第一章晶體結(jié)構(gòu)及晶體中的缺陷2

1、2022-2-241第一章第一章 晶體結(jié)構(gòu)及晶體結(jié)構(gòu)及晶體中的缺陷晶體中的缺陷材料科學(xué)與工程學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院邢光建邢光建2022-2-2421.9 晶體中的缺陷晶體中的缺陷u晶體結(jié)構(gòu)的特點是長程有序。結(jié)構(gòu)基元或者構(gòu)成物體的粒晶體結(jié)構(gòu)的特點是長程有序。結(jié)構(gòu)基元或者構(gòu)成物體的粒子子(原子、離子或分子等原子、離子或分子等)完全按照空間點陣規(guī)則排列的晶體完全按照空間點陣規(guī)則排列的晶體叫理想晶體。叫理想晶體。u在實際晶體中，粒子的排列不可能這樣規(guī)則和完整，而是在實際晶體中，粒子的排列不可能這樣規(guī)則和完整，而是或多或少地存在著偏離理想結(jié)構(gòu)的區(qū)域，出現(xiàn)了不完整性?；蚨嗷蛏俚卮嬖谥x理想結(jié)構(gòu)的區(qū)域，出

2、現(xiàn)了不完整性。u把實際晶體中偏離理想點陣結(jié)構(gòu)的區(qū)域稱為把實際晶體中偏離理想點陣結(jié)構(gòu)的區(qū)域稱為晶體缺陷晶體缺陷。u實際晶體中雖然有晶體缺陷存在，但偏離平衡位置很大的實際晶體中雖然有晶體缺陷存在，但偏離平衡位置很大的粒子數(shù)目是很少的，從總的來看，其結(jié)構(gòu)仍可以認為是接近粒子數(shù)目是很少的，從總的來看，其結(jié)構(gòu)仍可以認為是接近完整的。完整的。2022-2-243晶體中的缺陷晶體中的缺陷 空位空位(vacancy) -肖脫基肖脫基(Schottky)空位空位 -弗蘭克爾弗蘭克爾(Frenkel)空位空位 間隙原子間隙原子(interstitial atom) 置換原子置換原子(substitution at

3、om)晶界、相界、層錯、表面晶界、相界、層錯、表面位錯位錯 復(fù)雜點缺陷：復(fù)雜點缺陷：空位對、空位團和空位對、空位團和 空位空位-溶質(zhì)原子對溶質(zhì)原子對 1. 點缺陷點缺陷2. 線缺陷線缺陷3. 面缺陷面缺陷根據(jù)幾何形態(tài)特征，可以把晶體缺陷分為三類：根據(jù)幾何形態(tài)特征，可以把晶體缺陷分為三類：點缺陷、線點缺陷、線缺陷和面缺陷。缺陷和面缺陷。2022-2-244晶體缺陷之晶體缺陷之點缺陷點缺陷 定義：點缺陷定義：點缺陷（point defect）是在晶體晶格）是在晶體晶格結(jié)點上或鄰近區(qū)域偏離其正常結(jié)構(gòu)的一種缺陷。結(jié)點上或鄰近區(qū)域偏離其正常結(jié)構(gòu)的一種缺陷。 是最簡單的晶體缺陷，在三維空間各個方向上是最簡

4、單的晶體缺陷，在三維空間各個方向上尺寸都很小尺寸都很?。ㄟh小于晶體或晶粒的線度）（遠小于晶體或晶粒的線度），范，范圍約為一個或幾個原子尺度。圍約為一個或幾個原子尺度。2022-2-245u原子相互作用的兩種作用力：原子相互作用的兩種作用力：(1)原子間的吸引力；原子間的吸引力；(2)原子間的斥力原子間的斥力 u點缺陷形成最重要的環(huán)節(jié)是原子的振動點缺陷形成最重要的環(huán)節(jié)是原子的振動 u原子的熱振動原子的熱振動 （以一定的頻率和振幅作振動）以一定的頻率和振幅作振動）u原子被束縛在它的平衡位置上，但原子卻在做著掙脫原子被束縛在它的平衡位置上，但原子卻在做著掙脫束縛的努力。束縛的努力。當某一原子具有足夠

5、大的振動能而使振幅當某一原子具有足夠大的振動能而使振幅增大到一定限度時，就可能克服周圍原子對它的制約作增大到一定限度時，就可能克服周圍原子對它的制約作用，跳離其原來的位置，使點陣中形成空結(jié)點。用，跳離其原來的位置，使點陣中形成空結(jié)點。 晶體缺陷之晶體缺陷之點缺陷點缺陷形成形成2022-2-246u點缺陷形成的驅(qū)動力點缺陷形成的驅(qū)動力：溫度、：溫度、離子轟擊、冷加離子轟擊、冷加工工 u在外界驅(qū)動力作用下，哪個原子能夠掙脫束縛，在外界驅(qū)動力作用下，哪個原子能夠掙脫束縛，脫離平衡位置是不確定的，宏觀上說這是一種脫離平衡位置是不確定的，宏觀上說這是一種幾率分布。幾率分布。2022-2-247晶體點缺陷

6、之晶體點缺陷之空位空位u定義定義：當某一瞬間，某個原子具有足夠大的能量，：當某一瞬間，某個原子具有足夠大的能量，克服周圍原子對它的制約，跳出其所在的位置，使克服周圍原子對它的制約，跳出其所在的位置，使晶格中形成空結(jié)點，稱晶格中形成空結(jié)點，稱空位空位。u脫位原子大致有三個去處：脫位原子大致有三個去處： (1) 脫位原子遷移至晶界或晶體表面所形成的空位脫位原子遷移至晶界或晶體表面所形成的空位 叫叫肖脫基肖脫基(Schottky)空位；空位； (2) 脫位原子擠入晶格結(jié)點的間隙中所形成的空脫位原子擠入晶格結(jié)點的間隙中所形成的空 位叫位叫弗蘭克爾弗蘭克爾(Frenkel)空位，空位， (3) 遷移遷移

