第二章 晶體缺陷

1、第二章第二章 晶體缺陷晶體缺陷晶體缺陷的概念：晶體缺陷的概念：晶體中的不完整區(qū)域晶體缺陷的種類：晶體缺陷的種類：按照其空間幾何特征，晶體缺陷 可分為點缺陷、線缺陷、面缺陷概述概述50m2-1 點缺陷點缺陷一、一、點缺陷的種類及形成點缺陷的種類及形成 （一）空位及其特征與形成途徑（一）空位及其特征與形成途徑空位及其特征空位及其特征2-1 點缺陷點缺陷ab晶體中空位的形成晶體中空位的形成a肖脫基空位肖脫基空位; b弗侖克爾空位弗侖克爾空位2-1 點缺陷點缺陷間隙原子及其特征間隙原子及其特征 （二）間隙原子及其特征與形成途徑（二）間隙原子及其特征與形成途徑2-1 點缺陷點缺陷ab晶體中間隙原子的形成

2、晶體中間隙原子的形成a與弗侖克爾空位同時形成與弗侖克爾空位同時形成; b表面原子直接進入間隙位置表面原子直接進入間隙位置2-1 點缺陷點缺陷 （三）置換原子及其特征與形成途徑（三）置換原子及其特征與形成途徑置換原子及其特征置換原子及其特征a置換原子半徑較大時置換原子半徑較大時; b置換原子半徑較小時置換原子半徑較小時ab（四）點缺陷的形成能（四）點缺陷的形成能 形成空位或間隙原子等點缺陷時，其周圍區(qū)域的原子偏離平衡位置必然使晶體能量變高，這種由點陣畸變造成的能量增加稱為畸變能。 形成點缺陷時，還將導(dǎo)致電子運動狀態(tài)發(fā)生變化而使晶體能量升高，這種能量增加稱為電子能。 形成一個空位或間隙原子所需提供

3、的能量，稱為空位形成能或間隙原子形成能。 2-1 點缺陷點缺陷2-1 點缺陷點缺陷二、二、點缺陷的熱力學(xué)平衡性及其平衡濃度點缺陷的熱力學(xué)平衡性及其平衡濃度 （一）點缺陷的熱力學(xué)平衡性（一）點缺陷的熱力學(xué)平衡性 根據(jù) ，晶體中空位和間隙原子等點缺陷的存在，一方面會導(dǎo)致晶體的內(nèi)能升高，使晶體的自由能增加，但另一方面也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率，引起組態(tài)熵和振動熵的改變，使晶體的熵值增大，晶體的自由能降低。一定溫度下，當(dāng)空位或間隙原子達到一定數(shù)目時，這兩方面的能量變化可以達到平衡。TSUG 2-1 點缺陷點缺陷（二）（二）點缺陷的平衡濃度點缺陷的平衡濃度 點缺陷的平衡濃度

4、： 為一個點缺陷的形成能。kTEACvexpvE2-1 點缺陷點缺陷（三）過飽和（三）過飽和點缺陷點缺陷 晶體中的點缺陷數(shù)量往往超過其平衡濃度，通常稱為過飽和點缺陷。 產(chǎn)生途徑：產(chǎn)生途徑：高溫淬火 高能粒子（如中子、質(zhì)子、粒子等）輻照 冷變形加工2-1 點缺陷點缺陷三、三、點缺陷的遷移點缺陷的遷移（一）點缺陷的遷移（一）點缺陷的遷移（二）點缺陷的遷移激活能（二）點缺陷的遷移激活能 點缺陷遷移時所需克服的能壘（三）點缺陷的復(fù)合（三）點缺陷的復(fù)合 思考題：思考題： 1. 按空間幾何特征，晶體缺陷共分為幾種類按空間幾何特征，晶體缺陷共分為幾種類型？列舉出每種類型晶體缺陷的具體實例。型？列舉出每種類型

5、晶體缺陷的具體實例。 2. 何謂點缺陷的熱力學(xué)平衡性？何謂點缺陷的熱力學(xué)平衡性？ 2-1 點缺陷點缺陷一、一、位錯的基本類型和特征位錯的基本類型和特征（一）位錯理論的提出（一）位錯理論的提出 晶體的理論切變強度晶體的理論切變強度 約為 G / 30 G為切變彈性模量 （103 104 MPa） 晶體的實際切變強度晶體的實際切變強度 約為110 MPa2-2 位錯位錯2-2 位錯位錯晶體滑移與位錯晶體滑移與位錯的形成的形成 晶體的滑移過程晶體的滑移過程a未滑移未滑移; b滑移中滑移中已滑移區(qū)與未滑移區(qū)的界限，即定義為位錯。（二）兩種基本位錯（二）兩種基本位錯 根據(jù)位錯的幾何結(jié)構(gòu)特征可分為兩種基本

