第三章晶體缺陷

1、第二章晶體缺陷實際晶體中偏離理想點陣結構的區(qū)域稱為晶體缺陷根據幾何形態(tài)特征，可以把晶體缺陷分為三類：點缺陷、線缺陷和面缺陷第一節(jié)點缺陷 點缺陷的類型及形成1點缺陷的類型金屬中常見的基本點缺陷有空位、間隙原子和置換原子?？瘴唬嚎瘴痪褪俏幢徽紦脑游恢茫婚g隙原子：間隙原子可以是晶體中正常原子離位產生，也可以是外來雜質原子;置換原子：位于晶體點陣位置的異類原子 。2. 點缺陷的形成物質的運動導致原子離開原來位置?？瘴坏膬煞N類型：弗蘭克爾空位、肖脫基空位。 點缺陷的運動及平衡濃度1點缺陷的運動空位的復合Af；- TS2點缺陷的平衡濃度C = = Aexp（- ：Ev/KT）Nn 一 _平衡空位數N

2、-陣點總數丄Ev -每增加一個空位的能量 變化K - -玻爾茲曼常數A -與振動熵有關的常數3. 過飽和點缺陷的形成 點缺陷對性能的影響第二節(jié)線缺陷 位錯的基本概念1位錯學說的產生2位錯的基本類型晶體在不同的應力狀態(tài)下，其滑移方式不同。根據原子的滑移方向和位錯線 取向的幾何特征不同，位錯分為刃位錯、螺位錯和混合位錯。(1) 刃型位錯刃型位錯的概念：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，稱為刃 型位錯線。位錯線附近區(qū)域發(fā)生了原子錯排。把多余半原子面在滑移面以上的位錯稱為正刃型位錯，用符號出”表示，反之為負刃型位錯，用 午”表示。含有多余半原子面的晶體受壓，原子間距小于正常

3、點陣常數；不含多余半 原子面的晶體受張力，原子間距大于正常點陣常數。位錯在晶體中引起的畸變在位錯線中心處最大， 隨著離位錯中心距離的增 大，晶體的畸變逐漸減小。刃型位錯的特點：1) .刃型位錯有一個額外的半原子面。其實正、負之分只具相對意義而無本 質的區(qū)別。2) 刃型位錯線可理解為晶體中已滑移區(qū)與未滑移區(qū)的邊界線。 它不一定是 直線，也可以是折線或曲線，但它必與滑移方向相垂直，也垂直于滑移矢 量。3) .滑移面必定是同時包含有位錯線和滑移方向的平面，在其他面上不能滑移。由于在刃型位錯中，位錯線與滑移方向互相垂直，因此，由它們所構 成的平面只有一個。4) .晶體中存在刃型位錯之后，位錯周圍的點陣

4、發(fā)生彈性畸變，既有切應變， 又有正應變。就正刃型位錯而言，滑移面上方點陣受到壓應力，下方點陣 受到拉應力：負刃型位錯與此相反。5) .在位錯線周圍的過渡區(qū)(畸變區(qū))每個原子具有較大的平均能量。但該 區(qū)只有幾個原子間距寬，畸變區(qū)是狹長的管道，所以刃型位錯是線缺陷。（2）螺型位錯螺型位錯的結構特征無額外的半原子面，原子錯排呈軸對稱，分右旋和左旋螺型位錯；位錯線是直線，與滑移方向平行；滑移面不是唯一的，包含螺型位錯線的平面都可以作為它的滑移面；位錯周圍點陣也發(fā)生彈性畸變，但只有平行于位錯線的切應變而無正應變，即不引起體積的膨脹和收縮；位錯畸變區(qū)也是幾個原子間距寬度，同樣是線位錯。（3）混合位錯晶體中

5、已滑移區(qū)與未滑移區(qū)的邊界線 （即位錯線）既不平行也不垂直于滑 移方向，即滑移矢量與位錯線成任意角度，這種晶體缺陷稱為混合型位錯。 混合型位錯可分解為刃型位錯分量和螺型位錯分量。3.柏氏矢量（1）柏氏矢量的確定方法（2）柏氏矢量的物理意義及特征物理意義：反映出柏氏回路包含的位錯所引起點陣畸變的總積累（畸變發(fā)生的方向與大?。?。指出了位錯滑移后，晶體上下部產生相對位移的方向和大小，即滑移矢量。 刃型位錯：滑移區(qū)移動方向垂直位錯線，滑移量為一個原子間距；螺型位錯：滑移方向平行于位錯線，滑移量也是一個原子間距。對于任意位錯，可據柏氏矢量判斷其滑移方向與大小。柏氏矢量的特征用柏氏矢量可判斷位錯的類型。用柏

