材料科學(xué)與工程第三章 晶體缺陷1

1、1晶體結(jié)構(gòu)小結(jié)晶體結(jié)構(gòu)小結(jié)原子結(jié)構(gòu)與原子結(jié)合原子結(jié)構(gòu)與原子結(jié)合 原子結(jié)合方式?jīng)Q定了其結(jié)構(gòu)原子結(jié)合方式?jīng)Q定了其結(jié)構(gòu) 基本概念和分類基本概念和分類晶體學(xué)基礎(chǔ)晶體學(xué)基礎(chǔ) 晶體學(xué)基本概念晶體學(xué)基本概念 晶向和晶面標(biāo)定晶向和晶面標(biāo)定純金屬的晶體結(jié)構(gòu)純金屬的晶體結(jié)構(gòu) BCC、FCC and HCP characteristics 堆垛和間隙堆垛和間隙合金的晶體結(jié)構(gòu)合金的晶體結(jié)構(gòu) solid solution and intermetallic compounds 基本概念基本概念離子晶體結(jié)構(gòu)離子晶體結(jié)構(gòu) ionic crystal 幾種典型離子晶體結(jié)構(gòu)幾種典型離子晶體結(jié)構(gòu)2晶體缺陷賦予材料豐富內(nèi)容晶體缺陷

2、賦予材料豐富內(nèi)容維納斯維納斯“無(wú)臂無(wú)臂”之美深入人之美深入人心心3理想金屬理想金屬實(shí)際金屬材料中，由于原子（分子或離實(shí)際金屬材料中，由于原子（分子或離子）的熱運(yùn)動(dòng)、晶體的形成條件、加工子）的熱運(yùn)動(dòng)、晶體的形成條件、加工過(guò)程、雜質(zhì)等因素的影響，使得實(shí)際晶過(guò)程、雜質(zhì)等因素的影響，使得實(shí)際晶體中原子的排列不再規(guī)則、完整，存在體中原子的排列不再規(guī)則、完整，存在各種偏離理想結(jié)構(gòu)的情況各種偏離理想結(jié)構(gòu)的情況BCCFCCHCP規(guī)則排列規(guī)則排列晶體缺陷晶體缺陷 defects or imperfections晶體缺陷對(duì)晶體的性能、擴(kuò)散、相變等有重要的影響晶體缺陷對(duì)晶體的性能、擴(kuò)散、相變等有重要的影響4第三章第

3、三章 晶體缺陷晶體缺陷Crystal Defects or Imperfections5實(shí)際金屬材料幾乎都是實(shí)際金屬材料幾乎都是多晶體，多晶體，即由許多彼此方位即由許多彼此方位不同、外形不規(guī)則的小晶體（不同、外形不規(guī)則的小晶體（單晶體單晶體）組成，這些）組成，這些小晶體稱為小晶體稱為晶粒晶粒 grains。純鐵組織純鐵組織晶粒示意圖晶粒示意圖6單晶體和多晶體單晶體和多晶體的區(qū)別的區(qū)別單晶體單晶體：是指在整個(gè)晶體內(nèi)部原子都按照周期性的規(guī)則排列。：是指在整個(gè)晶體內(nèi)部原子都按照周期性的規(guī)則排列。單晶體單晶體7沿晶斷口沿晶斷口鉛錠宏觀組織鉛錠宏觀組織變形金屬晶粒尺寸約變形金屬晶粒尺寸約1100 m，鑄

4、造金屬可達(dá)幾個(gè)，鑄造金屬可達(dá)幾個(gè)mm。多晶體：多晶體：是指在晶體內(nèi)每個(gè)局部區(qū)域里原子按周期性的規(guī)則排是指在晶體內(nèi)每個(gè)局部區(qū)域里原子按周期性的規(guī)則排列，但不同局部區(qū)域之間原子的排列方向并不相同，因此多晶列，但不同局部區(qū)域之間原子的排列方向并不相同，因此多晶體也可看成由許多取向不同的小單晶體（晶粒）組成。體也可看成由許多取向不同的小單晶體（晶粒）組成。8缺陷的分類：缺陷的分類：根據(jù)缺陷的幾何特征根據(jù)缺陷的幾何特征點(diǎn)缺陷（點(diǎn)缺陷（Point defects）：）：最簡(jiǎn)單的晶體缺陷，在結(jié)點(diǎn)上或鄰近的微最簡(jiǎn)單的晶體缺陷，在結(jié)點(diǎn)上或鄰近的微觀區(qū)域內(nèi)偏離晶體結(jié)構(gòu)的正常排列。在空間三維方向上的尺寸都很小，約觀

