǎng)呈軸對(duì)稱分布。對(duì)稱分布。 位錯(cuò)畸變區(qū)也是幾個(gè)原子位錯(cuò)畸變區(qū)也是幾個(gè)原子間距寬度，同樣是線缺陷。間距寬度，同樣是線缺陷。授課 朱世杰2022-2-539晶體局部滑移造成螺型位錯(cuò)晶體局部滑移造成螺型位錯(cuò) 如果有一條螺型位錯(cuò)線在晶體表面露頭，在露頭處的如果有一條螺型位錯(cuò)線在晶體表面露頭，在露頭處的晶面上必然形成一個(gè)臺(tái)階，這個(gè)臺(tái)階不會(huì)因覆蓋了一層晶面上必然形成一個(gè)臺(tái)階，這個(gè)臺(tái)階不會(huì)因覆蓋了一層原子而消失，它將永遠(yuǎn)

31、存在。原子而消失，它將永遠(yuǎn)存在。 這樣螺位錯(cuò)露頭處就是晶體生長(zhǎng)的擇優(yōu)點(diǎn)，使之能在這樣螺位錯(cuò)露頭處就是晶體生長(zhǎng)的擇優(yōu)點(diǎn)，使之能在過(guò)飽和度不高（過(guò)飽和度不高（1%1%，根據(jù)理論計(jì)算應(yīng)高達(dá)，根據(jù)理論計(jì)算應(yīng)高達(dá)50%50%）的晶體蒸）的晶體蒸氣壓或溶液中連續(xù)不斷地生長(zhǎng)。氣壓或溶液中連續(xù)不斷地生長(zhǎng)。授課 朱世杰2022-2-540 p 無(wú)額外的半原子面，原子錯(cuò)無(wú)額外的半原子面，原子錯(cuò)排呈軸對(duì)稱，分右旋和左旋排呈軸對(duì)稱，分右旋和左旋螺型位錯(cuò)；螺型位錯(cuò)；p 一定是直線，與滑移矢量平一定是直線，與滑移矢量平行，位錯(cuò)線移動(dòng)方向與晶體行，位錯(cuò)線移動(dòng)方向與晶體滑移方向垂直；滑移方向垂直；p 滑移面不是唯一的，包含螺

32、滑移面不是唯一的，包含螺型位錯(cuò)線的平面都可以作為型位錯(cuò)線的平面都可以作為它的滑移面；它的滑移面；p 位錯(cuò)周圍點(diǎn)陣也發(fā)生彈性畸位錯(cuò)周圍點(diǎn)陣也發(fā)生彈性畸變，但只有平行于位錯(cuò)線的變，但只有平行于位錯(cuò)線的切應(yīng)變而無(wú)正應(yīng)變，即不引切應(yīng)變而無(wú)正應(yīng)變，即不引起體積的膨脹和收縮；起體積的膨脹和收縮；p 位錯(cuò)畸變區(qū)位錯(cuò)畸變區(qū)也是幾個(gè)原子間也是幾個(gè)原子間距寬度，同樣是線位錯(cuò)。距寬度，同樣是線位錯(cuò)。 刃形位錯(cuò)有一個(gè)額外半原刃形位錯(cuò)有一個(gè)額外半原子面子面; ; 刃形位錯(cuò)線是一個(gè)具有一刃形位錯(cuò)線是一個(gè)具有一定寬度的細(xì)長(zhǎng)晶格畸變管定寬度的細(xì)長(zhǎng)晶格畸變管道道, ,其中既有正應(yīng)變其中既有正應(yīng)變, ,又有又有切應(yīng)變切應(yīng)變; ;

33、 位錯(cuò)線與晶體滑移的方向位錯(cuò)線與晶體滑移的方向垂直垂直, ,即位錯(cuò)線運(yùn)動(dòng)的方向即位錯(cuò)線運(yùn)動(dòng)的方向垂直于位錯(cuò)線垂直于位錯(cuò)線授課 朱世杰2022-2-541 (1) (1) 混合位錯(cuò)混合位錯(cuò)（mixed dislocationmixed dislocation）的圖示的圖示 晶體中已滑移區(qū)與未滑移區(qū)的邊界線（即位錯(cuò)線）晶體中已滑移區(qū)與未滑移區(qū)的邊界線（即位錯(cuò)線）既不平行也不垂直于滑移方向，即滑移矢量與位錯(cuò)線成既不平行也不垂直于滑移方向，即滑移矢量與位錯(cuò)線成任意角度，這種晶體缺陷稱為混合型位錯(cuò)。任意角度，這種晶體缺陷稱為混合型位錯(cuò)。 晶體局部滑移形成混合位錯(cuò)晶體局部滑移形成混合位錯(cuò)授課 朱世杰202

