晶體缺陷上海交大材料科學基礎(chǔ)

文檔僅供參考，如文有檔不僅當供之參處考，請聯(lián)系改正。1第三章晶體缺陷Crys

ta

l

De

fe

c

ts

or

Im

pe

rfe

c

tions文檔僅供參考，如文有檔不僅當供之參處考，請聯(lián)系改正。實際金屬材料幾乎都是多晶體，即由許多彼此方位不同、外形不規(guī)則的小晶體（單晶體）組成，這些小晶體稱為晶粒g

ra

ins

。純鐵組織晶粒示意圖2文檔僅供參考，如文有檔不僅當供之參處考，請聯(lián)系改正。單晶體和多晶體的區(qū)別單晶體：是指在整個晶體內(nèi)部原子都按照周期性的規(guī)則排列。單晶體3文檔僅供參考，如文有檔不僅當供之參處考，請聯(lián)系改正。4沿晶斷口鉛錠宏觀組織變形金屬晶粒尺寸約1~100m，鑄造金屬可達幾個mm。多晶體：是指在晶體內(nèi)每個局部區(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，因此多晶體也可看成由許多取向不同的小單晶體（晶粒）組成。文檔僅供參考，如文有檔不僅當供之參處考，請聯(lián)系改正。缺陷的分類：根據(jù)缺陷的幾何特征點缺陷（Pointdefects）：最簡單的晶體缺陷，在結(jié)點上或鄰近的微觀區(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，約為一個、幾個原子間距，又稱零維缺陷。包括空位vacancies、間隙原子interstitial

atoms、雜質(zhì)impurities、溶質(zhì)原子solutes等。線缺陷（L

ineardefects）：在一個方向上的缺陷擴展很大，其它兩個方向上尺寸很小，也稱為一維缺陷。主要為位錯dislocations。面缺陷（Planardefects）：在兩個方向上的缺陷擴展很大，其它一個方向上尺寸很小，也稱為二維缺陷。包括晶界grain

boundaries、相界

phase

boundaries、孿晶界twin

boundaries、堆垛層錯stacking

faults等。5文檔僅供參考，如文有檔不僅當供之參處考，請聯(lián)系改正。63.1點缺陷Point

defects指空間三維尺寸都很小的缺陷。文檔僅供參考，如文有檔不僅當供之參處考，請聯(lián)系改正。71

.

Forma

tions

of

point

de

fe

c

ts區(qū)，即晶格畸變。A.空位va

c

a

nc

ie

s晶體中點陣結(jié)點上的原子以其平衡位置為中心作熱振動，當

振動能足夠大時，將克服周圍原子的制約，跳離原來的位置，使得點陣中形成空結(jié)點，稱為空位va

ca

ncies空位空位產(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，形成一個涉及幾個原子間距范圍的彈性畸變晶格中某些缺排原子的空結(jié)點文檔僅供參考，如文有檔不僅當供之參處考，請聯(lián)系改正。8Cla

s

s

ific

a

tions

of

va

c

a

nc

ie

s還可以跑到其他空位中，使空位消失或者空位移位。離開平衡位置的原子:遷移到晶體表面或內(nèi)表面的正常結(jié)點位置，使晶體內(nèi)部留下空位。

肖脫基（S

c

hottky）缺陷擠入間隙位置，在晶體中形成數(shù)目相等的空位和間隙原子。

弗蘭克爾（Fre

nke

l）缺陷文檔僅供參考，如文有檔不僅當供之參處考，請聯(lián)系改正。9B.間隙原子inte

rs

titia

l

a

toms間隙原子擠進晶格間隙中的原子，可以是基體金屬原子，也可以是外來原子。間隙原子同樣會使周圍點陣產(chǎn)生彈性畸變，而且畸變程度要比空位引起的畸變大的多，因此，形成能大，在晶體中的濃度很低。文檔僅供參考，如文有檔不僅當供之參處考，請聯(lián)系改正。10小置換原子大置換原子取代原來原子位置的外來原子C.置換原子s

ubs

titutiona

l

a

toms文檔僅供參考，如文有檔不僅當供之參處考，請聯(lián)系改正。11點缺陷破壞了原子的平衡狀態(tài)，使晶格發(fā)生扭曲，稱晶格畸變。

從而使強度、硬度提高，塑性、韌性下降；電阻升高，密度減小等。點缺陷對晶體性能的影響文檔僅供參考，如文有檔不僅當供之參處考，請聯(lián)系改正。12由于熱起伏促使原子脫離點陣位置而形成的點缺陷稱為熱平衡缺陷（the

rma

l

e

quilibrium

de

fe

c

ts

），這是晶體內(nèi)原子熱運動的內(nèi)部條件決定的。另外，可通過改變外部條件形成點缺陷，包括高溫淬火、冷變形加工、高能粒子輻照等，這時的點缺陷濃度超過了平衡濃度，稱為過飽和的點缺陷(s

upe

rs

a

tura

te

d

point

de

fe

c

ts)。文檔僅供參考，如文有檔不僅當供之參處考，請聯(lián)系改正。點缺陷的存在造成點陣畸變，

系統(tǒng)內(nèi)能升高，

降低晶體的熱力學穩(wěn)定性增大原子排列的混亂程度，并改變周圍原子的振動頻率，

系統(tǒng)組態(tài)熵和振動熵升高，

增加晶體的熱力學穩(wěn)定性在一定溫度下具有一定的平衡濃度2.點缺陷的平衡濃度13文檔僅供參考，如文有檔不僅當供之參處考，請聯(lián)系改正。恒溫下，系統(tǒng)的自由能其中U為內(nèi)能，S為總熵值（包括組態(tài)熵S

c

和振動熵S

f），T為絕對溫度設(shè)由N個原子組成的晶體中含有n個空位，形成一個空位所需能量為Ev，當含有n個空位時，其內(nèi)能增加為

ΔU=n

*Ev，組態(tài)熵的改變?yōu)棣

c

，振動熵的改變?yōu)閚*ΔS

f，自由能的變化為FUTSFnEVT(SCn*Sf)14點缺陷的平衡濃度文檔僅供參考，如文有檔不僅當供之參處考，請聯(lián)系改正。平衡時自由能最小，即對T求導，即則空位在T溫度時的空位平衡濃度C為：其中，k為波爾茲曼常數(shù)（1.38

x

10

-23

J/K或8.62

x

10

-5

e

V/K)類似地，間隙原子平衡濃度C’：

kT

kTE

EkSNn

CvvfAexpexpexpC'Nn'e

xSkp'f

e

xEkp'v

TA'e

xEkp'v

TT15(

F

)0n文檔僅供參考，如文有檔不僅當供之參處考，請聯(lián)系改正。Exa

mplePlease

calculate

the

equilibrium

number

of

vacancies

per

cubicmeter

for

copper

（Cu）at

1000oC.