7、到其他空位處，這樣雖然不產(chǎn)生新的空到其他空位處，這樣雖然不產(chǎn)生新的空 位，但可以使空位變換位置。位，但可以使空位變換位置。2022-2-248晶體中的各種點缺陷晶體中的各種點缺陷1 大的置換原子；大的置換原子；2 肖脫基空位；肖脫基空位；3間隙原子；間隙原子；4復(fù)合空位；復(fù)合空位；5弗蘭克爾空位；弗蘭克爾空位；6小的置換原子小的置換原子2022-2-249晶體點缺陷之晶體點缺陷之間隙原子間隙原子u處于晶格間隙中的原子即為處于晶格間隙中的原子即為間隙原子間隙原子。在形成。在形成弗蘭克爾空位的同時，也形成一個間隙原子，弗蘭克爾空位的同時，也形成一個間隙原子，另外溶質(zhì)原子擠入溶劑的晶格間隙中后，也成

8、另外溶質(zhì)原子擠入溶劑的晶格間隙中后，也成為間隙原子，它們都會造成嚴重的晶體畸變。為間隙原子，它們都會造成嚴重的晶體畸變。u間隙原子也是一種熱平衡缺陷，在一定溫度下間隙原子也是一種熱平衡缺陷，在一定溫度下有一平衡濃度，對于異類間隙原子來說，常將有一平衡濃度，對于異類間隙原子來說，常將這一平衡濃度稱為固溶度或溶解度。這一平衡濃度稱為固溶度或溶解度。2022-2-2410晶體點缺陷之晶體點缺陷之置換原子置換原子 占據(jù)在原來基體原子平衡位置上的異類原子稱占據(jù)在原來基體原子平衡位置上的異類原子稱為為置換原子置換原子。 由于原子大小的區(qū)別也會造成晶格畸變，置換由于原子大小的區(qū)別也會造成晶格畸變，置換原子在

9、一定溫度下也有一個平衡濃度值，一般原子在一定溫度下也有一個平衡濃度值，一般稱之為固溶度或溶解度，通常它比間隙原子的稱之為固溶度或溶解度，通常它比間隙原子的固溶度要大的多。固溶度要大的多。2022-2-2411點缺陷的運動點缺陷的運動u點缺陷并非固定不動，而是處在不斷改變位置的運動過程點缺陷并非固定不動，而是處在不斷改變位置的運動過程中。中。u空位周圍的原子，由于熱振動能量的起伏，有可能獲得足空位周圍的原子，由于熱振動能量的起伏，有可能獲得足夠的能量而跳入空位，并占據(jù)這個平衡位置，這時在這個原夠的能量而跳入空位，并占據(jù)這個平衡位置，這時在這個原子的原來位置上，就形成一個空位。這一過程可以看作是空

10、子的原來位置上，就形成一個空位。這一過程可以看作是空位向鄰近結(jié)點的遷移。位向鄰近結(jié)點的遷移。u在運動過程中，當間隙原子與一個空位相遇時，它將落入在運動過程中，當間隙原子與一個空位相遇時，它將落入這個空位，而使兩者都消失，這一過程稱為這個空位，而使兩者都消失，這一過程稱為復(fù)合復(fù)合，或湮沒。，或湮沒。點缺陷的運動及平衡濃度點缺陷的運動及平衡濃度2022-2-2412 空位在晶體中空位在晶體中并非靜止不動，并非靜止不動，它可借助熱激它可借助熱激活而作無規(guī)則活而作無規(guī)則的運動。的運動。 空位的遷移，空位的遷移，實質(zhì)上是其周實質(zhì)上是其周圍原子的逆向圍原子的逆向運動。運動?？瘴坏倪w移空位的遷移空位的遷移空

11、位的遷移2022-2-2413點缺陷的平衡濃度點缺陷的平衡濃度u晶體中點缺陷的存在，一方面造成點陣畸變，使晶體的內(nèi)晶體中點缺陷的存在，一方面造成點陣畸變，使晶體的內(nèi)能升高，增大了晶體的熱力學(xué)不穩(wěn)定性；另一方面，由于增能升高，增大了晶體的熱力學(xué)不穩(wěn)定性；另一方面，由于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，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，又使晶體的熵值增大。熵值越大，晶體便越穩(wěn)定。又使晶體的熵值增大。熵值越大，晶體便越穩(wěn)定。u由于存在著這兩個互為矛盾的因素，晶體中的點缺陷在一由于存在著這兩個互為矛盾的因素，晶體中的點缺陷在一定溫度下有一定的平衡數(shù)目，這時點缺

12、陷的濃度就稱為它們定溫度下有一定的平衡數(shù)目，這時點缺陷的濃度就稱為它們在該溫度下的熱力學(xué)平衡濃度。在該溫度下的熱力學(xué)平衡濃度。u在一定溫度下有一定的熱力學(xué)平衡濃度，這是點缺陷區(qū)別在一定溫度下有一定的熱力學(xué)平衡濃度，這是點缺陷區(qū)別于其它類型晶體缺陷的重要特點于其它類型晶體缺陷的重要特點。點缺陷的運動及平衡濃度點缺陷的運動及平衡濃度2022-2-2414與振動熵有關(guān)的常數(shù)玻爾茲曼常數(shù)變化每增加一個空位的能量陣點總數(shù)平衡空位數(shù)AKENnKTEANnCvv)/exp(2022-2-2415點缺陷對晶體材料性能的影響點缺陷對晶體材料性能的影響 一般情形下，點缺陷主要影響晶體的物理性質(zhì)，一般情形下，點缺陷

