材料科學(xué)基礎(chǔ)4

1、第第4章章 晶體結(jié)構(gòu)缺陷晶體結(jié)構(gòu)缺陷 引言：引言：在介紹晶體結(jié)構(gòu)時(shí)，為了說(shuō)明晶體的周期性和在介紹晶體結(jié)構(gòu)時(shí)，為了說(shuō)明晶體的周期性和方向性，把晶體處理為完全理想狀態(tài)，實(shí)際上晶體中存在著方向性，把晶體處理為完全理想狀態(tài)，實(shí)際上晶體中存在著偏離理想的結(jié)構(gòu)，晶體缺陷就是指實(shí)際晶體中與理想的點(diǎn)陣偏離理想的結(jié)構(gòu)，晶體缺陷就是指實(shí)際晶體中與理想的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)發(fā)生偏差的區(qū)域。這些區(qū)域的存在，并不影響晶體結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)發(fā)生偏差的區(qū)域。這些區(qū)域的存在，并不影響晶體結(jié)構(gòu)的基本特性，僅是晶體中少數(shù)原子的排列特征發(fā)生了改變。的基本特性，僅是晶體中少數(shù)原子的排列特征發(fā)生了改變。缺陷分類缺陷分類（1 1）點(diǎn)缺陷（零維缺陷）：空位、間

2、隙原子、雜質(zhì)等）點(diǎn)缺陷（零維缺陷）：空位、間隙原子、雜質(zhì)等 （2 2）線缺陷（一維缺陷）：位錯(cuò)等）線缺陷（一維缺陷）：位錯(cuò)等 （3 3）面缺陷（二維缺陷）：晶界、表面、相界、層錯(cuò)）面缺陷（二維缺陷）：晶界、表面、相界、層錯(cuò) （4 4）體缺陷（三維缺陷）：沉淀相、孔洞、亞結(jié)構(gòu)等）體缺陷（三維缺陷）：沉淀相、孔洞、亞結(jié)構(gòu)等 第第4章章 晶體結(jié)構(gòu)缺陷晶體結(jié)構(gòu)缺陷引言引言4.1 4.1 點(diǎn)缺陷點(diǎn)缺陷4.2 4.2 位錯(cuò)的結(jié)構(gòu)位錯(cuò)的結(jié)構(gòu)4.3 4.3 位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)4.4 4.4 位錯(cuò)的應(yīng)力場(chǎng)位錯(cuò)的應(yīng)力場(chǎng)4.5 4.5 位錯(cuò)與晶體缺陷間的交互作用位錯(cuò)與晶體缺陷間的交互作用4.6 4.6 位錯(cuò)的增殖

3、、塞積與交割位錯(cuò)的增殖、塞積與交割4.7 4.7 實(shí)際晶體中的位錯(cuò)實(shí)際晶體中的位錯(cuò)一一 點(diǎn)缺陷的點(diǎn)缺陷的 晶體中的點(diǎn)缺陷除了包括空位、間隙原晶體中的點(diǎn)缺陷除了包括空位、間隙原子、置換原子外，還包括由這些基本缺陷組子、置換原子外，還包括由這些基本缺陷組成的三維方向上尺寸都很小的復(fù)雜缺陷。成的三維方向上尺寸都很小的復(fù)雜缺陷。一一 點(diǎn)缺陷的類型點(diǎn)缺陷的類型圖圖4.1 晶體中的各種點(diǎn)缺陷晶體中的各種點(diǎn)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-異類間隙原子；異類間隙原子；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空位的類型（a）肖脫基空位

4、）肖脫基空位 （b）弗蘭克爾空位）弗蘭克爾空位晶體中的空位晶體中的空位化合物離子晶體中兩種常見(jiàn)缺陷化合物離子晶體中兩種常見(jiàn)缺陷 原子作熱振動(dòng)，一定溫度下原子熱振動(dòng)能量一定，呈統(tǒng)計(jì)分原子作熱振動(dòng)，一定溫度下原子熱振動(dòng)能量一定，呈統(tǒng)計(jì)分布，在瞬間一些能量大的原子克服周圍原子對(duì)它的束縛，遷移至布，在瞬間一些能量大的原子克服周圍原子對(duì)它的束縛，遷移至別處，形成空位。別處，形成空位。 空位形成引起點(diǎn)陣畸變，亦會(huì)割斷鍵力，故空位形成需能量，空位形成引起點(diǎn)陣畸變，亦會(huì)割斷鍵力，故空位形成需能量，空位形成能（空位形成能（EV）為形成一個(gè)空位所需能量。）為形成一個(gè)空位所需能量。二二 點(diǎn)缺陷的平衡濃度點(diǎn)缺陷的平衡

5、濃度 熱力學(xué)分析表明：在高于熱力學(xué)分析表明：在高于0K0K的任何溫度下，晶體最穩(wěn)定的任何溫度下，晶體最穩(wěn)定的狀態(tài)是含有一定濃度點(diǎn)缺陷的狀態(tài)。在某一溫度下，晶體的狀態(tài)是含有一定濃度點(diǎn)缺陷的狀態(tài)。在某一溫度下，晶體自由焓最低時(shí)隨對(duì)應(yīng)的點(diǎn)缺陷濃度為自由焓最低時(shí)隨對(duì)應(yīng)的點(diǎn)缺陷濃度為點(diǎn)缺陷的平衡濃度點(diǎn)缺陷的平衡濃度，用，用C CV V表示。表示。 在一定溫度下，晶體中有一定平衡數(shù)量的空位和間隙原在一定溫度下，晶體中有一定平衡數(shù)量的空位和間隙原子，其數(shù)量可近似算出。子，其數(shù)量可近似算出。 設(shè)自由能設(shè)自由能F=UF=UTSTS U U為內(nèi)能，為內(nèi)能，S S為系統(tǒng)熵（包括振動(dòng)熵為系統(tǒng)熵（包括振動(dòng)熵S Sf f

