第二章 晶體缺陷

1、u晶體結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是長(zhǎng)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(diǎn)是長(zhǎng)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(diǎn)陣規(guī)則排列的晶體完全按照空間點(diǎn)陣規(guī)則排列的晶體叫理想晶體。叫理想晶體。u在實(shí)際晶體中，粒子的排列不可能這樣規(guī)則和完整，而是在實(shí)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，出現(xiàn)了不完整性。u把實(shí)際晶體中偏離理想點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的區(qū)域稱(chēng)為晶體缺陷把實(shí)際晶體中偏離理想點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的區(qū)域稱(chēng)為晶體缺陷。u實(shí)際晶體中雖然有晶體缺陷存在，但偏離平衡位置很大的實(shí)際晶體中雖然有

2、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(lái)看，其結(jié)構(gòu)仍可以認(rèn)為是接近粒子數(shù)目是很少的，從總的來(lái)看，其結(jié)構(gòu)仍可以認(rèn)為是接近完整的。完整的。u根據(jù)幾何形態(tài)特征，可以把晶體缺陷分為三類(lèi)：根據(jù)幾何形態(tài)特征，可以把晶體缺陷分為三類(lèi)：點(diǎn)缺陷、點(diǎn)缺陷、線(xiàn)缺陷和面缺陷。線(xiàn)缺陷和面缺陷。第一節(jié)第一節(jié) 點(diǎn)缺陷點(diǎn)缺陷u點(diǎn)缺陷的定義點(diǎn)缺陷的定義u點(diǎn)缺陷：在三維方向上尺寸都很?。ㄟh(yuǎn)小于晶體或晶粒的點(diǎn)缺陷：在三維方向上尺寸都很?。ㄟh(yuǎn)小于晶體或晶粒的線(xiàn)度）的缺陷。線(xiàn)度）的缺陷。 u1.1.點(diǎn)缺陷的類(lèi)型點(diǎn)缺陷的類(lèi)型u金屬中常見(jiàn)的基本點(diǎn)缺陷有空位、間隙原子和置換原子。金屬中常見(jiàn)的基本點(diǎn)缺陷有空位、間隙原子和置

3、換原子。u空位空位：空位就是未被占據(jù)的原子位置；空位就是未被占據(jù)的原子位置；u間隙原子：間隙原子可以是晶體中正常原子離位產(chǎn)生，也間隙原子：間隙原子可以是晶體中正常原子離位產(chǎn)生，也可以是外來(lái)雜質(zhì)原子；可以是外來(lái)雜質(zhì)原子；2.1.1 點(diǎn)缺陷的類(lèi)型及形成點(diǎn)缺陷的類(lèi)型及形成u置換原子：位于晶體點(diǎn)陣位置的異類(lèi)原子置換原子：位于晶體點(diǎn)陣位置的異類(lèi)原子 。u2.點(diǎn)缺陷的形成點(diǎn)缺陷的形成u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(diǎn)缺陷形成最重要的環(huán)節(jié)是原子的振動(dòng)點(diǎn)缺陷形成最重要的環(huán)節(jié)是原子的振動(dòng) u原子的熱振動(dòng)原子的熱振動(dòng) （

4、以一定的頻率和振幅作振動(dòng)）以一定的頻率和振幅作振動(dòng)）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 u點(diǎn)缺陷形成的驅(qū)動(dòng)力點(diǎn)缺陷形成的驅(qū)動(dòng)力：溫度、：溫度、離子轟擊、冷加工離子轟擊、冷加工 u在外界驅(qū)動(dòng)力作用下，哪個(gè)原子能夠掙脫束縛，脫離在外界驅(qū)動(dòng)力作用下，哪個(gè)原子能夠掙脫束縛，脫離平衡位置是不確定的，宏觀上說(shuō)這是一種幾率分布平衡位置是不確定的，宏觀上說(shuō)這是一種幾率分布u空位的兩種類(lèi)型：空位的兩種類(lèi)型：u離位原子遷移到晶體的表面上，這樣形成的空位通常稱(chēng)為離位原子遷移到晶體的表面上，這樣形成的空位通常稱(chēng)為肖脫基缺陷肖脫基缺陷；可遷

5、移到晶體點(diǎn)陣的間隙中，這樣的空位稱(chēng)弗可遷移到晶體點(diǎn)陣的間隙中，這樣的空位稱(chēng)弗蘭克爾缺陷。蘭克爾缺陷。圖 晶體中的點(diǎn)缺陷(a) 肖脫基空位 (b) 弗蘭克爾空位u1.點(diǎn)缺陷的運(yùn)動(dòng)點(diǎn)缺陷的運(yùn)動(dòng)u點(diǎn)缺陷并非固定不動(dòng)，而是處在不斷改變位置的運(yùn)動(dòng)過(guò)程點(diǎn)缺陷并非固定不動(dòng)，而是處在不斷改變位置的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中。中。u空位周?chē)脑樱捎跓嵴駝?dòng)能量的起伏，有可能獲得足空位周?chē)脑?，由于熱振?dòng)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(gè)平衡位置，這時(shí)在這個(gè)原夠的能量而跳入空位，并占據(jù)這個(gè)平衡位置，這時(shí)在這個(gè)原子的原來(lái)位置上，就形成一個(gè)空位。這一過(guò)程可以看作是空子的原來(lái)位置上，就形成一個(gè)空位。這一過(guò)程可以

6、看作是空位向鄰近結(jié)點(diǎn)的遷移。位向鄰近結(jié)點(diǎn)的遷移。u在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，當(dāng)間隙原子與一個(gè)空位相遇時(shí)，它將落入在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，當(dāng)間隙原子與一個(gè)空位相遇時(shí)，它將落入這個(gè)空位，而使兩者都消失，這一過(guò)程稱(chēng)為復(fù)合，或湮沒(méi)。這個(gè)空位，而使兩者都消失，這一過(guò)程稱(chēng)為復(fù)合，或湮沒(méi)。2.1.2 點(diǎn)缺陷的運(yùn)動(dòng)及平衡濃度點(diǎn)缺陷的運(yùn)動(dòng)及平衡濃度（a）原來(lái)位置； （b）中間位置； （c）遷移后位置圖 空位從位置A遷移到Bu2.點(diǎn)缺陷的平衡濃度點(diǎn)缺陷的平衡濃度u晶體中點(diǎn)缺陷的存在，一方面造成點(diǎn)陣畸變，使晶體的內(nèi)晶體中點(diǎn)缺陷的存在，一方面造成點(diǎn)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

7、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?chē)拥恼駝?dòng)頻率，大了原子排列的混亂程度，并改變了其周?chē)拥恼駝?dòng)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(gè)互為矛盾的因素，晶體中的點(diǎn)缺陷在一由于存在著這兩個(gè)互為矛盾的因素，晶體中的點(diǎn)缺陷在一定溫度下有一定的平衡數(shù)目，這時(shí)點(diǎn)缺陷的濃度就稱(chēng)為它們定溫度下有一定的平衡數(shù)目，這時(shí)點(diǎn)缺陷的濃度就稱(chēng)為它們?cè)谠摐囟认碌臒崃W(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(diǎn)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(diǎn)缺陷區(qū)別于其它類(lèi)型