6、類型即刃型位錯和螺型位錯。 1. 1. 刃型位錯刃型位錯 （1）結(jié)構(gòu)模型結(jié)構(gòu)模型 2-2 位錯位錯刃型位錯的原子模型刃型位錯的原子模型2-2 位錯位錯刃型位錯線刃型位錯線2-2 位錯位錯（2）結(jié)構(gòu)特點結(jié)構(gòu)特點 1）刃型位錯有一個多余半原子面。 2）刃型位錯線與形成位錯的晶體滑移矢量垂直。 3）刃型位錯是以位錯線為中心軸半徑為23個原子間距的一個圓筒狀區(qū)域。 4）刃型位錯有正、負之分。 2-2 位錯位錯2. 螺型位錯螺型位錯 （1）結(jié)構(gòu)模型結(jié)構(gòu)模型 螺型位錯線附近上、下兩層原子面間原子移動情況螺型位錯線附近上、下兩層原子面間原子移動情況2-2 位錯位錯2-2 位錯位錯（2）結(jié)構(gòu)特點結(jié)構(gòu)特點 1）

7、無多余半原子面，而且與位錯線垂直的面為一螺旋面。 2）螺型位錯線與形成位錯的晶體滑移矢量平行。 3）螺型位錯也是一個圓筒狀區(qū)域，其直徑一般為34個原子間距。 4）螺型位錯有左、右之分。 二、二、柏氏矢量柏氏矢量 （一）柏氏矢量及其確定（一）柏氏矢量及其確定 1. 柏氏矢量：柏氏矢量：形成一個位錯的晶體滑移矢量。 2. 柏氏矢量的確定方法柏氏矢量的確定方法 通過圍繞位錯作柏氏回路的方法確定改該位錯 的柏氏矢量。2-2 位錯位錯刃型位錯柏氏矢量的確定刃型位錯柏氏矢量的確定2-2 位錯位錯xyoa實際晶體的柏氏回路實際晶體的柏氏回路 b完整晶體的相應(yīng)回路完整晶體的相應(yīng)回路2-2 位錯位錯螺型位錯柏氏

8、矢量的確定螺型位錯柏氏矢量的確定a實際晶體的柏氏回路實際晶體的柏氏回路 b完整晶體的相應(yīng)回路完整晶體的相應(yīng)回路2-2 位錯位錯（二）柏氏矢量的表示方法（二）柏氏矢量的表示方法 1. 柏氏矢量的表示方法柏氏矢量的表示方法 2. 位錯強度位錯強度uvw nab 222wvunab 2-2 位錯位錯（三）柏氏矢量的守恒性及其物理意義（三）柏氏矢量的守恒性及其物理意義 1. 柏氏矢量的守恒性柏氏矢量的守恒性 不論所做柏氏回路的大小、形狀、位置如何變化， 怎樣任意擴大、縮小或移動，只要它不與其他位錯線 相交，對給定的位錯所確定的柏氏矢量是一定的。 一定位錯的柏氏矢量是固定不變的，這一特性叫一定位錯的柏氏

9、矢量是固定不變的，這一特性叫 做柏氏矢量的守恒性。做柏氏矢量的守恒性。2-2 位錯位錯2. 柏氏矢量守恒性的推論柏氏矢量守恒性的推論 1) 同一條位錯線上各點處的柏氏矢量均相同。 2) 若數(shù)條位錯線相交于一點（稱為位錯結(jié)點），則指向結(jié)點的各位錯線的柏氏矢量之和應(yīng)等于離開結(jié)點的各位錯線的柏氏矢量之和。 3) 位錯線不可能中斷于晶體內(nèi)部。即位錯在晶體內(nèi)部或自成一個閉合的位錯環(huán)，或與其他位錯相交于一個結(jié)點，或貫穿整個晶體而終止于晶體表面。2-2 位錯位錯3. 柏氏矢量的物理意義柏氏矢量的物理意義 （1）柏氏矢量是位錯區(qū)別于其它晶體缺陷的一個特征。故可）柏氏矢量是位錯區(qū)別于其它晶體缺陷的一個特征。故可

10、把位錯定義為柏氏矢量不為零的晶體缺陷。把位錯定義為柏氏矢量不為零的晶體缺陷。 （2） 柏氏矢量與位錯線之間的關(guān)系決定位錯類型：柏氏矢量與位錯線之間的關(guān)系決定位錯類型： 1）柏氏矢量與位錯線垂直時，是刃型位錯，其位錯線可以是任意形狀的平面曲線（可以是直線，也可以是折線或曲線）。 2）柏氏矢量與位錯線平行時，是螺型位錯，其位錯線必定為一直線。 3）柏氏矢量與位錯線既不垂直也不平行時，是混合位錯。2-2 位錯位錯tttttb螺螺b刃刃2-2 位錯位錯4. 混合位錯混合位錯2-2 位錯位錯思考題：思考題： 1. 指出刃型位錯與螺型位錯在結(jié)構(gòu)方面的不指出刃型位錯與螺型位錯在結(jié)構(gòu)方面的不同之處。同之處。