13、主要影響晶體的物理性質(zhì)，如比容、比熱容、電阻率、擴散系數(shù)、介電常數(shù)如比容、比熱容、電阻率、擴散系數(shù)、介電常數(shù)等。等。 1. 比容比容 形成形成Schottky空位時，原子遷移到晶體表面上的空位時，原子遷移到晶體表面上的新位置，導(dǎo)致晶體體積增加。新位置，導(dǎo)致晶體體積增加。 2. 電阻率電阻率 金屬的電阻主要來源于離子對傳導(dǎo)電子的散射。金屬的電阻主要來源于離子對傳導(dǎo)電子的散射。正常情況下，電子基本上在均勻電場中運動，在正常情況下，電子基本上在均勻電場中運動，在有缺陷的晶體中，晶格的周期性被破壞，電場急有缺陷的晶體中，晶格的周期性被破壞，電場急劇變化，因而對電子產(chǎn)生強烈散射，導(dǎo)致晶體的劇變化，因而對

14、電子產(chǎn)生強烈散射，導(dǎo)致晶體的電阻率增大。電阻率增大。2022-2-2416 3. 比熱容比熱容 形成點缺陷需向晶體提供附加的能量形成點缺陷需向晶體提供附加的能量(空位生成焓空位生成焓)，因而引起附加比熱容。因而引起附加比熱容。 4. 其他其他 此外，點缺陷還影響其他物理性質(zhì)，如擴散系數(shù)、此外，點缺陷還影響其他物理性質(zhì)，如擴散系數(shù)、介電常數(shù)等。在堿金屬的鹵化物中，點缺陷稱為介電常數(shù)等。在堿金屬的鹵化物中，點缺陷稱為色心，會使晶體呈現(xiàn)色彩。點缺陷對金屬力學(xué)性色心，會使晶體呈現(xiàn)色彩。點缺陷對金屬力學(xué)性能的影響較小，它只通過與位錯的交互作用，阻能的影響較小，它只通過與位錯的交互作用，阻礙位錯運動而使晶

15、體強化。但在高能粒子輻照的礙位錯運動而使晶體強化。但在高能粒子輻照的情形下，由于形成大量的點缺陷而能引起晶體顯情形下，由于形成大量的點缺陷而能引起晶體顯著硬化和脆化（輻照硬化）。著硬化和脆化（輻照硬化）。點缺陷對晶體材料性能的影響點缺陷對晶體材料性能的影響2022-2-2417u線缺陷線缺陷就是在兩個方向上尺寸很小，在一個方向上尺寸很就是在兩個方向上尺寸很小，在一個方向上尺寸很大的缺陷。大的缺陷。u線缺陷是各種類型的線缺陷是各種類型的位錯位錯。u位錯位錯是晶體內(nèi)部一種有規(guī)律的管狀畸變區(qū)。原子發(fā)生錯排是晶體內(nèi)部一種有規(guī)律的管狀畸變區(qū)。原子發(fā)生錯排的范圍，在一個方向上尺寸較大，而另外兩個方向上尺寸

16、的范圍，在一個方向上尺寸較大，而另外兩個方向上尺寸較小，是一個直徑為較小，是一個直徑為35個原子間距，長幾百到幾萬個原個原子間距，長幾百到幾萬個原子間距的管狀原子畸變區(qū)。子間距的管狀原子畸變區(qū)。u最簡單的位錯是最簡單的位錯是刃型位錯刃型位錯和和螺型位錯螺型位錯。晶體缺陷之晶體缺陷之位錯位錯2022-2-2418位錯學(xué)說的產(chǎn)生位錯學(xué)說的產(chǎn)生u1926年，弗蘭克爾發(fā)現(xiàn)理論晶體模型理論剪切屈服強度年，弗蘭克爾發(fā)現(xiàn)理論晶體模型理論剪切屈服強度與實測臨界切應(yīng)力有巨大差異（與實測臨界切應(yīng)力有巨大差異（24個數(shù)量級）。個數(shù)量級）。u1934年，泰勒、波朗依、奧羅萬幾乎同時提出位錯的概年，泰勒、波朗依、奧羅萬

17、幾乎同時提出位錯的概念。念。晶體缺陷之晶體缺陷之位錯位錯u泰勒把位錯與晶體塑變的滑移聯(lián)系起來，認為位錯在切泰勒把位錯與晶體塑變的滑移聯(lián)系起來，認為位錯在切應(yīng)力作用下發(fā)生運動，依靠位錯的逐步傳遞完成了滑移。應(yīng)力作用下發(fā)生運動，依靠位錯的逐步傳遞完成了滑移。u與剛性滑移不同，位錯的移動只需鄰近原子作很小距離與剛性滑移不同，位錯的移動只需鄰近原子作很小距離的彈性偏移就能實現(xiàn)，而晶體其他區(qū)域的原子仍處在正常的彈性偏移就能實現(xiàn)，而晶體其他區(qū)域的原子仍處在正常位置，因此滑移所需的臨界切應(yīng)力大為減小。位置，因此滑移所需的臨界切應(yīng)力大為減小。2022-2-2419理想晶體的滑移模型和刃型位錯的滑移過程2022

18、-2-2420u1939年柏格斯提出用柏氏矢量來表征位錯的特性，同年柏格斯提出用柏氏矢量來表征位錯的特性，同時引入螺型位錯。時引入螺型位錯。u1947年柯垂耳利用溶質(zhì)原子與位錯的交互作用解釋了年柯垂耳利用溶質(zhì)原子與位錯的交互作用解釋了低碳鋼的屈服現(xiàn)象。低碳鋼的屈服現(xiàn)象。u1950年弗蘭克與瑞德同時提出了位錯增殖機制年弗蘭克與瑞德同時提出了位錯增殖機制FR位錯源。位錯源。u50年代后，透射電鏡直接觀測到了晶體中位錯的存在、年代后，透射電鏡直接觀測到了晶體中位錯的存在、運動、增殖。運動、增殖。晶體缺陷之晶體缺陷之位錯位錯2022-2-2421透射電鏡觀測到的位錯透射電鏡觀測到的位錯2022-2-2