6、和排列熵和排列熵S SC C） 空位的引入，一方面由于彈性畸變使晶體內(nèi)能增加；另空位的引入，一方面由于彈性畸變使晶體內(nèi)能增加；另一方面又使晶體中混亂度增加，使熵增加。而熵的變化包括一方面又使晶體中混亂度增加，使熵增加。而熵的變化包括兩部分：兩部分： 空位改變它周圍原子的振動(dòng)引起振動(dòng)熵空位改變它周圍原子的振動(dòng)引起振動(dòng)熵S Sf f ； 空位在晶體點(diǎn)陣中的排列可有許多不同的幾何組態(tài)，使空位在晶體點(diǎn)陣中的排列可有許多不同的幾何組態(tài)，使排列熵排列熵S SC C增加。增加。 設(shè)在溫度設(shè)在溫度T T時(shí)，含有時(shí)，含有N N個(gè)結(jié)點(diǎn)的晶體中形成個(gè)結(jié)點(diǎn)的晶體中形成n n個(gè)空位，與無(wú)空個(gè)空位，與無(wú)空位晶體相比位晶體

7、相比F=nEF=nEV V-TS-TSS=SS=SC C+nS+nSf fn n個(gè)空位引入，可能的原子排列方式個(gè)空位引入，可能的原子排列方式利用玻爾茲曼關(guān)系，利用玻爾茲曼關(guān)系，化簡(jiǎn)可得：化簡(jiǎn)可得： 當(dāng)當(dāng)N N和和n n很大時(shí)，可用斯特令近似公式很大時(shí)，可用斯特令近似公式將上式改寫(xiě)為將上式改寫(xiě)為lnCSk()!NnN n ()ln! ln! ln!VfCVfFnET n SSnEnT SkTNnNn lnlnlnVfFnEnT SkTNnNnNNnnln!lnXXXX令：令： 式中式中A=exp(Sf/k)，由振動(dòng)熵決定，約為，由振動(dòng)熵決定，約為110。 上式表示的是空位平衡濃度和空位形成能以及

8、溫度之間的關(guān)上式表示的是空位平衡濃度和空位形成能以及溫度之間的關(guān)系，由于間隙原子的形成能較大，在相同溫度下，間隙原子濃度系，由于間隙原子的形成能較大，在相同溫度下，間隙原子濃度比空位濃度小的多，通常可以忽略不計(jì)，所以一般情況下，金屬比空位濃度小的多，通?？梢院雎圆挥?jì)，所以一般情況下，金屬晶體的點(diǎn)缺陷主要是指空位。晶體的點(diǎn)缺陷主要是指空位。 /lnln0Vfd F dnET SkTnNn 若已知若已知E EV V和和SSf f，則可由上式計(jì)算出任一溫度，則可由上式計(jì)算出任一溫度T T下的濃度下的濃度C.C.由上式可得：由上式可得： 1 1）晶體中空位在熱力學(xué)上是穩(wěn)定的，一定溫度）晶體中空位在熱力

9、學(xué)上是穩(wěn)定的，一定溫度T T對(duì)應(yīng)一平對(duì)應(yīng)一平衡濃度衡濃度C C 2 2）C C與與T T呈指數(shù)關(guān)系，溫度升高，空位濃度增大呈指數(shù)關(guān)系，溫度升高，空位濃度增大 3 3）空位形成能）空位形成能E EV V大，空位濃度小大，空位濃度小例如：已知銅中例如：已知銅中E EV V=1.7=1.71010-19-19J J，A A取為取為1 1，則，則 T100K300K500K700K900K1000KCV10-5710-1910-1110-8.110-6.310-5.7 例題例題 CuCu晶體的空位形成能晶體的空位形成能E Ev v為為0.9ev/atom0.9ev/atom，或，或1.441.4410

10、101919 J/atom J/atom，材料常數(shù)，材料常數(shù)A A取作取作1 1，玻爾茲曼常數(shù)，玻爾茲曼常數(shù)k k1.381.3810 10 2323J/KJ/K，計(jì)算：，計(jì)算： 1 1）在）在500500下，每立方米下，每立方米CuCu中的空位數(shù)目。中的空位數(shù)目。 2 2） 500500下的平衡空位濃度。下的平衡空位濃度。 解：首先確定解：首先確定1m1m3 3體積內(nèi)體積內(nèi)CuCu原子的總數(shù)（已知原子的總數(shù)（已知CuCu的摩爾的摩爾質(zhì)量為質(zhì)量為M MCuCu63.54g/mol63.54g/mol， 500 500下下CuCu的密度的密度CuCu8.96 8.96 10106 6 g/mg/

11、m3 3 23628036.023 108.96 108.49 1063.54CuCuNNMm1 1）將）將N N代入空位平衡濃度公式，計(jì)算空位數(shù)目代入空位平衡濃度公式，計(jì)算空位數(shù)目n nv v 2 2）計(jì)算空位濃度）計(jì)算空位濃度 即在即在500500時(shí)，每時(shí)，每106106個(gè)原子中才有個(gè)原子中才有1.41.4個(gè)空位。個(gè)空位。1928232813.52862331.44 10exp8.49 10exp1.38 107738.49 108.49 101.37 101.2 10/VvEnNkTem1913.56231.44 10exp1.4 101.38 10773vVnCeN過(guò)飽和點(diǎn)缺陷過(guò)飽和點(diǎn)