The

energy

for

vacancyformation（

Ev）

is

0.9

eV/a

tom;

the

atomic

weight（

MCu

）and

density（

）(a

t

1000oC)

for

copper

are

63.5

g/mol

and

8.4g/cm3,

respectively.Solution:根據(jù)空位平衡濃度公式C=n/N=A

e

xp(-Ev

/kT)每立方米銅中的空位數(shù)（1000

o

C即1273

K）為n

=N

e

xp(-

Ev

/

kT

)

=

2

.2

x

1025

va

c

a

nc

ie

s

/m

3其中k為B

oltzma

n’s

c

ons

ta

nt（1.38

x

10

-23

J/K或8.62

x

10

-5

e

V/K)vn

E

C

Aexp

N

kT

(按A=1考慮）2316M

0aM

63.5*N

8.4*6.023*1022

3

8*10個/cmNa*V(8*1022)*1068*1028個文檔僅供參考，如文有檔不僅當供之參處考，請聯(lián)系改正。17一般，晶體中間隙原子的形成能比空位的形成能大3-4倍，間隙原子的量與空位相比可以忽略。例如，Cu的空位形成能為1.7

*10

-19

J，間隙原子的形成能為4.8

*10

-19

J，在1273

K時，空位的平衡濃度C~10

-4

，間隙原子的C’~1

0

-14

，C/C’~

1010

。所以間隙原子可忽略不計。1

e

V~100

kJ

/m

ol文檔僅供參考，如文有檔不僅當供之參處考，請聯(lián)系改正。3.點缺陷的運動必然性：在一定溫度下，點缺陷數(shù)目（濃度）一定，并處于不斷的運動過程中，是一個動態(tài)平衡。遷移：晶格上的原子由于熱運動，跳入空位中，形成另一個空位，原來空位消失。這一過程可以看作空位的移動，即

空位遷移。同樣，間隙原子可從一個位置移動到另一個位置，形成間隙原子遷移。復合：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缺陷平衡濃度保持一定，因此，又會產(chǎn)生新的間隙原子、空位。18文檔僅供參考，如文有檔不僅當供之參處考，請聯(lián)系改正。19點缺陷的運動產(chǎn)生的影響：晶體中的原子正是由于空位和間隙原子不斷的產(chǎn)生和復合，才不停地由一處向另一處作無規(guī)則的布朗運動，這就是晶體中原子的自擴散。它是固態(tài)相變、表面化學熱處理、蠕變、燒結(jié)的基礎(chǔ)。晶體性能的變化：體積、光學、磁性、導電性等改變。如體積膨脹、密度降低等文檔僅供參考，如文有檔不僅當供之參處考，請聯(lián)系改正。203.2線缺陷L

inear

defects晶體中的位錯dis

loc

a

tions當晶格中一部分晶體相對于另一部分晶體發(fā)生局部滑移時，滑移面上滑移區(qū)與未滑移區(qū)的交界線稱作位錯。文檔僅供參考，如文有檔不僅當供之參處考，請聯(lián)系改正。位錯Dis

loc

a

tions線缺陷就是各種類型的位錯。它是指晶體中的原子發(fā)生了有規(guī)律的錯排現(xiàn)象。其特點是原子發(fā)生錯排的范圍只在一維方向上很大，是一個直徑為

3～5個原子間距，長數(shù)百個原子間距以上的管狀原子畸變區(qū)。位錯是一種極為重要的晶體缺陷，對金屬強度、塑性變形、擴散和相變等有顯著影響。位錯包括兩種基本類型：刃型位錯和螺型位錯Dislocations

in

Titanium

alloyTEM

51450

x21文檔僅供參考，如文有檔不僅當供之參處考，請聯(lián)系改正。位錯（Dis

loc

a

tion）理論的發(fā)展起源：塑性變形(pla

s

tic

de

forma

tion)—滑移(s

lip)—滑移線最初模型：“剛性相對滑動模型”計算臨界切應(yīng)力

m

=G/30

（G—切變模量）純Fe的切變模量約為：100

GP

a純Fe的理論臨界切應(yīng)力：約3000

MP

a純Fe的實際屈服強度：1–1

0

MP

a1934年Ta

y

lor、Orowa

n、P

ola

nyi提出“位錯模型”，滑移是通過稱為位錯的運動而進行的1950年代后位錯模型為實驗所驗證現(xiàn)在，位錯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，表面及催化2

2

等相差3-4個數(shù)量級文檔僅供參考，如文有檔不僅當供之參處考，請聯(lián)系改正。3.2.1.位錯的基本類型和特征刃型位錯e

dg

e

dis

loc

a

tion螺型位錯s

c

re

w

dis

loc

a

tion位錯是原子排列的一種特殊組態(tài)。根據(jù)幾何結(jié)構(gòu)混合位錯mixe

d

dis

loc

a

tion23文檔僅供參考，如文有檔不僅當供之參處考，請聯(lián)系改正。A.刃型位錯e

dg

e

dis

loc

a

tion煉刃型位錯：當一個完整晶體某晶面以上的某處多出半個原子面，該晶面象刀刃一樣切入晶體，這個多余原子面的邊緣就是刃型位錯。煉半原子面在滑移面以上的稱正位錯，用“

”表示。煉半原子面在滑移面以下的稱負位錯，用“怓”表示。刃型位錯24文檔僅供參考，如文有檔不僅當供之參處考，請聯(lián)系改正。刃型位錯的特點：若額外半原子面位于晶體的上半部，則此處的位錯線稱為正刃型位錯（┴），反之，則稱為負刃型位錯（┬）。兩者沒有本質(zhì)區(qū)別。刃型位錯線可以理解為已滑移區(qū)和未滑移區(qū)的分界線，它不一定是直線；25文檔僅供參考，如文有檔不僅當供之參處考，請聯(lián)系改正。C.滑移面是同時包括位錯線和滑移矢量的平面，刃型位錯的位錯線和滑移矢量互相垂直，一個刃型位錯所構(gòu)成的滑移面只有一個；D.位錯的存在使得位錯周圍的點陣發(fā)生彈性畸變，即有切應(yīng)變，又有正應(yīng)變。對正刃型位錯而言，位錯線上、下部臨近范圍內(nèi)原子受到壓應(yīng)力、拉應(yīng)力,離位錯線較遠處原子排列恢復正常。E.在位錯線周圍的畸變區(qū)內(nèi)，每個原子具有較大的平均能量。這個區(qū)域只有幾個原子間距寬，是狹長的管道，所以刃型位錯是線缺陷。26文檔僅供參考，如文有檔不僅當供之參處考，請聯(lián)系改正。27電子顯微鏡下的位錯透射電鏡下鈦合金中的位錯線(黑線)高分辨率電鏡下的刃位錯（白點為原子）文檔僅供參考，如文有檔不僅當供之參處考，請聯(lián)系改正。點缺陷空位間隙原子置換原子在一定溫度下具有一定的平衡濃度C=n/N=e

-Ev/kT刃型位錯螺型位錯點缺陷的運動：自擴散！線缺陷位錯282

nd文檔僅供參考，如文有檔不僅當供之參處考，請聯(lián)系改正。刃型位錯的特點：A.若額外半原子面位于晶體的上半部，則稱為正刃型位錯（┴），反之，為負刃型位錯（┬）。兩者沒有本質(zhì)區(qū)別。