19、422位錯：位錯：晶體中某處一列或若干列原子有規(guī)律的晶體中某處一列或若干列原子有規(guī)律的錯排。錯排。 意義：意義：對材料的力學(xué)行為如塑性變形、強度、對材料的力學(xué)行為如塑性變形、強度、斷裂等起著決定性的作用，對材料的擴散、相斷裂等起著決定性的作用，對材料的擴散、相變過程有較大影響。變過程有較大影響。2022-2-2423位錯之位錯之刃型位錯刃型位錯位錯線垂直于滑移方向位錯線垂直于滑移方向2022-2-2424刃型位錯與螺型位錯2022-2-24252022-2-24262022-2-2427u在某一水平面以上多出了垂直方向的原子面，猶如插入的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

20、樣，多余半原子面的刀刃一樣，多余半原子面的“刃口刃口”就稱為刃型位錯線。位就稱為刃型位錯線。位錯線附近區(qū)域發(fā)生了原子錯排，因此稱為錯線附近區(qū)域發(fā)生了原子錯排，因此稱為“刃型位錯刃型位錯” 。u把多余半原子面在滑移面以上的位錯稱為正刃型位錯，用把多余半原子面在滑移面以上的位錯稱為正刃型位錯，用符號符號“”表示，反之為負刃型位錯，用表示，反之為負刃型位錯，用“”表示。表示。u含有多余半原子面的晶體受壓，原子間距小于正常點陣常含有多余半原子面的晶體受壓，原子間距小于正常點陣常數(shù)；不含多余半原子面的晶體受張力，原子間距大于正常點數(shù)；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(shù)。陣常數(shù)。u位錯

21、在晶體中引起的畸變在位錯線中心處最大，隨著離位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錯中心距離的增大，晶體的畸變逐漸減小 。刃型位錯的概念：刃型位錯的概念：2022-2-24281 1）刃型位錯有一額外半原子面。其實正、負之分只具相對意義）刃型位錯有一額外半原子面。其實正、負之分只具相對意義而無本質(zhì)的區(qū)別。而無本質(zhì)的區(qū)別。2 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。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。位錯線不一定是直線，可以是折線或曲線，但刃型位錯線必位錯線不一定是直線，可以是折線或曲線，但刃型位錯線必與滑移矢量垂

22、直。與滑移矢量垂直。不同形狀的刃型位錯刃型位錯特征刃型位錯特征2022-2-24293) 3) 滑移面必定是同時包含有位錯線和滑移矢量的平面，在滑移面必定是同時包含有位錯線和滑移矢量的平面，在其他面上不能滑移。由于在刃型位錯中，位錯線與滑移矢量其他面上不能滑移。由于在刃型位錯中，位錯線與滑移矢量互相垂直，因此，由它們所構(gòu)成的平面只有一個?；ハ啻怪?，因此，由它們所構(gòu)成的平面只有一個。4) 4) 晶體中存在刃型位錯之后，位錯周圍的點陣發(fā)生彈性畸晶體中存在刃型位錯之后，位錯周圍的點陣發(fā)生彈性畸變，既有切應(yīng)變，又有正應(yīng)變。就正刃型位錯而言，滑移面變，既有切應(yīng)變，又有正應(yīng)變。就正刃型位錯而言，滑移面上方

23、點陣受到壓應(yīng)力，下方點陣受到拉應(yīng)力：負刃型位錯與上方點陣受到壓應(yīng)力，下方點陣受到拉應(yīng)力：負刃型位錯與此相反。此相反。5) 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。道，所以刃型位錯是線缺陷。2022-2-2430位錯之位錯之螺型位錯螺型位錯位錯線平行于滑移方向位錯線平行于滑移方向2022-2-2431（a）立體圖； （b）頂視圖螺型位錯的原子組態(tài)螺型位錯的原子組態(tài)2022-2-2432螺型位錯特征：螺型位錯

24、特征： (1)螺形位錯沒有額外半原子面；螺形位錯沒有額外半原子面；(2)一定是直線，位錯線與滑移方向平行，位錯線運動的方向一定是直線，位錯線與滑移方向平行，位錯線運動的方向與位錯線垂直；與位錯線垂直；(3)螺形位錯線是一個具有一定寬度的細長的晶格畸變管道，螺形位錯線是一個具有一定寬度的細長的晶格畸變管道，其中只有切應(yīng)變，而無正應(yīng)變；其中只有切應(yīng)變，而無正應(yīng)變；(4) 位錯畸變區(qū)也是幾個原子間距寬度，同樣是線位錯。位錯畸變區(qū)也是幾個原子間距寬度，同樣是線位錯。2022-2-2433 當位錯線既不平行于、當位錯線既不平行于、又不垂直于滑移方向時，又不垂直于滑移方向時，可以將晶體的滑移分解可以將晶體

25、的滑移分解為平行于邊界線的位移為平行于邊界線的位移分量和垂直于邊界線的分量和垂直于邊界線的分量，也就是將位錯看分量，也就是將位錯看成是由螺型位錯和刃型成是由螺型位錯和刃型位錯混和而成的，故稱位錯混和而成的，故稱為混和位錯。為混和位錯。位錯之位錯之混和位錯混和位錯2022-2-2434混合位錯的原子組態(tài)混合位錯的原子組態(tài)2022-2-2435柏氏矢量柏氏矢量 柏氏矢量是描述位錯性質(zhì)的一個重要物理量，柏氏矢量是描述位錯性質(zhì)的一個重要物理量，1939年年Burgers提出，故稱該矢量為提出，故稱該矢量為“柏格斯矢柏格斯矢量量”或或“柏氏矢量柏氏矢量”，用，用b 表示。表示。柏氏矢量的確定（方法與步驟