12、缺陷 給定溫度下，晶體中給定溫度下，晶體中存存在一平衡的點(diǎn)缺陷濃度，在一平衡的點(diǎn)缺陷濃度，通過(guò)一些方法，晶體中的點(diǎn)缺陷濃度超過(guò)平衡濃度。通過(guò)一些方法，晶體中的點(diǎn)缺陷濃度超過(guò)平衡濃度。 1）高溫淬火把）高溫淬火把 空位保留到室溫：加熱后，使缺陷濃度空位保留到室溫：加熱后，使缺陷濃度較高，然后快速冷卻，使點(diǎn)缺陷來(lái)不及復(fù)合過(guò)程。較高，然后快速冷卻，使點(diǎn)缺陷來(lái)不及復(fù)合過(guò)程。 2）輻照：高能粒子輻照晶體，形成數(shù)量相等的空位和）輻照：高能粒子輻照晶體，形成數(shù)量相等的空位和間隙原子（原子不斷離位而產(chǎn)生）。間隙原子（原子不斷離位而產(chǎn)生）。 3）塑性變形：位錯(cuò)滑移并交割后留下大量的點(diǎn)缺陷。）塑性變形：位錯(cuò)滑移并

13、交割后留下大量的點(diǎn)缺陷。 另外，點(diǎn)缺陷還會(huì)聚集成空位片，過(guò)多的空位片另外，點(diǎn)缺陷還會(huì)聚集成空位片，過(guò)多的空位片造成材料區(qū)域崩塌而破壞，形成孔洞。造成材料區(qū)域崩塌而破壞，形成孔洞。 空位在晶體中的分布是一個(gè)空位在晶體中的分布是一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡，其不斷地與周圍原子交換動(dòng)態(tài)平衡，其不斷地與周圍原子交換位置，使空位移動(dòng)所必需的能量，叫空位移動(dòng)能位置，使空位移動(dòng)所必需的能量，叫空位移動(dòng)能Em。圖圖3-5所示為空位移動(dòng)所示為空位移動(dòng) 。 圖圖3.5 空位的移動(dòng)空位的移動(dòng)三三 點(diǎn)缺陷的運(yùn)動(dòng)和作用點(diǎn)缺陷的運(yùn)動(dòng)和作用在點(diǎn)缺陷運(yùn)動(dòng)中，當(dāng)間隙原子與一個(gè)空位相遇時(shí)，在點(diǎn)缺陷運(yùn)動(dòng)中，當(dāng)間隙原子與一個(gè)空位相遇時(shí)，將落入該空位

14、，使兩者都消失，稱為將落入該空位，使兩者都消失，稱為復(fù)合復(fù)合。 點(diǎn)缺陷運(yùn)動(dòng)的作用在于點(diǎn)缺陷運(yùn)動(dòng)的作用在于：由于空位和間隙原子：由于空位和間隙原子不斷的產(chǎn)生與復(fù)合，使得晶體中的原子不停地向別不斷的產(chǎn)生與復(fù)合，使得晶體中的原子不停地向別處作不規(guī)則地布朗運(yùn)動(dòng)，這就是晶體地自擴(kuò)散，是處作不規(guī)則地布朗運(yùn)動(dòng)，這就是晶體地自擴(kuò)散，是固態(tài)相變、表面化學(xué)熱處理、蠕變、燒結(jié)等過(guò)程地固態(tài)相變、表面化學(xué)熱處理、蠕變、燒結(jié)等過(guò)程地基礎(chǔ)?；A(chǔ)。點(diǎn)缺陷對(duì)晶體性質(zhì)的影響點(diǎn)缺陷對(duì)晶體性質(zhì)的影響 1對(duì)電阻的影響對(duì)電阻的影響空位引起點(diǎn)陣畸變，使傳導(dǎo)電子受到散射，產(chǎn)生附加空位引起點(diǎn)陣畸變，使傳導(dǎo)電子受到散射，產(chǎn)生附加電阻電阻2對(duì)力學(xué)

15、性能的影響對(duì)力學(xué)性能的影響3對(duì)高溫蠕變的影響對(duì)高溫蠕變的影響4.2 位錯(cuò)的結(jié)構(gòu)位錯(cuò)的結(jié)構(gòu)位錯(cuò)概念引入及位錯(cuò)觀察位錯(cuò)概念引入及位錯(cuò)觀察 30年代，在研究晶體滑移時(shí)，發(fā)現(xiàn)理論屈服強(qiáng)度年代，在研究晶體滑移時(shí)，發(fā)現(xiàn)理論屈服強(qiáng)度和實(shí)際強(qiáng)度間有巨大差異，為了解釋這種差異，和實(shí)際強(qiáng)度間有巨大差異，為了解釋這種差異，人們?cè)O(shè)想晶體中存在某種缺陷。形變就在這局部人們?cè)O(shè)想晶體中存在某種缺陷。形變就在這局部缺陷處發(fā)生。缺陷處發(fā)生。 晶體結(jié)構(gòu)規(guī)則的完整排列是主要的，非完整晶體結(jié)構(gòu)規(guī)則的完整排列是主要的，非完整的則是次要的。的則是次要的。 晶體力學(xué)性能晶體的非完整性、完整性處于晶體力學(xué)性能晶體的非完整性、完整性處于次要地

16、位次要地位一一 位錯(cuò)與塑性變形位錯(cuò)與塑性變形單晶試棒在拉伸應(yīng)力作用下的變化（宏觀）單晶試棒在拉伸應(yīng)力作用下的變化（宏觀）理論屈服強(qiáng)度設(shè)想變形時(shí)原子按撲克式滑移，即：aa30Gm理論值 3000MPa， 實(shí)際測(cè)量值110MPa實(shí)際觀察到的位錯(cuò)圖片二二 晶體中的位錯(cuò)模型及位錯(cuò)易動(dòng)性晶體中的位錯(cuò)模型及位錯(cuò)易動(dòng)性由上面的理論和實(shí)際的差別，可見(jiàn)規(guī)則整體由上面的理論和實(shí)際的差別，可見(jiàn)規(guī)則整體剛性滑移模型是不切合實(shí)際的。設(shè)想晶體具剛性滑移模型是不切合實(shí)際的。設(shè)想晶體具有不完整性。引入位錯(cuò)概念：有不完整性。引入位錯(cuò)概念： 缺陷運(yùn)動(dòng)符合滑移特征缺陷運(yùn)動(dòng)符合滑移特征 缺陷是易動(dòng)的，但不如點(diǎn)缺陷那樣易熱激活缺陷是易