B.刃型位錯線不一定是直線；C.一個刃型位錯所構(gòu)成的滑移面只有一個，由于刃型位錯線與滑移矢量垂直；D.位錯的存在使得位錯周圍的點陣發(fā)生彈性畸變，即有切應(yīng)變，又有正應(yīng)變。E.位錯線周圍的畸變區(qū)只有幾個原子間距寬，是狹長的管道，故線缺陷。29文檔僅供參考，如文有檔不僅當供之參處考，請聯(lián)系改正。B.螺型位錯螺型位錯：位錯附近的原子是按螺旋形排列的。位錯線（b

b’）：已滑移區(qū)和未滑移區(qū)的分界線?；儏^(qū)（a

a’b’b

）：約幾個原子間距寬、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3

0。螺型位錯也是線缺陷。s

c

re

w

dis

loc

a

tion

b’a’

ba

文檔僅供參考，如文有檔不僅當供之參處考，請聯(lián)系改正。螺型位錯的特點：螺型位錯無額外半原子面，原子錯排呈軸對稱；根據(jù)位錯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；31文檔僅供參考，如文有檔不僅當供之參處考，請聯(lián)系改正。C. 螺型位錯的位錯線與滑移矢量平行，因此一定是直線；位錯線的移動方向與晶體滑移方向互相垂直；純螺型位錯的滑移面不是唯一的；凡包含位錯線的平面都可作為滑移面；一般，位錯在原子密排面上進行；螺型位錯周圍的點陣發(fā)生彈性畸變，只有平行于位錯線的切應(yīng)變，無正應(yīng)變，所以不會引起體積膨脹和收縮。螺型位錯周圍的點陣畸變隨離位錯線距離的增加而急劇減少，故也是幾個原子寬度的線缺陷。螺型位錯的特點：32文檔僅供參考，如文有檔不僅當供之參處考，請聯(lián)系改正。C.混合位錯mixe

d

dis

loc

a

tion刃型位錯螺型位錯混合位錯：一種更為普遍的位錯形式，其滑移矢量既不平行也不垂直于位錯線，而與位錯線相交成任意角度?？煽醋魇侨行臀诲e和螺型位錯的混合形式。33文檔僅供參考，如文有檔不僅當供之參處考，請聯(lián)系改正?；旌衔诲e線是一條曲線；位錯線不能終止于晶體內(nèi)部，而只能露頭于晶體表面（晶界）；位錯線若終止于晶體內(nèi)部，則必與其他位錯線相連接，或形成封閉的位錯環(huán)?；旌衔诲e的特點：34文檔僅供參考，如文有檔不僅當供之參處考，請聯(lián)系改正。位錯環(huán)35Edg

eEdg

eS

c

re

wS

c

re

w文檔僅供參考，如文有檔不僅當供之參處考，請聯(lián)系改正。3.2.2.伯氏矢量B

urg

e

rs

ve

c

tor柏氏矢量b

:用于表征不同類型位錯特征的一個物理參量，是決定晶格偏離方向與大小的向量，可揭示位錯的本質(zhì)，是1939年柏格斯(J.M.B

urg

e

rs

）提出采用柏氏回路來定義的。36文檔僅供參考，如文有檔不僅當供之參處考，請聯(lián)系改正。1.伯氏矢量的確定：伯氏回路選定位錯線的正向，通常選出紙面的方向為正在實際晶體中，從任一原子出發(fā)，圍繞位錯以一定的部數(shù)作一右旋閉合回路，稱為伯氏回路；選取時要避開嚴重的位錯畸變區(qū)3)在完整晶體中按同樣方法和部數(shù)作相應(yīng)的回路，該回路不閉合，由終點向起點引一矢量b，使該回路閉合。矢量b就是該位錯的柏氏矢量。伯氏回路MNOP

QM37OPQNN

OPMb垂直于位錯線Qb文檔僅供參考，如文有檔不僅當供之參處考，請聯(lián)系改正。NOPM

QNOPb

QM38b平行于位錯線文檔僅供參考，如文有檔不僅當供之參處考，請聯(lián)系改正?；旌衔诲e

判斷位錯的正負

柏刃位氏型錯矢正線量負右手法則直角坐標bb刃型位錯

bb

右左螺型位錯b

s

=

bc

os

b

┴=

b

s

in

正煉

負×39文檔僅供參考，如文有檔不僅當供之參處考，請聯(lián)系改正。2伯氏矢量的特性物理量：是一個反映位錯周圍點陣畸變總積累的物理量。 位錯是柏氏矢量不為零的晶體缺陷。矢量方向：表示位錯的性質(zhì)與取向，是位錯運動導致晶體滑移的方向；矢量的模∣b∣：表示該位錯畸變的程度（或稱位錯的強度），也可表示該位錯導致的晶體滑移的大小；模的平方∣b∣2

：位錯的畸變能與模的平方的大小成正比；守恒性：柏氏矢量與回路起點及具體途徑無關(guān)；唯一性：一根不分叉的位錯線具有唯一的柏氏矢量，與位錯的類型、 形狀、是否運動無關(guān)；4）矢量計算：柏氏矢量可分解、求和，滿足矢量運算5)位錯的連續(xù)性：位錯不能中斷于晶體內(nèi)部，但可以形成一個封閉的位錯環(huán)，或連接于晶界、位錯結(jié)點，或終于表面。40文檔僅供參考，如文有檔不僅當供之參處考，請聯(lián)系改正。如果幾條位錯線在晶體內(nèi)部相交（交點稱為節(jié)點），則指向節(jié)點的各位錯的伯氏矢量之和，必然等于離開節(jié)點的各位錯的伯氏矢量之和。若各位錯的方向都指向節(jié)點或者離開節(jié)點，則伯氏矢量之和恒為0。41文檔僅供參考，如文有檔不僅當供之參處考，請聯(lián)系改正。3伯氏矢量的表示法柏氏矢量的表示與晶向指數(shù)[uvw]相似，但需要在晶向指數(shù)的基礎(chǔ)上把矢量的模也表示出來，位錯的強度：12則：同一晶體中，柏氏矢量越大，該位錯的點陣畸變越嚴重，其能量越高。能量較高的位錯趨于分解為多個能量較低的位錯，使系統(tǒng)自由能降低。如果b→b

1

+b

2

；則∣b∣2

>∣b

1

∣2

+∣b

2

∣2an如果位錯b是位錯b、b之矢量和，且：b1

[u1v1w1

]n

a在立方晶系中，柏氏矢量可表示為：b[uvw]（n為正整數(shù)）12

111

222

1

21

21

2a

a

an

n

nbbb[uvw][uvw][uuvvww]22

2

2nb

a

[u

v

w

]n42ba

u2v2w2文檔僅供參考，如文有檔不僅當供之參處考，請聯(lián)系改正。ExampleAB:右螺型；BC：正刃型；CD：左螺型；DA：負刃型ABCD>b

xA

dislocation

loop

ABCD

in

the

slipping

plane

withBurgers

vector

b

is

produced

by

an

applied

stress

t.Please

determine

the

types

of

the

dislocation

loop.y43z

o文檔僅供參考，如文有檔不僅當供之參處考，請聯(lián)系改正。3.2.3.位錯的運動位錯運動是位錯的重要性質(zhì)之一，它與晶體的力學性能如強度、塑性、斷裂等密切相關(guān)。晶體的宏觀塑性變形是通過位錯來實現(xiàn)的?；疲╯

lip）攀移（c

limb）位錯的運動方式44文檔僅供參考，如文有檔不僅當供之參處考，請聯(lián)系改正。451位錯的滑移s

lipping位錯的滑移（守恒運動）：在外加切應(yīng)力作用下，位錯中心附近的原子沿柏氏矢量b方向在滑移面上不斷作少量位移（小于一個原子間距）而逐步實

現(xiàn)。文檔僅供參考，如文有檔不僅當供之參處考，請聯(lián)系改正。刃位錯的運動螺位錯的運動混合位錯的運動46文檔僅供參考，如文有檔不僅當供之參處考，請聯(lián)系改正。A刃型位錯滑移多腳蟲的爬行47Ta