8、晶體缺陷的重要特點(diǎn)于其它類(lèi)型晶體缺陷的重要特點(diǎn)。圖 空位-體系能量曲線(xiàn)與振動(dòng)熵有關(guān)的常數(shù)玻爾茲曼常數(shù)變化每增加一個(gè)空位的能量陣點(diǎn)總數(shù)平衡空位數(shù)AKENnKTEANnCvv)/exp(2.1.3 點(diǎn)缺陷對(duì)性能的影響點(diǎn)缺陷對(duì)性能的影響u點(diǎn)缺陷的存在使晶體體積膨脹，密度減小。點(diǎn)缺陷的存在使晶體體積膨脹，密度減小。u點(diǎn)缺陷引起電阻的增加，這是由于晶體中存在點(diǎn)缺陷時(shí)，點(diǎn)缺陷引起電阻的增加，這是由于晶體中存在點(diǎn)缺陷時(shí)，對(duì)傳導(dǎo)電子產(chǎn)生了附加的電子散射，使電阻增大。對(duì)傳導(dǎo)電子產(chǎn)生了附加的電子散射，使電阻增大。u空位對(duì)金屬的許多過(guò)程有著影響，特別是對(duì)高溫下進(jìn)行的空位對(duì)金屬的許多過(guò)程有著影響，特別是對(duì)高溫下進(jìn)行的

9、過(guò)程起著重要的作用。過(guò)程起著重要的作用。u金屬的擴(kuò)散、高溫塑性變形的斷裂、退火、沉淀、表面化金屬的擴(kuò)散、高溫塑性變形的斷裂、退火、沉淀、表面化學(xué)熱處理、表面氧化、燒結(jié)等過(guò)程都與空位的存在和運(yùn)動(dòng)有學(xué)熱處理、表面氧化、燒結(jié)等過(guò)程都與空位的存在和運(yùn)動(dòng)有著密切的聯(lián)系。著密切的聯(lián)系。 u過(guò)飽和點(diǎn)缺陷（如淬火空位、輻照缺陷）還提高了金屬的過(guò)飽和點(diǎn)缺陷（如淬火空位、輻照缺陷）還提高了金屬的屈服強(qiáng)度。屈服強(qiáng)度。第二節(jié)第二節(jié) 線(xiàn)缺陷線(xiàn)缺陷u線(xiàn)缺陷就是在兩個(gè)方向上尺寸很小，在一個(gè)方向上尺寸很線(xiàn)缺陷就是在兩個(gè)方向上尺寸很小，在一個(gè)方向上尺寸很大的缺陷。大的缺陷。u線(xiàn)缺陷是各種類(lèi)型的位錯(cuò)。線(xiàn)缺陷是各種類(lèi)型的位錯(cuò)。u位

10、錯(cuò)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(cuò)排位錯(cuò)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(cuò)排的范圍，在一個(gè)方向上尺寸較大，而另外兩個(gè)方向上尺寸的范圍，在一個(gè)方向上尺寸較大，而另外兩個(gè)方向上尺寸較小，是一個(gè)直徑為較小，是一個(gè)直徑為35個(gè)原子間距，長(zhǎng)幾百到幾萬(wàn)個(gè)原個(gè)原子間距，長(zhǎng)幾百到幾萬(wàn)個(gè)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(jiǎn)單的位錯(cuò)是刃型位錯(cuò)和螺型位錯(cuò)。最簡(jiǎn)單的位錯(cuò)是刃型位錯(cuò)和螺型位錯(cuò)。2.2.1 位錯(cuò)的基本概念位錯(cuò)的基本概念u1.1.位錯(cuò)學(xué)說(shuō)的產(chǎn)生位錯(cuò)學(xué)說(shuō)的產(chǎn)生u1926年弗蘭克爾利用理想晶體的模型估算了理論切變強(qiáng)年弗蘭克爾利用理想晶體的模型估算了理論切變強(qiáng)度，與實(shí)驗(yàn)結(jié)

11、果相比相差度，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相比相差34個(gè)數(shù)量級(jí)。個(gè)數(shù)量級(jí)。u19341934年泰勒，波朗依和奧羅萬(wàn)三人幾乎同時(shí)提出晶體中年泰勒，波朗依和奧羅萬(wàn)三人幾乎同時(shí)提出晶體中位錯(cuò)的概念。位錯(cuò)的概念。 u泰勒把位錯(cuò)與晶體塑變的滑移聯(lián)系起來(lái)，認(rèn)為位錯(cuò)在切泰勒把位錯(cuò)與晶體塑變的滑移聯(lián)系起來(lái)，認(rèn)為位錯(cuò)在切應(yīng)力作用下發(fā)生運(yùn)動(dòng)，依靠位錯(cuò)的逐步傳遞完成了滑移。應(yīng)力作用下發(fā)生運(yùn)動(dòng)，依靠位錯(cuò)的逐步傳遞完成了滑移。u與剛性滑移不同，位錯(cuò)的移動(dòng)只需鄰近原子作很小距離與剛性滑移不同，位錯(cuò)的移動(dòng)只需鄰近原子作很小距離的彈性偏移就能實(shí)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(shí)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

12、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。圖 理想晶體的滑移模型和刃型位錯(cuò)的滑移過(guò)程 1939年柏格斯提出用柏氏矢量來(lái)表征位錯(cuò)的特性，同時(shí)引年柏格斯提出用柏氏矢量來(lái)表征位錯(cuò)的特性，同時(shí)引入螺型位錯(cuò)。入螺型位錯(cuò)。 1947年柯垂耳利用溶質(zhì)原子與位錯(cuò)的交互作用解釋了低碳年柯垂耳利用溶質(zhì)原子與位錯(cuò)的交互作用解釋了低碳鋼的屈服現(xiàn)象。鋼的屈服現(xiàn)象。 1950年弗蘭克與瑞德同時(shí)提出了位錯(cuò)增殖機(jī)制年弗蘭克與瑞德同時(shí)提出了位錯(cuò)增殖機(jī)制FR位錯(cuò)位錯(cuò)源。源。 50年代后，透射電鏡直接觀測(cè)到了晶體中位錯(cuò)的存在、運(yùn)年代后，透射電鏡直接觀測(cè)到了晶體中位錯(cuò)的存在、運(yùn)動(dòng)、增殖。動(dòng)、增殖。圖 刃型位錯(cuò)與

13、螺型位錯(cuò)u2.位錯(cuò)的基本類(lèi)型位錯(cuò)的基本類(lèi)型u位錯(cuò)可分為刃性位錯(cuò)和螺型位錯(cuò)。位錯(cuò)可分為刃性位錯(cuò)和螺型位錯(cuò)。u（1）刃型位錯(cuò)）刃型位錯(cuò)圖 含有刃型位錯(cuò)的晶體u刃型位錯(cuò)的概念：刃型位錯(cuò)的概念：u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，猶如插入的刀刃一樣，刀刃一樣，EFEF稱(chēng)為刃型位錯(cuò)線(xiàn)。位錯(cuò)線(xiàn)附近區(qū)域發(fā)生了原子稱(chēng)為刃型位錯(cuò)線(xiàn)。位錯(cuò)線(xiàn)附近區(qū)域發(fā)生了原子錯(cuò)排，因此稱(chēng)為錯(cuò)排，因此稱(chēng)為“刃型位錯(cuò)刃型位錯(cuò)” 。u把多余半原子面在滑移面以上的位錯(cuò)稱(chēng)為正刃型位錯(cuò)，用把多余半原子面在滑移面以上的位錯(cuò)稱(chēng)為正刃型位錯(cuò)，用符號(hào)符號(hào)“”表示，反之為負(fù)刃型位錯(cuò)，用表示，反之為