17、動(dòng)的，但不如點(diǎn)缺陷那樣易熱激活 說(shuō)明這種缺陷的來(lái)源和增殖說(shuō)明這種缺陷的來(lái)源和增殖 19341934年，年，M.Polany,M.Polany,E.Orowan,E.Orowan,G.I.TaylorG.I.Taylor同時(shí)獨(dú)立的提出位錯(cuò)的概念。同時(shí)獨(dú)立的提出位錯(cuò)的概念。以后提出位錯(cuò)的各種模型、位錯(cuò)的應(yīng)力場(chǎng)、以后提出位錯(cuò)的各種模型、位錯(cuò)的應(yīng)力場(chǎng)、相互作用等。相互作用等。 有許多的方法可觀察到位錯(cuò)：透射電鏡、有許多的方法可觀察到位錯(cuò)：透射電鏡、浸蝕法、綴飾法、浸蝕法、綴飾法、X X射線衍射法、場(chǎng)離子射線衍射法、場(chǎng)離子顯微鏡等。顯微鏡等。位錯(cuò)分為兩類：刃型位錯(cuò)和螺型位錯(cuò)，由滑移位錯(cuò)分為兩類：刃型位錯(cuò)

18、和螺型位錯(cuò)，由滑移區(qū)與未滑移區(qū)的分界線來(lái)確定類型。區(qū)與未滑移區(qū)的分界線來(lái)確定類型。晶體局部滑移造成的刃型位錯(cuò)晶體局部滑移造成的刃型位錯(cuò) 位錯(cuò)線：晶體中已滑移區(qū)與未滑移區(qū)的位錯(cuò)線：晶體中已滑移區(qū)與未滑移區(qū)的邊界，不可能終止于晶體內(nèi)部，它們或邊界，不可能終止于晶體內(nèi)部，它們或者在表面露頭，或者終止于晶界和相界，者在表面露頭，或者終止于晶界和相界，或者自行在晶體內(nèi)部形成一個(gè)封閉環(huán)或者自行在晶體內(nèi)部形成一個(gè)封閉環(huán)混合位錯(cuò) 實(shí)際中的位錯(cuò)一般來(lái)說(shuō)很少是單純的刃型位錯(cuò)或是螺型位錯(cuò)，更普遍的是其混合產(chǎn)物-混合位錯(cuò)。 混合位錯(cuò)的滑移矢量不平行也不垂直位錯(cuò)線。而是與位錯(cuò)線成任意角度在切應(yīng)力作用下混合位錯(cuò)的產(chǎn)生在切

19、應(yīng)力作用下混合位錯(cuò)的產(chǎn)生(a)及其原子錯(cuò)排結(jié)構(gòu)及其原子錯(cuò)排結(jié)構(gòu)(b)三三 位錯(cuò)的強(qiáng)度位錯(cuò)的強(qiáng)度柏氏矢量柏氏矢量1 1 柏氏矢量的確定柏氏矢量的確定 19391939年，柏格斯年，柏格斯(J.M.Burgers)(J.M.Burgers)采用一個(gè)矢量來(lái)提采用一個(gè)矢量來(lái)提示位錯(cuò)的本質(zhì)并描述位錯(cuò)的各種行為示位錯(cuò)的本質(zhì)并描述位錯(cuò)的各種行為-稱為柏氏稱為柏氏矢量矢量 在實(shí)際晶體中，從任一原子出發(fā)，圍繞位錯(cuò)在實(shí)際晶體中，從任一原子出發(fā)，圍繞位錯(cuò)( (避開(kāi)避開(kāi)位錯(cuò)線位錯(cuò)線) )，以一定的步數(shù)作閉合回路，以一定的步數(shù)作閉合回路( (柏氏回路、柏氏回路、逆時(shí)針逆時(shí)針) )；在完整晶體中按同樣方向和步數(shù)作相同；在

20、完整晶體中按同樣方向和步數(shù)作相同回路；再自完整晶體中回路終點(diǎn)向始點(diǎn)引一矢量回路；再自完整晶體中回路終點(diǎn)向始點(diǎn)引一矢量 使回路閉合，該矢量就是實(shí)際晶體中位錯(cuò)的使回路閉合，該矢量就是實(shí)際晶體中位錯(cuò)的柏柏矢矢量矢矢量。bv柏氏矢量示意圖-刃型位錯(cuò)MbvMQ柏氏氏量bv柏氏矢量示意圖-螺型位錯(cuò)柏氏矢量的意義柏氏矢量的意義l 表征了總畸變的積累，圍繞一根位錯(cuò)線的柏氏回路表征了總畸變的積累，圍繞一根位錯(cuò)線的柏氏回路任意擴(kuò)大或移動(dòng)，回路中包含的點(diǎn)陣畸變量的總累任意擴(kuò)大或移動(dòng)，回路中包含的點(diǎn)陣畸變量的總累和不變，因而由這種畸變總量所確定的柏氏矢量也和不變，因而由這種畸變總量所確定的柏氏矢量也不改變。不改變。l

