第四章 晶体缺陷（ Crystal defects ）

1. 第四章 晶体缺陷（Crystal defects） • 材料的实际晶体结构 • 点缺陷 • 位错的基本概念 • 位错的能量及交互作用 • 晶体中的界面

2. 材料的实际晶体结构 一、多晶体结构 单晶体： 一块晶体材料内部的晶格位向完全一致时，即整个材料是一个晶体，这块晶体就称为“单晶体”

3. 多晶体： 由多个小晶体组成的晶体结构为“多晶体”

4. 二、多晶体的组织与性能 组织： 伪各向同性：材料中大量晶粒综合作用使整个材料宏观上不出现各向异性的现象称为多晶体的伪各向同性

5. 三、晶体中的缺陷 晶体缺陷：晶体结构中与理想的点阵结构发生偏差的区域，即晶体中原子正常周期性排列遭到破坏的区域 晶体缺陷的类型： 点缺陷：空位、间隙原子 线缺陷：晶体中的位错 面缺陷：晶界、相界

6. 第一节 点缺陷(Point Defects) 一、点缺陷的类型：

7. Schottky defects 空 位 定义： 位于点阵结点上的原子由于热振动，脱离周围原子对它的制约而跳离原来的位置，使点阵中形成了空结点。 • 分类 肖脱基空位：脱位的原子进入其它空位或移至晶界或表面，而 留下的空位

8. Frenkel defect 空 位 • 分类 弗兰克耳缺陷：原子离开平衡位置进入间隙，形成等量的空位 和间隙原子的“间隙-空位”对。

9. 化合物离子晶体中的两种点缺陷 金属晶体：弗兰克尔缺陷比肖脱基缺陷少得多 离子晶体：结构配位数低-弗兰克尔缺陷较常见 结构配位数高-肖脱基缺陷较重要

10. 定义： 晶体中的原子进入晶格的间隙位置而形成的缺陷。 Interstitial defect 间隙原子 • 间隙原子是提高金属材料强度一种重要方式

11. 任何纯金属中都或多或少会存在杂质, 即其它元素, 这些原子称异类原子。 定义： Substitutional defect 异类原子

12. 形成点缺陷的亥姆霍兹自由能： △A= △U-T△S ne + U= nu △ F= F= U - T T S S △ △ △ △ △ 能量 0 n -T △ 自由度能随点缺陷数量的变化曲线 S - 二、点缺陷的形成 U随缺陷数量的增加而线性增加；S随缺陷数量的增加而先快速增加后缓慢增加，从而使总的能量变化呈现一最低值，此时对应的缺陷数量ne即为平衡缺陷浓度。

13. A：材料常数; U：系统形成能; K：玻尔兹曼常数, k=1.381×10-23J·K-1; T：系统的热力学温度。 在某温度下，点缺陷的平衡浓度为： 这种由于原子的热振动而产生的点缺陷称为热力学平衡缺陷

14. 公式说明： • 适用于由原子的热振动而形成的热激活过程； • 只有比平均能量高出缺陷形成能的那部分原子才能形成； • 浓度随温度升高呈指数关系变化。

15. 温度对点缺陷平衡浓度的影响 • 空位 • 间隙原子 • 异类原子

16. 间隙原子 空位 在室温下，空位的浓度很小，但当增加温度时，空位的浓度随温度呈指数增加 间隙原子的数量随温度变化不大 纯铜 室温(293K), Ce≈10-19 空位/cm3. 异类原子 在约1273K, Ce≈10-4 空位/cm3. 该缺陷的数量与温度无关

17. 过饱和点缺陷的产生 晶体中点缺陷数目超过平衡值，这些缺陷称为过饱和点缺陷。 • 在不同的温度下，点缺陷的平衡浓度不同； • 当温度从高温快速冷却到低温时，该温度下的点缺陷超过平衡值，形成过饱和点缺陷； • 过饱和点缺陷会影响材料的性质 产生方法：高温淬火、辐照、冷加工等

18. 三、点缺陷与材料的行为 扩散 空位的迁移及周围原子的反向迁移 间隙原子在晶格中不断运动。 常温下扩散不明显，高温下其速度十分可观。 物理、力学性能 缺陷数量增加，使电阻增加，密度下降，并产生高温蠕变，使脆性增大。

19. 第二节 位错的基本概念 位错（Dislocation）：是原子的一种特殊组态，是一种具有特殊结构的晶格缺陷，也称为线缺陷。

20. 一、位错的引入 实验现象：对单晶体进行拉伸，其表面形成很多台阶。 解释：

21. 晶体的理论抗剪屈服强度： 一般金属： τm=104~105MPa 实际金属单晶： 1~10MPa

22. τ τ τ Geoffrey Taylor爵士1934年提出位错的概念

23. 刃型位错 类型 螺型位错 混合位错 二、晶体中的位错模型及其易动性

24. 压应力区 拉应力区 1. 刃型位错

25. 晶体在切应力的作用下发生局部滑移，晶体内在垂直方向出现了一个多余的半原子面，好像插入的刀刃，故称为刃型位错。晶体在切应力的作用下发生局部滑移，晶体内在垂直方向出现了一个多余的半原子面，好像插入的刀刃，故称为刃型位错。