14、負(fù)刃型位錯(cuò)，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(diǎn)陣常含有多余半原子面的晶體受壓，原子間距小于正常點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)陣常數(shù)。陣常數(shù)。u位錯(cuò)在晶體中引起的畸變?cè)谖诲e(cuò)線(xiàn)中心處最大，隨著離位位錯(cuò)在晶體中引起的畸變?cè)谖诲e(cuò)線(xiàn)中心處最大，隨著離位錯(cuò)中心距離的增大，晶體的畸變逐漸減小錯(cuò)中心距離的增大，晶體的畸變逐漸減小 。u刃型位錯(cuò)的特點(diǎn)：刃型位錯(cuò)的特點(diǎn)：u1).1).刃型位錯(cuò)有一個(gè)額外的半原子面。其實(shí)正、負(fù)之分只刃型位錯(cuò)有一個(gè)額外的半原子面。其實(shí)正、負(fù)之分只具相對(duì)意義而無(wú)本質(zhì)的區(qū)別。具相

15、對(duì)意義而無(wú)本質(zhì)的區(qū)別。u2).2).刃型位錯(cuò)線(xiàn)可理解為晶體中已滑移區(qū)與未滑移區(qū)的邊刃型位錯(cuò)線(xiàn)可理解為晶體中已滑移區(qū)與未滑移區(qū)的邊界線(xiàn)。它不一定是直線(xiàn)，也可以是折線(xiàn)或曲線(xiàn)，但它必與滑界線(xiàn)。它不一定是直線(xiàn)，也可以是折線(xiàn)或曲線(xiàn)，但它必與滑移方向相垂直，也垂直于滑移矢量。移方向相垂直，也垂直于滑移矢量。圖 不同形狀的刃型位錯(cuò)u3).3).滑移面必定是同時(shí)包含有位錯(cuò)線(xiàn)和滑移矢量的平面，滑移面必定是同時(shí)包含有位錯(cuò)線(xiàn)和滑移矢量的平面，在其他面上不能滑移。由于在刃型位錯(cuò)中，位錯(cuò)線(xiàn)與滑移矢在其他面上不能滑移。由于在刃型位錯(cuò)中，位錯(cuò)線(xiàn)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(gè)。量互相垂直，因此，由它們所

16、構(gòu)成的平面只有一個(gè)。u4).4).晶體中存在刃型位錯(cuò)之后，位錯(cuò)周?chē)狞c(diǎn)陣發(fā)生彈性晶體中存在刃型位錯(cuò)之后，位錯(cuò)周?chē)狞c(diǎn)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(cuò)而言，滑移畸變，既有切應(yīng)變，又有正應(yīng)變。就正刃型位錯(cuò)而言，滑移面上方點(diǎn)陣受到壓應(yīng)力，下方點(diǎn)陣受到拉應(yīng)力：負(fù)刃型位錯(cuò)面上方點(diǎn)陣受到壓應(yīng)力，下方點(diǎn)陣受到拉應(yīng)力：負(fù)刃型位錯(cuò)與此相反。與此相反。u5).5).在位錯(cuò)線(xiàn)周?chē)倪^(guò)渡區(qū)（畸變區(qū)）每個(gè)原子具有較大在位錯(cuò)線(xiàn)周?chē)倪^(guò)渡區(qū)（畸變區(qū)）每個(gè)原子具有較大的平均能量。但該區(qū)只有幾個(gè)原子間距寬，畸變區(qū)是狹長(zhǎng)的的平均能量。但該區(qū)只有幾個(gè)原子間距寬，畸變區(qū)是狹長(zhǎng)的管道，所以刃型位錯(cuò)是線(xiàn)缺陷。管道，所

17、以刃型位錯(cuò)是線(xiàn)缺陷。（a）立體圖； （b）頂視圖圖 螺型位錯(cuò)的原子組態(tài)u（2 2）螺型位錯(cuò)）螺型位錯(cuò)圖 螺型位錯(cuò)原子模型及其形成示意u螺型位錯(cuò)的結(jié)構(gòu)特征螺型位錯(cuò)的結(jié)構(gòu)特征 u無(wú)額外的半原子面，原子錯(cuò)排呈軸對(duì)稱(chēng)，分右旋和左旋螺無(wú)額外的半原子面，原子錯(cuò)排呈軸對(duì)稱(chēng)，分右旋和左旋螺型位錯(cuò)；型位錯(cuò)；u一定是直線(xiàn)，與滑移矢量平行，位錯(cuò)線(xiàn)移動(dòng)方向與晶體滑一定是直線(xiàn)，與滑移矢量平行，位錯(cuò)線(xiàn)移動(dòng)方向與晶體滑移方向垂直；移方向垂直；u滑移面不是唯一的，包含螺型位錯(cuò)線(xiàn)的平面都可以作為它滑移面不是唯一的，包含螺型位錯(cuò)線(xiàn)的平面都可以作為它的滑移面；的滑移面；u位錯(cuò)周?chē)c(diǎn)陣也發(fā)生彈性畸變，但只有平行于位錯(cuò)線(xiàn)的切位錯(cuò)周?chē)c(diǎn)

18、陣也發(fā)生彈性畸變，但只有平行于位錯(cuò)線(xiàn)的切應(yīng)變而無(wú)正應(yīng)變，即不引起體積的膨脹和收縮；應(yīng)變而無(wú)正應(yīng)變，即不引起體積的膨脹和收縮；u位錯(cuò)畸變區(qū)也是幾個(gè)原子間距寬度，同樣是線(xiàn)位錯(cuò)。位錯(cuò)畸變區(qū)也是幾個(gè)原子間距寬度，同樣是線(xiàn)位錯(cuò)。u3.柏氏矢量柏氏矢量u（1 1）柏氏矢量的確定方法）柏氏矢量的確定方法u先確定位錯(cuò)線(xiàn)的方向先確定位錯(cuò)線(xiàn)的方向( (一般規(guī)定位錯(cuò)線(xiàn)垂直紙面時(shí)，由紙一般規(guī)定位錯(cuò)線(xiàn)垂直紙面時(shí)，由紙面向外為正向面向外為正向) )，按右手法則做柏氏回路，右手大拇指指位，按右手法則做柏氏回路，右手大拇指指位錯(cuò)線(xiàn)正向，回路方向按右手螺旋方向確定。錯(cuò)線(xiàn)正向，回路方向按右手螺旋方向確定。u從實(shí)際晶體中任一原子出

19、發(fā)，避開(kāi)位錯(cuò)附近的嚴(yán)重畸變區(qū)從實(shí)際晶體中任一原子出發(fā)，避開(kāi)位錯(cuò)附近的嚴(yán)重畸變區(qū)作一閉合回路，回路每一步連接相鄰原子。按同樣方法在完作一閉合回路，回路每一步連接相鄰原子。按同樣方法在完整晶體中做同樣回路，步數(shù)、方向與上述回路一致，這時(shí)終整晶體中做同樣回路，步數(shù)、方向與上述回路一致，這時(shí)終點(diǎn)和起點(diǎn)不重合，由終點(diǎn)到起點(diǎn)引一矢量即為柏氏矢量點(diǎn)和起點(diǎn)不重合，由終點(diǎn)到起點(diǎn)引一矢量即為柏氏矢量b b。圖 刃型位錯(cuò)柏氏矢量的確定圖 螺型位錯(cuò)柏氏矢量的確定u（2 2）柏氏矢量的物理意義及特征）柏氏矢量的物理意義及特征u物理意義：物理意義：u代表位錯(cuò)，并表示其特征（強(qiáng)度、畸變量）；表示晶體滑代表位錯(cuò)，并表示其特征