21、一條位錯(cuò)線具有唯一的柏氏矢量，不管位錯(cuò)線各處一條位錯(cuò)線具有唯一的柏氏矢量，不管位錯(cuò)線各處的形狀和位錯(cuò)類型怎樣的形狀和位錯(cuò)類型怎樣, ,位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)時(shí)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)時(shí)b b也不會(huì)變也不會(huì)變柏氏矢量的表示方法柏氏矢量的表示方法 柏氏矢量的方向可用晶向指數(shù)來(lái)表示，模柏氏矢量的方向可用晶向指數(shù)來(lái)表示，模由括號(hào)外的適宜數(shù)字表示。立方晶系中由括號(hào)外的適宜數(shù)字表示。立方晶系中柏氏矢量的模柏氏矢量的模體心立方：體心立方：面心立方：面心立方：a=nbvb222a=u +v +wnv222aa3= =1 +1 +1 =a222bbvv222aa2= =1 +1 +0 =a222bbvv四四 位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng) ：滑移、攀

22、移：滑移、攀移1 1 位錯(cuò)的滑移位錯(cuò)的滑移刃型位錯(cuò)的滑移過(guò)程刃型位錯(cuò)的滑移過(guò)程總結(jié)：總結(jié)：1 1 不同之處：不同之處： a a 開(kāi)動(dòng)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的切應(yīng)力方向開(kāi)動(dòng)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的切應(yīng)力方向 b b 位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)方向與晶體滑移方向兩位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)方向與晶體滑移方向兩 者不同者不同2 2 統(tǒng)一形式統(tǒng)一形式 a a 切應(yīng)力方向與柏氏矢量一致切應(yīng)力方向與柏氏矢量一致 b b 滑移后，滑移面兩側(cè)相對(duì)位移與柏滑移后，滑移面兩側(cè)相對(duì)位移與柏 氏矢量一致氏矢量一致 例題例題 1 1 位錯(cuò)環(huán)的運(yùn)動(dòng)混合位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)混合位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)混合位錯(cuò)的滑移過(guò)程混合位錯(cuò)的滑移過(guò)程滑移面的特點(diǎn)：1 刃型位錯(cuò)與滑移面2 螺型位錯(cuò)與滑移面例題例題 2 2 位

23、錯(cuò)滑移歸結(jié)于表位錯(cuò)滑移歸結(jié)于表4 41 1所示所示2. 2. 位錯(cuò)的攀移位錯(cuò)的攀移 位錯(cuò)的位錯(cuò)的攀移攀移( (climbing of disloctionclimbing of disloction) ) : :在垂直在垂直于滑移面方向上運(yùn)動(dòng)于滑移面方向上運(yùn)動(dòng) 攀移的實(shí)質(zhì)攀移的實(shí)質(zhì): :刃位錯(cuò)多余半原子面的擴(kuò)大和縮小刃位錯(cuò)多余半原子面的擴(kuò)大和縮小. . 刃位錯(cuò)的攀移過(guò)程刃位錯(cuò)的攀移過(guò)程: :正攀移正攀移, ,向上運(yùn)動(dòng)；向上運(yùn)動(dòng)；負(fù)攀移負(fù)攀移, , 向下運(yùn)動(dòng)向下運(yùn)動(dòng) 注意：注意：只有刃型位錯(cuò)才能發(fā)生攀移只有刃型位錯(cuò)才能發(fā)生攀移；滑移不涉及原；滑移不涉及原子擴(kuò)散，而攀移必須借助原子擴(kuò)散；外加應(yīng)力對(duì)

24、子擴(kuò)散，而攀移必須借助原子擴(kuò)散；外加應(yīng)力對(duì)攀移起促進(jìn)作用，攀移起促進(jìn)作用，壓（拉）促進(jìn)正（負(fù)）攀移壓（拉）促進(jìn)正（負(fù)）攀移；高溫影響位錯(cuò)的攀移高溫影響位錯(cuò)的攀移3 3 作用在位錯(cuò)上的力作用在位錯(cuò)上的力 外力場(chǎng)中位錯(cuò)所受的力外力場(chǎng)中位錯(cuò)所受的力bdldsdw外力功Fdsdw 假象力做功dwdw bdlFFd單位長(zhǎng)度位錯(cuò)線上的力單位長(zhǎng)度位錯(cuò)線上的力五五 位錯(cuò)密度位錯(cuò)密度n定義：?jiǎn)挝惑w積晶體中所含位錯(cuò)線的總長(zhǎng)度即為位錯(cuò)密度。sL/Vn若位錯(cuò)線看成是一直線，平行地從晶體的一端延伸到另一端，那么一截面安全無(wú)害的位錯(cuò)露頭數(shù)目n也是位錯(cuò)密度sn/s. s為截面積n位錯(cuò)密度s與強(qiáng)度的關(guān)系如下圖：五五 位錯(cuò)的觀

25、察位錯(cuò)的觀察侵蝕技術(shù)侵蝕技術(shù)透射電鏡技術(shù)透射電鏡技術(shù)第三節(jié)第三節(jié) 位錯(cuò)的能量及其交互作用位錯(cuò)的能量及其交互作用一一 位錯(cuò)的應(yīng)變能位錯(cuò)的應(yīng)變能1 1 僅討論中心區(qū)以外的彈性畸變區(qū)，借助僅討論中心區(qū)以外的彈性畸變區(qū)，借助彈性連續(xù)介質(zhì)模型討論位錯(cuò)的彈性性質(zhì)彈性連續(xù)介質(zhì)模型討論位錯(cuò)的彈性性質(zhì)。2 2 把晶體看成各向同性，彈性不隨方向而把晶體看成各向同性，彈性不隨方向而變化變化 補(bǔ)充理論知識(shí)補(bǔ)充理論知識(shí)E1 虎克定律虎克定律 2 單位體積內(nèi)的彈性能等于應(yīng)力應(yīng)變曲線部分陰單位體積內(nèi)的彈性能等于應(yīng)力應(yīng)變曲線部分陰影區(qū)的面積影區(qū)的面積21VU21VU正應(yīng)變正應(yīng)變切應(yīng)變切應(yīng)變?cè)趫A柱體內(nèi)引入相當(dāng)于螺型位錯(cuò)周圍的應(yīng)