11、2. 一個環(huán)形位錯能否各部分均為刃型位錯或一個環(huán)形位錯能否各部分均為刃型位錯或螺型位錯？為什么螺型位錯？為什么？ 2-2 位錯位錯三、位錯的滑移與攀移三、位錯的滑移與攀移 位錯的運動方式有兩種最基本形式，即滑移和攀移。 （一）位錯的滑移（一）位錯的滑移 1. 有關(guān)概念有關(guān)概念 （1）位錯滑移：）位錯滑移：位錯沿著由位錯線和柏氏矢量所決定 的面的運動。 （2）位錯的滑移面）位錯的滑移面 可滑移面：可滑移面：平行于位錯線和柏氏矢量的面。 易滑移面：易滑移面：晶體的最密晶面。2-2 位錯位錯2-2 位錯位錯2. 位錯的滑移機制和實質(zhì)位錯的滑移機制和實質(zhì) （1）滑移機制）滑移機制 （2）位錯滑移的實質(zhì)

12、：）位錯滑移的實質(zhì)：已滑移區(qū)的擴大或縮小2-2 位錯位錯3. 位錯的滑移方向位錯的滑移方向 位錯線的法線方向（垂直于位錯線的方向）。4. 位錯滑移與晶體滑移位錯滑移與晶體滑移刃型位錯的滑移與晶體滑移刃型位錯的滑移與晶體滑移2-2 位錯位錯晶體的滑移方向為位錯柏氏矢量方向，滑移量大小為| b |。螺型位錯的滑移與晶體滑移螺型位錯的滑移與晶體滑移混合位錯的滑移與晶體滑移混合位錯的滑移與晶體滑移（二）位錯的交滑移（二）位錯的交滑移 1. 位位錯交滑移：錯交滑移：保持晶體的滑移方向不變，位錯從原滑移面轉(zhuǎn)移到與之相交的另一個滑移面上繼續(xù)滑移。 2. 位位錯交滑移的條件錯交滑移的條件 螺型位錯除可發(fā)生滑移

13、外，也可以發(fā)生交滑移。 螺型位錯交滑移前后的兩個滑移面必須屬于以螺型位錯柏氏矢量所在晶向為軸的晶帶。2-2 位錯位錯2-2 位錯位錯3. 螺型位螺型位錯的交滑移過程錯的交滑移過程aca沿沿A面滑移面滑移; b交滑移到交滑移到B面面; c再次交滑移到再次交滑移到A面面b（二）位錯的攀移（二）位錯的攀移 1. 基本概念基本概念 位錯在垂直于滑移面方向上運動，或離開滑移面的運動，或沿著多余半原子面的運動。 刃型位錯除可發(fā)生滑移外，也可發(fā)生攀移。 2-2 位錯位錯2. 位錯攀移的機制位錯攀移的機制 2-2 位錯位錯刃型位錯的攀移刃型位錯的攀移a 正攀移正攀移; b 未攀移未攀移; c 負攀移負攀移3.

14、 位錯攀移的實質(zhì)位錯攀移的實質(zhì) 多余半原子面面積的擴大或縮小。4. 影響位錯攀移的因素影響位錯攀移的因素 （1）作用于刃型位錯多余半原子面上的正應(yīng)力： 有助于刃型位錯的攀移。 （2）溫度： 高溫有助于刃型位錯的攀移。 2-2 位錯位錯思考題：思考題： 1. 面心立方晶體中（面心立方晶體中（111）晶面上的螺型位錯）晶面上的螺型位錯 在滑移過程中受阻時，將通過交滑移在滑移過程中受阻時，將通過交滑移轉(zhuǎn)移到哪一個轉(zhuǎn)移到哪一個111晶面上繼續(xù)滑移？為什么？晶面上繼續(xù)滑移？為什么？ 2. 何謂位錯滑移與攀移？其實質(zhì)各是什么？何謂位錯滑移與攀移？其實質(zhì)各是什么？ 2-2 位錯位錯 10121 b四、位錯的