26、）柏氏矢量的確定（方法與步驟）1 1）首先確定位錯線方向，一般人為地認為從紙背向紙面或）首先確定位錯線方向，一般人為地認為從紙背向紙面或由上向下為位錯線正向。由上向下為位錯線正向。2 2）用右手螺旋法則來確定柏格斯回路的旋轉(zhuǎn)方向，使位錯）用右手螺旋法則來確定柏格斯回路的旋轉(zhuǎn)方向，使位錯線的正向與右螺旋的正向一致。線的正向與右螺旋的正向一致。3 3）選擇一個含有位錯的實際晶體，另選擇一個結(jié)構(gòu)相同的）選擇一個含有位錯的實際晶體，另選擇一個結(jié)構(gòu)相同的理想晶體為參考，作柏氏回路。理想晶體為參考，作柏氏回路。2022-2-2436ABAb含有位錯的晶體含有位錯的晶體供比較用的理想晶體供比較用的理想晶體刃

27、型位錯的柏氏回路和柏氏矢量刃型位錯的柏氏回路和柏氏矢量刃型位錯的柏氏矢量與位錯線垂直，并與滑移面平行刃型位錯的柏氏矢量與位錯線垂直，并與滑移面平行2022-2-2437圖 刃型位錯柏氏矢量的確定2022-2-2438螺型位錯的柏氏矢量與位錯線平行螺型位錯的柏氏矢量與位錯線平行2022-2-2439u代表位錯，并表示其特征（強度、畸變量）；表示代表位錯，并表示其特征（強度、畸變量）；表示晶體滑移的方向和大小。晶體滑移的方向和大小。 u反映出柏氏回路包含的位錯所引起點陣畸變的總積反映出柏氏回路包含的位錯所引起點陣畸變的總積累。累。u通常將柏氏矢量稱為位錯強度，該矢量的模通常將柏氏矢量稱為位錯強度，

28、該矢量的模|b|表示表示了畸變的程度，稱為位錯的強度。了畸變的程度，稱為位錯的強度。u位錯的許多性質(zhì)如位錯的能量，所受的力，應(yīng)力場，位錯的許多性質(zhì)如位錯的能量，所受的力，應(yīng)力場，位錯反應(yīng)等均與其有關(guān)。它也表示出晶體滑移時原位錯反應(yīng)等均與其有關(guān)。它也表示出晶體滑移時原子移動的大小和方向。子移動的大小和方向。柏氏矢量柏氏矢量b b的物理意義的物理意義2022-2-2440u用柏氏矢量可判斷位錯的類型。用柏氏矢量可判斷位錯的類型。u用柏氏矢量可以表示晶體滑移的方向和大小。位錯運動導(dǎo)用柏氏矢量可以表示晶體滑移的方向和大小。位錯運動導(dǎo)致晶體滑移時，滑移量大小即柏氏矢量致晶體滑移時，滑移量大小即柏氏矢量b

29、 b，滑移方向即為柏，滑移方向即為柏氏矢量的方向。氏矢量的方向。 u柏氏矢量的守恒性：一條位錯線具有唯一的柏氏矢量；柏氏矢量的守恒性：一條位錯線具有唯一的柏氏矢量；若若位錯可分解，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。的柏氏矢量。u位錯具有連續(xù)性，不能中斷于晶體內(nèi)部。其存在形態(tài)可形位錯具有連續(xù)性，不能中斷于晶體內(nèi)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，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?；蚵额^于晶體表面。柏氏矢量的特征柏氏矢量的特征2022-2-2441321bbb

30、 2022-2-2442位錯線與柏氏矢量的位向關(guān)系區(qū)分位錯的類型和性質(zhì)位錯線與柏氏矢量的位向關(guān)系區(qū)分位錯的類型和性質(zhì)正正 負負刃型刃型bbbb右右 左左螺型螺型bb1b2混和型混和型2022-2-2443柏氏矢量的表示方法柏氏矢量的表示方法u柏矢量對于柏矢量柏矢量對于柏矢量b b沿晶向沿晶向uvw的位錯的位錯u柏矢量的模柏矢量的模的計算就是矢量模的計算。對于柏矢量的模柏矢量的模的計算就是矢量模的計算。對于立方晶系：立方晶系：u位錯的加法按照矢量加法規(guī)則進行。位錯的加法按照矢量加法規(guī)則進行。 2022-2-2444晶體中位錯的萌生晶體中位錯的萌生1. 液體金屬凝固形成位錯液體金屬凝固形成位錯 液

31、體在凝固時出現(xiàn)許多枝晶，兩相鄰的枝晶生長過程液體在凝固時出現(xiàn)許多枝晶，兩相鄰的枝晶生長過程中容易發(fā)生碰撞或受液流沖擊，從而出現(xiàn)點陣錯排。中容易發(fā)生碰撞或受液流沖擊，從而出現(xiàn)點陣錯排。2. 過飽和空位凝聚過程形成位錯過飽和空位凝聚過程形成位錯 高溫下晶體中都含有大量的空位，當冷卻較快時，將會高溫下晶體中都含有大量的空位，當冷卻較快時，將會保留下來形成空位片，空位片崩塌后形成位錯。保留下來形成空位片，空位片崩塌后形成位錯。3. 局部應(yīng)力集中形成位錯局部應(yīng)力集中形成位錯 晶體內(nèi)部的某些晶面，如第二相質(zhì)點、孿晶界、晶界等晶體內(nèi)部的某些晶面，如第二相質(zhì)點、孿晶界、晶界等附近往往出現(xiàn)應(yīng)力集中，當此應(yīng)力足以

