第三章晶體缺陷

第三章晶體缺陷李懷勇聊城大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 本章章節(jié)結(jié)構(gòu)3.1

點(diǎn)缺陷3.2

位錯(cuò)3.3

表面及界面23

位錯(cuò)（Dislocation）理論的發(fā)展

起源：塑性變形(plasticdeformation)-滑移(slip)-滑移線最初模型：“剛性相對(duì)滑動(dòng)模型”

3滑移（slip）滑移面（slipplane）滑移矢量（slipvector)4 理想的晶體滑移模型56

位錯(cuò)（Dislocation）理論的發(fā)展計(jì)算臨界切應(yīng)力tm=G/30（G—切變模量）純Fe的切變模量約為：100GPa純Fe的理論臨界切應(yīng)力：約3000MPa純Fe的實(shí)際屈服強(qiáng)度：1–10MPa相差3-4個(gè)數(shù)量級(jí)What’swrongwiththemodel?6 實(shí)際的晶體滑移模型7 位錯(cuò)（Dislocation）理論的發(fā)展1934年Taylor、Orowan、Polanyi提出“位錯(cuò)模型”，滑移是通過缺陷（位錯(cuò)）的運(yùn)動(dòng)而進(jìn)行的1950年代后位錯(cuò)模型為實(shí)驗(yàn)所驗(yàn)證現(xiàn)在，位錯(cuò)是晶體性能研究中最重要的概念，被廣泛用來研究固態(tài)相變、晶體光、電、聲、磁、熱力學(xué)，表面及催化等8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)，滑移面上滑移區(qū)與未滑移區(qū)的交界線稱作位錯(cuò)。 3.2.1.位錯(cuò)的基本類型9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)刃型位錯(cuò)edgedislocation螺型位錯(cuò)screwdislocation混合位錯(cuò)mixeddislocation 3.2.1.位錯(cuò)的基本類型10

1、刃型位錯(cuò)edgedislocation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)多余原子面的邊緣就是刃型位錯(cuò)。11 刃型位錯(cuò)原子組態(tài)12ZnO中的刃位錯(cuò)1314

刃型位錯(cuò)的特點(diǎn)15（1）半原子面分正負(fù)存在額外半原子面。若額外半原子面位于晶體的上半部，則此處的位錯(cuò)線稱為正刃型位錯(cuò)（┴），反之，則稱為負(fù)刃型位錯(cuò)（┬）。兩者沒有本質(zhì)區(qū)別。15

刃型位錯(cuò)的特點(diǎn)16（2）刃位錯(cuò)線可曲彎刃型位錯(cuò)線為已滑移區(qū)和未滑移區(qū)的分界線，它不一定是直線16（3）滑移矢量相垂直刃型位錯(cuò)的位錯(cuò)線和滑移矢量互相垂直，滑移面是同時(shí)包括位錯(cuò)線和滑移矢量的平面，一個(gè)刃型位錯(cuò)所構(gòu)成的滑移面只有一個(gè) 刃型位錯(cuò)的特點(diǎn)17 刃型位錯(cuò)的特點(diǎn)（4）彈性畸變兼正切位錯(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，位錯(cuò)線上、下部臨近范圍內(nèi)原子受到壓應(yīng)力、拉應(yīng)力,離位錯(cuò)線較遠(yuǎn)處原子排列恢復(fù)正常。18 刃型位錯(cuò)的特點(diǎn)（5）刃位錯(cuò)是線缺陷在位錯(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。191.當(dāng)晶格中一部分晶體相對(duì)于另一部分發(fā)生局部滑移時(shí)，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)是原子排列的一種特殊組態(tài)。2.根據(jù)幾何結(jié)構(gòu)刃型位錯(cuò)edgedislocation螺型位錯(cuò)screwdislocation混合位錯(cuò)mixeddislocation 前課提要：20 前課提要：3.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)多余原子面的邊緣就是刃型位錯(cuò)。4.刃型位錯(cuò)的特點(diǎn)：（1）半原子面分正負(fù)（2）刃位錯(cuò)線可曲彎（3）滑移矢量相垂直（4）彈性畸變兼正切（5）刃位錯(cuò)是線缺陷21 2、螺型位錯(cuò)（Screwdislocation）螺型位錯(cuò)：當(dāng)一完整晶體被沿某晶面間被切開后，切開部分被扭曲一個(gè)原子間距，則在扭曲和未扭曲部分間的交界形成一螺型位錯(cuò)。22