15、交割四、位錯的交割 （一）基本概念（一）基本概念 林位錯：林位錯：穿過某一晶面S的所有位錯即稱為S面的 林位錯。 位錯交割：位錯交割：位錯間交叉通過的行為。 交割位錯交割位錯 被交割位錯被交割位錯（原位錯）2-2 位錯位錯2-2 位錯位錯 扭折線段：扭折線段：為一段位錯。 扭折：扭折：隨原位錯滑移可消失。 割階：割階：隨原位錯滑移不可消失。 可動割階可動割階（滑移割階） 不動割階不動割階（攀移割階） 交割前交割前交割后交割后（二）（二）幾種典型的位錯交割幾種典型的位錯交割 1. 位錯交割的分析方法位錯交割的分析方法 1）位錯被交割后是否形成扭折線段？）位錯被交割后是否形成扭折線段？ 被交割位錯

16、是否變成折線 2）扭折線段是扭折還是割階？）扭折線段是扭折還是割階？ 扭折線段的滑移面與被交割位錯的滑移面重合為扭折， 不重合（通常呈垂直關(guān)系）則為割階 3）割階是可動割階還是不動割階？）割階是可動割階還是不動割階？ 割階的滑移方向與被交割位錯的滑移方向平行為可動 割階，不平行（通常呈垂直關(guān)系）則為不動割階 2-2 位錯位錯2. 兩個柏氏矢量和位錯線均互相垂直的刃型位錯間的交割兩個柏氏矢量和位錯線均互相垂直的刃型位錯間的交割 2-2 位錯位錯交割前交割前交割后交割后2-2 位錯位錯3. 柏氏矢量互相平行、位錯線互相垂直的刃型位錯間的交割柏氏矢量互相平行、位錯線互相垂直的刃型位錯間的交割 交割前

17、交割前交割后交割后4. 柏氏矢量互相垂直的刃型與螺型位錯間的交割柏氏矢量互相垂直的刃型與螺型位錯間的交割2-2 位錯位錯交割前交割前交割后交割后5. 柏氏矢量互相垂直的螺型位錯間的交割柏氏矢量互相垂直的螺型位錯間的交割2-2 位錯位錯交割前交割前交割后交割后D （三）帶割階的螺型位錯運動（三）帶割階的螺型位錯運動 1. 帶小割階的螺型位錯運動帶小割階的螺型位錯運動 割階高度為12個原子間距 2-2 位錯位錯bAOO B2-2 位錯位錯2. 帶中等尺寸割階的螺型位錯運動帶中等尺寸割階的螺型位錯運動 割階高度為幾個20個原子間距 bCOPDCO P DbOP2-2 位錯位錯3. 帶大割階的螺型位錯

18、運動帶大割階的螺型位錯運動 割階高度為2030個原子間距 bNO OMS1S2思考題：思考題： 1. 何謂位錯交割？何謂位錯交割？ 2. 分析位錯線互相垂直的兩個刃型位錯的分析位錯線互相垂直的兩個刃型位錯的 交割過程。交割過程。 2-2 位錯位錯五、位錯的彈性性質(zhì)五、位錯的彈性性質(zhì) （一）位錯的應(yīng)力場（一）位錯的應(yīng)力場 1. 1. 彈性連續(xù)介質(zhì)模型彈性連續(xù)介質(zhì)模型 該模型對晶體作如下假設(shè)： （1）完全服從虎克定律，即不存在塑性變形； （2）是各向同性的； （3）為連續(xù)介質(zhì)，不存在結(jié)構(gòu)間隙。2-2 位錯位錯2-2 位錯位錯2. 應(yīng)力分量應(yīng)力分量 介質(zhì)中任一點的應(yīng)力狀態(tài)，可以通過該點的一個小體元（

19、直角坐標(biāo)系下為小立方體、圓柱坐標(biāo)系下為小切塊）表示出來。 作用于小體元的每個面上的應(yīng)力分量有兩種： 與體元表面（或應(yīng)力作用面）垂直的應(yīng)力為正應(yīng)力； 與體元表面平行的應(yīng)力為切應(yīng)力。 2-2 位錯位錯2-2 位錯位錯3. 螺型螺型位錯的應(yīng)力場位錯的應(yīng)力場 （1）彈性連續(xù)介質(zhì)模型）彈性連續(xù)介質(zhì)模型 將一個圓管的一側(cè)沿軸向切開，然后使被切開的晶面相對上、下滑動一個柏氏矢量b，再焊合起來，即對應(yīng)著一個以Z 軸（圓管中心軸線）為位錯線、柏氏矢量為b的螺型位錯。 2-2 位錯位錯 （2）螺型位錯應(yīng)力場的數(shù)學(xué)表達式）螺型位錯應(yīng)力場的數(shù)學(xué)表達式 圓柱坐標(biāo)系下：2zzzGbGr0rrzrrz0rrzz2-2 位錯

