結(jié)構(gòu)缺陷(自習(xí)1)

材料科學(xué)基礎(chǔ)講授：田長安E－mail：tianchang-an@163.com2/1/2023IntroductiontoMaterialScience第一講晶體中的結(jié)構(gòu)缺陷2/1/2023IntroductiontoMaterialScience缺陷在空間的分布情況Guidelines缺陷在空間的分布有如下三種情況：①點缺陷：是零維缺陷，包括空位、間隙原子、置換原子等；②線缺陷：是一維缺陷，即位錯；③面缺陷：是二維缺陷，包括晶界、相界、孿晶界、堆垛層錯等；2/1/2023IntroductiontoMaterialScience點缺陷示意圖缺陷在空間的分布情況①點缺陷：是零維缺陷，包括空位、間隙原子、置換原子等；Material2/1/2023IntroductiontoMaterialScience如圖即是一種位錯（刃型位錯）的示意圖缺陷在空間的分布情況②線缺陷：是一維缺陷，即位錯，位錯包括刃型位錯和螺型位錯兩種；Material2/1/2023IntroductiontoMaterialScience缺陷在空間的分布情況③面缺陷：是二維缺陷，包括晶界、相界、孿晶界、堆垛層錯等；Material(a)孿晶的幾何模型示意圖(b)孿晶的顯微結(jié)構(gòu)示意圖2/1/2023IntroductiontoMaterialScience第一節(jié)點缺陷Material1-1點缺陷的類型及形成①類型：點缺陷包括空位、間隙原子和置換原子等三類，其中間隙原子又可分為同類間隙原子和異類間隙原子。②空位的形成：原子由于熱激活而離開其平衡位置。③空位的種類：肖特基（Schottky)空位：原子遷移到晶體表面所形成的空位。

弗蘭克爾（Frankel）空位：原子遷移到晶體點陣的間隙中所形成

的空位。2/1/2023IntroductiontoMaterialScience第一節(jié)點缺陷Material1-1點缺陷的類型及形成(續(xù)）(a)Schottky空位形成示意圖(b)Frankel空位形成示意圖有動畫哦2/1/2023IntroductiontoMaterialScience第一節(jié)點缺陷Material1-1點缺陷的類型及形成(續(xù)）④點缺陷形成能：點缺陷形成能＝電子能＋畸變能

（空位形成能中，電子能是主要的；間隙原子形成能，畸變能是主

要的。）間隙原子形成能>空位形成能Frankel空位形成能＝空位形成能＋間隙原子形成能（約為4ev），遠大于Sckottky空位形成能（約為1ev）。2/1/2023IntroductiontoMaterialScience第一節(jié)點缺陷Material1-2點缺陷的平均濃度以空位平均濃度為例：式中：C——空位的平均濃度；

A——缺陷形成的自由能；

k——波爾茲曼常數(shù)；

T——溫度；上式說明：點缺陷的平均濃度與溫度密切相關(guān)，溫度越高，C以指數(shù)

規(guī)律急劇增大。2/1/2023IntroductiontoMaterialScience第一節(jié)點缺陷Material1-3過飽和點缺陷①定義：在某些情況下，點缺陷的濃度顯著超過其平衡濃度，稱其為過飽和點缺陷。②產(chǎn)生原因：主要有以下3中情況導(dǎo)致過飽和點缺陷：高溫淬火；塑性變形；輻照；2/1/2023IntroductiontoMaterialScience第一節(jié)點缺陷Material1-4點缺陷對金屬性能的影響電阻率：

——點缺陷的存在導(dǎo)致金屬的電阻率增大；密度：

——點缺陷的存在導(dǎo)致金屬的密度下降；點缺陷的存在主要對金屬的下列性質(zhì)產(chǎn)生影響：2/1/2023IntroductiontoMaterialScience第二節(jié)線缺陷線缺陷是指各種類型的位錯，它是在晶體中有一列或若干原子發(fā)生有規(guī)律的錯排后形成的線形畸變區(qū)。①定義：Definition②線缺陷的分類：一、刃型為錯（EdgeDislocation)

類型：正刃型位錯、負(fù)刃型為錯；

刃型位錯的位錯線與晶體滑移方向垂直；二、螺型為錯（ScrewDislocation)