34、2-2-542 (2) 混合位錯(cuò)特征混合位錯(cuò)特征:混合位錯(cuò)混合位錯(cuò)可分為刃型分量和螺型分量，可分為刃型分量和螺型分量，它們分別具有刃位錯(cuò)和螺位錯(cuò)它們分別具有刃位錯(cuò)和螺位錯(cuò)的特征。的特征。 刃刃:b ; 螺螺: b ;混合位錯(cuò)的原子組態(tài)授課 朱世杰2022-2-543 晶體中位錯(cuò)處的原子處于高能不太穩(wěn)定狀態(tài)，因此在切晶體中位錯(cuò)處的原子處于高能不太穩(wěn)定狀態(tài)，因此在切應(yīng)力作用下原子很容易移動(dòng)。含有位錯(cuò)晶體的滑移過(guò)程實(shí)應(yīng)力作用下原子很容易移動(dòng)。含有位錯(cuò)晶體的滑移過(guò)程實(shí)質(zhì)上是位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，此過(guò)程質(zhì)上是位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，此過(guò)程中原子實(shí)際的位移距離遠(yuǎn)中原子實(shí)際的位移距離遠(yuǎn)小于原子間距小于原子間距，這種滑移要

35、比兩個(gè)相鄰原子面整體相對(duì)移，這種滑移要比兩個(gè)相鄰原子面整體相對(duì)移動(dòng)（即剛性滑移）容易得多。動(dòng)（即剛性滑移）容易得多。（視頻（視頻dislocation motiondislocation motion）位錯(cuò)位錯(cuò)在外力作用下的運(yùn)動(dòng)過(guò)程。因此實(shí)際在外力作用下的運(yùn)動(dòng)過(guò)程。因此實(shí)際晶體滑移晶體滑移所需要的臨所需要的臨界切應(yīng)力便遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于剛性滑移，即晶體的實(shí)際強(qiáng)度比理論界切應(yīng)力便遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于剛性滑移，即晶體的實(shí)際強(qiáng)度比理論強(qiáng)度低得多。強(qiáng)度低得多。多個(gè)位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致晶體的宏觀變形。多個(gè)位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致晶體的宏觀變形。授課 朱世杰2022-2-544 用來(lái)描述位錯(cuò)區(qū)域原子的畸變特征（包括畸變發(fā)用來(lái)描述位錯(cuò)區(qū)域原子的

36、畸變特征（包括畸變發(fā)生在什么晶向以及畸變有多大）的物理參量，稱為生在什么晶向以及畸變有多大）的物理參量，稱為(Burgers vector)(Burgers vector)。在實(shí)際晶體中，假定有一。在實(shí)際晶體中，假定有一位錯(cuò)，在位錯(cuò)周圍的位錯(cuò)，在位錯(cuò)周圍的“好好”區(qū)內(nèi)圍繞位錯(cuò)線作一任意區(qū)內(nèi)圍繞位錯(cuò)線作一任意大小的閉合回路，即稱為大小的閉合回路，即稱為。 ，回路回路的起點(diǎn)是任取的，即：規(guī)定位錯(cuò)線指出屏幕的起點(diǎn)是任取的，即：規(guī)定位錯(cuò)線指出屏幕( (紙面紙面) )為為正，我們用右手的拇指指向位錯(cuò)的正向，其余四指的正，我們用右手的拇指指向位錯(cuò)的正向，其余四指的指向就是柏氏回路的方向。指向就是柏氏回路的

37、方向。 授課 朱世杰2022-2-545Burgers vector)： 選定位錯(cuò)線的正方向選定位錯(cuò)線的正方向( ()。一般選定出紙面的方向?yàn)槲灰话氵x定出紙面的方向?yàn)槲诲e(cuò)線的正向錯(cuò)線的正向。 在實(shí)際晶體中在實(shí)際晶體中避開(kāi)嚴(yán)重畸變區(qū)避開(kāi)嚴(yán)重畸變區(qū)作作柏氏回路柏氏回路(Burgers (Burgers circuit)circuit)，即在位錯(cuò)周圍沿著點(diǎn)陣結(jié)點(diǎn)形成封閉回路。，即在位錯(cuò)周圍沿著點(diǎn)陣結(jié)點(diǎn)形成封閉回路。 在完整晶在完整晶體中按體中按(2)(2)中相同方中相同方向和步數(shù)作同樣大向和步數(shù)作同樣大小的回路。回路不小的回路?；芈凡环忾]，由終點(diǎn)向起封閉，由終點(diǎn)向起點(diǎn)作矢量即為點(diǎn)作矢量即為柏氏柏氏矢