螺型位錯(cuò)原子組態(tài)23螺型位錯(cuò)：位錯(cuò)附近的原子是按螺旋形排列的。位錯(cuò)線（bb’）：已滑移區(qū)和未滑移區(qū)的分界線?；儏^(qū)（aa’b’b）：約幾個(gè)原子間距寬、上下層原子位置不相吻合的過渡區(qū)，原子的正常排列遭破壞。螺型位錯(cuò)也是線缺陷。24 螺型位錯(cuò)的特點(diǎn)(1)螺型位錯(cuò)分左右無額外半原子面，原子錯(cuò)排呈軸對(duì)稱；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，可分為右旋和左旋螺型位錯(cuò)；25 螺型位錯(cuò)的特點(diǎn)(2)滑移矢量相平行螺型位錯(cuò)的位錯(cuò)線與滑移矢量平行，因此一定是直線；位錯(cuò)線的移動(dòng)方向與晶體滑移方向互相垂直26 螺型位錯(cuò)的特點(diǎn)(3)滑移面可有很多純螺型位錯(cuò)的滑移面不是唯一的；凡包含位錯(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；27 螺型位錯(cuò)的特點(diǎn)(4)彈性畸變僅切變螺位錯(cuò)周圍的點(diǎn)陣發(fā)生彈性畸變，只有平行于位錯(cuò)線的切應(yīng)變，無正應(yīng)變，所以不會(huì)引起體積膨脹和收縮。28 螺型位錯(cuò)的特點(diǎn)(5)螺位錯(cuò)是線缺陷螺型位錯(cuò)周圍的點(diǎn)陣畸變隨離位錯(cuò)線距離的增加而急劇減少，故也是幾個(gè)原子寬度的線缺陷。29 區(qū)分刃、螺位錯(cuò)的依據(jù)刃位錯(cuò)線和滑移矢量垂直螺位錯(cuò)線和滑移矢量平行30 3、混合位錯(cuò)mixeddislocation31混合位錯(cuò)晶體模型32混合位錯(cuò)原子組態(tài)331、滑移矢量與位錯(cuò)線相交成任意角度2、混合位錯(cuò)線是一條曲線，可分解為刃型和螺型分量 混合位錯(cuò)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：34位錯(cuò)環(huán)35大?。夯兊某潭?，滑移距離；方向：什么類型的位錯(cuò)；滑移(錯(cuò)位)的方向。

3.2.2伯格氏（Burgers）矢量透射電鏡下鈦合金中的位錯(cuò)線(黑線)36(a)有位錯(cuò)的晶體(b)完整晶體MNOPQMNOPQ伯氏矢量 1.伯氏矢量的確定(刃型位錯(cuò))37(a)有位錯(cuò)的晶體(b)完整晶體

伯氏矢量 1.伯氏矢量的確定(螺型位錯(cuò))38

1.伯氏矢量求法做一個(gè)伯式回路，步驟：（1）確定位錯(cuò)線的正方向（2）用右手螺旋定則確定回路。（3）圍繞位錯(cuò)做一右旋閉合回路。（4）在完整晶體中按同樣的方向和步數(shù)作相同的回路，如不閉合，則由終點(diǎn)向起點(diǎn)引一矢量b，即為伯氏矢量。39ScrewEdge40混合位錯(cuò)的形成混合位錯(cuò)分解為刃位錯(cuò)和螺位錯(cuò)示意圖41刃位錯(cuò)的正負(fù)：右手法則,食－位錯(cuò)線(正向),中－伯氏矢量,拇指代表多余半原子面的位向，規(guī)定拇指向上為正，反之為負(fù)。螺位錯(cuò)的左右：伯氏矢量與位錯(cuò)線正向平行的為右，反之為左。