32、使該局部區(qū)域發(fā)附近往往出現(xiàn)應(yīng)力集中，當此應(yīng)力足以使該局部區(qū)域發(fā)生塑性變形就會產(chǎn)生位錯。生塑性變形就會產(chǎn)生位錯。2022-2-2445位錯的運動u位錯的滑移位錯的滑移u位錯沿滑移面的移動稱為滑移。位錯沿滑移面的移動稱為滑移。位錯的滑移2022-2-2446u當一個刃型位錯沿滑移面滑過整個晶體，就會在晶體表面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(chǎn)生寬度為一個柏氏矢量產(chǎn)生寬度為一個柏氏矢量b b的臺階，造成晶體的塑性變形。的臺階，造成晶體的塑性變形。u在滑移時，刃型位錯的移動方向一定是與位錯線相垂直，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。即與其柏氏矢量

33、相一致。u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)，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)域為未滑移區(qū)。而位錯線未掃過的區(qū)域為未滑移區(qū)。刃型位錯滑移導(dǎo)致晶體塑性變形的過程2022-2-2447（a）原始位置； （b）位錯向左移動一個原子間距圖 螺型位錯滑移 2022-2-2448螺型位錯滑移導(dǎo)致晶體塑性變形的過程u在切應(yīng)力作用下，螺型位錯的移動方向是與其柏氏矢量相在切應(yīng)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

34、過位錯線的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(zhuǎn)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(zhuǎn)到另一通過位錯線的臨近滑移面上滑移的現(xiàn)象稱為交滑移。到另一通過位錯線的臨近滑移面上滑移的現(xiàn)象稱為交滑移。2022-2-2449u刃型位錯除了可以在滑移面上滑移外，還可垂直于滑移面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。發(fā)生攀移。u當半原子面下端的原子跳離，即空位遷移到半原子面下端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(xiàn)為位錯向上移動，這種移動叫時，半原子面將縮短，表現(xiàn)為位錯向上

35、移動，這種移動叫做正攀移。反之叫做負攀移。做正攀移。反之叫做負攀移。u位錯攀移時伴隨著物質(zhì)的遷移，需要擴散才能實現(xiàn)。因為位錯攀移時伴隨著物質(zhì)的遷移，需要擴散才能實現(xiàn)。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(shù)金屬，這種運動在室溫下很難進行。因此，位錯攀大多數(shù)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。移時需要熱激活，也就是比滑移需要更大的能量。u通常稱攀移為通常稱攀移為“非守恒運動非守恒運動”，滑移則稱為，滑移則稱為“守恒運動守恒運動”。位錯的攀移位錯的攀移2022-2-2450位錯

36、的攀移2022-2-2451v面缺陷的定義面缺陷的定義v面缺陷：在兩個方向上尺寸很大，在一個方向上面缺陷：在兩個方向上尺寸很大，在一個方向上尺寸很小的缺陷。尺寸很小的缺陷。 v面缺陷的類型面缺陷的類型v金屬中常見的面缺陷有金屬中常見的面缺陷有表面表面、晶界晶界、亞晶界亞晶界和和相相界界。1.10 晶界晶界2022-2-2452晶界晶界界面界面晶界晶界孿晶界孿晶界相界相界共格孿晶界共格孿晶界非共格孿晶界非共格孿晶界小角度晶界小角度晶界大角度晶界大角度晶界傾側(cè)晶界傾側(cè)晶界扭轉(zhuǎn)晶界扭轉(zhuǎn)晶界共格相界共格相界非共格相界非共格相界準共格相界準共格相界2022-2-2453晶界之晶界之小角晶界小角晶界屬于同

37、一固相但位向不同的晶粒之間的界面稱為晶界；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。成，相鄰亞晶粒間的界面稱為亞晶界。晶界與亞晶界示意圖晶界與亞晶界示意圖2022-2-2454 從晶體幾何學(xué)的角度來看，兩晶粒交接后，各晶粒原從晶體幾何學(xué)的角度來看，兩晶粒交接后，各晶粒原子排列的位向差的角度，就稱為子排列的位向差的角度，就稱為晶界角晶界角。1 2 (111)(111)晶粒晶粒1晶粒晶粒2晶界角晶界角 1 2 ，1 2時稱為對稱晶界，否則為非時稱為對稱晶界，否則為

38、非對稱晶界。對稱晶界。 10稱為大角晶界，稱為大角晶界，10 稱為小角晶界。稱為小角晶界。 2022-2-2455 對于小角晶界，可以假定沿一平面將一完整單對于小角晶界，可以假定沿一平面將一完整單晶分成兩半，然后繞一旋轉(zhuǎn)軸使兩半晶體相對晶分成兩半，然后繞一旋轉(zhuǎn)軸使兩半晶體相對旋轉(zhuǎn)一個小角度旋轉(zhuǎn)一個小角度 ，根據(jù)旋轉(zhuǎn)軸與界面的相對，根據(jù)旋轉(zhuǎn)軸與界面的相對取向的不同，小角晶界分成取向的不同，小角晶界分成傾側(cè)晶界、扭轉(zhuǎn)晶傾側(cè)晶界、扭轉(zhuǎn)晶界界及及一般晶界。一般晶界。晶界之晶界之小角晶界小角晶界2022-2-2456小角晶界之小角晶界之傾側(cè)晶界傾側(cè)晶界 當當旋轉(zhuǎn)軸平行于界面旋轉(zhuǎn)軸平行于界面時，兩半晶體相

39、對于界面時，兩半晶體相對于界面發(fā)生傾轉(zhuǎn)，這種界面叫做發(fā)生傾轉(zhuǎn)，這種界面叫做傾側(cè)晶界傾側(cè)晶界。 對稱傾側(cè)晶界對稱傾側(cè)晶界-相當于兩部分晶體，沿著平行于相當于兩部分晶體，沿著平行于界面的某一軸線，各自轉(zhuǎn)過方向相反的界面的某一軸線，各自轉(zhuǎn)過方向相反的2而而形成的。形成的。 對稱傾側(cè)晶界的形成對稱傾側(cè)晶界的形成2022-2-2457對稱傾側(cè)晶界對稱傾側(cè)晶界對稱傾側(cè)晶界是由一系列平行等距的刃位錯垂直排列而組成對稱傾側(cè)晶界是由一系列平行等距的刃位錯垂直排列而組成 bbD2sin2 位錯間距位錯間距D與柏氏矢量和與柏氏矢量和位向差之間有如下關(guān)系：位向差之間有如下關(guān)系： 2022-2-2458非對稱傾側(cè)晶界非