20、（強(qiáng)度、畸變量）；表示晶體滑移的方向和大小。移的方向和大小。 u反映出柏氏回路包含的位錯(cuò)所引起點(diǎn)陣畸變的總積累。反映出柏氏回路包含的位錯(cuò)所引起點(diǎn)陣畸變的總積累。u通常將柏氏矢量稱(chēng)為位錯(cuò)強(qiáng)度，該矢量的模通常將柏氏矢量稱(chēng)為位錯(cuò)強(qiáng)度，該矢量的模|b|b|表示了畸表示了畸變的程度，稱(chēng)為位錯(cuò)的強(qiáng)度。變的程度，稱(chēng)為位錯(cuò)的強(qiáng)度。u位錯(cuò)的許多性質(zhì)如位錯(cuò)的能量，所受的力，應(yīng)力場(chǎng)，位錯(cuò)位錯(cuò)的許多性質(zhì)如位錯(cuò)的能量，所受的力，應(yīng)力場(chǎng)，位錯(cuò)反應(yīng)等均與其有關(guān)。它也表示出晶體滑移時(shí)原子移動(dòng)的大小反應(yīng)等均與其有關(guān)。它也表示出晶體滑移時(shí)原子移動(dòng)的大小和方向。和方向。u柏氏矢量的特征柏氏矢量的特征u用柏氏矢量可判斷位錯(cuò)的類(lèi)型。用

21、柏氏矢量可判斷位錯(cuò)的類(lèi)型。u用柏氏矢量可以表示晶體滑移的方向和大小。位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)導(dǎo)用柏氏矢量可以表示晶體滑移的方向和大小。位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致晶體滑移時(shí)，滑移量大小即柏氏矢量致晶體滑移時(shí)，滑移量大小即柏氏矢量b 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一條位錯(cuò)線(xiàn)具有唯一的柏氏矢量。一條位錯(cuò)線(xiàn)具有唯一的柏氏矢量。若位錯(cuò)可分解，則分解若位錯(cuò)可分解，則分解后各分位錯(cuò)的柏氏矢量之和等于原位錯(cuò)的柏氏矢量。后各分位錯(cuò)的柏氏矢量之和等于原位錯(cuò)的柏氏矢量。u位錯(cuò)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(cuò)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(gè)閉合的位錯(cuò)環(huán)，或連接于其他位錯(cuò)，或

22、終止在晶界，成一個(gè)閉合的位錯(cuò)環(huán)，或連接于其他位錯(cuò)，或終止在晶界，或露頭于晶體表面?；蚵额^于晶體表面。u（3 3）混合位錯(cuò)）混合位錯(cuò)u晶體中已滑移區(qū)與未滑移區(qū)的邊界線(xiàn)（即位錯(cuò)線(xiàn)）既不平晶體中已滑移區(qū)與未滑移區(qū)的邊界線(xiàn)（即位錯(cuò)線(xiàn)）既不平行也不垂直于滑移方向，即滑移矢量與位錯(cuò)線(xiàn)成任意角度，行也不垂直于滑移方向，即滑移矢量與位錯(cuò)線(xiàn)成任意角度，這種晶體缺陷稱(chēng)為混合型位錯(cuò)這種晶體缺陷稱(chēng)為混合型位錯(cuò)。u混合型位錯(cuò)可分解為刃型位錯(cuò)分量和螺型位錯(cuò)分量?；旌闲臀诲e(cuò)可分解為刃型位錯(cuò)分量和螺型位錯(cuò)分量。圖 晶體局部滑移形成混合位錯(cuò)圖 混合位錯(cuò)的原子組態(tài)u（4 4）柏氏矢量的表示方法）柏氏矢量的表示方法u柏矢量對(duì)于柏矢

23、量柏矢量對(duì)于柏矢量b b沿晶向沿晶向uvw的位錯(cuò)的位錯(cuò)u柏矢量的模柏矢量的模的計(jì)算就是矢量模的計(jì)算，同第柏矢量的模柏矢量的模的計(jì)算就是矢量模的計(jì)算，同第一章中介紹的晶向長(zhǎng)度計(jì)算。對(duì)于立方晶系：一章中介紹的晶向長(zhǎng)度計(jì)算。對(duì)于立方晶系：u位錯(cuò)的加法按照矢量加法規(guī)則進(jìn)行。位錯(cuò)的加法按照矢量加法規(guī)則進(jìn)行。 v4.4.位錯(cuò)密度位錯(cuò)密度v晶體中所含位錯(cuò)的多少可用位錯(cuò)密度來(lái)表示。位錯(cuò)密度晶體中所含位錯(cuò)的多少可用位錯(cuò)密度來(lái)表示。位錯(cuò)密度定義為單位體積晶體中所含位錯(cuò)線(xiàn)的總長(zhǎng)度，其表達(dá)式為定義為單位體積晶體中所含位錯(cuò)線(xiàn)的總長(zhǎng)度，其表達(dá)式為v若為了簡(jiǎn)便起見(jiàn)，可把晶體中的位錯(cuò)線(xiàn)視為一些直線(xiàn)，若為了簡(jiǎn)便起見(jiàn)，可把晶體中

24、的位錯(cuò)線(xiàn)視為一些直線(xiàn)，而且是平行地從晶體的一端延伸到另一端，于是位錯(cuò)密度而且是平行地從晶體的一端延伸到另一端，于是位錯(cuò)密度就可被視為垂直于位錯(cuò)線(xiàn)的單位截面中所穿過(guò)的位錯(cuò)線(xiàn)數(shù)就可被視為垂直于位錯(cuò)線(xiàn)的單位截面中所穿過(guò)的位錯(cuò)線(xiàn)數(shù)目，即目，即)/(3cmcmVS)/1 (2cmAnAlln圖 晶體位錯(cuò)密度和強(qiáng)度關(guān)系示意圖u5.5.位錯(cuò)的攀移位錯(cuò)的攀移u刃型位錯(cuò)除了可以在滑移面上滑移外，還可垂直于滑移刃型位錯(cuò)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。面發(fā)生攀移。u當(dāng)半原子面下端的原子跳離，即空位遷移到半原子面下當(dāng)半原子面下端的原子跳離，即空位遷移到半原子面下端時(shí)，半原子面將縮短，表現(xiàn)為位錯(cuò)向上

25、移動(dòng)，這種移動(dòng)端時(shí)，半原子面將縮短，表現(xiàn)為位錯(cuò)向上移動(dòng)，這種移動(dòng)叫做正攀移。反之叫做負(fù)攀移。叫做正攀移。反之叫做負(fù)攀移。u位錯(cuò)攀移時(shí)伴隨著物質(zhì)的遷移，需要擴(kuò)散才能實(shí)現(xiàn)。因位錯(cuò)攀移時(shí)伴隨著物質(zhì)的遷移，需要擴(kuò)散才能實(shí)現(xiàn)。因?yàn)榕室菩枰訑U(kuò)散，所以較之滑移所需的能量更大。對(duì)為攀移需要原子擴(kuò)散，所以較之滑移所需的能量更大。對(duì)于大多數(shù)金屬，這種運(yùn)動(dòng)在室溫下很難進(jìn)行。因此，位錯(cuò)于大多數(shù)金屬，這種運(yùn)動(dòng)在室溫下很難進(jìn)行。因此，位錯(cuò)攀移時(shí)需要熱激活，也就是比滑移需要更大的能量。攀移時(shí)需要熱激活，也就是比滑移需要更大的能量。u通常稱(chēng)攀移為通常稱(chēng)攀移為“非守恒運(yùn)動(dòng)非守恒運(yùn)動(dòng)”，滑移則稱(chēng)為，滑移則稱(chēng)為“守恒運(yùn)守恒運(yùn)動(dòng)