5、區(qū)域內(nèi)偏離晶體結(jié)構(gòu)的正常排列。在空間三維方向上的尺寸都很小，約為一個(gè)、幾個(gè)原子間距，又稱為一個(gè)、幾個(gè)原子間距，又稱零維缺陷零維缺陷。包括。包括空位空位vacancies、間隙原子、間隙原子interstitial atoms、雜質(zhì)、雜質(zhì)impurities、溶質(zhì)原子、溶質(zhì)原子solutes等。等。線缺陷（線缺陷（Linear defects）：）：在一個(gè)方向上的缺陷擴(kuò)展很大，其它兩在一個(gè)方向上的缺陷擴(kuò)展很大，其它兩個(gè)方向上尺寸很小，也稱為個(gè)方向上尺寸很小，也稱為一維缺陷一維缺陷。主要為。主要為位錯(cuò)位錯(cuò)dislocations。面缺陷（面缺陷（Planar defects）：）：在兩個(gè)方向上的缺

6、陷擴(kuò)展很大，其它一在兩個(gè)方向上的缺陷擴(kuò)展很大，其它一個(gè)方向上尺寸很小，也稱為個(gè)方向上尺寸很小，也稱為二維缺陷二維缺陷。包括。包括晶界晶界grain boundaries、相界、相界phase boundaries、孿晶界、孿晶界twin boundaries、堆垛層錯(cuò)、堆垛層錯(cuò)stacking faults等。等。93.1 點(diǎn)缺陷點(diǎn)缺陷Point defects指空間三維尺寸都很小的缺陷。指空間三維尺寸都很小的缺陷。101. Formations of point defects晶體中點(diǎn)陣結(jié)點(diǎn)上的原子以其平衡位置為中心作晶體中點(diǎn)陣結(jié)點(diǎn)上的原子以其平衡位置為中心作熱振動(dòng)熱振動(dòng)，當(dāng)，當(dāng)振動(dòng)能足夠大

7、時(shí)，將克服周圍原子的制約，跳離原來(lái)的位置，振動(dòng)能足夠大時(shí)，將克服周圍原子的制約，跳離原來(lái)的位置，使得點(diǎn)陣中形成空結(jié)點(diǎn)，稱為使得點(diǎn)陣中形成空結(jié)點(diǎn)，稱為空位空位vacanciesvacancies空位產(chǎn)生后，其周圍原子相互間的作用力失去平衡，因而它們朝空位產(chǎn)生后，其周圍原子相互間的作用力失去平衡，因而它們朝空位方向稍有移動(dòng)，形成一個(gè)涉及幾個(gè)原子間距范圍的空位方向稍有移動(dòng)，形成一個(gè)涉及幾個(gè)原子間距范圍的彈性畸變彈性畸變區(qū)區(qū)，即，即晶格畸變晶格畸變。A. 空位空位 vacancies空位空位晶格中某些缺排晶格中某些缺排原子的空結(jié)點(diǎn)原子的空結(jié)點(diǎn)11Classifications of vacancies

8、遷移到晶體表面或內(nèi)表面的正常結(jié)點(diǎn)位置，使晶體內(nèi)部留遷移到晶體表面或內(nèi)表面的正常結(jié)點(diǎn)位置，使晶體內(nèi)部留下空位。下空位。擠入間隙位置，在晶體中形成數(shù)目相等的空位和間隙原子。擠入間隙位置，在晶體中形成數(shù)目相等的空位和間隙原子。離開平衡位置的原子離開平衡位置的原子:還可以跑到其他空位中，使空位消失或者空位移位。還可以跑到其他空位中，使空位消失或者空位移位。肖脫基（肖脫基（Schottky）缺陷）缺陷弗蘭克爾（弗蘭克爾（Frenkel）缺陷）缺陷12B. 間隙原子間隙原子 interstitial atoms間隙原子間隙原子擠進(jìn)晶格間隙中的原子，擠進(jìn)晶格間隙中的原子，可以是基體金屬原子，也可以是基體金屬

9、原子，也可以是外來(lái)原子?？梢允峭鈦?lái)原子。間隙原子間隙原子同樣會(huì)使周圍點(diǎn)陣產(chǎn)生同樣會(huì)使周圍點(diǎn)陣產(chǎn)生彈性畸變彈性畸變，而且畸，而且畸變程度要比空位引起的變程度要比空位引起的畸變大畸變大的多，因此，的多，因此，形成能形成能大大，在晶體中的，在晶體中的濃度很低濃度很低。13小置換原子小置換原子大置換原子大置換原子取代原來(lái)原子位取代原來(lái)原子位置的外來(lái)原子置的外來(lái)原子C. 置換原子置換原子 substitutional atoms14點(diǎn)缺陷破壞了原子的平衡狀態(tài)，使晶格發(fā)生扭曲，點(diǎn)缺陷破壞了原子的平衡狀態(tài)，使晶格發(fā)生扭曲，稱稱晶格畸變晶格畸變。從而使強(qiáng)度、硬度提高，塑性、韌性下降；電阻從而使強(qiáng)度、硬度提高，