ke

much

less

energy

!文檔僅供參考，如文有檔不僅當供之參處考，請聯(lián)系改正。B螺型位錯滑移原始位置位錯向左移動一個原子間距48文檔僅供參考，如文有檔不僅當供之參處考，請聯(lián)系改正。abfedc位錯線49交滑移：由于螺型位錯可有多個滑移面，螺型位錯在原滑移面上運動受阻時，可轉(zhuǎn)移到與之相交的另一個滑移面上繼續(xù)滑移。如果交滑移后的位錯再轉(zhuǎn)回到和原滑移面平行的滑移面上繼續(xù)運動，則稱為雙交滑移。文檔僅供參考，如文有檔不僅當供之參處考，請聯(lián)系改正。C混合位錯滑移分解為刃型和螺型位錯進行解析50文檔僅供參考，如文有檔不僅當供之參處考，請聯(lián)系改正。51位錯滑移的特點刃型位錯滑移的切應(yīng)力方向與位錯線垂直，而螺型位錯滑移的切應(yīng)力方向與位錯線平行；無論刃型位錯還是螺型位錯，位錯的運動方向總是與位錯線垂直的；（伯氏矢量方向代表晶體的滑移方向）刃型位錯引起的晶體的滑移方向與位錯運動方向一致，而螺型位錯引起的晶體的滑移方向與位錯運動方向垂直；位錯滑移的切應(yīng)力方向與柏氏矢量一致；位錯滑移后，滑移面兩側(cè)晶體的相對位移與柏氏矢量一致。對螺型位錯，如果在原滑移面上運動受阻時，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）文檔僅供參考，如文有檔不僅當供之參處考，請聯(lián)系改正。52類型柏氏矢量b切應(yīng)力方向位錯線運動方向晶體滑移方向晶體滑移大小與b關(guān)系滑移面?zhèn)€數(shù)刃螺混合垂直位錯線平行位錯線有夾角與b一致與b一致與b一致垂直位錯線垂直位錯線垂直位錯線與b一致與b一致與b一致相等相等相等唯一多個文檔僅供參考，如文有檔不僅當供之參處考，請聯(lián)系改正。2位錯的攀移c

limbing只適合于刃型位錯位錯的攀移（非守恒運動）：刃型位錯在垂直于滑移面方向上的運動，主要是通過原子或空位的擴散來實現(xiàn)的（滑移過程基本不涉及原子的擴散）。正攀移：多余原子面向上運動；反之稱為負攀移。螺型位錯不發(fā)生攀移運動。負攀移刃型位錯正攀移53文檔僅供參考，如文有檔不僅當供之參處考，請聯(lián)系改正。54（a

）正攀移（半原子面縮短）(b)未攀移（c

）負攀移（半原子面伸長）由于攀移伴隨著位錯線附近原子的增加或減少，即有物質(zhì)遷移，因此需要擴散才能進行。位錯攀移需要熱激活，比滑移所需的能量要大。對大多數(shù)材料，在室溫下很難進行攀移，高溫下容易。另外晶體中過飽和點缺陷的存在利于攀移的進行。文檔僅供參考，如文有檔不僅當供之參處考，請聯(lián)系改正。553運動位錯的交割c

ros

s

ing

of

dis

loc

a

tions位錯在某一滑移面上運動時，對穿過滑移面的其它位錯（林位錯）的交割。包括扭折（ki

nk）和割階（j

og）。扭折：位錯交割形成的曲折線段在位錯的滑移面上時，稱為扭折。割階：若該曲折線段垂直于位錯的滑移面時，稱為割階。bacddcba刃型位錯螺型位錯56位錯交割時，會發(fā)生文相檔僅供互參考，作如文有檔不僅用當供之參處考，，請聯(lián)對系改正材。料的強化、點缺陷的產(chǎn)生有重要意義。刃型位錯的割階部分仍為刃型位錯（垂直于b），而扭折部分則為螺型位錯（平行于b）；（由柏氏矢量與位錯線取向關(guān)系確定）螺型位錯的割階和扭折部分均為刃型位錯；因為都垂直于b位錯的攀移可以理解為割階沿位錯線逐步推移。bacddcba刃型位錯螺型位錯文檔僅供參考，如文有檔不僅當供之參處考，請聯(lián)系改正。57柏氏矢量互相平行例：兩根互相垂直的刃型位錯的交割柏氏矢量互相垂直割階

刃型位錯扭折

螺型位錯文檔僅供參考，如文有檔不僅當供之參處考，請聯(lián)系改正。58位錯交割的特點運動位錯交割后，在位錯線上可能產(chǎn)生一個扭折或割階，具有原位錯線的柏氏矢量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，可隨位錯線一道運動，幾乎不產(chǎn)生阻力，且在線張力的作用下易于消失；4）割階與原位錯不在同一滑移面上，只能通過攀移運動，所以割階是位錯運動的障礙---

割階硬化文檔僅供參考，如文有檔不僅當供之參處考，請聯(lián)系改正。5)帶割階位錯的運動，按割階高度的不同分為：小割階

（割階高度為1-

2個原子間距，遺留點缺陷）、中等割階（遺留位錯偶、符號相異）、大割階

（割階高度約為20nm，位錯環(huán)）59文檔僅供參考，如文有檔不僅當供之參處考，請聯(lián)系改正。位錯3.2.4位錯的彈性性質(zhì)能量、作用力、缺陷的相互作用等60點陣畸變、彈性應(yīng)力場文檔僅供參考，如文有檔不僅當供之參處考，請聯(lián)系改正。1位錯的應(yīng)力場S

tre

s

s

fie

ld

of

dis

loc

a

tion定量計算應(yīng)力場是非常困難的，常采用彈性連續(xù)介質(zhì)模型假設(shè)：1、晶體是完全彈性體，服從胡克定律；2、晶體是各向同性的；3、晶體是由連續(xù)介質(zhì)組成的，無空隙存在；局限性：只適用于位錯中心（嚴重點陣畸變區(qū)）以外的區(qū)域壓應(yīng)力刃型位錯周圍的應(yīng)力區(qū)域拉應(yīng)力61文檔僅供參考，如文有檔不僅當供之參處考，請聯(lián)系改正。626個應(yīng)力分量：3個正應(yīng)力、3個切應(yīng)力6個應(yīng)變分量：3個正應(yīng)變、3個切應(yīng)變第一個下標代表作用面的外法線方向，第二個代表應(yīng)力的方向文檔僅供參考，如文有檔不僅當供之參處考，請聯(lián)系改正。63r1

）螺型位錯的應(yīng)力場σx

x

=σy

y

=σz

z=τx

y

=τy

x

=

0Gb

x在直角坐標系中表達式：模型：設(shè)想有一各向同性的空心圓柱體，將其沿xz面切開，使兩個切開面沿z方向做相對位移，相當于形成一個柏氏矢量為b的螺型位錯OO’為位錯線，MNO’O為滑移面由于圓柱體只有Z方向的位移，故只有一個切應(yīng)力和切應(yīng)變，其余應(yīng)力分量都為0離開中心r

處切應(yīng)力，在圓柱坐標系中表達式：σr

r

=σ

=σz

z

=r

=r

=r

z

=

0文檔僅供參考，如文有檔不僅當供之參處考，請聯(lián)系改正。螺型位錯應(yīng)力場的特點（1）只有切應(yīng)力分量，正應(yīng)力分量為零，表明螺位錯不引起晶體的膨脹和收縮；（2）螺型位錯的應(yīng)力場是軸對稱的，即螺型位錯的切應(yīng)力分量只與r有關(guān)，而與θ、z無關(guān)。即在與位錯等距離的各處，應(yīng)力值相等，且隨r增大，應(yīng)力減小。但是位錯中心的嚴重畸變區(qū)不適合。r