26、動(dòng)”。圖 位錯(cuò)的攀移u6.6.位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的交割位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的交割u對(duì)于在滑移面上運(yùn)動(dòng)的位錯(cuò)來(lái)說(shuō)，穿過(guò)此滑移面的其它位對(duì)于在滑移面上運(yùn)動(dòng)的位錯(cuò)來(lái)說(shuō)，穿過(guò)此滑移面的其它位錯(cuò)稱(chēng)為林位錯(cuò)。林位錯(cuò)會(huì)阻礙位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，但是若應(yīng)力足夠錯(cuò)稱(chēng)為林位錯(cuò)。林位錯(cuò)會(huì)阻礙位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，但是若應(yīng)力足夠大，滑動(dòng)的位錯(cuò)將切過(guò)林位錯(cuò)繼續(xù)前進(jìn)。位錯(cuò)互相切割的過(guò)大，滑動(dòng)的位錯(cuò)將切過(guò)林位錯(cuò)繼續(xù)前進(jìn)。位錯(cuò)互相切割的過(guò)程稱(chēng)為位錯(cuò)交割或位錯(cuò)交截。程稱(chēng)為位錯(cuò)交割或位錯(cuò)交截。u一般情況下，兩個(gè)位錯(cuò)交割時(shí)，每個(gè)位錯(cuò)上都要新產(chǎn)生一一般情況下，兩個(gè)位錯(cuò)交割時(shí)，每個(gè)位錯(cuò)上都要新產(chǎn)生一小段位錯(cuò)，它們的柏氏矢量與攜帶它們的位錯(cuò)相同，它們的小段位錯(cuò)，它們的柏氏矢量與

27、攜帶它們的位錯(cuò)相同，它們的大小與方向決定于另一位錯(cuò)的柏氏矢量。大小與方向決定于另一位錯(cuò)的柏氏矢量。u當(dāng)交割產(chǎn)生的小段位錯(cuò)不在所屬位錯(cuò)的滑移面上時(shí)，則成當(dāng)交割產(chǎn)生的小段位錯(cuò)不在所屬位錯(cuò)的滑移面上時(shí)，則成為位錯(cuò)割階，如果小段位錯(cuò)位于所屬位錯(cuò)的滑移面上，則相為位錯(cuò)割階，如果小段位錯(cuò)位于所屬位錯(cuò)的滑移面上，則相當(dāng)于位錯(cuò)扭折。當(dāng)于位錯(cuò)扭折。u(1) 兩個(gè)柏氏矢量互相平行的刃型位錯(cuò)交割兩個(gè)柏氏矢量互相平行的刃型位錯(cuò)交割圖 兩個(gè)柏氏矢量互相平行刃型位錯(cuò)交割位錯(cuò)扭折螺型位錯(cuò)位錯(cuò)扭折螺型位錯(cuò)u(2) 兩個(gè)柏氏矢量互相垂直的刃型位錯(cuò)交割兩個(gè)柏氏矢量互相垂直的刃型位錯(cuò)交割圖 兩個(gè)柏氏矢量互相垂直刃型位錯(cuò)交割位錯(cuò)割階

28、刃型位錯(cuò)u(3) 刃型位錯(cuò)與螺型位錯(cuò)的交割刃型位錯(cuò)與螺型位錯(cuò)的交割圖 刃型位錯(cuò)與螺型位錯(cuò)的交割位錯(cuò)割階刃型位錯(cuò)位錯(cuò)扭折刃型位錯(cuò)u(4) 螺型位錯(cuò)與螺型位錯(cuò)的交割螺型位錯(cuò)與螺型位錯(cuò)的交割圖 螺型位錯(cuò)與螺型位錯(cuò)的交割位錯(cuò)割階刃型位錯(cuò)位錯(cuò)扭折刃型位錯(cuò)(a)直角坐標(biāo)； (b)圓柱坐標(biāo)的正應(yīng)力及切應(yīng)力表示辦法圖 物體中一點(diǎn)(圖中放大為六面體)的應(yīng)力分量 2.1.3 位錯(cuò)的彈性性質(zhì)（自學(xué)）位錯(cuò)的彈性性質(zhì)（自學(xué)）u1.1.位錯(cuò)的應(yīng)力場(chǎng)位錯(cuò)的應(yīng)力場(chǎng)u位錯(cuò)的彈性性質(zhì)是位錯(cuò)理論的核心與基礎(chǔ)。它考慮的是位位錯(cuò)的彈性性質(zhì)是位錯(cuò)理論的核心與基礎(chǔ)。它考慮的是位錯(cuò)在晶體中引起的畸變的分布及其能量變化。處理位錯(cuò)的彈錯(cuò)在晶體中

29、引起的畸變的分布及其能量變化。處理位錯(cuò)的彈性性質(zhì)的方法，主要有：連續(xù)介質(zhì)方法、點(diǎn)陣離散方法等。性性質(zhì)的方法，主要有：連續(xù)介質(zhì)方法、點(diǎn)陣離散方法等。從理論發(fā)展和效果來(lái)看，連續(xù)介質(zhì)模型發(fā)展得較成熟。從理論發(fā)展和效果來(lái)看，連續(xù)介質(zhì)模型發(fā)展得較成熟。u位錯(cuò)在晶體中的存在使其周?chē)悠x平衡位置而導(dǎo)致點(diǎn)位錯(cuò)在晶體中的存在使其周?chē)悠x平衡位置而導(dǎo)致點(diǎn)陣畸變和彈性應(yīng)力場(chǎng)的產(chǎn)生。陣畸變和彈性應(yīng)力場(chǎng)的產(chǎn)生。u在討論位錯(cuò)的彈性應(yīng)力場(chǎng)的基礎(chǔ)上，可推算出位錯(cuò)所具有在討論位錯(cuò)的彈性應(yīng)力場(chǎng)的基礎(chǔ)上，可推算出位錯(cuò)所具有的能量、位錯(cuò)的作用力、位錯(cuò)與晶體其它缺陷間交互作用等的能量、位錯(cuò)的作用力、位錯(cuò)與晶體其它缺陷間交互作用

30、等問(wèn)題。問(wèn)題。圖 位錯(cuò)的連續(xù)介質(zhì)模型（a）螺位錯(cuò)（b）刃位錯(cuò)u（1）螺位錯(cuò)的應(yīng)力場(chǎng)）螺位錯(cuò)的應(yīng)力場(chǎng)u螺型位錯(cuò)周?chē)挥幸粋€(gè)切應(yīng)變：螺型位錯(cuò)周?chē)挥幸粋€(gè)切應(yīng)變：zb/2ru相應(yīng)的各應(yīng)力分量分別為相應(yīng)的各應(yīng)力分量分別為 u用直角坐標(biāo)表示用直角坐標(biāo)表示 u螺位錯(cuò)的應(yīng)力場(chǎng)的特點(diǎn)：螺位錯(cuò)的應(yīng)力場(chǎng)的特點(diǎn)：u只有切應(yīng)力分量，正應(yīng)力分量全為零，這表明螺型位錯(cuò)不只有切應(yīng)力分量，正應(yīng)力分量全為零，這表明螺型位錯(cuò)不引起晶體的膨脹和收縮。引起晶體的膨脹和收縮。u螺型位錯(cuò)所產(chǎn)生的切應(yīng)力分量只與螺型位錯(cuò)所產(chǎn)生的切應(yīng)力分量只與r有關(guān)（成反比），而有關(guān)（成反比），而與與，z 無(wú)關(guān)。只要無(wú)關(guān)。只要r一定，一定，z就為常數(shù)。因此，