26. 正刃型位错 负刃型位错 正刃型位错:晶体上半部多出原子面的位错为，用符号“┴”表示，反之为负刃型位错，用“┬”表示。

27. 刃型位错形成原因 • 晶体凝固过程中原子错排； • 高温空位快冷后保留，并聚合为空位片； • 应力作用下晶体内局部区域滑移。

28. 半原子面 位错线 滑移面 b、是晶体中滑移区与未滑移区的分界线，不一定是 直线，也可以是折线或曲线； 在晶体表面露头； 终止于晶界或相界； c、不能中断于晶体内部 与其它位错相交； 自行封闭为位错环。 刃型位错的特点 a、属于线型位错，但在晶体中为狭长的管道畸变区； d、位错线与滑移方向垂直。

29. E F a a′ 螺型位错示意图 g d e c f a b 2. 螺形位错

30. 右螺型位错：符合右手定则(右手拇指代表螺旋右螺型位错：符合右手定则(右手拇指代表螺旋 前进方向，四指代表螺旋面旋转方向)； 左螺型位错：符合左手定则。 晶体中局部滑移的方向与位错线平行，原子平面扭曲为螺旋面。位错线周围呈螺旋状分布，故称为螺型位错。

31. 螺型位错特点： a、无额外半原子面，原子错排呈轴对称； b、螺型位错线与滑移矢量平行，位错线移动方向与晶体滑移方向垂直； c、螺型位错周围的点畸变随离位错线距离的增加而急剧减小，故它也是包含几个原子宽度的线缺陷。

32. 3. 混合型位错 滑移区和未滑移区的交界为曲线，曲线和滑移方向既不垂直又不平行，而是成任意角度，这样的位错称为混合型位错。

33. 4. 位错的易动性 位错周围原子错排，能量较高，在切应力作用下原子很容易位移，从而使位错向前移动。 螺型位错的移动情况与刃形位错一样，同样具有易动性。

34. 位错滑移的比喻

35. 在位错线周围做一个回路 将回路置于理想晶体中 找出额外的封闭矢量 三、柏氏矢量 柏氏矢量用以描述位错区原子的畸变特征，如畸变发生在什么晶向及畸变程度多大等。 1.确定方法

36. N O N O Q Q M P P M 柏氏矢量 刃型位错柏氏矢量的确定 (a) 有位错的晶体 (b) 完整晶体

37. 柏氏矢量 螺型位错柏氏矢量的确定 (a) 有位错的晶体 (b) 完整晶体

38. 刃型：畸变发生在垂直于位错线方向上，与滑移面平行，刃型：畸变发生在垂直于位错线方向上，与滑移面平行， 畸变量为一个原子间距； 螺型：畸变平行与位错线，位移量也为一个原子间距。 • 表示滑移矢量，即晶体上、下部产生相对位移的 大小和方向。 刃型：滑移方向垂直于位错线，为一个原子间距—b。 螺型：滑移方向平行于位错线，为一个原子间距—b。 2.柏氏矢量的意义 • 描述了位错线上原子的畸变特征。

39. be 两者垂直—刃型 两者平行—螺型 成任意角度—混合型 bs b 刃型位错分量 螺型位错分量 推论： • 一根位错线，无论其形状如何，位错线上各点的b均相同，即：一根位错线只有一个b。 • 根据位错线与b的关系可以判断位错类型。

40. 一般表达式为： 其模为： 3.柏氏矢量的表示方法 表示方法：在晶向指数基础上把矢量的模表示出来。

41. 条件：只有当作用在滑移面上的切应力分量达到条件：只有当作用在滑移面上的切应力分量达到 一定值后，滑移才能进行。 四、位错的运动 位错的运动有两种基本形式：滑移和攀移。 1. 位错的滑移

42. 刃、螺型位错的滑移 刃位错的滑移

43. 螺位错的滑移

44. 刃、螺型位错的滑移特点 特征差异： • 切应力方向不同 刃型：F⊥l；螺型：F∥l • 位错运动方向与晶体滑移方向关系刃型：运动方向与滑移方向一致；螺型：运动方向与滑移方向垂直。 统一之处： 两者的滑移情况均与各自的b一致。

45. b) 位错环（混合型位错）的滑移 A、B处为刃型位错，C、D处为螺型位错，其余各处为混合型位错。 位错环可以沿法线方向向外扩张而离开晶体；也可以反向缩小而消失。

46. 螺型：l∥b，滑移面有多个，具体在哪个面上运动取决于螺型：l∥b，滑移面有多个，具体在哪个面上运动取决于 该面上切应力的大小及滑移阻力的强弱。 c) 滑移面 位错线与b组成的原子面就是位错的滑移面。 刃型：l⊥b，滑移面只有一个，位错只能在这个面上滑移。

47. 位错的滑移特征

48. 晶面上有一位错环，其柏氏矢量b垂直于滑移面，该位错环在切应力作用下将如何运动？晶面上有一位错环，其柏氏矢量b垂直于滑移面，该位错环在切应力作用下将如何运动？ 在位错环所在的平面内缓慢的运动—攀移

49. 只有刃型位错才能攀移。 正攀移：多余半原子面向上运动； 负攀移：多余半原子面向下运动。 2.位错的攀移 在热缺陷或外力作用下，位错线在垂直其滑移面方向上的运动，称为攀移。

50. （a）正攀移（半原子面缩短） (b)未攀移 （c）负攀移（半原子面伸长） 刃位错攀移示意图