類型：左螺型位錯、右螺型為錯；

螺型位錯的位錯線與晶體滑移方向垂直；三、混合型為錯

混合位錯可視為刃型位錯與螺型位錯兩種位錯的合成?；旌衔?/p>

錯的位錯線與晶體滑移方向成任意角度。2/1/2023IntroductiontoMaterialScience第二節(jié)線缺陷在電子顯微鏡下直接觀察到的位錯直接證實了位錯的存在，為位錯的理論發(fā)展奠定了堅實的基礎(chǔ)。③位錯的電子顯微鏡觀察：Definition單擊放映2/1/2023IntroductiontoMaterialScience四、位錯的柏氏矢量()Material1.刃型位錯的柏氏矢量①刃型位錯柏氏矢量的確定利用柏氏回路確定刃型位錯的柏氏矢量；②利用定義刃型位錯位錯線與相互垂直的位錯，即；

有動畫講解，請單擊圖片觀察，仔細(xì)體會，不妨聯(lián)系一下！2/1/2023IntroductiontoMaterialScience四、位錯的柏氏矢量()Material1.刃型位錯的柏氏矢量③刃型位錯的形成晶體中刃型位錯形成示意動畫刃型位錯中包含的半原子面動畫2/1/2023IntroductiontoMaterialScience四、位錯的柏氏矢量()Material2.螺型位錯的柏氏矢量①螺型位錯柏氏矢量的確定利用柏氏回路確定刃型位錯的柏氏矢量；與確定刃型位錯的方法相同。②利用定義螺型位錯位錯線與相互平行的位錯，即；2/1/2023IntroductiontoMaterialScience四、位錯的柏氏矢量()Material2.螺型位錯的柏氏矢量③螺型位錯的形成示意動畫④螺位錯的組態(tài)及螺旋特征

2/1/2023IntroductiontoMaterialScience四、位錯的柏氏矢量()Material3.混合位錯的柏氏矢量混合位錯的柏氏矢量與位錯線既不平行也不垂直，而是相交成一定角度（0<φ<π/2)。Definition可以將分解成垂直合平行于位錯線的兩個分矢量：?

垂直分量：即刃型分量，?

平行分量：即螺型分量，2/1/2023IntroductiontoMaterialScience四、位錯的柏氏矢量()Material4.柏氏矢量的特性①柏氏矢量的守恒性；②一條位錯線只有唯一的一個柏氏矢量；③當(dāng)柏氏回路中包含有幾條位錯線時，回路所確定的是各位

錯的總和；④若數(shù)條位錯線相交于一點，則指向結(jié)點的所有位錯的之和

等于離開結(jié)點的所有位錯的之和；⑤若所有位錯線均指向或離開一個結(jié)點,它們的之和等于0；⑥位錯線只能終止在晶體表面或晶界上，不能中斷于晶體內(nèi)

部在晶體內(nèi)部，它只能形成封閉的環(huán)或與其他位錯相遇于

結(jié)點處。PROPERTIES2/1/2023IntroductiontoMaterialScience四、位錯的柏氏矢量()Material5.柏氏矢量的物理意義柏氏矢量既表示位錯的性質(zhì)，又表示了位錯區(qū)域點陣畸變總量的大小和方向。柏氏矢量的模：表示了畸變總量的大小，即位錯強度。的方向：代表了畸變的方向；2/1/2023IntroductiontoMaterialScience四、位錯的柏氏矢量()Material6.柏氏矢量的表示方法對于立方晶系，用與同方向的晶向指數(shù)表示，即，其中n是與點陣類型有關(guān)的常數(shù)。柏氏矢量的模。2/1/2023IntroductiontoMaterialScience四、位錯的柏氏矢量()Material7.位錯密度位錯的密度包括以下兩種：體密度（ρv)面密度（ρs)2/1/2023IntroductiontoMaterialScience四、位錯的柏氏矢量()Material7.位錯密度體密度（ρv)單位體積中所含位錯線的總長度。式中，L——位錯線總長度；V——晶體的體積；單位：m-2或cm-22/1/2023IntroductiontoMaterialScience四、位錯的柏氏矢量()Material7.位錯密度面密度（ρs）穿過單位截面積的位錯線數(shù)目。式中，A——截面積；n——面積A中所見到的位錯線的露頭數(shù)目；單位：m-2或cm-22/1/2023IntroductiontoMaterialScience四、位錯的柏氏矢量()Material7.位錯密度ρv與ρs的比較因為并不是所有的位錯線均能與觀察截面相交所以ρv>ρs

2/1/2023IntroductiontoMaterialScience五、位錯的運動位錯的運動根據(jù)其運動形式分為兩類：位錯的滑移刃型位錯的滑移螺型位錯的滑移位錯的攀移正攀移負(fù)攀移Guidelines2/1/2023IntroductiontoMaterialScience刃型位錯的滑移