10、塑性、韌性下降；電阻升高，密度減小等。升高，密度減小等。點(diǎn)缺陷對(duì)晶體性能的影響點(diǎn)缺陷對(duì)晶體性能的影響15由于熱起伏促使原子脫離點(diǎn)陣位置而形成的點(diǎn)缺陷稱由于熱起伏促使原子脫離點(diǎn)陣位置而形成的點(diǎn)缺陷稱為熱平衡缺陷（為熱平衡缺陷（thermal equilibrium defects），這），這是晶體內(nèi)原子熱運(yùn)動(dòng)的是晶體內(nèi)原子熱運(yùn)動(dòng)的內(nèi)部條件內(nèi)部條件決定的。決定的。另外，可通過(guò)改變另外，可通過(guò)改變外部條件外部條件形成點(diǎn)缺陷，包括高溫淬形成點(diǎn)缺陷，包括高溫淬火、冷變形加工、高能粒子輻照等，這時(shí)的點(diǎn)缺陷濃火、冷變形加工、高能粒子輻照等，這時(shí)的點(diǎn)缺陷濃度超過(guò)了平衡濃度，稱為度超過(guò)了平衡濃度，稱為過(guò)飽和的點(diǎn)

11、缺陷過(guò)飽和的點(diǎn)缺陷(supersaturated point defects) 。16點(diǎn)缺陷的存在點(diǎn)缺陷的存在造成點(diǎn)陣畸變，造成點(diǎn)陣畸變，系統(tǒng)內(nèi)能升高，系統(tǒng)內(nèi)能升高，降低晶體的熱力學(xué)穩(wěn)定性降低晶體的熱力學(xué)穩(wěn)定性增大原子排列的混亂程度，并改變周圍原子的振動(dòng)頻率，增大原子排列的混亂程度，并改變周圍原子的振動(dòng)頻率，系統(tǒng)組態(tài)熵和振動(dòng)熵升高，系統(tǒng)組態(tài)熵和振動(dòng)熵升高，增加晶體的熱力學(xué)穩(wěn)定性增加晶體的熱力學(xué)穩(wěn)定性Contradictory!2. 點(diǎn)缺陷的平衡濃度點(diǎn)缺陷的平衡濃度在一定溫度下具有一定的平衡濃度在一定溫度下具有一定的平衡濃度17v 根據(jù)熱力學(xué)原理，恒溫下，系統(tǒng)的自由能根據(jù)熱力學(xué)原理，恒溫下，系統(tǒng)

12、的自由能 式中式中U為內(nèi)能，為內(nèi)能，S為總熵值（包括組態(tài)熵為總熵值（包括組態(tài)熵Sc和振動(dòng)熵和振動(dòng)熵Sf ），），T為絕對(duì)溫度為絕對(duì)溫度v設(shè)一完整晶體中總共有設(shè)一完整晶體中總共有N個(gè)同類原子排列在個(gè)同類原子排列在N個(gè)陣點(diǎn)上。若將其個(gè)陣點(diǎn)上。若將其中中n個(gè)原子從晶體內(nèi)部移至晶體表面?zhèn)€原子從晶體內(nèi)部移至晶體表面，則可，則可形成形成n個(gè)肖特基空位個(gè)肖特基空位，假定空，假定空位的形成能為位的形成能為Ev，則晶體內(nèi)能將增加，則晶體內(nèi)能將增加v另一方面，空位形成后，由于晶體比原來(lái)增加了另一方面，空位形成后，由于晶體比原來(lái)增加了n個(gè)空位，因此晶個(gè)空位，因此晶體的組態(tài)熵（混合熵）增大。體的組態(tài)熵（混合熵）增大。

13、 根據(jù)統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)原理，組態(tài)熵可表示為：根據(jù)統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)原理，組態(tài)熵可表示為： 其中其中k為玻爾茲曼常數(shù)為玻爾茲曼常數(shù)(1.3810-23J/K), W為微觀狀態(tài)數(shù)：為微觀狀態(tài)數(shù)：FUTSlncSkWvUnEF0Fn-T(Sc+nSf) FnEvnv點(diǎn)缺陷濃度與晶體自由能關(guān)系示意圖點(diǎn)缺陷濃度與晶體自由能關(guān)系示意圖 18!)!(lnlnnNnNkWkSC由于由于Nn1，可用斯特林，可用斯特林(Stirling)近似公式近似公式lnx!=xlnx-x(x1時(shí)時(shí))將上式簡(jiǎn)化：將上式簡(jiǎn)化：()ln()lnln cSk NnNnNNnn 此時(shí)系統(tǒng)自由能變化此時(shí)系統(tǒng)自由能變化 F：)(fcvSnSTnESTU