31、螺型位錯(cuò)的就為常數(shù)。因此，螺型位錯(cuò)的應(yīng)場(chǎng)是軸對(duì)稱(chēng)的，即與位錯(cuò)等距離的各處，其切應(yīng)力值相等，應(yīng)場(chǎng)是軸對(duì)稱(chēng)的，即與位錯(cuò)等距離的各處，其切應(yīng)力值相等，并隨著與位錯(cuò)距離的增大，應(yīng)力值減小。并隨著與位錯(cuò)距離的增大，應(yīng)力值減小。ur0時(shí)，時(shí)，z，顯然與實(shí)際情況不符，這說(shuō)明上述結(jié)果，顯然與實(shí)際情況不符，這說(shuō)明上述結(jié)果不適用位錯(cuò)中心的嚴(yán)重畸變區(qū)。不適用位錯(cuò)中心的嚴(yán)重畸變區(qū)。 u（2）刃位錯(cuò)的應(yīng)力場(chǎng)）刃位錯(cuò)的應(yīng)力場(chǎng)圖 刃位錯(cuò)周?chē)膽?yīng)力場(chǎng)u刃位錯(cuò)的應(yīng)力場(chǎng)的特點(diǎn)：刃位錯(cuò)的應(yīng)力場(chǎng)的特點(diǎn)：u同時(shí)存在正應(yīng)力分量與切應(yīng)力分量，而且各應(yīng)力分量的大同時(shí)存在正應(yīng)力分量與切應(yīng)力分量，而且各應(yīng)力分量的大小與小與G和和b成正比，與成正

32、比，與r成反比。成反比。u各應(yīng)力分量都是，的函數(shù)，而與無(wú)關(guān)。這表明在平各應(yīng)力分量都是，的函數(shù)，而與無(wú)關(guān)。這表明在平行與位錯(cuò)的直線(xiàn)上，任一點(diǎn)的應(yīng)力均相同。行與位錯(cuò)的直線(xiàn)上，任一點(diǎn)的應(yīng)力均相同。u在滑移面上，沒(méi)有正應(yīng)力，只有切應(yīng)力，而且切應(yīng)力在滑移面上，沒(méi)有正應(yīng)力，只有切應(yīng)力，而且切應(yīng)力xy 達(dá)到極大值。達(dá)到極大值。u正刃型位錯(cuò)的位錯(cuò)滑移面上側(cè)為壓應(yīng)力，滑移面下側(cè)為拉正刃型位錯(cuò)的位錯(cuò)滑移面上側(cè)為壓應(yīng)力，滑移面下側(cè)為拉應(yīng)力。應(yīng)力。uxy時(shí)，時(shí)，yy，xy均為零，說(shuō)明在直角坐標(biāo)的兩條對(duì)角均為零，說(shuō)明在直角坐標(biāo)的兩條對(duì)角線(xiàn)處，只有線(xiàn)處，只有xx。 u2.2.位錯(cuò)的應(yīng)變能位錯(cuò)的應(yīng)變能u位錯(cuò)周?chē)c(diǎn)陣畸變引起

33、彈性應(yīng)力場(chǎng)導(dǎo)致晶體能量增加，這位錯(cuò)周?chē)c(diǎn)陣畸變引起彈性應(yīng)力場(chǎng)導(dǎo)致晶體能量增加，這部分能量稱(chēng)為位錯(cuò)的應(yīng)變能或位錯(cuò)能部分能量稱(chēng)為位錯(cuò)的應(yīng)變能或位錯(cuò)能 。u與位錯(cuò)的畸變相對(duì)應(yīng)，位錯(cuò)的能量也可分為兩部分：一是與位錯(cuò)的畸變相對(duì)應(yīng)，位錯(cuò)的能量也可分為兩部分：一是位錯(cuò)中心畸變能；二是位錯(cuò)中心以外的能量即彈性應(yīng)變能位錯(cuò)中心畸變能；二是位錯(cuò)中心以外的能量即彈性應(yīng)變能。u根據(jù)點(diǎn)陣模型對(duì)位錯(cuò)中心能量的估算得：彈性應(yīng)變能占總根據(jù)點(diǎn)陣模型對(duì)位錯(cuò)中心能量的估算得：彈性應(yīng)變能占總能量的能量的90%，所以位錯(cuò)中心畸變能常忽略不計(jì)，而彈性應(yīng)變，所以位錯(cuò)中心畸變能常忽略不計(jì)，而彈性應(yīng)變能可采用連續(xù)介質(zhì)彈性模型根據(jù)單位長(zhǎng)度位錯(cuò)所做

34、的功求得。能可采用連續(xù)介質(zhì)彈性模型根據(jù)單位長(zhǎng)度位錯(cuò)所做的功求得。20202/ln)1 (4ln4GbLWrRGbWrRGbWEs刃型位錯(cuò)螺型位錯(cuò)u位錯(cuò)的應(yīng)變能與位錯(cuò)的應(yīng)變能與b2成正比，成正比，b越小，位錯(cuò)能量越低，在晶越小，位錯(cuò)能量越低，在晶體中越穩(wěn)定。為使位錯(cuò)具有最低能量，柏氏矢量都趨向于體中越穩(wěn)定。為使位錯(cuò)具有最低能量，柏氏矢量都趨向于取密排方向的最小值。取密排方向的最小值。u當(dāng)當(dāng)r0趨于零時(shí)，應(yīng)變能將無(wú)窮大，這正好說(shuō)明用連續(xù)介質(zhì)趨于零時(shí)，應(yīng)變能將無(wú)窮大，這正好說(shuō)明用連續(xù)介質(zhì)模型導(dǎo)出的公式在位錯(cuò)中心區(qū)已不適用。模型導(dǎo)出的公式在位錯(cuò)中心區(qū)已不適用。u3.3.外力場(chǎng)中位錯(cuò)所受的力外力場(chǎng)中位錯(cuò)

35、所受的力u外力作用在晶體上時(shí)，晶體中的位錯(cuò)將沿其法線(xiàn)方向運(yùn)動(dòng)，外力作用在晶體上時(shí)，晶體中的位錯(cuò)將沿其法線(xiàn)方向運(yùn)動(dòng)，通過(guò)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生塑性變形。通過(guò)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生塑性變形。u為了研究問(wèn)題的方便，把位錯(cuò)線(xiàn)假設(shè)為物質(zhì)實(shí)體線(xiàn)，把位為了研究問(wèn)題的方便，把位錯(cuò)線(xiàn)假設(shè)為物質(zhì)實(shí)體線(xiàn)，把位錯(cuò)的滑移運(yùn)動(dòng)看作是受一個(gè)垂直于位錯(cuò)線(xiàn)的法向力作用的結(jié)錯(cuò)的滑移運(yùn)動(dòng)看作是受一個(gè)垂直于位錯(cuò)線(xiàn)的法向力作用的結(jié)果，并把這個(gè)法向力稱(chēng)為作用在位錯(cuò)上的力。果，并把這個(gè)法向力稱(chēng)為作用在位錯(cuò)上的力。u它是虛設(shè)的、驅(qū)使位錯(cuò)滑移的力，它必然與位錯(cuò)線(xiàn)運(yùn)動(dòng)方它是虛設(shè)的、驅(qū)使位錯(cuò)滑移的力，它必然與位錯(cuò)線(xiàn)運(yùn)動(dòng)方向一致，即處處與位錯(cuò)線(xiàn)垂直，指向未滑移區(qū)。向一