40、對稱傾側(cè)晶界 當晶界兩邊的晶體相對于界面旋當晶界兩邊的晶體相對于界面旋轉(zhuǎn)不同角度時，便形成非對稱傾轉(zhuǎn)不同角度時，便形成非對稱傾側(cè)晶界。側(cè)晶界。 非對稱傾側(cè)晶界除了兩晶粒的取非對稱傾側(cè)晶界除了兩晶粒的取向差向差外，位錯的分布還取決于外，位錯的分布還取決于晶界面與晶界兩邊晶體的對稱面晶界面與晶界兩邊晶體的對稱面之間的夾角之間的夾角 。2022-2-2459小角晶界之小角晶界之扭轉(zhuǎn)晶界扭轉(zhuǎn)晶界 當旋轉(zhuǎn)軸垂直于界面時，晶面兩邊晶體相對旋當旋轉(zhuǎn)軸垂直于界面時，晶面兩邊晶體相對旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)就形成扭轉(zhuǎn)晶界。就形成扭轉(zhuǎn)晶界。2022-2-2460簡單立方晶體中的扭轉(zhuǎn)晶界示意圖簡單立方晶體中的扭轉(zhuǎn)晶界示意圖扭轉(zhuǎn)晶界的

41、結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)晶界的結(jié)構(gòu)可看成是由互相可看成是由互相交叉的螺型位錯交叉的螺型位錯所組成。所組成。2022-2-2461u旋轉(zhuǎn)軸與界面既不垂直，也不平行，成任旋轉(zhuǎn)軸與界面既不垂直，也不平行，成任意取向關(guān)系。意取向關(guān)系。u這樣的界面有這樣的界面有5個獨立的參數(shù)：個獨立的參數(shù)： 晶體兩部分的相對旋轉(zhuǎn)角晶體兩部分的相對旋轉(zhuǎn)角 ；界面法線方向；界面法線方向；旋轉(zhuǎn)軸的方向。旋轉(zhuǎn)軸的方向。小角晶界之小角晶界之一般小角晶界一般小角晶界2022-2-2462大角晶界大角晶界u相鄰晶粒的位向差大于相鄰晶粒的位向差大于1010的晶界稱為大角度晶界。的晶界稱為大角度晶界。u大角度晶界的結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，大角度晶界的結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，原

42、子排列很不規(guī)則，由不規(guī)則原子排列很不規(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。區(qū)與好區(qū)交替相間組合而成。大角度晶界模型大角度晶界模型晶界之晶界之大角晶界大角晶界2022-2-2463模型模型1）過冷液體模型）過冷液體模型2）小島模型）小島模型3）晶界重合位置點陣模型）晶界重合位置點陣模型大角晶界大角晶界2022-2-2464過冷液體模型過冷液體模型 晶界處原子排列與過冷液體（非晶態(tài)玻璃）相晶界處原子排列與過冷液體（非晶態(tài)玻璃）相似，即長程無序而短程有序。晶界上的原子處似，即長程無序而短程有序。晶界上的原子處于亞穩(wěn)狀態(tài)，原子的活動性比較強。于亞穩(wěn)

43、狀態(tài)，原子的活動性比較強。2022-2-2465u莫特（莫特（Mott）u在大角度晶界區(qū)存在原子排列匹配較好，具有在大角度晶界區(qū)存在原子排列匹配較好，具有晶態(tài)特征的晶態(tài)特征的“島島”，其尺寸幾個到幾十個原子，其尺寸幾個到幾十個原子距離。晶界由原子有序排列成的島嶼與圍繞這距離。晶界由原子有序排列成的島嶼與圍繞這些島嶼的原子排列較為混亂的區(qū)域或無序排列些島嶼的原子排列較為混亂的區(qū)域或無序排列的島嶼被有序排列原子所包圍。的島嶼被有序排列原子所包圍。小島模型小島模型2022-2-2466晶界重合位置點陣模型晶界重合位置點陣模型uBrandon 1964u當晶體兩部分繞旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)一定角度后，將界面兩邊當

44、晶體兩部分繞旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)一定角度后，將界面兩邊的晶體點陣延伸，兩個點陣中有的晶體點陣延伸，兩個點陣中有1/ 的陣點相重合，的陣點相重合，這些重合的陣點構(gòu)成一個超點陣，這個超點陣叫做重這些重合的陣點構(gòu)成一個超點陣，這個超點陣叫做重合位置點陣（合位置點陣（coincidence site lattice, CSL)，簡稱重位，簡稱重位點陣。點陣。u 是一個整奇數(shù)，為重合陣點密度的倒數(shù)，用來表是一個整奇數(shù)，為重合陣點密度的倒數(shù)，用來表征重合界面。重合陣點密度越高，征重合界面。重合陣點密度越高， 越小，晶界處兩越小，晶界處兩部分晶體原子間匹配越好，晶界能量也就越低。部分晶體原子間匹配越好，晶界能量也就越