0,

∞z

z642r

Gb文檔僅供參考，如文有檔不僅當供之參處考，請聯(lián)系改正。σzz

=

ν（σxx

+σyy）2

2Gb

x(xy)τxz

=τzx

=τyz

=τzy

=

02

）刃型位錯應(yīng)力場模型：設(shè)想有一各向同性的空心圓柱體，將其沿xz面切開，使兩個切開面沿徑向（x軸方向）做相對位移，相當形成一個柏氏矢量為b的刃型位錯離開中心r

處切應(yīng)力，在直角坐標系中表達式：Gb

y(3x2y2)R65文檔僅供參考，如文有檔不僅當供之參處考，請聯(lián)系改正。刃型位錯應(yīng)力場的特點同時存在切應(yīng)力與正應(yīng)力分量，各應(yīng)力分量都是x、y的函數(shù)，而與z無關(guān)；在平行于位錯線的直線上，任一點的應(yīng)力均相同；刃型位錯的應(yīng)力場對稱于多余半原子面；3）y=0時，σxx

=σyy

=σzz

=0，說明在滑移面上，沒有正應(yīng)力，只有切應(yīng)力；4）y＞0時，σxx

＜0，y＜0時，

σxx

＞0，說明正刃型位錯的位錯滑移面上側(cè)為壓應(yīng)力，下側(cè)為拉應(yīng)力。66文檔僅供參考，如文有檔不僅當供之參處考，請聯(lián)系改正。672位錯的應(yīng)變能S

tra

in

e

ne

rg

y

of

dis

loc

a

tion位錯周圍點陣畸變引起的彈性應(yīng)力場，導致晶體能量的增加，稱為位錯的應(yīng)變能或位錯的能量。位錯的能量位錯中心畸變能Ec(大約為總應(yīng)變能的1/10-1/15)，忽略位錯應(yīng)力場引起的彈性應(yīng)變能Ee(主要)，求積分簡化的單位長度位錯的總應(yīng)變能：E=αGb2α與幾何因素有關(guān)，約為0.5-1單位長度刃型位錯的應(yīng)變能:單位長度螺型位錯的應(yīng)變能:單位長度混合位錯的應(yīng)變能:G

—

切變模量

K

—

角度因素

—

幾何系數(shù)

b

—

柏氏矢量

—泊松比文檔僅供參考，如文有檔不僅當供之參處考，請聯(lián)系改正。位錯能量1)位錯的能量包括兩部分：Ec和Ee；2）位錯的應(yīng)變能與b2成正比，大位錯可能分解為小位錯，以降低系統(tǒng)能量；也可理解為滑移總是沿著原子的密排方向；3)

Ee

s

/Ee

e=1-

（常用金屬的泊松比

約為1/3），故螺位錯的彈性應(yīng)變能約為刃位錯的2/3；位錯的能量是以單位長度的能量來定義的，故能量還與位錯的形狀有關(guān)，所以從系統(tǒng)能量的角度，位錯線有盡量變直和縮短其長度的趨勢；位錯的存在使晶體處于高能的不穩(wěn)定狀態(tài)。68E

=

αGb

2文檔僅供參考，如文有檔不僅當供之參處考，請聯(lián)系改正。693作用在位錯上的力forc

e

on

a

dis

loc

a

tion

FdFd在外切應(yīng)力

的作用下，位錯的移動可以理解為有一個垂直于位錯線的力Fd

作用于位錯線上。Fd

=

bFd

的方向總是與位錯線相垂直，并指向滑移面的未滑移部分作用在位錯上的力只是一種組態(tài)力，它不代表位錯附近原子實際所受力，也區(qū)別于作用在晶體上的力，其方向與外切應(yīng)力方向不一定一致。一根位錯具有唯一的柏氏矢量，只要作用在晶體上的切應(yīng)力是均勻的，則各段位錯所受的力大小相同這種受力也稱為滑移力(slip

fo

rc

e)。

文檔僅供參考，如文有檔不僅當供之參處考，請聯(lián)系改正。70若在外正應(yīng)力

的作用下，對刃型位錯來說，會在垂直于滑移面的方向運動，即發(fā)生攀移，也稱為攀移力(c

lim

bfo

rc

e

)

Fy。

Fy

=

-

bFy

的方向與位錯線攀移方向一致

為拉應(yīng)力時，F(xiàn)y

向下

Fy文檔僅供參考，如文有檔不僅當供之參處考，請聯(lián)系改正。714位錯的線張力line

te

ns

ion

of

dis

loc

a

tion位錯應(yīng)變能與位錯長度成正比，為降低能量，位錯線有力求縮短的趨勢，故在位錯線上存在一種使其變直的線張力T。線張力T可以理解為使位錯增加單位長度所需的能量，故：

T

=

kGb2~Gb2/2，

k

約為0.5-1若位錯長度為ds，單位長度位錯線所受的力為b，則：

b煉ds

=

2Tsin(dθ/2)，由于ds=rdθ，當dθ很小時，sin（dθ/2）≈（dθ/2）因此：b=T/r≈Gb2/2r兩端固定的位錯在切應(yīng)力

作用下與位錯線彎曲度r的關(guān)系=

Gb/2r

位錯彎曲，曲率半徑r

文檔僅供參考，如文有檔不僅當供之參處考，請聯(lián)系改正。5位錯與點缺陷的交互作用inte

ra

c

tion

b

e

tw

e

e

n

dis

loc

a

tion

a

nd

point

de

fe

c

t溶質(zhì)原子趨于分布在位錯（刃位錯）周圍造成位錯的應(yīng)變能下降，增加位錯的穩(wěn)定性，位錯不易移動，提高晶體塑性變形抗力溶質(zhì)原子與位錯交互作用后，在位錯周圍偏聚的現(xiàn)象稱為氣團，形成柯氏氣團(

Cot

r

e

l

l

at

omos

pher

e)空位與位錯交互作用的結(jié)果是位錯攀移固溶強化72文檔僅供參考，如文有檔不僅當供之參處考，請聯(lián)系改正。6位錯間的交互作用inte

ra

c

tions

be

twe

e

n

dis

loc

a

tionsA：運動位錯與其滑移面相交的位錯（林位錯）相遇，

產(chǎn)生位錯的交割，是短程作用交割：扭折和割階B：運動位錯在其他位錯所產(chǎn)生的應(yīng)力場中運動，

為位錯的應(yīng)力場之間發(fā)生的彈性交互作用，是長程作用73文檔僅供參考，如文有檔不僅當供之參處考，請聯(lián)系改正。1）兩平行螺位錯的交互作用由于應(yīng)力場中只有切應(yīng)力分量，所以只受到徑向作用力f