刃型位錯滑移的性質(zhì)一條刃型位錯線滑移出整個晶體晶體后，晶體滑移上、下部分的相對滑移量為一個b，在晶體表面形成一個寬度為b的臺階。若有n條位錯線掃過滑移面，則晶體產(chǎn)生nb的滑移量。刃型位錯的滑移面式位錯線與其所組成的平面。由于二者相互垂直，因此刃型位錯的滑移面唯一。MaterialMaterial刃型位錯滑移演示單擊觀察影片2/1/2023IntroductiontoMaterialScience螺型位錯的滑移

螺型位錯滑移的性質(zhì)螺型位錯的位錯線與相互平行。螺型位錯的滑移面不唯一，螺型位錯可在通過位錯線的任何晶面上滑移。Material2/1/2023IntroductiontoMaterialScience位錯的攀移

攀移基本概念攀移：通過空位或原子的擴散使刃型位錯線離開原滑移面做上下移動。

攀移的分類正攀移：半原子面下端的原子擴散出去，即空位遷移到半原子面下端，半原子面縮小，位錯線向上移動。負(fù)攀移：原子遷移到多余半原子面下端，半原子面擴大，位錯線向下移動。

MaterialMaterial2/1/2023IntroductiontoMaterialScience位錯的攀移位錯攀移的演示MaterialMaterial注意

螺型位錯不存在多余半原子面，不能發(fā)生攀移運動。即刃型位錯既可滑移又可攀移，而螺型位錯只能滑移而不能攀移；位錯正攀移示意動畫。請單擊圖片觀察！2/1/2023IntroductiontoMaterialScience六、位錯的彈性性質(zhì)理解位錯的彈性性質(zhì)，主要從以下兩個方面著手：位錯的應(yīng)力場；位錯的應(yīng)變能；Guidelines2/1/2023IntroductiontoMaterialScience螺型位錯的彈性模型動畫演示位錯的應(yīng)力場1.螺型位錯的應(yīng)力場Material2/1/2023IntroductiontoMaterialScience刃型位錯的彈性模型動畫演示位錯的應(yīng)力場2.刃型位錯的應(yīng)力場Material2/1/2023IntroductiontoMaterialScience刃型位錯的應(yīng)力分布位錯的應(yīng)力場2.刃型位錯的應(yīng)力場（續(xù)）Material2/1/2023IntroductiontoMaterialScience位錯的應(yīng)變能

單位長度螺型位錯的應(yīng)變能

單位長度刃型位錯的應(yīng)變能式中，r0——位錯中心區(qū)的半徑；r1——位錯應(yīng)力場的作用半徑；式中，v——泊松比；MaterialMaterial2/1/2023IntroductiontoMaterialScience位錯的應(yīng)變能

螺型位錯應(yīng)變能與刃型位錯應(yīng)變能的關(guān)系

單位長度位錯的總應(yīng)變能單位長度位錯的總應(yīng)變能可簡化為：式中，α——與幾何形狀有關(guān)的系數(shù)，約在0.5~1之間；所以位錯的應(yīng)變能與柏氏矢量的平方成正比（W∝b2）MaterialMaterial2/1/2023IntroductiontoMaterialScience七、作用在位錯上的力單位長度位錯所受的力（推動位錯運動的力）的方向永遠垂直于位錯線，并且沿滑移面指向未滑移區(qū)。由于同一位錯線上各點的相同，所以只要作用在晶體上的切應(yīng)力是均勻的，則位錯線上各處所受的力f的大小也相同。式中，τ——外加切應(yīng)力；b——位錯強度；2/1/2023IntroductiontoMaterialScience八、位錯之間的作用力主要內(nèi)容

兩平行螺型位錯間的作用力兩平行刃型位錯間的作用力相互平行的螺型位錯與刃型位錯之間，由于二者的

相互垂直，各自的應(yīng)力場均沒有使對方受應(yīng)力分量作用，故彼此不發(fā)生作用。Guidelines2/1/2023IntroductiontoMaterialScience八、位錯之間的作用力Material1.兩平行螺型位錯間的作用力設(shè)兩互相平行的位錯b1和b2。坐標(biāo)原點設(shè)在b1上，使b1(x，y)和b2(x，y)的位錯線沿z軸，如圖?？紤]b2在b1應(yīng)力場作用下的情況。直角坐標(biāo)系下：螺位錯b1只有兩個不為零的應(yīng)力分量σxz和σyz。