位錯(cuò)線伯氏矢量刃型正負(fù)右手法則直角坐標(biāo)bb刃型位錯(cuò)bb右左螺型位錯(cuò)正?負(fù)× 判斷位錯(cuò)的性質(zhì)42ScrewEdgebs=bcosb┴=bsin混合位錯(cuò)43思考題一個(gè)位錯(cuò)環(huán)能否各部分都是螺位錯(cuò)?能否各部分都是刃位錯(cuò)?為什么?解：螺位錯(cuò)的柏氏矢量與位錯(cuò)線平行，而一個(gè)位錯(cuò)只有一個(gè)柏氏矢量，一個(gè)位錯(cuò)環(huán)不可能與一個(gè)方向處處平行，所以一個(gè)位錯(cuò)環(huán)不能各部分都是螺位錯(cuò)。刃位錯(cuò)的柏氏矢量與位錯(cuò)線垂直，如果柏氏矢量垂直位錯(cuò)環(huán)所在的平面，則位錯(cuò)環(huán)處處都是刃位錯(cuò)。這種位錯(cuò)的滑移面是位錯(cuò)環(huán)與柏氏矢量方向組成的棱柱面，這種位錯(cuò)又稱棱柱位錯(cuò)。4445

2.伯氏矢量的特性1).點(diǎn)陣畸變總累積的物理量。而該矢量的模|b|表示了畸變的程度，稱為位錯(cuò)的強(qiáng)度。2).柏氏矢量是唯一的，這就是柏氏矢量的守恒性(計(jì)算)。3).一根位錯(cuò)線具有唯一的柏氏矢量（位錯(cuò)線上各處）。4).分解（證明）

5).位錯(cuò)的連續(xù)性。不能中斷于晶體內(nèi)部。（證明）交點(diǎn)b=046

3.伯氏矢量的表示方法位錯(cuò)的伯氏矢量，任一原子從一個(gè)位置移向另一個(gè)位置所引出的矢量。伯氏矢量的大小和方向可以用它在晶軸上的分量來表示。具體做法是：將某個(gè)滑移矢量在晶胞坐標(biāo)軸上的分量，依次填入[

]中，提取公因數(shù)k，使括號(hào)內(nèi)的數(shù)字成為最小整數(shù)即可。47右圖中的矢量O’b，其晶向指數(shù)為[110]，伯氏矢量b1=1a+1b+0c,對(duì)于立方晶體a=b=c，故可簡(jiǎn)寫為：xO’abOyz右圖中的矢量Oa，其晶向指數(shù)也為[110]，伯氏矢量b2=1/2a+1/2b+0c，可簡(jiǎn)寫為： 舉例48 立方晶系晶體柏氏矢量表示方法由于a=b=c，柏氏矢量可用晶向指數(shù)表示為：b=a/n<uvw>

，n為正整數(shù)。符合加減定律。其中a為晶胞參數(shù)，[uvw]表示矢量方向，它與晶體滑移方向的晶向符號(hào)相同。只不過晶向指數(shù)沒有“大小”的概念，而柏氏矢量必須在晶向指數(shù)的基礎(chǔ)上把該矢量的模（或位錯(cuò)強(qiáng)度）也表示出來，因而要同時(shí)標(biāo)出該矢量在各個(gè)晶軸上的分量.49位錯(cuò)的強(qiáng)度：就是錯(cuò)位的距離同一晶體中，柏氏矢量愈大，表明該位錯(cuò)導(dǎo)致點(diǎn)陣畸變愈嚴(yán)重，它所處的能量也愈高。能量較高的位錯(cuò)通常傾向于分解為兩個(gè)或多個(gè)能量較低的位錯(cuò)：b1→b2＋b3，并滿足|b1|2＞|b2|2＋|b3|2，以使系統(tǒng)的自由能下降。50判斷下列位錯(cuò)反應(yīng)能否進(jìn)行？若能進(jìn)行，試在晶胞上作出矢量圖。

思考題：51

3.2.3位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)宏觀的塑性形變是位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的結(jié)果；深入理解位錯(cuò)與材料的力學(xué)性能的關(guān)系；兩種最基本的形式：滑移和攀移。52

1.位錯(cuò)的滑移（1）刃型位錯(cuò)的滑移：是刃型位錯(cuò)在外加切應(yīng)力的作用下，通過位錯(cuò)中心附近的原子沿伯氏矢量方向象毛蟲一樣爬行。5354 （2）螺型位錯(cuò)的滑移特點(diǎn)：a.滑移面選擇很多；b.交滑移；c.雙交滑移55 （3）混合位錯(cuò)的滑移沿各點(diǎn)的法線方向在滑移面上向外擴(kuò)展。56刃位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)螺位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)混合位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng) （4）位錯(cuò)滑移的結(jié)果571)位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)方向與位錯(cuò)線關(guān)系；