26、力場(chǎng)在圓柱體內(nèi)引入相當(dāng)于螺型位錯(cuò)周圍的應(yīng)力場(chǎng)螺旋位錯(cuò)形成的模擬模型螺旋位錯(cuò)形成的模擬模型（心部挖空忽略不計(jì)）（心部挖空忽略不計(jì)）各點(diǎn)的切應(yīng)變?yōu)椋焊鼽c(diǎn)的切應(yīng)變?yōu)椋簉b2（與半徑的關(guān)系（與半徑的關(guān)系) )各點(diǎn)的切應(yīng)力為：各點(diǎn)的切應(yīng)力為：rGb2微圓環(huán)的應(yīng)變能為：微圓環(huán)的應(yīng)變能為：rdrdLrbrGbdu22221從 r0到r對(duì)圓柱體進(jìn)行積分得到0122ln4411010rrGbrdrGbduLUrrrrs單位長(zhǎng)度螺型位錯(cuò)的應(yīng)變能單位長(zhǎng)度螺型位錯(cuò)的應(yīng)變能012ln14rrGbUE單位長(zhǎng)度刃型位錯(cuò)的應(yīng)變能單位長(zhǎng)度刃型位錯(cuò)的應(yīng)變能討論1 公式的的材料常數(shù)；公式的的材料常數(shù)；01100001000rr 2

27、 半徑半徑r0與與r1的選?。坏倪x??；33. 0泊松比單位長(zhǎng)度位錯(cuò)的應(yīng)變能可寫(xiě)成單位長(zhǎng)度位錯(cuò)的應(yīng)變能可寫(xiě)成2GbU0 . 1.5 . 0.對(duì)刃型位錯(cuò)對(duì)螺型位錯(cuò)ba位錯(cuò)的能量與柏氏矢量位錯(cuò)的能量與柏氏矢量的模的平方成正比的模的平方成正比 1 1）U U與與b b2 2呈正比，呈正比，b b小則應(yīng)變能低，位錯(cuò)愈穩(wěn)小則應(yīng)變能低，位錯(cuò)愈穩(wěn) 定定 2 2）在晶體中最易于形成螺型位錯(cuò)。）在晶體中最易于形成螺型位錯(cuò)。 3 3）兩點(diǎn)間以直線最短，所以直線位錯(cuò)比曲線）兩點(diǎn)間以直線最短，所以直線位錯(cuò)比曲線位錯(cuò)能量小，位錯(cuò)總有伸直趨勢(shì)位錯(cuò)能量小，位錯(cuò)總有伸直趨勢(shì) 位錯(cuò)存在導(dǎo)致內(nèi)能升高，同時(shí)位錯(cuò)的引位錯(cuò)存在導(dǎo)致內(nèi)能升

28、高，同時(shí)位錯(cuò)的引入又使晶體熵值增加。由入又使晶體熵值增加。由F=EF=E內(nèi)內(nèi)-TS-TS，通過(guò)估算，通過(guò)估算得出，因應(yīng)變能而引起系統(tǒng)自由能的增加，得出，因應(yīng)變能而引起系統(tǒng)自由能的增加，遠(yuǎn)大于熵增加而引起系統(tǒng)自由能的減小。故遠(yuǎn)大于熵增加而引起系統(tǒng)自由能的減小。故位錯(cuò)與空位不同，它在熱力學(xué)上是不穩(wěn)定的。位錯(cuò)與空位不同，它在熱力學(xué)上是不穩(wěn)定的。 二二 位錯(cuò)的線張力位錯(cuò)的線張力位錯(cuò)張力的肥皂泡收縮比喻1 1 位錯(cuò)應(yīng)變能與線張位錯(cuò)應(yīng)變能與線張力大小相同，量綱不力大小相同，量綱不同；同；2 2 由于線張力，單根由于線張力，單根位錯(cuò)趨于直線狀以保位錯(cuò)趨于直線狀以保持最短的長(zhǎng)度；持最短的長(zhǎng)度；3 3 三根位錯(cuò)

29、線連接三根位錯(cuò)線連接于一點(diǎn)，在結(jié)點(diǎn)處于一點(diǎn)，在結(jié)點(diǎn)處線線張力平衡，合線線張力平衡，合力為零，當(dāng)位錯(cuò)密力為零，當(dāng)位錯(cuò)密度低時(shí)，呈網(wǎng)狀分度低時(shí)，呈網(wǎng)狀分布；布；位錯(cuò)彎曲所受到的作用力與自身線張力之間達(dá)到平衡位錯(cuò)彎曲所受到的作用力與自身線張力之間達(dá)到平衡2sin2dTbds 22sindd若RGbRTb2對(duì)刃型位錯(cuò)對(duì)刃型位錯(cuò)2/1RGb2三三 位錯(cuò)的應(yīng)力場(chǎng)與其他缺陷的交互作用位錯(cuò)的應(yīng)力場(chǎng)與其他缺陷的交互作用位錯(cuò)周圍的點(diǎn)陣應(yīng)變引起高的應(yīng)變能。使其處于高能位錯(cuò)周圍的點(diǎn)陣應(yīng)變引起高的應(yīng)變能。使其處于高能的不平衡狀態(tài)。從另一角度看，點(diǎn)陣應(yīng)變產(chǎn)生了相應(yīng)的不平衡狀態(tài)。從另一角度看，點(diǎn)陣應(yīng)變產(chǎn)生了相應(yīng)的的，使該力