6、氏矢量可以表示晶體滑移的方向和大小。位錯運動導致晶體滑移時，滑移量大小即柏氏矢量b,滑移方向即為柏氏矢量的方向。一條位錯線具有唯一的柏氏矢量。若位錯可分解，則分解后各分位錯的柏 氏矢量之和等于原位錯的柏氏矢量。位錯具有連續(xù)性，不能中斷于晶體內部。其存在形態(tài)可形成一個閉合的位 錯環(huán)，或連接于其他位錯，或終止在晶界，或露頭于晶體表面。（3）柏氏矢量的表示方法4位錯密度5位錯觀察位錯的基本幾何性質（總結）位錯是晶體中的線缺陷，它實際上是一條細長的管狀缺陷區(qū)， 區(qū)內的原子 嚴重地錯排或錯配”位錯可以看成是已滑移區(qū)與未滑移區(qū)的邊界。柏氏矢量b是表征位錯的最重要參數。根據b和位錯線I的相對位向，可將位錯

7、分為三類：刃型位錯：和I垂直、螺型位錯：和I平行、混合位錯和I成任意角。位錯的大小決定了位錯中心區(qū)原子的 錯配度”和周圍晶體的彈性變形，從而決定 了能量的大小。位錯線必須是連續(xù)的。它或者起止于晶體表面（或晶界）或形成封閉回路 （位錯環(huán)）或者在結點處和其它位錯相連。單獨討論位錯線的正向或柏氏矢量的正向是沒有意義的。但是，為了表示位錯的性質（刃型位錯的正、負，螺型位錯的左旋、右旋）需要按人為地 規(guī)定位錯線和柏氏矢量的正向。位錯線和b可以同時反向而不影響位錯的 性質，但如果僅僅改變一個向，則位錯的性質便相反。b的最重要性質是它的守恒性，即流向某一結點的位錯線的柏氏矢量之和等于流出該結點的位錯線的柏氏

8、矢量之和。 由此又可推出，一條位錯線只 能有一個b。 3.2 .2位錯的運動1位錯的易動性2位錯的滑移當一個刃型位錯沿滑移面滑過整個晶體，就會在晶體表面產生寬度為一個 柏氏矢量b的臺階，造成晶體的塑性變形。在滑移時，刃型位錯的移動方向一定是與位錯線相垂直，即與其柏氏矢量 相一致。位錯線沿著滑移面移動時，它所掃過的區(qū)域是已滑移區(qū)，而位錯線未掃過 的區(qū)域為示滑移區(qū)。在切應力作用下，螺型位錯的移動方向是與其柏氏矢量相垂直。對于螺型 位錯，由于位錯線與柏氏矢量平行，所以它不象刃型位錯那樣具有確定的 滑移面，而可在通過位錯線的任何原子平面上滑移。 如果螺型位錯在某一 滑移面滑移后轉到另一通過位錯線的臨近

9、滑移面上滑移的現象稱為交滑 移。3位錯的攀移刃型位錯除了可以在滑移面上滑移外，還可垂直于滑移面發(fā)生攀移。當半原子面下端的原子跳離，即空位遷移到半原子面下端時，半原子面將 縮短，表現為位錯向上移動，這種移動叫做正攀移。反之叫做負攀移。位錯攀移時伴隨著物質的遷移，需要擴散才能實現。因為攀移需要原子擴 散，所以較之滑移所需的能量更大。 對于大多數金屬，這種運動在室溫下 很難進行。因此，位錯攀移時需要熱激活，也就是比滑移需要更大的能量。 通常稱攀移為非守恒運動”，滑移則稱為守恒運動”。4、運動位錯的交割對于在滑移面上運動的位錯來說，穿過此滑移面的其它位錯稱為林位錯。林位錯會阻礙位錯的運動，但是若應力足