20、位錯4. 刃型刃型位錯的應(yīng)力場位錯的應(yīng)力場 （1）彈性連續(xù)介質(zhì)模型）彈性連續(xù)介質(zhì)模型 將一個圓管的一側(cè)沿軸向切開，使兩個切面沿圓管徑向滑移一個柏氏矢量b b，再焊合起來，即對應(yīng)著一個以位錯線為Z 軸、Z-Y 平面為多余半原子面、Z-X平面為滑移面的刃型位錯。2-2 位錯位錯（2）刃型位錯應(yīng)力場的數(shù)學(xué)表達式）刃型位錯應(yīng)力場的數(shù)學(xué)表達式直角坐標(biāo)系下： 其中：2 (1)GbDv2222 2(3)()xxyxyDxy 2222 2()()yyy xyDxy()zzxxyyv2222 2()()xyyzx xyDxy0 xzzxyzzy2-2 位錯位錯（二）位錯的應(yīng)變能（二）位錯的應(yīng)變能 位錯在周圍晶體

21、中引起畸變，使晶體產(chǎn)生畸變能，這部分能量稱為位錯的能量。 位錯的能量包括中心區(qū)域錯排能以及位錯中心區(qū)域以外部分的應(yīng)變能，而中心區(qū)域錯排能大約只占位錯總能量的1/151/10，故通常忽略不計。 一般地，以單位長度的位錯所具有的能量來度量位錯應(yīng)變能的高低，故其量綱為 J / m。 2-2 位錯位錯螺型位錯的應(yīng)變能為：刃型位錯的應(yīng)變能為： 混合位錯的應(yīng)變能為：位錯應(yīng)變能的統(tǒng)一表達式為：位錯應(yīng)變能的統(tǒng)一表達式為：204WGbRWlnLr螺204 (1)GbRWlnvr刃2(1)WWvcos混刃2WGb（三）（三）位錯的受力位錯的受力 1. 位錯的線張力位錯的線張力 位錯的能量與位錯線的長度成正比，所以

22、位錯線有盡量縮短長度或自動變直的趨勢，好像有個張力沿著位錯線作用，這個張力叫位錯的線張力。線張力。 位錯的線張力可定義為使位錯線增長一定長度 dl 所做的功 W，故它等于位錯的應(yīng)變能： 一般情況下，取 近似為1/2，故 2WGb212TGb2-2 位錯位錯2. 外加應(yīng)力作用在位錯線上的力外加應(yīng)力作用在位錯線上的力 （1）使位錯滑移的力）使位錯滑移的力 外力作用在位錯滑移面上的分切應(yīng)力可使位錯線在其滑移面上向著與之垂直的方向滑移，就好象有個力垂直作用在位錯線上，稱之為外加應(yīng)力場作用在位錯線上使位錯滑移的力。這個力是一個假想的力，是以單位長度位錯線上的作用力來度量的，其量綱為N / m。2-2 位

23、錯位錯外力作用在位錯線上使位錯滑移的力外力作用在位錯線上使位錯滑移的力(a) (a) 運動前；運動前；(b) (b) 運動后運動后 利用虛功原理可以推導(dǎo)出外力作用在位錯線上使位錯滑移的力為：F =b 2-2 位錯位錯 （2）使位錯攀移的力）使位錯攀移的力 外力作用在刃型位錯多余半原子面上的正應(yīng)力可使位錯線在其多余半原子面上向著與之垂直的方向攀移，就好象有個力垂直作用在位錯線上使之發(fā)生攀移，稱之為外加應(yīng)力場作用在位錯線上使位錯攀移的力。這個力也是一個假想的力，也是以單位長度位錯線上的作用力來度量的，其量綱為N / m。2-2 位錯位錯外力作用在位錯線上外力作用在位錯線上使位錯攀移的力使位錯攀移的

24、力 利用虛功原理可以推導(dǎo)出外力作用在位錯線上使位錯攀移的力為：F = - b 多余半原子面多余半原子面 F F2-2 位錯位錯3. 位錯運動的晶格阻力位錯運動的晶格阻力派派-納力納力 當(dāng)位錯在沒有任何外加應(yīng)力場的晶體中滑移時，也要受到阻力：因為位錯中心存在著極大的畸變，當(dāng)位錯滑移時，必定要伴之以原子的重新排列，這就要克服一定的能壘，即位錯滑移受到阻力。這項阻力應(yīng)等于使位錯滑移所必須施加的最小切應(yīng)力，被定義為晶格阻力晶格阻力，亦常稱之為派派- -納力納力。2-2 位錯位錯 晶格阻力（派-納力）的數(shù)學(xué)表達式為：其中：a 為位錯滑移面的面間距，b 為位錯的柏氏矢量。 最密晶面的 a 值最大，最密晶向