38、量矢量。授課 朱世杰2022-2-546授課 朱世杰2022-2-547授課 朱世杰2022-2-548授課 朱世杰2022-2-549三種類型位錯(cuò)的矢量圖解法 授課 朱世杰2022-2-550: :是一個(gè)反映位錯(cuò)性質(zhì)以及由位錯(cuò)引是一個(gè)反映位錯(cuò)性質(zhì)以及由位錯(cuò)引起的晶格畸變大小的物理量。起的晶格畸變大小的物理量。u 代表位錯(cuò)代表位錯(cuò)，并表示其特征并表示其特征（強(qiáng)度、畸變量）；（強(qiáng)度、畸變量）；表示晶體滑移表示晶體滑移的方向和大小的方向和大小，也表示出晶體滑移時(shí)原子移動(dòng)的大小和方向。，也表示出晶體滑移時(shí)原子移動(dòng)的大小和方向。滑移量大小為柏氏矢量滑移量大小為柏氏矢量b，滑移方向?yàn)榘厥鲜噶康姆较颉?，?/p>

39、移方向?yàn)榘厥鲜噶康姆较?。u 反映出柏氏回路包含的位錯(cuò)所引起周圍反映出柏氏回路包含的位錯(cuò)所引起周圍晶體點(diǎn)陣畸變的總積晶體點(diǎn)陣畸變的總積累累。 b 越大，位錯(cuò)引起的晶體彈性能越高。越大，位錯(cuò)引起的晶體彈性能越高。u 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，該矢量的模，該矢量的模|b|表示了畸變的表示了畸變的程度，稱為位錯(cuò)強(qiáng)度。程度，稱為位錯(cuò)強(qiáng)度。u 位錯(cuò)的許多性質(zhì)如位錯(cuò)的能量、所受的力、應(yīng)力場(chǎng)、位錯(cuò)反位錯(cuò)的許多性質(zhì)如位錯(cuò)的能量、所受的力、應(yīng)力場(chǎng)、位錯(cuò)反應(yīng)等均與其有關(guān)。應(yīng)等均與其有關(guān)。授課 朱世杰2022-2-551: : (1) (1) 柏氏矢量可以表示位錯(cuò)區(qū)域柏氏矢量可以表示位錯(cuò)區(qū)

40、域晶格畸變總量的大小。柏氏矢量可表示位錯(cuò)性質(zhì)和取向晶格畸變總量的大小。柏氏矢量可表示位錯(cuò)性質(zhì)和取向, ,即晶即晶體滑移方向體滑移方向。柏氏矢量越大。柏氏矢量越大, ,位錯(cuò)周圍晶體畸變?cè)絿?yán)重。位錯(cuò)周圍晶體畸變?cè)絿?yán)重。 (2) (2) 。 守恒性守恒性：一條位錯(cuò)線的柏氏矢量恒定不變。：一條位錯(cuò)線的柏氏矢量恒定不變。 位錯(cuò)交于一點(diǎn)位錯(cuò)交于一點(diǎn)：如果數(shù)條位錯(cuò)線交于一節(jié)點(diǎn)，則流入節(jié)：如果數(shù)條位錯(cuò)線交于一節(jié)點(diǎn)，則流入節(jié)點(diǎn)的各位錯(cuò)線的柏氏矢量和等于流出節(jié)點(diǎn)的各位錯(cuò)線柏氏矢量點(diǎn)的各位錯(cuò)線的柏氏矢量和等于流出節(jié)點(diǎn)的各位錯(cuò)線柏氏矢量之和，即：之和，即： 位錯(cuò)分解位錯(cuò)分解：若位錯(cuò)可分解，則：若位錯(cuò)可分解，則分解后各

41、分位錯(cuò)的柏氏矢量之和等于分解后各分位錯(cuò)的柏氏矢量之和等于原位錯(cuò)的柏氏矢量。原位錯(cuò)的柏氏矢量。b1b3b2授課 朱世杰2022-2-552 (3) (3)。即一根位錯(cuò)線具有唯一的柏氏。即一根位錯(cuò)線具有唯一的柏氏矢量。矢量。它與柏氏回路的大小和回路在位錯(cuò)線上的位置無(wú)關(guān)它與柏氏回路的大小和回路在位錯(cuò)線上的位置無(wú)關(guān)，位錯(cuò)在晶體中運(yùn)動(dòng)或改變方向時(shí)，其柏氏矢量不變。位錯(cuò)在晶體中運(yùn)動(dòng)或改變方向時(shí)，其柏氏矢量不變。 ( (4)4): : 可以形成位錯(cuò)環(huán)、連接于其他位錯(cuò)、可以形成位錯(cuò)環(huán)、連接于其他位錯(cuò)、終止于晶界或露頭于表面終止于晶界或露頭于表面, ,但不能中斷于晶體內(nèi)。但不能中斷于晶體內(nèi)。 ( (5)5) 可