10、夠大，滑動的位錯將切過林位錯 繼續(xù)前進。位錯互相切割的過程稱為位錯交割或位錯交截。一般情況下，兩個位錯交割時，每個位錯上都要新產生一小段位錯， 它們 的柏氏矢量與攜帶它們的位錯相同，它們的大小與方向決定于另一位錯的 柏氏矢量。當交割產生的小段位錯不在所屬位錯的滑移面上時，則成為位錯割階，如 果小段位錯位于所屬位錯的滑移面上，則成為位錯扭折。刃型位錯的割階部分仍為刃型位錯，而扭折部分則為螺型位錯；螺型位錯中的扭折和割階線段，由于均與柏氏矢量相垂直，故均屬于刃型 位錯。所有的割階都是刃型位錯，而扭折可以是刃型也可是螺型的。扭折與原位錯線在同一滑移面上，可隨主位錯線一道運動，幾乎不產生阻力，而且扭折

11、在線張力作用下易于消失。割階則與原位錯線不在同一滑移面上， 故除非割階產生攀移，否則割階就 不能跟隨主位錯線一道運動，成為位錯運動的障礙，通常稱此為割階硬化。幾種典型的位錯交割兩個柏氏矢量互相平行的刃型位錯交割兩個柏氏矢量互相垂直的刃型位錯交割刃型位錯與螺型位錯的交割螺型位錯與螺型位錯的交割關于位錯的運動（總結）運動方式：刃型位錯可以滑移，也可以攀移。螺型位錯只能滑移，不能攀移?；旌衔诲e可以滑移，也可以一面滑移（螺型分量滑移）一面攀移（刃 型分量攀移）運動面：滑移面是由I和b決定的面。對刃位錯和混合位錯，它是唯一的， 對螺型位錯則不唯一，包含位錯線的任何平面都可以是滑移面。刃型位錯 攀移時運動

12、面就是垂直于滑移面的半原子面，或者說，垂直于 b的晶面。 運動方向：不論滑移、攀移或是既滑移又攀移，位錯線的運動方向v是垂 直于位錯線的。運動量：不論位錯作何種運動，當位錯掃過單位面積的運動面時， 運動面 兩邊的晶體的平均相對位移量為 b/A，這里A是整個運動面的面積。 323位錯的彈性性質1位錯的應力場位錯在晶體中的存在使其周圍原子偏離平衡位置而導致點陣畸變和彈性應 力場的產生。要準確對晶體中位錯周圍的彈性應力場進行定量計算，是復雜而困難的。為簡化通?？刹捎脧椥赃B續(xù)介質模型來進行計算。該模型 ：首先假設晶體是完全彈性體，服從虎克定律；其次，把晶體看成是各向同性的：第三，近似地認為晶體內部由連

13、續(xù)介質組成， 晶體中沒有空隙，因此晶體中的應 力、應變、位移等量是連續(xù)的，可用連續(xù)函數表示。位錯的連續(xù)介質模型（a）螺位錯（b）刃位錯螺位錯的應力場的特點：只有切應力分量，正應力分量全為零，這表明螺型位錯不引起晶體的膨脹 和收縮。螺型位錯所產生的切應力分量只與 r有關（成反比），而與9 , z無關。 只要r一定，t 9 z就為常數。因此，螺型位錯的應場是軸對稱的，即與 位錯等距離的各處，其切應力值相等，并隨著與位錯距離的增大，應力值 減小。r-0時，t 9 z-X,顯然與實際情況不符，這說明上述結果不適用位錯 中心的嚴重畸變區(qū)。刃位錯的應力場的特點：同時存在正應力分量與切應力分量，而且各應力分

14、量的大小與G和b成正比，與r成反比。各應力分量都是x, y的函數，而與z無關。這表明在平行與位錯的直線 上，任一點的應力均相同。在滑移面上，沒有正應力，只有切應力，而且切應力t xy達到極大值。正刃型位錯的位錯滑移面上側為壓應力，滑移面下側為拉應力。x = y時，（T yy， t xy均為零，說明在直角坐標的兩條對角線處，只有（T XX。2位錯的應變能位錯周圍點陣畸變引起彈性應力場導致晶體能量增加， 這部分能量稱為位 錯的應變能或位錯能。與位錯的畸變相對應，位錯的能量也可分為兩部分：一是位錯中心畸變能； 二是位錯中心以外的能量即彈性應變能。根據點陣模型對位錯中心能量的估算得： 彈性應變能占總能