25、上的 b 值最小，對應(yīng)的派-納力最小，故沿著晶體沿最密晶面和最密晶向的滑移最容易進行。 baGNP)1(2exp12 2-2 位錯位錯4. 位錯間的交互作用位錯間的交互作用 當(dāng)兩個位錯靠近到一定程度，即達到它們彼此的應(yīng)力場范圍以內(nèi)時，就相互吸引或相互排斥，好象它們之間存在著作用力。這就是位錯間的相互作用力。 分析兩位錯間的相互作用力，就是分析一個位錯的應(yīng)力場在另一個位錯上產(chǎn)生的作用力。2-2 位錯位錯（1）位錯線）位錯線相互平行的兩個螺型位錯間的作用力相互平行的兩個螺型位錯間的作用力 當(dāng) b1與 b2同號時，F(xiàn) 0，作用力為斥力；而當(dāng) b1與 b2異號時，F(xiàn) 0，作用力為引力。 互相平行的兩個

26、螺型位錯之間的作用互相平行的兩個螺型位錯之間的作用(a) 同號位錯；同號位錯；(b) 異號位錯異號位錯 1 222zGbbFbr2-2 位錯位錯（2）位錯線）位錯線相互平行的兩個刃型位錯間的作用力相互平行的兩個刃型位錯間的作用力 由位錯I的應(yīng)力 yx 引起的作用于位錯II上的力Fx = yx b可使位錯II滑移。 由位錯I的應(yīng)力 xx 引起的作用于位錯II上的力Fy= - xx b可使位錯II攀移。兩平行刃型位錯間的作用兩平行刃型位錯間的作用 2-2 位錯位錯1）同號刃型位錯間的作用力）同號刃型位錯間的作用力 Fx為使位錯II滑移的力： 位于同一滑移面上的同號刃型位錯之間的作用力恒為排斥力。y

27、xIIIIIIIVVVI222222)()()1(2yxyxxGbbFyxx 2-2 位錯位錯2）異號刃型位錯間的作用力）異號刃型位錯間的作用力 使位錯II滑移的力Fx為： 位于同一滑移面上的異號刃型位錯之間的作用力恒為吸引力。yxIIIIIIIVVVI222222)()()1(2yxyxxGbbFyxx 2-2 位錯位錯思考題：思考題： 晶體沿最密晶面和最密晶向的滑移最容晶體沿最密晶面和最密晶向的滑移最容易進行，為什么？易進行，為什么？2-2 位錯位錯六、位錯的形成與增殖六、位錯的形成與增殖 （一）位錯密度（一）位錯密度 1. 概念概念 單位體積晶體中所含有的位錯線的總長度。 2. 數(shù)學(xué)表達

28、式數(shù)學(xué)表達式 （單位為 1/cm2） 2-2 位錯位錯VL AnAlnl 經(jīng)精心制備和處理的超純金屬單晶體，位錯密度經(jīng)精心制備和處理的超純金屬單晶體，位錯密度可低于可低于103 1/cm2； 經(jīng)充分退火的多晶體金屬晶體中，位錯密度約為經(jīng)充分退火的多晶體金屬晶體中，位錯密度約為106108 1/cm2 ； 經(jīng)過劇烈冷變形的金屬晶體，其內(nèi)部的位錯密度經(jīng)過劇烈冷變形的金屬晶體，其內(nèi)部的位錯密度可高達可高達10101012 1/cm2。2-2 位錯位錯（二）（二）位錯的形成位錯的形成 位錯形成途徑：位錯形成途徑： （1）在晶體凝固過程中形成。 （2）由晶體在凝固后的冷卻 過程中產(chǎn)生的局部內(nèi)應(yīng) 力所造成

29、。 （3）由空位聚集而形成。 2-2 位錯位錯（三）（三）位錯的增殖位錯的增殖 增殖位錯的部位稱為位錯源。 1. 弗蘭克弗蘭克 瑞德（瑞德（Frank Read）位錯增殖機制）位錯增殖機制 雙邊U形平面F-R源 2-2 位錯位錯ABABABABbABbSi單晶中的單晶中的F-R源源( (以以Cu沉淀綴飾后用紅外顯微鏡觀察）沉淀綴飾后用紅外顯微鏡觀察）2-2 位錯位錯2. 雙交滑移位錯增殖機制雙交滑移位錯增殖機制2-2 位錯位錯思考題：思考題： 經(jīng)過劇烈冷變形的金屬晶體內(nèi)部的位經(jīng)過劇烈冷變形的金屬晶體內(nèi)部的位錯密度會增大，為什么？錯密度會增大，為什么？ 2-2 位錯位錯七、七、實際晶體結(jié)構(gòu)中的位