42、以表征位錯(cuò)線的可以表征位錯(cuò)線的性質(zhì)，據(jù)性質(zhì)，據(jù)柏氏矢量與位錯(cuò)線的取向關(guān)系柏氏矢量與位錯(cuò)線的取向關(guān)系可確定位錯(cuò)線性質(zhì)?？纱_定位錯(cuò)線性質(zhì)。 刃型位錯(cuò)刃型位錯(cuò): : eebebe，右手法則判斷正負(fù)。右手法則判斷正負(fù)。 螺型位錯(cuò)螺型位錯(cuò): : sbssbs，二者同向右旋二者同向右旋, ,反向左旋。反向左旋。授課 朱世杰2022-2-553 ( (6) 6) . .位錯(cuò)運(yùn)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致晶體滑移時(shí)，滑移量大小動(dòng)導(dǎo)致晶體滑移時(shí)，滑移量大小| |b|b|，滑移方向?yàn)榘鼗品较驗(yàn)榘厥鲜噶康姆较?。氏矢量的方向?( (7)7) 為為與柏氏矢量所構(gòu)成的平與柏氏矢量所構(gòu)成的平面面, ,不定不定, ,。 ( (8) 8)

43、 柏氏矢量可以定義為柏氏矢量可以定義為: :授課 朱世杰2022-2-554a 代表位錯(cuò)，并表示其特征（強(qiáng)度、畸變量）代表位錯(cuò)，并表示其特征（強(qiáng)度、畸變量）。b 判斷位錯(cuò)的類型，確定滑移面判斷位錯(cuò)的類型，確定滑移面。 b正刃型位錯(cuò)正刃型位錯(cuò) 負(fù)刃型位錯(cuò)負(fù)刃型位錯(cuò) 右螺型位錯(cuò)右螺型位錯(cuò) 左螺型位錯(cuò)左螺型位錯(cuò)c 表示晶體滑移的方向和大小表示晶體滑移的方向和大小。 如右圖所示，確定位錯(cuò)線分別為刃如右圖所示，確定位錯(cuò)線分別為刃型位錯(cuò)和螺型位錯(cuò)時(shí)掃過(guò)晶體導(dǎo)致的表型位錯(cuò)和螺型位錯(cuò)時(shí)掃過(guò)晶體導(dǎo)致的表面圓形標(biāo)記的變化情況。面圓形標(biāo)記的變化情況。授課 朱世杰2022-2-555 立方晶系立方晶系中對(duì)于柏氏矢量中

44、對(duì)于柏氏矢量b b沿晶向沿晶向uvwuvw的位錯(cuò)的位錯(cuò) ，其大小成為位錯(cuò)強(qiáng)度其大小成為位錯(cuò)強(qiáng)度，用用 模表示模表示 ，模的大小表示該模的大小表示該晶向上原子間的距離晶向上原子間的距離。 六方晶系中六方晶系中: : b=b=（a/na/n）uvtwuvtw 授課 朱世杰2022-2-556基本形式基本形式: :滑移和攀移滑移和攀移 滑移（滑移（slipslip）: :是在外加切應(yīng)力作用下，通過(guò)位錯(cuò)中是在外加切應(yīng)力作用下，通過(guò)位錯(cuò)中心附近的原子沿柏氏矢量方向在滑移面上不斷地作少量心附近的原子沿柏氏矢量方向在滑移面上不斷地作少量位移（小于一個(gè)原子間距）而逐步實(shí)現(xiàn)的。位移（小于一個(gè)原子間距）而逐步實(shí)現(xiàn)

45、的。 攀移攀移（climbclimb）：）：刃型位錯(cuò)在垂直于滑移面方向上運(yùn)刃型位錯(cuò)在垂直于滑移面方向上運(yùn)動(dòng)動(dòng). .攀移的實(shí)質(zhì)是刃位錯(cuò)多余半原子面的擴(kuò)大和縮小。攀移的實(shí)質(zhì)是刃位錯(cuò)多余半原子面的擴(kuò)大和縮小。 除滑移和攀移還有除滑移和攀移還有交割交割（cross/ interactioncross/ interaction）和和扭扭折折（kinkkink）授課 朱世杰2022-2-557位錯(cuò)的滑移位錯(cuò)的滑移 位錯(cuò)的滑移位錯(cuò)的滑移(slipping of disloction):是在外加切應(yīng)力作用下，是在外加切應(yīng)力作用下，通過(guò)位錯(cuò)中心附近的原子沿柏氏矢量方向在滑移面上不斷地作通過(guò)位錯(cuò)中心附近的原子沿柏