30、場(chǎng)下的其他缺陷產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)，或者說(shuō)，使該力場(chǎng)下的其他缺陷產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)，或者說(shuō)，“能量能量”和和“力力”兩者之間有兩者之間有一定的聯(lián)系，一定的聯(lián)系，它們均來(lái)源于晶格應(yīng)變。能量最低狀態(tài)它們均來(lái)源于晶格應(yīng)變。能量最低狀態(tài)時(shí)作用力則為零時(shí)作用力則為零。通常在描述體系穩(wěn)定程度或變化趨。通常在描述體系穩(wěn)定程度或變化趨勢(shì)時(shí)采用能量的概念說(shuō)明、而在討論體系的變化途徑勢(shì)時(shí)采用能量的概念說(shuō)明、而在討論體系的變化途徑則用則用“力力”的概念。的概念。1 1 位錯(cuò)的應(yīng)力場(chǎng)位錯(cuò)的應(yīng)力場(chǎng)螺型位錯(cuò)周圍應(yīng)力場(chǎng)螺型位錯(cuò)周圍應(yīng)力場(chǎng)rGbrb22l 只有切應(yīng)力作用；只有切應(yīng)力作用；l 應(yīng)力場(chǎng)分布如圓柱體；應(yīng)力場(chǎng)分布如圓柱體；刃型位錯(cuò)周圍應(yīng)力

31、場(chǎng)刃型位錯(cuò)周圍應(yīng)力場(chǎng)u 滑移面上受壓應(yīng)力，下受拉滑移面上受壓應(yīng)力，下受拉u 最大切應(yīng)力在滑移面上；最大切應(yīng)力在滑移面上；u正應(yīng)力是主要的；正應(yīng)力是主要的；2 2 位錯(cuò)與點(diǎn)缺陷的交互作用位錯(cuò)與點(diǎn)缺陷的交互作用柯氏氣團(tuán)，位錯(cuò)釘扎作用，固溶強(qiáng)化柯氏氣團(tuán)，位錯(cuò)釘扎作用，固溶強(qiáng)化3 3 位錯(cuò)與其他位錯(cuò)的交互作用位錯(cuò)與其他位錯(cuò)的交互作用rGb2位錯(cuò)周圍應(yīng)力場(chǎng)位錯(cuò)周圍應(yīng)力場(chǎng)bdlFFd單位長(zhǎng)度位錯(cuò)線上的力單位長(zhǎng)度位錯(cuò)線上的力2121d212FbrGbbbb的作用力為對(duì)n刃型位錯(cuò)在同一個(gè)滑移刃型位錯(cuò)在同一個(gè)滑移面上，同號(hào)相斥，異號(hào)相面上，同號(hào)相斥，異號(hào)相吸；吸；n在不同的滑移面上，排在不同的滑移面上，排列成位

32、錯(cuò)墻列成位錯(cuò)墻四四 位錯(cuò)的分解與合成位錯(cuò)的分解與合成 位錯(cuò)除相互作用外，還可能發(fā)生分解或合成，即位位錯(cuò)除相互作用外，還可能發(fā)生分解或合成，即位錯(cuò)反應(yīng)。位錯(cuò)反應(yīng)有兩個(gè)條件。錯(cuò)反應(yīng)。位錯(cuò)反應(yīng)有兩個(gè)條件。 1 1）幾何條件：反應(yīng)前各位錯(cuò)柏氏矢量之和應(yīng)等于反）幾何條件：反應(yīng)前各位錯(cuò)柏氏矢量之和應(yīng)等于反應(yīng)后各矢量之和應(yīng)后各矢量之和 2 2）能量條件：能量降低的過(guò)程）能量條件：能量降低的過(guò)程 Eb2 b2前前b2后后。 后前bb1001001002aaa2 2 實(shí)際晶體中位錯(cuò)的柏氏矢量實(shí)際晶體中位錯(cuò)的柏氏矢量u 簡(jiǎn)單立方中以晶體的點(diǎn)陣常數(shù)作為位錯(cuò)的柏氏簡(jiǎn)單立方中以晶體的點(diǎn)陣常數(shù)作為位錯(cuò)的柏氏矢量，為晶體中

33、距離最近的兩個(gè)原子之間連接矢矢量，為晶體中距離最近的兩個(gè)原子之間連接矢量；量；u實(shí)際晶體中距離最近的兩個(gè)原子之間連接矢量實(shí)際晶體中距離最近的兩個(gè)原子之間連接矢量為柏氏矢量；為柏氏矢量；u柏氏矢量等于點(diǎn)陣矢量的位錯(cuò)稱為全位錯(cuò)或者柏氏矢量等于點(diǎn)陣矢量的位錯(cuò)稱為全位錯(cuò)或者單位位錯(cuò)；單位位錯(cuò)；次長(zhǎng)全位錯(cuò)長(zhǎng)度為全位錯(cuò)長(zhǎng)度為aabaab100221102全位錯(cuò)長(zhǎng)度為231112aab 柏氏矢量為最密排方向?yàn)?01132011a分位錯(cuò)或不全位錯(cuò)分位錯(cuò)或不全位錯(cuò)晶體中形成一些柏氏矢量小于點(diǎn)陣矢量的晶體中形成一些柏氏矢量小于點(diǎn)陣矢量的位錯(cuò)，即柏氏矢量不是從一個(gè)原子到另外位錯(cuò)，即柏氏矢量不是從一個(gè)原子到另外一個(gè)原