14、FfvSnTnnNNnNnNkTnElnln)ln()( 在晶體中在晶體中N+n個(gè)陣點(diǎn)位置上存在個(gè)陣點(diǎn)位置上存在n個(gè)空位和個(gè)空位和N個(gè)原子對(duì)時(shí)，可能個(gè)原子對(duì)時(shí)，可能出現(xiàn)的不同排列方式數(shù)目為出現(xiàn)的不同排列方式數(shù)目為!)!(nNnNW190TnFfvSTnnNNnNnNnkTElnln)ln()(0lnfvSTnnNkTE可得空位平衡濃度可得空位平衡濃度：/exp/ )(expkTEAkTSTENnCvfv 在平衡態(tài)，自由能應(yīng)為最小，即在平衡態(tài)，自由能應(yīng)為最小，即:20 其中，其中， ，由振動(dòng)熵決定，一般估計(jì)，由振動(dòng)熵決定，一般估計(jì)A在在1-10之間。之間。如果將上式中指數(shù)的分子分母同乘以阿伏加德

15、羅常數(shù)如果將上式中指數(shù)的分子分母同乘以阿伏加德羅常數(shù)NA： 式中式中Qf = NAEv 為形成為形成1mol空位所需作的功，單位空位所需作的功，單位J/mol，R為氣體常數(shù)。為氣體常數(shù)。 按照類似的方法，也可求得間隙原子的平衡濃度：按照類似的方法，也可求得間隙原子的平衡濃度：expvEnCANkTexpexpfAVAQN ECAAkN TRTexp(/ )fASk21恒溫下，系統(tǒng)的自由能恒溫下，系統(tǒng)的自由能 其中其中U為內(nèi)能，為內(nèi)能，S為總熵值（包括組態(tài)熵為總熵值（包括組態(tài)熵Sc和振動(dòng)熵和振動(dòng)熵Sf），），T為絕對(duì)溫度為絕對(duì)溫度設(shè)由設(shè)由N個(gè)原子組成的晶體中含有個(gè)原子組成的晶體中含有n個(gè)空位，形

16、成一個(gè)空個(gè)空位，形成一個(gè)空位所需能量為位所需能量為Ev，當(dāng)含有，當(dāng)含有n個(gè)空位時(shí)，其內(nèi)能增加為個(gè)空位時(shí)，其內(nèi)能增加為U=n*Ev，組態(tài)熵的改變?yōu)?，組態(tài)熵的改變?yōu)镾c，振動(dòng)熵的改變?yōu)?，振?dòng)熵的改變?yōu)閚*Sf，自由能的變化為，自由能的變化為FUTS(*)VCfFnETSnS點(diǎn)缺陷的平衡濃度點(diǎn)缺陷的平衡濃度22平衡時(shí)自由能最小，即對(duì)平衡時(shí)自由能最小，即對(duì)T求導(dǎo)，即求導(dǎo)，即則空位在則空位在T溫度時(shí)的溫度時(shí)的空位平衡濃度空位平衡濃度C為：為： 其中，其中， k為波爾茲曼常數(shù)（為波爾茲曼常數(shù)（1.38x10-23 J/K或或8.62x10-5 eV/K)類似地，類似地，間隙原子平衡濃度間隙原子平衡濃度C

17、： kTEAkTEkSNnCvvfexpexpexpkTEexpAkTEexpk SexpN nCvvf()0TFn23例題例題1uCu晶體的空位形成能晶體的空位形成能Ev為為0.9ev/atom，或或1.4410-19J/atom，材料常數(shù)材料常數(shù)A取取作作1，玻爾茲曼常數(shù)，玻爾茲曼常數(shù)k1.3810-23J/K,計(jì)算：計(jì)算： 1)在在500下，每立方米下，每立方米Cu中的空位數(shù)目；中的空位數(shù)目； 2) 500下的平衡空位濃度。下的平衡空位濃度。 （已知（已知Cu的摩爾質(zhì)量的摩爾質(zhì)量Mcu63.54g/mol，500 下下Cu的密度的密度Cu8.96106(g/m3) 解：首先確定解：首先確