36、致，即處處與位錯(cuò)線(xiàn)垂直，指向未滑移區(qū)。u根據(jù)虛功原理，切應(yīng)力使晶體滑移所做的功應(yīng)與法向根據(jù)虛功原理，切應(yīng)力使晶體滑移所做的功應(yīng)與法向“力力”推動(dòng)位錯(cuò)滑移所做的功相等。推動(dòng)位錯(cuò)滑移所做的功相等。圖 作用在位錯(cuò)線(xiàn)上的力bdlFFWdsFbdsdldWdsFWbdsdlbdAdWd/)(u4. 4. 位錯(cuò)線(xiàn)張力位錯(cuò)線(xiàn)張力u位錯(cuò)的總能量與位錯(cuò)線(xiàn)的長(zhǎng)度成正比，因此為降低能量，位錯(cuò)的總能量與位錯(cuò)線(xiàn)的長(zhǎng)度成正比，因此為降低能量，位錯(cuò)線(xiàn)有縮短變直的傾向。故在位錯(cuò)線(xiàn)上存在一種使其變位錯(cuò)線(xiàn)有縮短變直的傾向。故在位錯(cuò)線(xiàn)上存在一種使其變直的線(xiàn)張力。直的線(xiàn)張力。這個(gè)線(xiàn)張力在數(shù)值上等于位錯(cuò)應(yīng)變能。這個(gè)線(xiàn)張力在數(shù)值上等于位

37、錯(cuò)應(yīng)變能。rGbGbTdrddsdTdsb2)5 . 0(222sin2sin22彎曲位錯(cuò)圖 位錯(cuò)的線(xiàn)張力u5. 5. 位錯(cuò)之間的相互作用力位錯(cuò)之間的相互作用力u（1 1）兩根平行螺位錯(cuò)的交互作用）兩根平行螺位錯(cuò)的交互作用圖 平行螺型位錯(cuò)的相互作用 圖 同號(hào)刃性位錯(cuò)異號(hào)刃位錯(cuò)的交互作用u（2 2）兩平行刃位錯(cuò)的交互作用）兩平行刃位錯(cuò)的交互作用u實(shí)際晶體結(jié)構(gòu)中，位錯(cuò)的柏氏矢量不能是任意的，它要符實(shí)際晶體結(jié)構(gòu)中，位錯(cuò)的柏氏矢量不能是任意的，它要符合晶體的結(jié)構(gòu)條件和能量條件。合晶體的結(jié)構(gòu)條件和能量條件。u晶體結(jié)構(gòu)條件是指柏氏矢量必須連接一個(gè)原子平衡位置到晶體結(jié)構(gòu)條件是指柏氏矢量必須連接一個(gè)原子平衡位

38、置到另一平衡位置。另一平衡位置。u在某一種晶體結(jié)構(gòu)中，力學(xué)平衡位置很多，故柏氏矢量可在某一種晶體結(jié)構(gòu)中，力學(xué)平衡位置很多，故柏氏矢量可取很多；但從能量條件看，由于位錯(cuò)能量正比于取很多；但從能量條件看，由于位錯(cuò)能量正比于b b2 2，柏氏矢，柏氏矢量量b b越小越好。越小越好。 u正因?yàn)檎驗(yàn)閎 b既要符合結(jié)構(gòu)條件又要符合能量條件，因而實(shí)際既要符合結(jié)構(gòu)條件又要符合能量條件，因而實(shí)際晶體中存在的位錯(cuò)的柏氏矢量限于少數(shù)最短的點(diǎn)陣矢量。晶體中存在的位錯(cuò)的柏氏矢量限于少數(shù)最短的點(diǎn)陣矢量。 2.2.4 實(shí)際晶體中的位錯(cuò)實(shí)際晶體中的位錯(cuò)3密排六方4體心立方6面心立方3簡(jiǎn)單立方數(shù)量|b|方向柏氏矢量結(jié)構(gòu)類(lèi)型u

39、1.1.實(shí)際晶體結(jié)構(gòu)中的單位位錯(cuò)實(shí)際晶體結(jié)構(gòu)中的單位位錯(cuò)u2.2.不全位錯(cuò)不全位錯(cuò)u柏氏矢量等于點(diǎn)陣矢量或其整數(shù)倍的位錯(cuò)稱(chēng)為柏氏矢量等于點(diǎn)陣矢量或其整數(shù)倍的位錯(cuò)稱(chēng)為“全位全位錯(cuò)錯(cuò)” ” ，其中柏氏矢量等于單位點(diǎn)陣矢量的位錯(cuò)稱(chēng)為，其中柏氏矢量等于單位點(diǎn)陣矢量的位錯(cuò)稱(chēng)為“單位單位位錯(cuò)位錯(cuò)”，故全位錯(cuò)滑移后晶體原子排列不變。，故全位錯(cuò)滑移后晶體原子排列不變。u把柏氏矢量不等于點(diǎn)陣矢量整數(shù)倍的位錯(cuò)稱(chēng)為把柏氏矢量不等于點(diǎn)陣矢量整數(shù)倍的位錯(cuò)稱(chēng)為“不全位不全位錯(cuò)錯(cuò)” ” ，其中柏氏矢量小于點(diǎn)陣矢量的位錯(cuò)稱(chēng)為，其中柏氏矢量小于點(diǎn)陣矢量的位錯(cuò)稱(chēng)為“部分位部分位錯(cuò)錯(cuò)”。u不全位錯(cuò)一般表現(xiàn)為晶體原子堆垛層錯(cuò)區(qū)與無(wú)層

40、錯(cuò)區(qū)的邊不全位錯(cuò)一般表現(xiàn)為晶體原子堆垛層錯(cuò)區(qū)與無(wú)層錯(cuò)區(qū)的邊界線(xiàn)，其滑移后原子排列發(fā)生變化。界線(xiàn)，其滑移后原子排列發(fā)生變化。圖 正弗蘭克不全位錯(cuò)的形成 u3.3.位錯(cuò)反應(yīng)位錯(cuò)反應(yīng)u位錯(cuò)之間相互轉(zhuǎn)換位錯(cuò)之間相互轉(zhuǎn)換( (即柏氏矢量的合成與分解即柏氏矢量的合成與分解) )稱(chēng)為位錯(cuò)稱(chēng)為位錯(cuò)反應(yīng)。反應(yīng)。u位錯(cuò)反應(yīng)能否進(jìn)行取決于兩個(gè)條件：位錯(cuò)反應(yīng)能否進(jìn)行取決于兩個(gè)條件：u（1 1）必須滿(mǎn)足幾何條件即柏氏矢量的守恒性；）必須滿(mǎn)足幾何條件即柏氏矢量的守恒性；u（2 2）必須滿(mǎn)足能量條件，反應(yīng)后諸位錯(cuò)的總能量小于反）必須滿(mǎn)足能量條件，反應(yīng)后諸位錯(cuò)的總能量小于反應(yīng)前諸位錯(cuò)的總能量。應(yīng)前諸位錯(cuò)的總能量。后前bb22