46、氏矢量方向在滑移面上不斷地作少量位移（小于一個(gè)原子間距）而逐步實(shí)現(xiàn)的。任何類型的位少量位移（小于一個(gè)原子間距）而逐步實(shí)現(xiàn)的。任何類型的位錯(cuò)均可進(jìn)行滑移，任何類型的位錯(cuò)均可進(jìn)行滑移。錯(cuò)均可進(jìn)行滑移，任何類型的位錯(cuò)均可進(jìn)行滑移。 刃型位錯(cuò)的滑移刃型位錯(cuò)的滑移螺型位錯(cuò)的滑移螺型位錯(cuò)的滑移授課 朱世杰2022-2-558 對(duì)純?nèi)行臀诲e(cuò)而言，位錯(cuò)的滑移沿位錯(cuò)線的法線方向進(jìn)行。對(duì)純?nèi)行臀诲e(cuò)而言，位錯(cuò)的滑移沿位錯(cuò)線的法線方向進(jìn)行。具有唯一的滑移面，具有唯一的滑移面，滑移面滑移面同時(shí)包含柏矢量同時(shí)包含柏矢量b b和位錯(cuò)線。和位錯(cuò)線。 、 bb、b b 、滑移方向滑移方向 、滑移方向滑移方向b b。位錯(cuò)沿位錯(cuò)沿

47、著滑移面移動(dòng)，晶體滑移方向與位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)方向一致。著滑移面移動(dòng)，晶體滑移方向與位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)方向一致。刃型位錯(cuò)滑移導(dǎo)致晶體塑性變形的刃型位錯(cuò)滑移導(dǎo)致晶體塑性變形的過(guò)程過(guò)程授課 朱世杰2022-2-559 b b、b b 、滑移方向滑移方向 、滑移方向滑移方向b b ，非單一滑移面，非單一滑移面，具具有多個(gè)滑移面。有多個(gè)滑移面。 切應(yīng)力方向與位錯(cuò)線平行，晶切應(yīng)力方向與位錯(cuò)線平行，晶體滑移方向與位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)方向垂直。體滑移方向與位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)方向垂直。螺型位錯(cuò)滑移導(dǎo)致晶體塑性變形的過(guò)程螺型位錯(cuò)滑移導(dǎo)致晶體塑性變形的過(guò)程授課 朱世杰2022-2-560 對(duì)于螺型位錯(cuò)，由于所有包含位錯(cuò)線的晶面都可以成為它對(duì)于螺型位錯(cuò)，由

48、于所有包含位錯(cuò)線的晶面都可以成為它的滑移面，因此當(dāng)某一螺型位錯(cuò)在原滑移面上運(yùn)動(dòng)受阻時(shí)，有的滑移面，因此當(dāng)某一螺型位錯(cuò)在原滑移面上運(yùn)動(dòng)受阻時(shí)，有可能從原滑移面轉(zhuǎn)移到與之相交的另一滑移面上繼續(xù)滑移，這可能從原滑移面轉(zhuǎn)移到與之相交的另一滑移面上繼續(xù)滑移，這一過(guò)程稱為一過(guò)程稱為交滑移交滑移。 如果交滑移后的位錯(cuò)再轉(zhuǎn)回和原滑移面平行的滑移面上繼如果交滑移后的位錯(cuò)再轉(zhuǎn)回和原滑移面平行的滑移面上繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，則稱為續(xù)運(yùn)動(dòng)，則稱為雙交滑移雙交滑移。(sjhy)(sjhy)。螺位錯(cuò)的交滑移授課 朱世杰2022-2-561 沿位錯(cuò)線各點(diǎn)的法線方向在滑移面上擴(kuò)展，滑沿位錯(cuò)線各點(diǎn)的法線方向在滑移面上擴(kuò)展，滑動(dòng)方向垂直于位

49、錯(cuò)線方向。但滑動(dòng)方向與柏氏矢量動(dòng)方向垂直于位錯(cuò)線方向。但滑動(dòng)方向與柏氏矢量有夾角。有夾角。(hhwc1(hhwc1)授課 朱世杰2022-2-562 因?yàn)槲诲e(cuò)線和柏氏矢量平行，所以螺型位錯(cuò)可以有多因?yàn)槲诲e(cuò)線和柏氏矢量平行，所以螺型位錯(cuò)可以有多個(gè)滑移面，螺型位錯(cuò)無(wú)論在那個(gè)方向移動(dòng)都是滑移。個(gè)滑移面，螺型位錯(cuò)無(wú)論在那個(gè)方向移動(dòng)都是滑移。 晶體兩部分的相對(duì)移動(dòng)量決定于柏氏矢量的大小和方晶體兩部分的相對(duì)移動(dòng)量決定于柏氏矢量的大小和方向，與位錯(cuò)線的移動(dòng)方向無(wú)關(guān)。向，與位錯(cuò)線的移動(dòng)方向無(wú)關(guān)。 位錯(cuò)沿著滑移面的移動(dòng)位錯(cuò)沿著滑移面的移動(dòng); ; 切應(yīng)力方向與柏氏矢量一致；切應(yīng)力方向與柏氏矢量一致； 晶體滑移與柏