18、定1m3體積內(nèi)體積內(nèi)Cu原子的總數(shù)原子的總數(shù)1)1)空位數(shù)目空位數(shù)目191.44 10283exp8.49 10exp/231.38 107732813.5328632338.49 10/8.49 101.37 10/1.2 10/EvnNmvkTemmm2)2)計(jì)算空位濃度計(jì)算空位濃度6104 . 15 1191044. 1expeNvnvC即在即在500 時(shí)，每時(shí)，每10106 6個(gè)原子中才有個(gè)原子中才有1.41.4個(gè)空位。個(gè)空位。2362836.023 108.96 108.49 10/63.54ACuCuNNmM24v 在在Fe中形成中形成1mol空位的能量

19、為空位的能量為104.675kJ，試計(jì)算從，試計(jì)算從20升溫至升溫至 850時(shí)空位數(shù)目增加多少倍？時(shí)空位數(shù)目增加多少倍？例題例題2取取A=1解：expQCART58501046751 exp1.3449 108.314 1123C 19201046751 exp2.1349 108.314 293C 51385019201.3449 106.23 102.1349 10CC25一般，晶體中一般，晶體中間隙原子間隙原子的形成能比的形成能比空位空位的形成能大的形成能大3-4倍倍，間隙原，間隙原子的量與空位相比可以忽略。子的量與空位相比可以忽略。例如，例如，Cu的空位形成能為的空位形成能為1.7*1

20、0-19J，間隙原子的形成能為，間隙原子的形成能為4.8*10-19J，在在1273K時(shí)，空位的平衡濃度時(shí)，空位的平衡濃度C10-4，間隙原子的，間隙原子的C10-14，C/C 1010。所以間隙原子可忽略不計(jì)。所以間隙原子可忽略不計(jì)。1eV100 kJ/mol263. 點(diǎn)缺陷的運(yùn)動(dòng)點(diǎn)缺陷的運(yùn)動(dòng) 必然性：必然性：在一定溫度下，點(diǎn)缺陷數(shù)目（濃度）一定，并處在一定溫度下，點(diǎn)缺陷數(shù)目（濃度）一定，并處于不斷的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，是一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡。于不斷的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，是一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡。 遷移：遷移：晶格上的原子由于熱運(yùn)動(dòng)，跳入空位中，形成另一晶格上的原子由于熱運(yùn)動(dòng)，跳入空位中，形成另一個(gè)空位，原來(lái)空位消失。這一過(guò)

21、程可以看作空位的移動(dòng)，即個(gè)空位，原來(lái)空位消失。這一過(guò)程可以看作空位的移動(dòng)，即空位遷移。同樣，間隙原子可從一個(gè)位置移動(dòng)到另一個(gè)位置，空位遷移。同樣，間隙原子可從一個(gè)位置移動(dòng)到另一個(gè)位置，形成間隙原子遷移。形成間隙原子遷移。 復(fù)合：復(fù)合：間隙原子落入空位，使兩者都消失。由于要求一定間隙原子落入空位，使兩者都消失。由于要求一定溫度下的點(diǎn)缺陷平衡濃度保持一定，因此，又會(huì)產(chǎn)生新的間溫度下的點(diǎn)缺陷平衡濃度保持一定，因此，又會(huì)產(chǎn)生新的間隙原子、空位。隙原子、空位。27 點(diǎn)缺陷的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的影響：點(diǎn)缺陷的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的影響：晶體中的原子正是由于晶體中的原子正是由于空位和間隙原子不斷的產(chǎn)生和復(fù)合空位和間隙原子不斷的產(chǎn)

22、生和復(fù)合，才不，才不停地由一處向另一處作無(wú)規(guī)則的布朗運(yùn)動(dòng)，這就是晶體中原子的停地由一處向另一處作無(wú)規(guī)則的布朗運(yùn)動(dòng)，這就是晶體中原子的自擴(kuò)散自擴(kuò)散。它是固態(tài)相變、表面化學(xué)熱處理、蠕變、燒結(jié)的基礎(chǔ)。它是固態(tài)相變、表面化學(xué)熱處理、蠕變、燒結(jié)的基礎(chǔ)。晶體性能的變化：晶體性能的變化：體積、光學(xué)、磁性、導(dǎo)電性等改變。體積、光學(xué)、磁性、導(dǎo)電性等改變。 如體積膨脹、密度降低等如體積膨脹、密度降低等283.2 線缺陷線缺陷Linear defects晶體中的位錯(cuò)晶體中的位錯(cuò)dislocations當(dāng)晶格中一部分晶體相對(duì)于另一部分晶體發(fā)生局部滑移時(shí)，當(dāng)晶格中一部分晶體相對(duì)于另一部分晶體發(fā)生局部滑移時(shí)，滑移面上滑移