15、量的90%,所 以位錯中心畸變能常忽略不計，而彈性應變能可采用連續(xù)介質彈性模型根 據單位長度位錯所做的功求得。螺型位錯Ws二強In旦4兀 ro刃型位錯WE型 In衛(wèi)4 兀（1 一。） roU 二 W/L 二：Gb23外力場中位錯所受的力它是虛設的、驅使位錯滑移的力，它必然與位錯線運動方向一致，即處處 與位錯線垂直，指向未滑移區(qū)。根據虛功原理，切應力使晶體滑移所做的功應與法向 力”推動位錯滑移所 做的功相等。dW =（ .dA） bzdl ds bW = F dsdW dl ds b = F ds 二 WFd =F/dl = b4. 位錯線張力位錯的總能量與位錯線的長度成正比， 因此為降低能量，

16、位錯線有縮短變直 的傾向。故在位錯線上存在一種使其變直的線張力T。 這個線張力在數值上等于 位錯應變能。5. 位錯的應力場及與其他缺陷的交互作用位錯與溶質原子的相互作用間隙原子聚集于位錯中心，使體系處于低能態(tài)?？率蠚鈭F：溶質原子與位錯交互作用后，在位錯線周圍偏聚的現象，柯氏氣團 的形成對位錯有釘扎作用，是固溶強化的原因之一。位錯與空位的交互作用導致位錯攀。高溫下十分重要位錯與位錯的交互作用f= t b ，f=（T b （刃位錯）。同號相互排斥，異號相互吸引。（達到能量最低狀態(tài)。） 3.2 .4位錯的生成與增殖一、位錯的生成晶體中的位錯來源主要可有以下幾種。（一）晶體生長過程中產生位錯。（二）由

17、于自高溫較快凝固及冷卻時晶體內存在大量過飽和空位，空位的聚集能形成位錯。（三）晶體內部的某些界面（如第二相質點、孿晶、晶界等）和微裂紋的附近， 由于熱應力和組織應力的作用，往往出現應力集中現象，當此應力高至足以使該局部區(qū)域發(fā)生滑移時，就在該區(qū)域產生位錯 二、位錯的增殖位錯的增殖機制可有多種，主要方式是弗蘭克-瑞德(Frank-Read位錯源機制 弗蘭克-瑞德(Frank-Read)位錯源刃型位錯的兩端被位錯網點釘住不能運動。 若沿柏氏矢量b方向施加一切 應力，使位錯沿滑移面向前滑移運動。作用于位錯線上的力，總是與位錯線本身垂直，所以彎曲后的位錯每一小 段繼續(xù)沿它的法線方向向外擴展，其兩端則分別

18、繞節(jié)點A，B發(fā)生回轉。當兩端彎出來的線段相互靠近時，由于該兩線段平行于柏氏矢量 b,但位 錯線方向卻相反，分別屬于左螺和右螺位錯，因此會互相抵消，形成一閉 合的位錯環(huán)以及位錯環(huán)內的一小段彎曲位錯線。 實際晶體中的位錯實際晶體結構中，位錯的柏氏矢量不能是任意的，它要符合晶體的結構條件和能量條件 晶體結構條件是指柏氏矢量必須連接一個原子平衡位置到另一平衡位置。在某一種晶體結構中，力學平衡位置很多，故柏氏矢量可取很多；但從能量條件 看，由于位錯能量正比于b2，柏氏矢量b越小越好。正因為b既要符合結構條件又要符合能量條件，因而實際晶體中存在的位錯的柏 氏矢量限于少數最短的點陣矢量。1實際晶體結構中的單

19、位位錯結構類型柏氏矢量簡單立方a 面心立方2體心立方-2密排六方-11203方向數量36432.堆垛層錯實際晶體結構中，密排面的正常堆垛順序有可能遭到破壞和錯排，稱為堆垛 層錯，簡稱層錯；形成層錯時幾乎不產生點陣畸變，但它破壞了晶體的完整性和正常的周期性，使電子發(fā)生反常的衍射效應，故使晶體的能量有所增加，這部分增加的能量 稱堆垛層錯能”；3位錯反應位錯之間相互轉換（即柏氏矢量的合成與分解）稱為位錯反應。位錯反應能否進行取決于兩個條件：（1）必須滿足幾何條件即柏氏矢量的守恒性；二尙二b 后（2）必須滿足能量條件，反應后諸位錯的總能量小于反應前諸位錯的總能量。 b前 b后4.面心立方晶體中全位錯的