34、子位置，一個(gè)原子位置，而是從原子位置到結(jié)點(diǎn)之而是從原子位置到結(jié)點(diǎn)之間的某一位置間的某一位置，這類位錯(cuò)為分位錯(cuò)或不全這類位錯(cuò)為分位錯(cuò)或不全位錯(cuò)位錯(cuò)不全錯(cuò)面心立方晶體中1126a3 3 面心立方晶體中全位錯(cuò)的分解及擴(kuò)展位錯(cuò)面心立方晶體中全位錯(cuò)的分解及擴(kuò)展位錯(cuò) 面心立方晶體中的滑移面為面心立方晶體中的滑移面為111 111 密排面，滑移密排面，滑移面上的位錯(cuò)面上的位錯(cuò)1102ab 分解為兩個(gè)位錯(cuò)，如分解為兩個(gè)位錯(cuò)，如112612161012aaa該反應(yīng)滿足幾何條件與能量條件該反應(yīng)滿足幾何條件與能量條件112612161012aaa分解出來(lái)的兩個(gè)位分解出來(lái)的兩個(gè)位錯(cuò)保存聯(lián)系，成為錯(cuò)保存聯(lián)系，成為不可分

35、割的位錯(cuò)對(duì)，不可分割的位錯(cuò)對(duì)，位錯(cuò)之間的原子正位錯(cuò)之間的原子正常排列破壞了，形常排列破壞了，形成一層層錯(cuò)成一層層錯(cuò).112612161012FSaaan晶體材料中的界面可分為兩種：同相界面和異晶體材料中的界面可分為兩種：同相界面和異相界面。相界面。n同相界面是相同晶體結(jié)構(gòu)及相同化學(xué)成分的品同相界面是相同晶體結(jié)構(gòu)及相同化學(xué)成分的品粒之間的界面，它包括晶粒界、孿晶界、疇界粒之間的界面，它包括晶粒界、孿晶界、疇界和堆垛層錯(cuò)等。和堆垛層錯(cuò)等。n異相界面是具有不同晶體結(jié)構(gòu)、化學(xué)成分也可異相界面是具有不同晶體結(jié)構(gòu)、化學(xué)成分也可能不同的區(qū)域之間的緊密界面能不同的區(qū)域之間的緊密界面 。n相界：異相界面兩側(cè)的區(qū)

36、域?qū)儆诓煌嗟慕缑妗Ｏ嘟纾寒愊嘟缑鎯蓚?cè)的區(qū)域?qū)儆诓煌嗟慕缑?。n表面：固體與氣體之間的分界面。表面：固體與氣體之間的分界面。一、晶界的結(jié)構(gòu)與界面能一、晶界的結(jié)構(gòu)與界面能 晶界：多晶體中同相晶界：多晶體中同相不同不同晶粒之間的界面。晶粒之間的界面。 1 1 分類分類 大角晶界：相鄰晶體位向差大角晶界：相鄰晶體位向差1010 小角度晶界：位向差小角度晶界：位向差為為2 21010（位錯(cuò)模型解釋）（位錯(cuò)模型解釋） 亞晶界：位向差亞晶界：位向差22 2 2 小角度晶界小角度晶界：對(duì)稱傾側(cè)晶界對(duì)稱傾側(cè)晶界 不對(duì)稱傾側(cè)晶界不對(duì)稱傾側(cè)晶界 扭轉(zhuǎn)晶界扭轉(zhuǎn)晶界1 1小角度晶界小角度晶界 對(duì)稱傾側(cè)晶界對(duì)稱傾側(cè)晶界

37、 由相隔一定距離由相隔一定距離刃型位置垂直排列刃型位置垂直排列組成組成 位錯(cuò)間距離位錯(cuò)間距離D D：與：與柏氏矢量及位向差柏氏矢量及位向差關(guān)系關(guān)系, , 已知晶體點(diǎn)陣常數(shù)，已知晶體點(diǎn)陣常數(shù)，想法測(cè)出位錯(cuò)蝕坑想法測(cè)出位錯(cuò)蝕坑距離，可計(jì)算位向距離，可計(jì)算位向差差bbD2sin2 Si晶體中的小角度晶界晶體中的小角度晶界2 2大角度晶界模型大角度晶界模型 當(dāng)晶體間的位向差增大一定程度后，位錯(cuò)已難以協(xié)調(diào)相鄰晶粒當(dāng)晶體間的位向差增大一定程度后，位錯(cuò)已難以協(xié)調(diào)相鄰晶粒之間的位向差，所以位錯(cuò)模型不能適應(yīng)大角度晶界。其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，之間的位向差，所以位錯(cuò)模型不能適應(yīng)大角度晶界。其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，簡(jiǎn)化：晶界相當(dāng)與兩個(gè)晶粒

38、之間的過(guò)渡層，是僅有簡(jiǎn)化：晶界相當(dāng)與兩個(gè)晶粒之間的過(guò)渡層，是僅有2 23 3個(gè)原子厚個(gè)原子厚度的薄層。但原子排列無(wú)序，比較稀疏。度的薄層。但原子排列無(wú)序，比較稀疏。晶粒及其晶界晶粒及其晶界3 3 晶界的能量晶界的能量無(wú)論小角度晶界或者大角度晶界，原子都偏離平無(wú)論小角度晶界或者大角度晶界，原子都偏離平衡位置，相對(duì)于晶內(nèi)，處于高能量狀態(tài)，衡位置，相對(duì)于晶內(nèi)，處于高能量狀態(tài)， 高出高出的那部分能量稱為的那部分能量稱為 1) 1) 晶界能，或者晶界自由能，記為晶界能，或者晶界自由能，記為 2) 2) 晶界張力，記為晶界張力，記為G小角度晶界能：可由刃型位錯(cuò)模型計(jì)算小角度晶界能：可由刃型位錯(cuò)模型計(jì)算1m1m1m1m晶晶界上位錯(cuò)線的總長(zhǎng)度：界上位錯(cuò)線的總長(zhǎng)度：bUUbD所以晶界能為單位長(zhǎng)度位錯(cuò)應(yīng)變能為),(1012ln14rrGbUslnBoG各符號(hào)含義見(jiàn)課本各符號(hào)含義見(jiàn)課本大角度晶，其結(jié)構(gòu)是一個(gè)相對(duì)無(wú)序的薄區(qū)，界大角度晶，其結(jié)