45、低。2022-2-2467在二維正方點陣中，當兩個在二維正方點陣中，當兩個相鄰晶粒的位向差為相鄰晶粒的位向差為3737時時，設(shè)想兩晶粒的點陣彼此通，設(shè)想兩晶粒的點陣彼此通過晶界向?qū)Ψ窖由?，其中一過晶界向?qū)Ψ窖由?，其中一些原子將出現(xiàn)有規(guī)律的相互些原子將出現(xiàn)有規(guī)律的相互重合，由這些原子重合位置重合，由這些原子重合位置所組成比原來晶體點陣大的所組成比原來晶體點陣大的新點陣，通常稱為重合位置新點陣，通常稱為重合位置點陣。點陣。重合位置點陣模型重合位置點陣模型 2022-2-2468孿晶孿晶是指兩個晶體是指兩個晶體( (或或一個晶體的兩部分一個晶體的兩部分) )沿沿一個公共晶面構(gòu)成鏡面一個公共晶面構(gòu)成鏡

46、面對稱的位向關(guān)系，這兩對稱的位向關(guān)系，這兩個晶體就稱為個晶體就稱為“孿晶孿晶(twin)”(twin)”，此公共晶面，此公共晶面就稱孿晶面。就稱孿晶面。孿晶界孿晶界孿晶界孿晶界2022-2-24692022-2-2470晶界的特性晶界的特性1).晶界處點陣畸變大，存在著晶界能晶界處點陣畸變大，存在著晶界能。晶界的形成局。晶界的形成局部破壞了晶體的周期性結(jié)構(gòu)，使晶體的能量增大。晶部破壞了晶體的周期性結(jié)構(gòu)，使晶體的能量增大。晶粒的長大和晶界的平直化都能減少晶界面積，從而降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，這是一個自發(fā)過程。然而晶粒的長低晶界的總能量，這是一個自發(fā)過程。然

47、而晶粒的長大和晶界的平直化均需通過原子的擴散來實現(xiàn)，因此，大和晶界的平直化均需通過原子的擴散來實現(xiàn)，因此，隨著溫度升高和保溫時間的增長，均有利于這兩過程隨著溫度升高和保溫時間的增長，均有利于這兩過程的進行。的進行。 形成單位面積晶界所需的能量叫做晶界能。形成單位面積晶界所需的能量叫做晶界能。2022-2-2471 2).晶界處原子排列不規(guī)則，因此在常溫下晶界處原子排列不規(guī)則，因此在常溫下晶界的存在會對晶界的存在會對位錯的運動起阻礙作用位錯的運動起阻礙作用，致使塑性變形抗力提高，宏觀表，致使塑性變形抗力提高，宏觀表現(xiàn)為晶界較晶內(nèi)具有較高的強度和硬度。晶粒愈細，材料現(xiàn)為晶界較晶內(nèi)具有較高的強度和硬

48、度。晶粒愈細，材料的強度愈高，這就是細晶強化；而高溫下則相反，因高溫的強度愈高，這就是細晶強化；而高溫下則相反，因高溫下晶界存在一定的粘滯性，易使相鄰晶粒產(chǎn)生相對滑動。下晶界存在一定的粘滯性，易使相鄰晶粒產(chǎn)生相對滑動。3).晶界處原子偏離平衡位置，具有較高的動能，并且晶界晶界處原子偏離平衡位置，具有較高的動能，并且晶界處存在較多的缺陷如空穴、雜質(zhì)原子和位錯等，故處存在較多的缺陷如空穴、雜質(zhì)原子和位錯等，故晶界處晶界處原子的擴散速度比在晶內(nèi)快原子的擴散速度比在晶內(nèi)快得多。得多。 晶界的特性晶界的特性2022-2-2472 4).在固態(tài)相變過程中，由于晶界能量較高且原子活動在固態(tài)相變過程中，由于晶

49、界能量較高且原子活動能力較大，所以能力較大，所以新相易于在晶界處優(yōu)先形核新相易于在晶界處優(yōu)先形核。顯然，。顯然，原始晶粒愈細，晶界愈多，則新相形核率也相應(yīng)愈高。原始晶粒愈細，晶界愈多，則新相形核率也相應(yīng)愈高。5).由于由于成分偏析成分偏析和內(nèi)吸附現(xiàn)象，特別是晶界富集雜質(zhì)和內(nèi)吸附現(xiàn)象，特別是晶界富集雜質(zhì)原子情況下，往往原子情況下，往往晶界熔點較低晶界熔點較低，故在加熱過程中，故在加熱過程中，因溫度過高將引起晶界熔化和氧化，導(dǎo)致因溫度過高將引起晶界熔化和氧化，導(dǎo)致過熱過熱現(xiàn)象現(xiàn)象產(chǎn)生。產(chǎn)生。6).由于晶界能量較高、原子處于不穩(wěn)定狀態(tài)，以及晶由于晶界能量較高、原子處于不穩(wěn)定狀態(tài)，以及晶界富集雜質(zhì)原子

50、的緣故，與晶內(nèi)相比，界富集雜質(zhì)原子的緣故，與晶內(nèi)相比，晶界的腐蝕速晶界的腐蝕速度一般較快度一般較快。這就是用腐蝕劑顯示全相樣品組織的依。這就是用腐蝕劑顯示全相樣品組織的依據(jù)，也是某些金屬材料在使用中發(fā)生晶間腐蝕破壞的據(jù)，也是某些金屬材料在使用中發(fā)生晶間腐蝕破壞的原因。原因。晶界的特性晶界的特性2022-2-2473晶界偏析晶界偏析 一般來說，晶界結(jié)構(gòu)比晶內(nèi)松散，溶質(zhì)原子處一般來說，晶界結(jié)構(gòu)比晶內(nèi)松散，溶質(zhì)原子處在晶內(nèi)的能量比處在晶界的能量要高，所以溶在晶內(nèi)的能量比處在晶界的能量要高，所以溶質(zhì)原子有自發(fā)地向晶界偏聚的趨勢，就會發(fā)生質(zhì)原子有自發(fā)地向晶界偏聚的趨勢，就會發(fā)生晶界偏析。晶界偏析。 晶界偏析使系統(tǒng)能量降低，是一種平衡偏析。晶界偏析使系統(tǒng)能量降