20、分解及擴展位錯肖克萊不全位錯的形成：原子運動導致局部錯排，錯排區(qū)與完整晶格區(qū)的邊界線即為肖克萊不全位錯。（結 合位錯反應理解?？蔀槿行?、螺型或混合型位錯。）擴展位錯1 _1 _ _ 1一A110-211 + 412126 6由于這兩個不全位錯位于同一滑移面上，彼此同號且其柏氏矢量的夾角9為120o,故它們必然相互排斥并分開，其間夾著一片堆垛層錯區(qū)，直到層錯的表面 張力（等于層錯能）和不全位錯的斥力相平衡時，不全位錯的運動才停止，形成穩(wěn) 定的位錯組態(tài)。這種兩個不全位錯夾一片層錯的整個位錯組態(tài)稱為擴展位錯。弗蘭克不全位錯：在完整晶體中局部抽出或插入一層原子所形成。（只能攀移，不 能滑移。）位錯理論

21、的應用晶體的實際強度為什么遠低于理論強度？晶體為什么會加工硬化？金屬為什么會退火軟化？與位錯相關的合金強化機制固溶強化沉淀強化和彌散強化 3.3面缺陷面缺陷：在兩個方向上尺寸很大，在一個方向上尺寸很小的缺陷。面缺陷的類型金屬中常見的面缺陷有表面、晶界、亞晶界和相界。 表面晶體內部的原子處于其他原子的包圍中，處于均勻的力場中，總合力為零， 處于能量最低的狀態(tài)。而表面原子卻不同，它與氣相 (或液相)接觸，處于不均勻 的力場之中，其能量較高，高出的能量稱為表面自由能。晶體總是力圖處于最低的自由能狀態(tài)，所以一定體積的晶體的平衡幾何外形 應滿足表面能總和為最小。晶體的宏觀表面可以加工的十分光滑，但從原子

22、的尺度來看仍是十分粗糙而 凸凹不平。不管表面是否平行于密排面，宏觀表面基本上由一系列平行的原子密排面及 相應的臺階組成，臺階的密度取決于表面和密排面的夾角。 晶界與相界屬于同一固相但位向不同的晶粒之間的界面稱為晶界；而每個晶粒有時又由 若干個位向稍有差異的亞晶粒所組成，相鄰亞晶粒間的界面稱為亞晶界。根據晶界兩側晶粒位相差的不同可分為小角度晶界和大角度晶界。亞晶界屬于小角度晶界。1.小角度晶界相鄰晶粒的位向差小于10的晶界稱為小角度晶界。根據形成晶界時的操作不同，晶界分為傾斜晶界(tilt boundary)和扭轉 晶界（twist boundary）。傾斜晶界又包括對稱傾斜晶界和不對稱傾斜晶界

23、。對稱傾斜晶界是最簡單的小角度晶界 ，這種晶界的結構特點是由一系列平行等 距離排列的同號刃位錯所構成。不對稱傾斜晶界由兩組相互垂直的刃位錯所組成。扭轉晶界：晶界是由兩組相互垂直的螺位錯構成的網絡推廣：一般的小角度晶界，其旋轉軸和界面可以有任意的取向關系，因此結構特點是由刃位錯、螺位錯或混合位錯組成的二維位錯網所組成。此為小角度晶界的位錯模型2大角度晶界相鄰晶粒的位向差大于10的晶界稱為大角度晶界。大角度晶界的結構較復雜，原子排列很不規(guī)則，由不規(guī)則的臺階組成的。晶界可看成壞區(qū)與好區(qū)交替相間組合而成。3孿晶界孿晶是指兩個晶體（或一個晶體的兩部分）沿一個公共晶面構成鏡面對稱的位向關系，這兩個晶體就稱為 孿晶（twin） ”，此公共晶面就稱孿晶面。4相界具有不同結構的兩相之間的分界面稱為 相界”。按結構特點，相界面可分為 共格、半共格和非共格相界三種類型。 界面能概念:形成（或擴大）單位面積界面所做的非體積功（或自由焓增量）稱為（比） 界面能界面能的來源：與內部原子相比，界面原子所處的環(huán)境不同-化學能：界面原子周圍原子數或類型變化，引起鍵能的變化；-應變能：界面原子偏離平衡位置引起彈性應變能。 晶界特性1晶界處點陣畸變大，存在晶界能。晶粒的長大和晶界的平直化都能減少晶界面 積，從而降低晶界的總能量。2晶界處原子排列不規(guī)則