23、區(qū)與未滑移區(qū)的交界線稱作滑移面上滑移區(qū)與未滑移區(qū)的交界線稱作位錯(cuò)位錯(cuò)。29位錯(cuò)位錯(cuò) Dislocations 線缺陷線缺陷就是各種類型的位錯(cuò)。它就是各種類型的位錯(cuò)。它是指晶體中的原子發(fā)生了有規(guī)律的是指晶體中的原子發(fā)生了有規(guī)律的錯(cuò)排現(xiàn)象。錯(cuò)排現(xiàn)象。 其特點(diǎn)是原子發(fā)生錯(cuò)排的范圍只其特點(diǎn)是原子發(fā)生錯(cuò)排的范圍只在在一維方向一維方向上很大，是一個(gè)直徑為上很大，是一個(gè)直徑為 3 35 5個(gè)原子間距，長(zhǎng)數(shù)百個(gè)原子間個(gè)原子間距，長(zhǎng)數(shù)百個(gè)原子間距以上的管狀原子畸變區(qū)。距以上的管狀原子畸變區(qū)。 位錯(cuò)是一種極為重要的晶體缺陷，位錯(cuò)是一種極為重要的晶體缺陷，對(duì)對(duì)金屬?gòu)?qiáng)度金屬?gòu)?qiáng)度、塑性變形塑性變形、擴(kuò)散擴(kuò)散和和相相變變

24、等有顯著影響。等有顯著影響。 位錯(cuò)包括兩種基本類型：位錯(cuò)包括兩種基本類型：刃型位刃型位錯(cuò)和錯(cuò)和 螺型位錯(cuò)螺型位錯(cuò)Dislocations in Titanium alloyTEM 51450 x30位錯(cuò)（位錯(cuò)（Dislocation）理論的發(fā)展）理論的發(fā)展 起源：塑性變形起源：塑性變形(plastic deformation) 滑移滑移(slip) 滑移線滑移線 最初模型：最初模型：“剛性相對(duì)滑動(dòng)模型剛性相對(duì)滑動(dòng)模型” 計(jì)算臨界切應(yīng)力計(jì)算臨界切應(yīng)力 t tm = G/30 （G 切變模量）切變模量） 純純Fe的切變模量約為：的切變模量約為：100GPa 純純Fe的理論臨界切應(yīng)力：約的理論臨界切

25、應(yīng)力：約3000MPa 純純Fe的實(shí)際屈服強(qiáng)度：的實(shí)際屈服強(qiáng)度： 1 10MPa 1934年年 Taylor、Orowan、Polanyi提出提出“位錯(cuò)模型位錯(cuò)模型”， 滑移是通過(guò)稱為位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)而進(jìn)行的滑移是通過(guò)稱為位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)而進(jìn)行的 1950年代后年代后 位錯(cuò)模型為實(shí)驗(yàn)所驗(yàn)證位錯(cuò)模型為實(shí)驗(yàn)所驗(yàn)證 現(xiàn)在，位錯(cuò)是晶體性能研究中現(xiàn)在，位錯(cuò)是晶體性能研究中最重要的概念最重要的概念 被廣泛用來(lái)研究固態(tài)相變、晶體光、電、聲、磁、熱力學(xué)，表面及催化等被廣泛用來(lái)研究固態(tài)相變、晶體光、電、聲、磁、熱力學(xué)，表面及催化等相差相差3-4個(gè)數(shù)量級(jí)個(gè)數(shù)量級(jí)31v 理論切變強(qiáng)度與實(shí)際切變強(qiáng)度間的巨大差異：理論切變強(qiáng)度與實(shí)

26、際切變強(qiáng)度間的巨大差異： 從根本上否定理想完整晶體的剛性相對(duì)滑移的假設(shè)，即實(shí)際從根本上否定理想完整晶體的剛性相對(duì)滑移的假設(shè)，即實(shí)際晶體是不完整的，而有缺陷的。晶體是不完整的，而有缺陷的。 滑移也不是剛性的，而是從晶體中局部薄弱地區(qū)滑移也不是剛性的，而是從晶體中局部薄弱地區(qū)(即缺陷處即缺陷處)開始，而逐步進(jìn)行的。開始，而逐步進(jìn)行的。 彈性變形彈性變形出現(xiàn)位錯(cuò)出現(xiàn)位錯(cuò)位錯(cuò)遷移位錯(cuò)遷移晶體形狀改變，但未斷裂晶體形狀改變，但未斷裂并仍保留原始晶體結(jié)構(gòu)并仍保留原始晶體結(jié)構(gòu)待變形晶體待變形晶體晶體的逐步滑移晶體的逐步滑移323.2.1. 位錯(cuò)的基本類型和特征位錯(cuò)的基本類型和特征刃型位錯(cuò)刃型位錯(cuò) edge