30、錯與堆垛層錯實際晶體結(jié)構(gòu)中的位錯與堆垛層錯 （一）全位錯（一）全位錯 全位錯：全位錯：柏氏矢量等于點陣矢量或其整數(shù)倍的位錯。 單位位錯：單位位錯：柏氏矢量正好等于單位點陣矢量（最小點 陣矢量）的位錯。它是組態(tài)最穩(wěn)定的全位錯。 面心立方結(jié)構(gòu)晶體中的單位位錯： 體心立方結(jié)構(gòu)晶體中的單位位錯： 密排六方結(jié)構(gòu)晶體中的單位位錯： 1112ab 1102ab 02113ab2-2 位錯位錯（二）堆垛層錯（二）堆垛層錯 1. 基本概念基本概念 堆垛層錯：堆垛層錯：原子堆垛順序發(fā)生錯排的區(qū)域，屬面缺陷。 例如，面心立方結(jié)構(gòu)晶體 111 晶面的正常原子堆垛順序為 ABCABCABC，若從某一層 111 晶面開始

31、，堆垛順序改變，成為ABCBCABC，則形成堆垛層錯（相當(dāng)于兩個原子層厚度的密排六方結(jié)構(gòu)）。 層錯能：層錯能：堆垛層錯的形成導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的變化，破壞了晶體固有的周期性和對稱性，造成的能量增量。 2-2 位錯位錯2. 堆垛層錯的形成方式堆垛層錯的形成方式 （1）滑移方式）滑移方式 從某一層111晶面開始，其后的各層111晶面均沿著該面上的某一晶向發(fā)生矢量為 的滑移。 （2）抽出方式）抽出方式 抽出一層111晶面，或同時插入兩層111晶面。 （3）插入方式）插入方式 插入一層111晶面，或相間抽出兩層111晶面。 1126a2-2 位錯位錯（三）不全位錯（三）不全位錯1. 基本概念基本概念 不全位錯不

32、全位錯：柏氏矢量不等于點陣矢量或其整數(shù)倍的位錯。 部分位錯部分位錯：柏氏矢量小于點陣矢量的位錯。 晶體中的堆垛層錯通常只能在一定晶面的部分區(qū)域內(nèi)形成。因此，層錯區(qū)與正常堆垛區(qū)之間存在著界限，這個界限就是不全位錯，其柏氏矢量不等于點陣矢量。 不全位錯的位錯線為層錯面上層錯區(qū)與正常堆垛區(qū)的分界線。2-2 位錯位錯2. 肖克萊不全位錯肖克萊不全位錯 如果晶體沿著某一個111晶面的一個區(qū)域發(fā)生矢量為 的滑移，則所形成的層錯區(qū)與正常堆垛區(qū)之間的界限就是一種 的不全位錯，稱為肖克萊不全肖克萊不全位錯位錯。 1126a 1126ab2-2 位錯位錯 層錯面上的層錯區(qū)可以呈任何形狀，故肖克萊不全位錯的位錯線可

33、以是直線或任何形狀的平面曲線。 肖克萊不全位錯的柏氏矢量總是與層錯面平行的，其位錯線與柏氏矢量的相互關(guān)系，決定著它可以是純?nèi)行臀诲e、純螺型位錯或混合位錯。 肖克萊不全位錯的滑移面位于層錯面上，故肖克萊不全位錯可以發(fā)生滑移，為可動位錯，但刃型肖克萊不全位錯不能發(fā)生攀移，螺型肖克萊不全位錯不能發(fā)生交滑移。2-2 位錯位錯3. 弗蘭克不全位錯弗蘭克不全位錯 如果在某個區(qū)域抽去某一層或插入一層111晶面，則所形成的層錯區(qū)與正常堆垛區(qū)的界限即是一種的不全位錯，稱為弗蘭克不全位錯弗蘭克不全位錯。 1113ab2-2 位錯位錯2-2 位錯位錯 弗蘭克不全位錯的位錯線也可以是直線或任何形狀的平面曲線。 弗蘭克

34、不全位錯的柏氏矢量總是與層錯面垂直的，因此它的位錯線也總是與柏氏矢量垂直，故弗蘭克不全位錯為刃型位錯。 弗蘭克不全位錯的滑移面與層錯面是垂直的，故弗蘭克不全位錯不可發(fā)生滑移，為不動位錯，但弗蘭克不全位錯的多余半原子面位于層錯面上，故可以發(fā)生攀移。2-2 位錯位錯思考題：思考題： 1. 面心立方和體心立方晶體中的全位錯的柏面心立方和體心立方晶體中的全位錯的柏氏矢量分別取何值時其組態(tài)最穩(wěn)定，為什么？氏矢量分別取何值時其組態(tài)最穩(wěn)定，為什么？ 2. 分別寫出面心立方晶體中的肖克萊不全位分別寫出面心立方晶體中的肖克萊不全位錯和弗蘭克不全位錯的柏氏矢量，并說明其在外錯和弗蘭克不全位錯的柏氏矢量，并說明其在