r

：74排斥吸引文檔僅供參考，如文有檔不僅當供之參處考，請聯(lián)系改正。2）兩平行刃位錯的交互作用Gb

x(x2y2)Gbb

y(3x2y2)沿x方向的切應(yīng)力分量（滑移）：沿y方向的正應(yīng)力分量（攀移）：在位錯e

1的應(yīng)力場中存在切應(yīng)力和正應(yīng)力，分別導致e

2沿x方向滑移和沿y方向攀移75文檔僅供參考，如文有檔不僅當供之參處考，請聯(lián)系改正。Gb

x(x2y2)滑移力當x=0時，位錯e

2處于y軸上，f

x=0，處于穩(wěn)定平衡狀態(tài)，一旦偏離此位置就會受到e

1的吸引而退回原處，使位錯垂直排列起來。通常把這種垂直排列的位錯組態(tài)稱為位錯墻，可構(gòu)成小角度晶界當y=0時，若x>0,f

x>0，若x<0f

x<0。f

x的絕對值與x成反比，即處于同一滑移面上的同號刃型位錯總是相互排斥的，間距越小，排斥力越7大6

。同號位錯對于同號位錯當時，若x>0,則f

x>0；若x<0，則

f

x<0。表明位錯e

2位于1、2區(qū)間內(nèi)，兩位錯相互排斥當 時，若x>0,

則f

x<0；若x<0，則fx>0。表明位錯e

2位于3、4區(qū)間內(nèi)，兩位錯相互吸引當時，f

x=0，兩位錯處于介穩(wěn)定平衡位置，一旦偏離此位置，e

2就會受到排斥或吸引，使得偏離的更遠文檔僅供參考，如文有檔不僅當供之參處考，請聯(lián)系改正。Gbb

y(3x2y2)fy與y同號，當e

2在e

1之上時，f

y為正，即指向上；當e

2在e

1之下時，f

y為負，即指向下。因此兩位錯沿y軸方向是排斥的同號位錯攀移力與同號位錯受力狀態(tài)相反異號位錯77文檔僅供參考，如文有檔不僅當供之參處考，請聯(lián)系改正。78如果是兩平行刃位錯和螺位錯呢？由于b相互垂直，使得各自的應(yīng)力場均沒有使對方受力的應(yīng)力分量，故不發(fā)生作用文檔僅供參考，如文有檔不僅當供之參處考，請聯(lián)系改正。3.2.5位錯的生成與增殖forma

tion

a

nd

g

e

ne

ra

tion1位錯的密度de

ns

ity

of

dis

loc

a

tions煉位錯密度：單位體積內(nèi)所包含的位錯線總長度。=

L

/

V

(c

m-2

)煉一般，位錯密度也定義為單位面積所見到的位錯數(shù)目=

n

/

A

(c

m-2

)充分退火的多晶體金屬中，ρ=106

–108

cm-2劇烈冷變形的金屬中：ρ=1010

–1012

cm-2超純金屬單晶體：ρ＜103

cm-279文檔僅供參考，如文有檔不僅當供之參處考，請聯(lián)系改正。煉位錯對性能的影響：金屬的塑性變形主要由位錯運動引起，因此阻礙位錯運動是強化金屬的主要途徑。煉減少或增加位錯密度都可以提高金屬的強度。退火態(tài)

金屬晶須加工硬化態(tài)(105-108/cm2)(1011-1012/cm2)

80文檔僅供參考，如文有檔不僅當供之參處考，請聯(lián)系改正。s

imula

tionde

forma

tion81of

pla

s

ticin

a

fc

cs

ing

le

c

rys

ta

l

(Cu).Number

increases

duringplastic

deformation.Spawn

from

dislocations,grain

boundaries,surfaces.P

ic

ture

is

s

na

ps

hot

from文檔僅供參考，如文有檔不僅當供之參處考，請聯(lián)系改正。Slip

in

a

Single

Crystal(shearfromof

aband)thelargeEach

stepresultsgenerationnumber

ofdislocationsand

theirpropagations

inthe

slip

systemZn82文檔僅供參考，如文有檔不僅當供之參處考，請聯(lián)系改正。位錯的彈性性質(zhì)S

tre

s

s

fie

ld

c

ha

ra

c

te

ris

tic

s

of

dis

loc

a

tions

:Dis

loc

a

tion

e

ne

rg

y

:~

Gb

2

unitle

ng

thForc

e

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a

dis

loc

a

tion:

fs

lip=b

,

or

fc

limb

=-bLine

te

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a

tion:

=Gb

/2

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c

tions

be

twe

e

n

dis

loc

a

tions

:s

hort-ra

ng

e

a

nd

long

ra

ng

e83文檔僅供參考，如文有檔不僅當供之參處考，請聯(lián)系改正。2位錯的生成forma

tion

of

dis

loc

a

tions位錯源：晶體生長過程中產(chǎn)生位錯雜質(zhì)原子在凝固時固溶成分不均勻，導致點陣畸變，可形成位錯作為過渡；溫度、濃度、振動等因素導致晶塊間的位相差

導致位錯產(chǎn)生；晶粒間的熱應(yīng)力等作用導致晶體表面產(chǎn)生臺階而形成位錯快速凝固及冷卻過程中的過飽和空位的聚集局部應(yīng)力集中，導致局部滑移84文檔僅供參考，如文有檔不僅當供之參處考，請聯(lián)系改正。3位錯的增殖g

e

ne

ra

tion

of

dis

loc

a

tions弗蘭克-瑞德源Frank-Read

source晶體在變形過程中存在位錯的大量增殖已存在的位錯受力開始運動，最終移到晶體表面產(chǎn)生宏觀塑性變形。85文檔僅供參考，如文有檔不僅當供之參處考，請聯(lián)系改正。弗蘭克-瑞德源Frank-Read

source臨界切應(yīng)力

c=

Gb/LrL半圓形r最小，

最大=

Gb/2r在Si、Al-Cu、Al-Mg合金、鎘、不銹鋼、Na

Cl等晶體中存在F—R機制86

文檔僅供參考，如文有檔不僅當供之參處考，請聯(lián)系改正。雙交滑移增殖模型割階的存在對原位錯產(chǎn)生釘扎作用，使得原位錯在滑移面上成為一個

Frank-Read

source87文檔僅供參考，如文有檔不僅當供之參處考，請聯(lián)系改正。883.2.6實際晶體結(jié)構(gòu)中的位錯Dis

loc

a

tions

in

re

a

l

c

rys

ta

ls以上位錯結(jié)構(gòu)是以簡單立方晶體為研究對象，實際晶體中更為復雜，具有特殊性質(zhì)和復雜組態(tài)簡單立方晶體中，b總是等于點陣矢量。1實際晶體中位錯的柏氏矢量

單位位錯Unit

dislocation：柏氏矢量等于單位點陣矢量的位錯

全位錯Perfectdislocation：柏氏矢量等于點陣矢量或其整數(shù)倍的位錯，全位錯滑移后晶體原子排列不變

不全位錯Imperfectdislocation：柏氏矢量不等于點陣矢量整數(shù)倍的位錯，不全位錯滑移后晶體原子排列規(guī)律變化

部分位錯Partial

dislocation：柏氏矢量小于點陣矢量的位錯文檔僅供參考，如文有檔不僅當供之參處考，請聯(lián)系改正。但在實際晶體結(jié)構(gòu)中，位錯的b不能是任意的，它要符合晶體的結(jié)構(gòu)條件和能量條件。晶體的結(jié)構(gòu)條件是指b必須連接一個原子平衡位置到另一個平衡位置。從能量條件，位錯能量正比于b2，b越小系統(tǒng)越穩(wěn)定，即單位位錯應(yīng)該是最穩(wěn)定的位錯。89b=點陣矢量文檔僅供參考，如文有檔不僅當供之參處考，請聯(lián)系改正。2堆垛層錯s

ta

c

king

fa

ult密排堆垛時：FCC晶格中(111)面的堆垛順序為ABCABCABC?HCP晶格中(0001)面的堆垛順序為ABABAB?FCCHCPABCABCABC?ABABAB?AAAAABCBCACAB90文檔僅供參考，如文有檔不僅當供之參處考，請聯(lián)系改正。91A

B

C

B

C?△△

△△?實際晶體結(jié)構(gòu)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。FCC晶格中(111)面的堆垛順序為ABCABCABC?△△△△△△?HCP晶格中(0001)面的堆垛順序為ABABAB?