σxz=(Gb1/2π)[y/(x2+y2)]

和σyz=-(Gb1/2π)[x/(x2+y2)]

位錯線b2的三個分量b2x，b2y，b2z中只有b2z不為零，且b2z=b2。位錯線線矢量ξ2的三個分量ξ2x，ξ2y，ξ2z中，只有ξ2z不為零，取單位長度，ξ2z=1。2/1/2023IntroductiontoMaterialScience八、位錯之間的作用力Material2.兩平行刃型位錯間的作用力兩平行刃型位錯間的作用力示意圖設(shè)有兩個沿z軸同號的刃位錯，其滑移面平行，且平行于xoz平面，如圖。柏矢量b1，b2沿x方向。位錯b1在(x，y)處的應(yīng)力分量為:σxx，σyx，σxy，σyy和σzz。位錯b2的柏矢量分量中b2x=b2，其余為零；位錯b2的位錯線矢量分量中ξ2z=1，其余為零。2/1/2023IntroductiontoMaterialScience九、實際晶體中的位錯實際晶體中的位錯包括：全位錯堆垛層錯不全位錯肖克萊（Shockley)不全位錯；弗蘭克（Frank）不全位錯；Guidelines2/1/2023IntroductiontoMaterialScience全位錯規(guī)定：＝單位點陣矢量——單位位錯和

＝單位點陣矢量整數(shù)倍——全位錯統(tǒng)稱為全位錯。幾種晶體單位位錯的sc：a<100>fcc

：a/2<110>bcc：a/2<111>bcp：a/3<1120>-2/1/2023IntroductiontoMaterialScience堆垛層錯在fcc中形成堆垛層錯的三種途徑：滑移；抽去一層（抽出型層錯）插入一層（插入型層錯）層錯能形成層錯能時破壞了晶體點陣排列的正常周期性，故能使能量有些增加，這部分能量稱為堆垛層錯能，簡稱層錯能（通常用γ表示）。一般說來，γ越小，越容易出現(xiàn)層錯。Definition如果原子面的正常堆垛秩序發(fā)生了錯排，就產(chǎn)生了“堆垛層錯”，簡稱“層錯2/1/2023IntroductiontoMaterialScience不全位錯規(guī)定：

≠單位點陣矢量——部分位錯和

≠單位點陣矢量整數(shù)倍——不全位錯統(tǒng)稱為不全位錯。也可以認(rèn)為堆垛層錯區(qū)的邊界線就是不全位錯。fcc中存在著兩種不全位錯：肖克萊（Shockley)不全位錯；弗蘭克（Frank）不全位錯；2/1/2023IntroductiontoMaterialScience肖克萊（Shockley)不全位錯肖克萊(Shockley)不全位錯具有如下特點：與層錯面（滑移面）平行；可以是刃型、螺型或混合型位錯；只能在層錯面上滑移；Material2/1/2023IntroductiontoMaterialScience肖克萊（Shockley)不全位錯肖克萊(Shockley)不全位錯形成示意圖：Materialb1b2,b32/1/2023IntroductiontoMaterialScience弗蘭克(Frank)位錯弗蘭克位錯具有如下特點：垂直于層錯面；只能是刃型位錯；柏氏矢量不在層錯面上，位錯不能滑移；Material2/1/2023IntroductiontoMaterialScience弗蘭克(Frank)位錯弗蘭克不全位錯形成示意圖：Material注意：圖示的弗蘭克不全位錯是插

入半個原子面形成的。弗蘭克不全位錯攀移演示：Material請單擊演示2/1/2023IntroductiontoMaterialScience位錯反應(yīng)位錯的合并或分解統(tǒng)稱為位錯反應(yīng)；位錯反應(yīng)的條件：幾何條件（結(jié)構(gòu)條件） 根據(jù)柏氏矢量的守恒性，反應(yīng)前后各位錯的之和應(yīng)相等， 即Σ前＝Σ后能量條件反應(yīng)后的各位錯的總能量<反應(yīng)前后各位錯的總能量位錯反應(yīng)的實質(zhì)全位錯的運動可以由兩個不全位錯運動代替（2/1/2023IntroductiontoMaterialScience擴展位錯一個全位錯分解為兩個不全位錯，且其間夾有層錯的整個位錯組態(tài)稱為擴展位錯；通常用其全位錯的柏氏矢量標(biāo)定；擴展位錯寬度（兩個不全位錯間的平衡寬度）；γ越大，d越小，就越難形成擴展位錯。（γ：單位面積層錯能）2/1/2023Introductionto