2)晶體的滑移方向與位錯(cuò)線關(guān)系；

3)切應(yīng)力方向與柏氏矢量關(guān)系；4)晶體的相對(duì)位移與柏氏矢量關(guān)系；5)對(duì)螺型位錯(cuò)，如果在原滑移面上運(yùn)動(dòng)受阻時(shí)，有可能轉(zhuǎn)移到與之相交的另一滑移面上繼續(xù)滑移，這稱為交滑移(雙交滑移）。

（5）位錯(cuò)滑移的特點(diǎn)58位錯(cuò)的滑移特征位錯(cuò)類型柏氏矢量位錯(cuò)線運(yùn)動(dòng)方向晶體滑移方向切應(yīng)力方向滑移面數(shù)目刃型位錯(cuò)⊥位錯(cuò)線⊥位錯(cuò)線本身與b一致與b一致唯一確定螺型位錯(cuò)∥位錯(cuò)線⊥位錯(cuò)線本身與b一致與b一致多個(gè)混合位錯(cuò)成角度⊥位錯(cuò)線本身與b一致與b一致唯一確定59 幾點(diǎn)思考：a.位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的推動(dòng)力？b.同一形變（物質(zhì)遷移）可以通過不同類型的位錯(cuò)來實(shí)現(xiàn)？c.位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)和原子運(yùn)動(dòng)的關(guān)系？d.同一切應(yīng)力作用下b方向相反位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)方向有什么不同？外加應(yīng)力可以方向相反相關(guān)但不相同60右旋左旋正負(fù)61 （6）位錯(cuò)線運(yùn)動(dòng)方向的右手法則拇指沿b方向滑移的那部分晶體中指位錯(cuò)線運(yùn)動(dòng)方向食指位錯(cuò)線方向62思考題1、圖中有一位錯(cuò)錢AB，其滑移面為圖中黃線所示，另有一與滑移面垂直相交于CD的圓環(huán)。（1）AB在外力作用下由右向左運(yùn)動(dòng)，請(qǐng)?jiān)趫D中標(biāo)出其柏氏矢量b和所需外加應(yīng)力；（2）說明AB滑過圓環(huán)后，對(duì)圓環(huán)會(huì)產(chǎn)生什么影響？提示：分別按純?nèi)形诲e(cuò)和純螺位錯(cuò)討論63ABCD>>>>bttssxyzo2、如圖，在晶體的滑移面上有一伯氏矢量為b的位錯(cuò)環(huán)，并受到均勻切應(yīng)力和s的作用。（1）分析該位錯(cuò)環(huán)各段位錯(cuò)的結(jié)構(gòu)類型；（2）在的作用下，該位錯(cuò)環(huán)將如何運(yùn)動(dòng)？（3）在s的作用下，位錯(cuò)環(huán)將如何運(yùn)動(dòng)？64什么是刃型位錯(cuò)的攀移？ 2.刃型位錯(cuò)的攀移65刃位錯(cuò)攀移示意圖（a）正攀移（半原子面縮短）(b)未攀移（c）負(fù)攀移（半原子面伸長(zhǎng)）66定義：刃型位錯(cuò)在垂直于滑移面的方向上運(yùn)動(dòng)，即發(fā)生攀移。正負(fù)攀移。特點(diǎn)：位錯(cuò)攀移需要熱激活，較之滑移所需的能量更大。 2.刃型位錯(cuò)的攀移67在位錯(cuò)的滑移運(yùn)動(dòng)過程中，其位錯(cuò)線往往很難同時(shí)實(shí)現(xiàn)全長(zhǎng)的運(yùn)動(dòng)。 阻力或者位錯(cuò)間的交割打彎：扭折（處于滑移面上)割階（垂直于滑移面） 3.運(yùn)動(dòng)位錯(cuò)的交割68圖3.17位錯(cuò)中出現(xiàn)的割階與扭折示意圖(a)刃型位錯(cuò)（b）螺型位錯(cuò) 扭折和割階的位錯(cuò)類型刃位錯(cuò)：扭折，螺位錯(cuò)螺位錯(cuò)：均為刃位錯(cuò)割階，刃位錯(cuò)69兩個(gè)伯氏矢量互相垂直/平行的刃位錯(cuò)交割垂直平行70兩個(gè)伯氏矢量互相