27、dislocation螺型位錯(cuò)螺型位錯(cuò) screw dislocation位錯(cuò)是原子排列的一種特殊組態(tài)。位錯(cuò)是原子排列的一種特殊組態(tài)。根據(jù)幾何結(jié)構(gòu)根據(jù)幾何結(jié)構(gòu)混合位錯(cuò)混合位錯(cuò) mixed dislocation33A. 刃型位錯(cuò)刃型位錯(cuò) edge dislocation 刃型位錯(cuò)：當(dāng)一個(gè)完整晶體某晶面以上的某處多出半個(gè)原刃型位錯(cuò)：當(dāng)一個(gè)完整晶體某晶面以上的某處多出半個(gè)原子面，該晶面象刀刃一樣切入晶體，這個(gè)多余原子面的邊子面，該晶面象刀刃一樣切入晶體，這個(gè)多余原子面的邊緣就是緣就是刃型位錯(cuò)刃型位錯(cuò)。 半原子面在滑移面以上的稱正位錯(cuò)，用半原子面在滑移面以上的稱正位錯(cuò)，用“ ”表示。表示。 半原子面

28、在滑移面以下的稱負(fù)位錯(cuò)，用半原子面在滑移面以下的稱負(fù)位錯(cuò)，用“”表示。表示。刃型位錯(cuò)刃型位錯(cuò)34刃型位錯(cuò)的特點(diǎn)：刃型位錯(cuò)的特點(diǎn)：A. 若額外半原子面位于晶體的上半部，則此處的位錯(cuò)線稱為若額外半原子面位于晶體的上半部，則此處的位錯(cuò)線稱為正刃正刃型位錯(cuò)（型位錯(cuò)（ ），反之，則稱為，反之，則稱為負(fù)刃型位錯(cuò)（負(fù)刃型位錯(cuò)（ ）。兩者沒(méi)有本質(zhì)。兩者沒(méi)有本質(zhì)區(qū)別。區(qū)別。B. B. 刃型位錯(cuò)線可以理解為刃型位錯(cuò)線可以理解為已滑移區(qū)已滑移區(qū)和和未滑移區(qū)未滑移區(qū)的分界線，它的分界線，它不一不一定是直線定是直線；35C.C. 滑移面滑移面是同時(shí)包括位錯(cuò)線和滑移矢量的平面，刃型位錯(cuò)的位錯(cuò)線是同時(shí)包括位錯(cuò)線和滑移矢量的

29、平面，刃型位錯(cuò)的位錯(cuò)線和滑移矢量互相垂直，一個(gè)刃型位錯(cuò)所構(gòu)成的和滑移矢量互相垂直，一個(gè)刃型位錯(cuò)所構(gòu)成的滑移面只有一個(gè)滑移面只有一個(gè)；D. D. 位錯(cuò)的存在使得位錯(cuò)周圍的點(diǎn)陣發(fā)生彈性畸變，即有切應(yīng)變，又位錯(cuò)的存在使得位錯(cuò)周圍的點(diǎn)陣發(fā)生彈性畸變，即有切應(yīng)變，又有正應(yīng)變。對(duì)正刃型位錯(cuò)而言，有正應(yīng)變。對(duì)正刃型位錯(cuò)而言，位錯(cuò)線上、下部臨近范圍內(nèi)原子受位錯(cuò)線上、下部臨近范圍內(nèi)原子受到到壓應(yīng)力、拉應(yīng)力壓應(yīng)力、拉應(yīng)力, 離位錯(cuò)線較遠(yuǎn)處原子排列恢復(fù)正常。離位錯(cuò)線較遠(yuǎn)處原子排列恢復(fù)正常。E. 在位錯(cuò)線周圍的畸變區(qū)內(nèi)，每個(gè)原子具有較大的平均能量。這個(gè)在位錯(cuò)線周圍的畸變區(qū)內(nèi)，每個(gè)原子具有較大的平均能量。這個(gè)區(qū)域只有幾

30、個(gè)原子間距寬，是狹長(zhǎng)的管道，所以刃型位錯(cuò)是線缺陷。區(qū)域只有幾個(gè)原子間距寬，是狹長(zhǎng)的管道，所以刃型位錯(cuò)是線缺陷。36電子顯微鏡下的位錯(cuò)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)37點(diǎn)缺陷點(diǎn)缺陷空位空位間隙原子間隙原子置換原子置換原子在一定溫度下具有一定的平在一定溫度下具有一定的平衡濃度衡濃度C=n/N=e-Ev/kT刃型位錯(cuò)刃型位錯(cuò)螺型位錯(cuò)螺型位錯(cuò)點(diǎn)缺陷的運(yùn)動(dòng)：自擴(kuò)散！點(diǎn)缺陷的運(yùn)動(dòng)：自擴(kuò)散！線缺陷線缺陷位錯(cuò)位錯(cuò)2nd 38刃型位錯(cuò)的特點(diǎn)：刃型位錯(cuò)的特點(diǎn)：A. 若額外半原子面位于晶體的上半部，則稱為若額外半原子面位于晶體的上半部，則稱為正刃型位錯(cuò)正刃型位錯(cuò)（ ），反之，為，反