50、氏矢量一致。晶體滑移與柏氏矢量一致。 位錯(cuò)線移動(dòng)到晶體表面時(shí)，位錯(cuò)即消失，形成柏氏矢量位錯(cuò)線移動(dòng)到晶體表面時(shí)，位錯(cuò)即消失，形成柏氏矢量值大小的滑移臺(tái)階。值大小的滑移臺(tái)階。授課 朱世杰2022-2-563 位錯(cuò)的攀移位錯(cuò)的攀移( (climbing of disloctionclimbing of disloction) ) : :在垂直于滑在垂直于滑移面方向上運(yùn)動(dòng)移面方向上運(yùn)動(dòng) 攀移的實(shí)質(zhì)攀移的實(shí)質(zhì): :刃位錯(cuò)多余半原子面的擴(kuò)大和縮小。刃位錯(cuò)多余半原子面的擴(kuò)大和縮小。 機(jī)制：機(jī)制：通過(guò)物質(zhì)遷移即原子通過(guò)物質(zhì)遷移即原子或空位的擴(kuò)散來(lái)實(shí)現(xiàn)的?；蚩瘴坏臄U(kuò)散來(lái)實(shí)現(xiàn)的。 刃位錯(cuò)的攀移分類和過(guò)程刃位錯(cuò)的攀

51、移分類和過(guò)程: :正攀移正攀移, ,向上運(yùn)動(dòng)向上運(yùn)動(dòng)( (空位加入空位加入) )；負(fù)攀移負(fù)攀移, , 向下運(yùn)動(dòng)向下運(yùn)動(dòng)( (原子加入原子加入) )。授課 朱世杰2022-2-564 注意：注意：只有刃型位錯(cuò)才能發(fā)生攀移只有刃型位錯(cuò)才能發(fā)生攀移；滑移不涉及原子擴(kuò)散，；滑移不涉及原子擴(kuò)散，而攀移必須而攀移必須借助原子擴(kuò)散借助原子擴(kuò)散；外加應(yīng)力對(duì)攀移起促進(jìn)作用，；外加應(yīng)力對(duì)攀移起促進(jìn)作用，壓壓( (拉拉) )促進(jìn)正促進(jìn)正( (負(fù)負(fù)) )攀移；攀移；高溫影響位錯(cuò)的攀移高溫影響位錯(cuò)的攀移 攀移運(yùn)動(dòng)外力需要做功，即攀移有阻力。粗略地分析，攀攀移運(yùn)動(dòng)外力需要做功，即攀移有阻力。粗略地分析，攀移阻力約為移阻力

52、約為Gb/5Gb/5。 螺型位錯(cuò)不止一個(gè)滑移面，它只能以滑移的方式運(yùn)動(dòng)，它螺型位錯(cuò)不止一個(gè)滑移面，它只能以滑移的方式運(yùn)動(dòng)，它是沒(méi)有攀移運(yùn)動(dòng)的。是沒(méi)有攀移運(yùn)動(dòng)的。 攀移為攀移為非守恒非守恒( (非保守非保守) )運(yùn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)，滑移為，滑移為守恒守恒( (保守保守) )運(yùn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)。 ： 溫度溫度。溫度升高，原子擴(kuò)散能力增大，攀移易于進(jìn)行。溫度升高，原子擴(kuò)散能力增大，攀移易于進(jìn)行 應(yīng)力。應(yīng)力。半原子面?zhèn)劝朐用鎮(zhèn)? )垂直于額外關(guān)原子面的壓應(yīng)力有利垂直于額外關(guān)原子面的壓應(yīng)力有利于正攀移，拉應(yīng)力有利于負(fù)攀移。拉應(yīng)力，促進(jìn)負(fù)攀移。于正攀移，拉應(yīng)力有利于負(fù)攀移。拉應(yīng)力，促進(jìn)負(fù)攀移。授課 朱世杰2022-2-56

53、5 判斷位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)后判斷位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)后, ,它掃過(guò)的它掃過(guò)的兩側(cè)的位移方向兩側(cè)的位移方向：根據(jù)位錯(cuò)線：根據(jù)位錯(cuò)線的正向和柏氏矢量以及位錯(cuò)運(yùn)的正向和柏氏矢量以及位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)方向來(lái)確定位錯(cuò)掃過(guò)的兩側(cè)動(dòng)方向來(lái)確定位錯(cuò)掃過(guò)的兩側(cè)滑動(dòng)的方向?？捎没瑒?dòng)的方向?？捎门信袛啵簲啵褐赶蛭诲e(cuò)線正方向，指向位錯(cuò)線正方向，指向位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)方向，指向位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)方向，指向沿柏氏矢量方向位移的那指向沿柏氏矢量方向位移的那一側(cè)的晶體。一側(cè)的晶體。授課 朱世杰2022-2-566：刃型位錯(cuò)的割：刃型位錯(cuò)的割階為一可動(dòng)的刃型位錯(cuò)階為一可動(dòng)的刃型位錯(cuò), ,扭扭折為一可動(dòng)的螺型位錯(cuò)。折為一可動(dòng)的螺型位錯(cuò)。 螺型位錯(cuò)的割階和扭螺型位錯(cuò)的割階和扭折均為