35、外力作用下的運動方式。力作用下的運動方式。2-2 位錯位錯八、八、位錯反應(yīng)與擴展位錯位錯反應(yīng)與擴展位錯 （一）位錯反應(yīng)（一）位錯反應(yīng)1. 基本概念基本概念 位錯反應(yīng)：位錯反應(yīng)：位錯之間的合成或分解。 一條位錯線可以分解為兩條或更多條具有不同柏氏矢量的位錯線，而兩個或更多個具有不同柏氏矢量的位錯線則可以合并為一條位錯線。位錯之間的合成或分解實質(zhì)上是位錯柏氏矢量的合成或分解。2-2 位錯位錯2. 位錯反應(yīng)的條件位錯反應(yīng)的條件 （1）幾何條件：）幾何條件：反應(yīng)前各位錯柏氏矢量的總和 ，應(yīng)等于反應(yīng)后各位錯柏氏矢量的總和 ，即： ，也就是： （2）能量條件：）能量條件：反應(yīng)前各位錯能量總和 ，應(yīng)大于或等

36、于反應(yīng)后各位錯能量總和 ，即： jibb jb ib 2ib 2jb 22jibb jzizjyiyjxixbbbbbb2-2 位錯位錯 例如位錯反應(yīng)： 121611261012aaa 06602626226622aabbaaababaaababjzizjyiyjxix jzizjyiyjxixbbbbbb 366266662222222222222222aaaaaaabaaabji 22jibb2-2 位錯位錯3. 位錯反應(yīng)的判據(jù)位錯反應(yīng)的判據(jù) （1）利用幾何條件判斷位錯反應(yīng)可否發(fā)生？ 若 ，位錯反應(yīng)可以發(fā)生。 （2）利用能量條件判斷位錯反應(yīng)能否發(fā)生或者向何方向進行？ 若 ，反應(yīng)能夠發(fā)生。

37、jzizjyiyjxixbbbbbb 22jibb2-2 位錯位錯（二）擴展位錯（二）擴展位錯1. 基本概念基本概念 面心立方晶體中， 型的單位位錯發(fā)生分解反應(yīng)形成兩個柏氏矢量為 的肖克萊不全位錯；兩條不全位錯線相互平行地保持一定距離D，且兩不全位錯線的中間有一條層錯帶與它們聯(lián)系在一起。 由一個單位位錯分解形成的兩條相互平行的不全位錯線和它們之間的層錯帶所構(gòu)成的位錯組合稱為擴展位錯擴展位錯。 1102a 1126a2-2 位錯位錯 擴展位錯通常以形成它的全位錯的柏氏矢量命名。如通過 分解反應(yīng)所形成的擴展位錯即稱為 型擴展位錯。 擴展位錯中兩個不全位錯線之間的平衡距離 D 稱為擴展位錯寬度擴展位

38、錯寬度。 D 越大，位錯易擴展，反之則難以擴展。 121611261012aaa 1012a122Gb bD2-2 位錯位錯2. 擴展位錯形成的晶胞分析法擴展位錯形成的晶胞分析法 例：面心立方晶體中的 單位位錯在（111）面上分解形成一個擴展位錯的過程。 由兩個 型肖克萊不全位錯構(gòu)成的擴展位錯可以發(fā)生滑移。面面上上的的層層錯錯)111(121611261012 aaa1012a1012a2-2 位錯位錯思考題：思考題： 1. 何謂位錯反應(yīng)？何謂位錯反應(yīng)？ 2. 寫出面心立方晶體中的一個單位位錯分解寫出面心立方晶體中的一個單位位錯分解為擴展位錯的反應(yīng)式，并判斷該位錯反應(yīng)發(fā)生的為擴展位錯的反應(yīng)式，并判斷該位錯反應(yīng)發(fā)生的可能性。可能性。 2-2 位錯位錯 界面包括外表面（自由表面）和內(nèi)界面。界面包括外表面（自由表面）和內(nèi)界面。 表面是指固體材料與氣體或液體的分界面。表面是指固體材料與氣體或液體的分界面。 內(nèi)界面包括晶界、亞晶界、相界及孿晶界等。內(nèi)界面包括晶界、亞晶界、相界及孿晶界等。 界面通常為幾個原子層厚的區(qū)域，屬于晶體中的界面通常為幾個原子層厚的區(qū)域，屬于晶體中的 面缺陷。面缺陷。2-3 表面及界面表