△

△

△

△?FCC結(jié)構(gòu)中的堆垛層錯正常排列A

B

C

A

B

C?△△△△△△?抽出一層A插入一層B抽出型插入型△A

B

C

B

A

B

C?△△

△△?△△△△△一層HCP

pa

c

king文檔僅供參考，如文有檔不僅當供之參處考，請聯(lián)系改正。92形成層錯時幾乎不發(fā)生點陣畸變，但破壞了晶體的完整性和正常的周期性，使晶體的能量增加，增加的能量稱為堆垛層錯能（J/m2）sta

cking

fault

energy層錯能低，晶體中容易出現(xiàn)層錯；層錯能高，晶體中不易出現(xiàn)層錯；很少出現(xiàn)層錯文檔僅供參考，如文有檔不僅當供之參處考，請聯(lián)系改正。933不全位錯impe

rfe

c

t

dis

loc

a

tion,pa

rtia

l

dis

loc

a

tion如果堆垛層錯不是發(fā)生在晶體的整個原子面上而只是在部分區(qū)域存在，那么，在層錯與完整晶體的交界處就存在不全位錯，其伯氏矢量b不等于點陣矢量層錯的邊界就是位錯抽出型插入型F

CC結(jié)構(gòu)中，存在肖克萊（Shockley）不全位錯可動位錯文檔僅供參考，如文有檔不僅當供之參處考，請聯(lián)系改正。肖克萊（Shockley）不全位錯A-b

=a

/6

[121

]刃型不全位錯：位錯線垂直于b這種位錯可在（111

）面上滑移，滑移的結(jié)果使得層錯擴大和縮小。屬于可動位錯。但是即使是刃型位錯，也不能攀移，因為如9

4果進行攀移，就會離開此層錯面，故不可進行。面垂直于圖面。右側(cè)是AB

CAB

C?pa

c

king左側(cè)是AB

CB

CA?pa

c

king，存在層錯，邊界就是不全位錯。相當于左側(cè)的A層原子面沿滑移面到B層位置，形成了位錯。可以是刃型，可以是螺型。-圖面X是（1

01

）面原子排列，（111

）Z弗蘭克（Frank）不全位錯Y[121

]-文檔僅供參考，如文有檔不僅當供之參處考，請聯(lián)系改正。肖克萊（Shockley）不全位錯b

=a

/3

<111

>純?nèi)行筒蝗诲e95F

CC結(jié)構(gòu)中，存在弗蘭克（Frank）不全位錯弗蘭克（Frank）不全位錯固定位錯與抽出型層錯相聯(lián)系的為負弗蘭克不全位錯；與插入型層錯相聯(lián)系的為正弗蘭克不全位錯。這兩種位錯的b相同，且都垂直于{111}面。

屬于純?nèi)行臀诲e，不能在滑移面上進行滑移，否則會離開層錯面，故是不滑動位錯或固定位錯。但能通過點缺陷的運動沿層錯面進行攀移，實現(xiàn)層錯面的擴大和縮小。文檔僅供參考，如文有檔不僅當供之參處考，請聯(lián)系改正。4位錯反應(yīng)位錯線之間可以合并或分解，稱為位錯反應(yīng)，但需滿足以下條件：a.幾何條件：反應(yīng)前后諸位錯的柏氏矢量之和相等，b.能量條件：反應(yīng)后位錯的總能量小于反應(yīng)前位錯的總能量bi

bj2bi

2

bj96文檔僅供參考，如文有檔不僅當供之參處考，請聯(lián)系改正。975擴展位錯e

xte

nde

d

dis

loc

a

tion1[

1

1

0

]2

1[

1

1

0

]2

1[

1

1

0

]2

位錯沿著(111)面在A層原子上滑移時，B層原子從O到Q時需要穿越A層H原子的“能量高峰”，此時路線可改為ORQ16

[

1

2

1

]1[

2

1

1

]6

]a

a

aOQOR

+

RQ第一步當B層原子O移到層R位置時，將在（111

）面上導致堆垛順序變化，由AB

CAB

C變成AB

CACB，而第二步R原子又回到B層Q位置時，又恢復正常堆垛，所以第一步造成了層錯XFCC結(jié)構(gòu)中，能量最低的全位錯是處在{111}面上的，是b=a/2<110>的單位位錯ZY[121

]-文檔僅供參考，如文有檔不僅當供之參處考，請聯(lián)系改正。所以擴展位錯通常指一個全位錯分解為兩個不全位錯，中間夾著一個堆垛層錯的整個位錯組態(tài)，就稱為擴展位錯。幾何條件：]1a

a

a能量條件：22

2a

a

aFCC中的擴展位錯位錯寬度：

為層錯能擴展位錯的寬度d取決于層錯能，晶體的

低，擴展位錯就寬，

高，擴展位錯就窄9

8文檔僅供參考，如文有檔不僅當供之參處考，請聯(lián)系改正。擴展位錯的交滑移擴展位錯的束集當擴展位錯的局部區(qū)域受到障礙時，擴展位錯在外切應(yīng)力的作用下其寬度d就會變小，甚至重新收縮到原來的全位錯，稱為束集99若要進行交滑移的話，擴展位錯要先進行束集，變成全位錯，然后滑移到另外一個滑移面上，之后在新滑移面上再分解為擴展位錯。文檔僅供參考，如文有檔不僅當供之參處考，請聯(lián)系改正。1003.3面缺陷Planar

defects界面inte

rfa

c

e文檔僅供參考，如文有檔不僅當供之參處考，請聯(lián)系改正。界面in

te

rfa

c

e：通常包含幾個原子層厚的區(qū)域，其原子排列及化學成分不同于晶體內(nèi)部，可視為二維結(jié)構(gòu)分布，也稱為晶體的面缺陷。界面對晶體的物理、化學和力學等性能產(chǎn)生重要的影響。101包括：外表面內(nèi)界面外表面：指固體材料與氣體或液體的分界面。它與摩擦、吸附、腐蝕、催化、光學、微電子等密切相關(guān)。內(nèi)界面：分為晶粒界面、亞晶界、孿晶界、層錯、相界面等。文檔僅供參考，如文有檔不僅當供之參處考，請聯(lián)系改正。3.3.1外表面S

urfa

c

e特點：外表面上的原子部分被其它原子包圍，即相鄰原子數(shù)比晶體內(nèi)部少；表面成分與體內(nèi)不一；表面層原子鍵與晶體內(nèi)部不相等，能量高；表層點陣畸變等。表面能：晶體表面單位面積自由能的增加，可理解為晶體表面產(chǎn)生單位面積新表面所作的功γ=

dW/ds表面能與表面原子排列致密度相關(guān)，原子密排的表面具有最小的表面能；表面能與表面曲率相關(guān)，曲率大則表面能大；表面能對晶體生長、新相形成有重要作用。102文檔僅供參考，如文有檔不僅當供之參處考，請聯(lián)系改正。3.3.2晶界和亞晶界g

ra

in

bounda

ry

a

nd

s

ub-g

ra

in

b

ounda

ry晶界Grain

boundary：在多晶粒物質(zhì)中，屬于同一固相但位向不同的晶粒之間的界面稱為晶界。是只有幾個原子間距寬度，從一個晶粒向另外一個晶粒過渡的，且具有一定程度原子錯配的區(qū)域。晶粒平均直徑：0.015-0.25mm亞晶粒Sub-grain：一個晶粒中若干個位向稍有差異的晶粒；平均直徑：0.001mm亞晶界Sub-grain

boundary：相鄰亞晶粒之間的界面103文檔僅供參考，如文有檔不僅當供之參處考，請聯(lián)系改正。晶界位置的確定對二維點陣兩個晶粒位相差θ；晶界對某點陣面的夾角φ；對三維點陣兩個晶粒的位相差(三個位相角度，x,y,z)晶界相對于點陣某一平面的夾角