54、刃型位錯(cuò)。扭折是可折均為刃型位錯(cuò)。扭折是可動(dòng)的刃型位錯(cuò)動(dòng)的刃型位錯(cuò), ,割階是不可割階是不可動(dòng)的刃型位錯(cuò)。動(dòng)的刃型位錯(cuò)。運(yùn)動(dòng)的位錯(cuò)互相切割的過(guò)程。運(yùn)動(dòng)的位錯(cuò)互相切割的過(guò)程。 割階：曲折段垂直于位錯(cuò)的滑移面時(shí)割階：曲折段垂直于位錯(cuò)的滑移面時(shí) 扭折：曲折段在位錯(cuò)的滑移面上時(shí)扭折：曲折段在位錯(cuò)的滑移面上時(shí)授課 朱世杰2022-2-567 交割后要遵循柏氏矢量的一些特征。交割后要遵循柏氏矢量的一些特征。 AB AB位錯(cuò)被交割后位錯(cuò)被交割后產(chǎn)生產(chǎn)生PP割階割階, b2PP, PP大小和方向取大小和方向取決于決于b1，為刃型位錯(cuò)為刃型位錯(cuò)。因因XY位錯(cuò)與位錯(cuò)與ABAB位錯(cuò)的柏氏矢量平行，位錯(cuò)的柏氏矢量平行

55、，交割后在交割后在XYXY上不產(chǎn)生任何割階和扭折。上不產(chǎn)生任何割階和扭折。授課 朱世杰2022-2-568 AB位錯(cuò)與位錯(cuò)與XY位錯(cuò)的柏氏矢量分別與對(duì)方（新產(chǎn)生的小段）位位錯(cuò)的柏氏矢量分別與對(duì)方（新產(chǎn)生的小段）位錯(cuò)線平行，交割后產(chǎn)生錯(cuò)線平行，交割后產(chǎn)生PP為扭折，為扭折， b2PP，QQ 為扭折，為扭折， b1QQ， PP和和QQ都是螺位錯(cuò)。都是螺位錯(cuò)。授課 朱世杰2022-2-569 兩柏氏矢量相互垂直的刃型位錯(cuò)和兩柏氏矢量相互垂直的刃型位錯(cuò)和螺型位錯(cuò)交割螺型位錯(cuò)交割 在在AB位錯(cuò)上產(chǎn)生位錯(cuò)上產(chǎn)生MM(或或PP)為割階為割階, b1 MM, MM大小大小和方向取決于和方向取決于b2，為刃型位

56、錯(cuò)，為刃型位錯(cuò)。NN(或或QQ)為扭折，為扭折， b2 NN， NN大小和方向取決于大小和方向取決于b1，為刃型位錯(cuò)；但如果交割留下的小為刃型位錯(cuò)；但如果交割留下的小段位錯(cuò)不再原滑移面內(nèi)，則是割階。段位錯(cuò)不再原滑移面內(nèi)，則是割階。 刃型位錯(cuò)與螺型位錯(cuò)的交割刃型位錯(cuò)與螺型位錯(cuò)的交割位錯(cuò)割階位錯(cuò)割階刃型位錯(cuò)刃型位錯(cuò)位錯(cuò)扭折位錯(cuò)扭折刃型位錯(cuò)刃型位錯(cuò)授課 朱世杰2022-2-570 兩柏氏矢量相互垂直的兩柏氏矢量相互垂直的螺型位錯(cuò)交割螺型位錯(cuò)交割 MM MM和和NNNN均為刃型割階。均為刃型割階。螺型位錯(cuò)與螺型位錯(cuò)的交割螺型位錯(cuò)與螺型位錯(cuò)的交割位錯(cuò)割階位錯(cuò)割階刃型位錯(cuò)刃型位錯(cuò)位錯(cuò)割節(jié)位錯(cuò)割節(jié)刃型位錯(cuò)刃