31、之，為負(fù)刃型位錯(cuò)（負(fù)刃型位錯(cuò)（ ）。兩者沒(méi)有本質(zhì)區(qū)別。兩者沒(méi)有本質(zhì)區(qū)別。B. B. 刃型位錯(cuò)線刃型位錯(cuò)線不一定是直線不一定是直線；C.C.一個(gè)刃型位錯(cuò)所構(gòu)成的一個(gè)刃型位錯(cuò)所構(gòu)成的滑移面只有一個(gè)，由于滑移面只有一個(gè)，由于刃型位錯(cuò)線與刃型位錯(cuò)線與滑移矢量垂直；滑移矢量垂直；D. D. 位錯(cuò)的存在使得位錯(cuò)周圍的點(diǎn)陣發(fā)生彈性畸變，即有切應(yīng)位錯(cuò)的存在使得位錯(cuò)周圍的點(diǎn)陣發(fā)生彈性畸變，即有切應(yīng)變，又有正應(yīng)變。變，又有正應(yīng)變。E. 位錯(cuò)線周圍的畸變區(qū)只有幾個(gè)原子間距寬，是狹長(zhǎng)的管道，位錯(cuò)線周圍的畸變區(qū)只有幾個(gè)原子間距寬，是狹長(zhǎng)的管道，故線缺陷。故線缺陷。39B. 螺型位錯(cuò)螺型位錯(cuò) screw dislocat

32、ion螺型位錯(cuò)：螺型位錯(cuò)：位錯(cuò)附近的原子是按位錯(cuò)附近的原子是按螺螺旋形旋形排列的。排列的。位錯(cuò)線位錯(cuò)線（bbbb）：已滑移區(qū)和未滑已滑移區(qū)和未滑移區(qū)的移區(qū)的分界線分界線?；儏^(qū)畸變區(qū)（aabbaabb）：約幾個(gè)原子約幾個(gè)原子間距寬、上下層原子位置不相吻合間距寬、上下層原子位置不相吻合的過(guò)渡區(qū)，原子的正常排列遭破壞的過(guò)渡區(qū)，原子的正常排列遭破壞。螺型位錯(cuò)也是螺型位錯(cuò)也是線缺陷線缺陷。t tt tbbaat tt t40螺型位錯(cuò)示意圖螺型位錯(cuò)示意圖41螺型位錯(cuò)的特點(diǎn)：螺型位錯(cuò)的特點(diǎn)：A. A. 螺型位錯(cuò)無(wú)額外半原子面，螺型位錯(cuò)無(wú)額外半原子面，原子錯(cuò)排呈原子錯(cuò)排呈軸對(duì)稱軸對(duì)稱；B. B. 根據(jù)位錯(cuò)線

33、附近呈螺旋形排根據(jù)位錯(cuò)線附近呈螺旋形排列的原子的旋轉(zhuǎn)方向不同，可列的原子的旋轉(zhuǎn)方向不同，可分為分為右旋右旋和和左旋左旋螺型位錯(cuò)；螺型位錯(cuò)；42C. C. 螺型位錯(cuò)的螺型位錯(cuò)的位錯(cuò)線位錯(cuò)線與與滑移矢量滑移矢量平行，因此平行，因此一定是直線；位錯(cuò)線的一定是直線；位錯(cuò)線的移動(dòng)方向移動(dòng)方向與晶體與晶體滑移滑移方向方向互相垂直；互相垂直；D. D. 純螺型位錯(cuò)的純螺型位錯(cuò)的滑移面不是唯一滑移面不是唯一的；凡包含的；凡包含位錯(cuò)線的平面都可作為滑移面；一般，位錯(cuò)位錯(cuò)線的平面都可作為滑移面；一般，位錯(cuò)在原子密排面上進(jìn)行；在原子密排面上進(jìn)行；E. E. 螺型位錯(cuò)周圍的點(diǎn)陣發(fā)生彈性畸變，只有螺型位錯(cuò)周圍的點(diǎn)陣發(fā)生彈性畸變，只有平行于位錯(cuò)線的平行于位錯(cuò)線的切應(yīng)變切應(yīng)變，無(wú)正應(yīng)變，所以不，無(wú)正應(yīng)變，所以不會(huì)引起體積膨脹和收縮。會(huì)引起體積膨脹和收縮。F. F. 螺型位錯(cuò)周圍的點(diǎn)陣畸變隨離