(x、y、z任意兩個變量)總共五個位向角度104文檔僅供參考，如文有檔不僅當供之參處考，請聯(lián)系改正。晶界分類(根據(jù)相鄰晶粒位相差)小角度晶界：（Low-a

ng

le

g

ra

in

bounda

ry）相鄰晶粒的位相差小于10←亞晶界一般為2←左右。大角度晶界：（Hig

h-a

ng

le

g

ra

in

bounda

ry）相鄰晶粒的位相差大于10←大角度晶界小角度晶界105文檔僅供參考，如文有檔不僅當供之參處考，請聯(lián)系改正。1061小角度晶界的結(jié)構(gòu)a）對稱傾斜晶界：(symmetrictilt

boundary)

晶界兩側(cè)晶體互相傾斜

晶界的界面對于兩個晶粒是對稱的

其晶界視為一列平行的刃型位錯組成。傾側(cè)前傾側(cè)后文檔僅供參考，如文有檔a不僅）當供之參對處考，請稱聯(lián)系傾改正。斜晶界根據(jù)位相差的形式不對稱傾斜晶界扭轉(zhuǎn)晶界107文檔僅供參考，如文有檔不僅當供之參處考，請聯(lián)系改正。

位錯的間距D、柏氏矢量b和晶粒位相差θ之間的關(guān)系：θ≈b/D

（

θ很小時）對稱傾斜晶界bD

2

s

i

n2108文檔僅供參考，如文有檔不僅當供之參處考，請聯(lián)系改正。b）不對稱傾斜晶界：(asymmetrictilt

boundary)

晶界的界面對于兩個晶粒是不對稱的；

可以視為對稱傾斜晶界的界面繞某一軸轉(zhuǎn)了一角度φ。

晶界的結(jié)構(gòu)可以看成兩組柏氏矢量相互垂直的刃型位錯交錯排列而成。不對稱傾斜晶界109文檔僅供參考，如文有檔不僅當供之參處考，請聯(lián)系改正。c）扭轉(zhuǎn)晶界(twist

boundary)：

兩部分晶體繞某一軸在一個共同的晶面上相對扭轉(zhuǎn)一個θ角

晶界結(jié)構(gòu)：互相垂直的螺型位錯一般情況下，任意的小角度晶界可視為一系列刃型位錯、螺型位錯或混合位錯的網(wǎng)絡(luò)所構(gòu)成110文檔僅供參考，如文有檔不僅當供之參處考，請聯(lián)系改正。多晶材料中晶粒間的晶界通常為大角度晶界大角度晶界比較復雜，原子排列紊亂，不能用位錯模型描述2大角度晶界的結(jié)構(gòu)共有壓縮區(qū)擴張區(qū)不屬于任一晶粒大角度晶界模型純金屬中大角度晶界的寬度不超過3個原子間距（原子層11）1文檔僅供參考，如文有檔不僅當供之參處考，請聯(lián)系改正。112重合位置點陣模型1/5重合位置點陣Coinc

ide

nc

e

s

ite

la

ttic

e

mode

l當兩個相鄰晶粒的位相差為某一

值時，若設(shè)想兩晶粒的點陣彼此

通過晶界向?qū)Ψ窖由?，則其中一

些原子將出現(xiàn)有規(guī)律的相互重合。由這些原子重合位置所組成的比

原來晶體點陣大的新點陣，稱為

重合位置點陣。晶界上重合位置越多，即晶界上越多的原子為兩個晶粒所共有，則原子排列的畸變程度就越小，晶界能也相應(yīng)越低。文檔僅供參考，如文有檔不僅當供之參處考，請聯(lián)系改正。3晶界能量g

ra

in

bounda

ry

e

ne

rg

y晶界上原子畸變引起的系統(tǒng)自由能的升高，它等于界面區(qū)單位面積的能量減去無界面時該區(qū)單位面積的能量，單位：J/m2小角度晶界能量主要來自位錯能量，與位相差θ有關(guān)：

=

0

θ(A-l

n

θ)

0

=Gb/4

(1

-)大角度晶界能量基本為定值，與晶粒之間位相差θ無關(guān)：0

.25

-1

.0

J

/

m

2113文檔僅供參考，如文有檔不僅當供之參處考，請聯(lián)系改正。晶粒的長大和晶界的平直化能減少晶界面積和晶界能，在適當?shù)臏囟认率且粋€自發(fā)的過程；須原子擴散實現(xiàn)晶界處原子排列不規(guī)則，常溫下對位錯的運動起阻礙作用，宏觀上表現(xiàn)出提高強度和硬度；而高溫下晶界由于起粘滯性，易使晶粒間滑動；晶界處有較多的缺陷，如空穴、位錯等，具有較高的動能，原子擴散速度比晶內(nèi)高；固態(tài)相變時，由于晶界能量高且原子擴散容易，所以新相易在晶界處 形核；由于成分偏析和內(nèi)吸附現(xiàn)象，晶界容易富集雜質(zhì)原子，晶界熔點低， 加熱時易導致晶界先熔化；過熱6）由于晶界能量較高、原子處于不穩(wěn)定狀態(tài)，以及晶界富集雜質(zhì)原子的緣故，晶界腐蝕比晶內(nèi)腐蝕速率快。1144晶界特性文檔僅供參考，如文有檔不僅當供之參處考，請聯(lián)系改正。1153.3.3孿晶界twin

g

ra

in

bounda

ry孿晶Twi

ns兩個晶體(或一個晶體的兩部分)沿一個公共晶面構(gòu)成鏡面對稱的位相關(guān)系，這兩個晶體稱為孿晶；這一公共晶面稱為孿晶面(孿晶界)Twi

n

pl

ane(boundar

y)。共格孿晶界Coherent

twin

boundary非共格孿晶界Non-coherent

twin

boundary界面上的原子為兩個晶體共有，是

無畸變的完全匹配，能量低，穩(wěn)定，常見，表現(xiàn)為一條直線界面上只有部分原子為兩個晶體共有，原子錯排嚴重，能量高，共格孿晶界就是孿晶面文檔僅供參考，如文有檔不僅當供之參處考，請聯(lián)系改正。孿晶的形成與堆垛層錯密切相關(guān)根據(jù)孿晶形成原因，有形變孿晶、生長孿晶和退火孿晶堆垛層錯能低的金屬易于產(chǎn)生孿晶例如FCC晶格中(111)面的堆垛順序為A

B

C

A

B

C

A

B

C?△△△△△△?當某一層開始出現(xiàn)顛倒時，變成