57、型位錯(cuò)授課 朱世杰2022-2-571 運(yùn)動(dòng)位錯(cuò)交割后運(yùn)動(dòng)位錯(cuò)交割后, ,可以產(chǎn)生扭折或割階可以產(chǎn)生扭折或割階, ,其大小和其大小和方向取決與另一位錯(cuò)的柏氏矢量方向取決與另一位錯(cuò)的柏氏矢量, ,其方向平行其方向平行, ,大小為其大小為其模模, ,但具原位錯(cuò)的柏氏矢量。如果另一位錯(cuò)的柏氏矢量與但具原位錯(cuò)的柏氏矢量。如果另一位錯(cuò)的柏氏矢量與該位錯(cuò)線平行該位錯(cuò)線平行, ,則交割后該位錯(cuò)線不出現(xiàn)曲折。則交割后該位錯(cuò)線不出現(xiàn)曲折。 所有割階都是刃位錯(cuò)所有割階都是刃位錯(cuò), ,而扭折可以是刃位錯(cuò)而扭折可以是刃位錯(cuò), ,也可也可以是螺位錯(cuò)。交割后曲折段的方向取決與位錯(cuò)相對(duì)滑移以是螺位錯(cuò)。交割后曲折段的方向取決

58、與位錯(cuò)相對(duì)滑移過(guò)后引起晶體的相對(duì)位移情況。相對(duì)位移可通過(guò)右手定過(guò)后引起晶體的相對(duì)位移情況。相對(duì)位移可通過(guò)右手定則來(lái)判斷。則來(lái)判斷。 扭折與原位錯(cuò)在同一滑面上扭折與原位錯(cuò)在同一滑面上, ,可隨主位錯(cuò)線一起可隨主位錯(cuò)線一起運(yùn)動(dòng)運(yùn)動(dòng), ,幾乎不產(chǎn)生阻力幾乎不產(chǎn)生阻力, ,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(cuò)不在同一滑面上割階與原位錯(cuò)不在同一滑面上, ,不能隨主位錯(cuò)線一起運(yùn)動(dòng)不能隨主位錯(cuò)線一起運(yùn)動(dòng), ,成為障礙，產(chǎn)生成為障礙，產(chǎn)生。授課 朱世杰2022-2-572（1） 如果割階如果割階的高度只有的高度只有1 12 2個(gè)原子間距，在個(gè)原子間距，在外力足夠大的條外力足

59、夠大的條件下，螺形位錯(cuò)件下，螺形位錯(cuò)可以把割階拖著可以把割階拖著走，在割階后面走，在割階后面將會(huì)留下一排點(diǎn)將會(huì)留下一排點(diǎn)缺陷。缺陷。授課 朱世杰2022-2-573 （2） 如果割階的高度很如果割階的高度很大，能在大，能在20nm20nm以上，此時(shí)以上，此時(shí)割階兩端的位錯(cuò)相隔太遠(yuǎn)，割階兩端的位錯(cuò)相隔太遠(yuǎn)，它們之間的相互作用較小，它們之間的相互作用較小，那它們可以各自獨(dú)立地在那它們可以各自獨(dú)立地在各自的滑移面上滑移，并各自的滑移面上滑移，并以割階為軸，在滑移面上以割階為軸，在滑移面上旋轉(zhuǎn)，這實(shí)際也是在晶體旋轉(zhuǎn)，這實(shí)際也是在晶體中產(chǎn)生位錯(cuò)的一種方式。中產(chǎn)生位錯(cuò)的一種方式。 授課 朱世杰2022-2

60、-574（3） 如果割階的高度介于上如果割階的高度介于上述兩種高度之間，位錯(cuò)不可能述兩種高度之間，位錯(cuò)不可能拖著割階運(yùn)動(dòng)。在外力作用下，拖著割階運(yùn)動(dòng)。在外力作用下，割階之間的位錯(cuò)線彎曲，位錯(cuò)割階之間的位錯(cuò)線彎曲，位錯(cuò)前進(jìn)就會(huì)在其身后留下一對(duì)拉前進(jìn)就會(huì)在其身后留下一對(duì)拉長(zhǎng)了的異號(hào)刃位錯(cuò)線段，也稱長(zhǎng)了的異號(hào)刃位錯(cuò)線段，也稱為位錯(cuò)偶。為降低應(yīng)變能，這為位錯(cuò)偶。為降低應(yīng)變能，這種位錯(cuò)偶常會(huì)斷開(kāi)而留下一個(gè)種位錯(cuò)偶常會(huì)斷開(kāi)而留下一個(gè)長(zhǎng)的位錯(cuò)環(huán)，而位錯(cuò)線仍恢復(fù)長(zhǎng)的位錯(cuò)環(huán)，而位錯(cuò)線仍恢復(fù)原來(lái)帶割階的狀態(tài)，而長(zhǎng)的位原來(lái)帶割階的狀態(tài)，而長(zhǎng)的位錯(cuò)環(huán)又常會(huì)再進(jìn)一步分裂成小錯(cuò)環(huán)又常會(huì)再進(jìn)一步分裂成小的位錯(cuò)環(huán)，這也是形成