41、后前 bb圖 fcc晶體中擴(kuò)展位錯(cuò)的結(jié)構(gòu)u4.4.擴(kuò)展位錯(cuò)擴(kuò)展位錯(cuò)v擴(kuò)展位錯(cuò)：擴(kuò)展位錯(cuò)：v在面心立方晶體中，能量最低的全位錯(cuò)是處在在面心立方晶體中，能量最低的全位錯(cuò)是處在111111面上的面上的柏氏矢量為柏氏矢量為 的單位位錯(cuò)。的單位位錯(cuò)。v它可以分解為兩個(gè)肖克萊不全位錯(cuò)：它可以分解為兩個(gè)肖克萊不全位錯(cuò)：v由于這兩個(gè)不全位錯(cuò)位于同一滑移面上，彼此同號(hào)且其柏由于這兩個(gè)不全位錯(cuò)位于同一滑移面上，彼此同號(hào)且其柏氏矢量的夾角氏矢量的夾角為為6060o o9090o o，故它們必然相互排斥并分開(kāi)，其，故它們必然相互排斥并分開(kāi)，其間夾著一片堆垛層錯(cuò)區(qū)，直到層錯(cuò)的表面張力間夾著一片堆垛層錯(cuò)區(qū)，直到層錯(cuò)的表面

42、張力( (等于層錯(cuò)能等于層錯(cuò)能) )和不全位錯(cuò)的斥力相平衡時(shí)，不全位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)才停止，形成和不全位錯(cuò)的斥力相平衡時(shí)，不全位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)才停止，形成穩(wěn)定的位錯(cuò)組態(tài)。這種兩個(gè)不全位錯(cuò)夾一片層錯(cuò)的整個(gè)位錯(cuò)穩(wěn)定的位錯(cuò)組態(tài)。這種兩個(gè)不全位錯(cuò)夾一片層錯(cuò)的整個(gè)位錯(cuò)組態(tài)稱(chēng)為擴(kuò)展位錯(cuò)。組態(tài)稱(chēng)為擴(kuò)展位錯(cuò)。u5.5.位錯(cuò)的增殖位錯(cuò)的增殖圖 FR源動(dòng)作過(guò)程v弗蘭克弗蘭克- -瑞德瑞德(Frank-Read)(Frank-Read)位錯(cuò)源位錯(cuò)源v刃型位錯(cuò)的兩端被位錯(cuò)網(wǎng)點(diǎn)釘住不能運(yùn)動(dòng)。若沿柏氏矢量刃型位錯(cuò)的兩端被位錯(cuò)網(wǎng)點(diǎn)釘住不能運(yùn)動(dòng)。若沿柏氏矢量b b方向施加一切應(yīng)力，使位錯(cuò)沿滑移面向前滑移運(yùn)動(dòng)。方向施加一切應(yīng)力，使位錯(cuò)沿滑移

43、面向前滑移運(yùn)動(dòng)。v作用于位錯(cuò)線(xiàn)上的力作用于位錯(cuò)線(xiàn)上的力, ,總是與位錯(cuò)線(xiàn)本身垂直，所以彎曲總是與位錯(cuò)線(xiàn)本身垂直，所以彎曲后的位錯(cuò)每一小段繼續(xù)沿它的法線(xiàn)方向向外擴(kuò)展，其兩端則后的位錯(cuò)每一小段繼續(xù)沿它的法線(xiàn)方向向外擴(kuò)展，其兩端則分別繞節(jié)點(diǎn)分別繞節(jié)點(diǎn)A A，B B發(fā)生回轉(zhuǎn)。發(fā)生回轉(zhuǎn)。v當(dāng)兩端彎出來(lái)的線(xiàn)段相互靠近時(shí)，由于該兩線(xiàn)段平行于柏當(dāng)兩端彎出來(lái)的線(xiàn)段相互靠近時(shí)，由于該兩線(xiàn)段平行于柏氏矢量氏矢量b b，但位錯(cuò)線(xiàn)方向卻相反，分別屬于左螺和右螺位錯(cuò)，但位錯(cuò)線(xiàn)方向卻相反，分別屬于左螺和右螺位錯(cuò)，因此會(huì)互相抵消，形成一閉合的位錯(cuò)環(huán)以及位錯(cuò)環(huán)內(nèi)的一，因此會(huì)互相抵消，形成一閉合的位錯(cuò)環(huán)以及位錯(cuò)環(huán)內(nèi)的一小段彎曲位

44、錯(cuò)線(xiàn)。小段彎曲位錯(cuò)線(xiàn)。第三節(jié)第三節(jié) 面缺陷面缺陷v面缺陷的定義面缺陷的定義v面缺陷：在兩個(gè)方向上尺寸很大，在一個(gè)方向上尺寸很小面缺陷：在兩個(gè)方向上尺寸很大，在一個(gè)方向上尺寸很小的缺陷。的缺陷。 v面缺陷的類(lèi)型面缺陷的類(lèi)型v金屬中常見(jiàn)的面缺陷有表面、晶界、亞晶界和相界。金屬中常見(jiàn)的面缺陷有表面、晶界、亞晶界和相界。v 從原子結(jié)合的角度看，表面原子的結(jié)合鍵數(shù)也減少，因從原子結(jié)合的角度看，表面原子的結(jié)合鍵數(shù)也減少，因此表面原子有強(qiáng)烈的傾向與環(huán)境中的原子或分子相互作用。此表面原子有強(qiáng)烈的傾向與環(huán)境中的原子或分子相互作用。v晶體表層原子在不均勻力場(chǎng)作用下會(huì)偏離其平衡位置而移晶體表層原子在不均勻力場(chǎng)作用下

45、會(huì)偏離其平衡位置而移向晶體內(nèi)部，但是正、負(fù)離子向晶體內(nèi)部，但是正、負(fù)離子( (或正、負(fù)電荷或正、負(fù)電荷) )偏離的程度不偏離的程度不同，結(jié)果在晶體表面產(chǎn)生了雙電層。同，結(jié)果在晶體表面產(chǎn)生了雙電層。圖 離子晶體表面的雙電層2.3.1 外表面外表面u晶體內(nèi)部的原子處于其他原子的包圍中，處于均勻的力場(chǎng)晶體內(nèi)部的原子處于其他原子的包圍中，處于均勻的力場(chǎng)中，總合力為零，處于能量最低的狀態(tài)。而表面原子卻不同中，總合力為零，處于能量最低的狀態(tài)。而表面原子卻不同，它與氣相，它與氣相( (或液相或液相) )接觸，處于不均勻的力場(chǎng)之中，其能量接觸，處于不均勻的力場(chǎng)之中，其能量較高，高出的能量稱(chēng)為表面自由能。較高，

46、高出的能量稱(chēng)為表面自由能。u晶體中不同晶面的表面能數(shù)值不同，這是由于表面能的本晶體中不同晶面的表面能數(shù)值不同，這是由于表面能的本質(zhì)是表面原子的不飽和鍵，而不同晶面上的原子密度不同，質(zhì)是表面原子的不飽和鍵，而不同晶面上的原子密度不同，密排面的原子密度最大，則該面上任一原子與相鄰晶面原子密排面的原子密度最大，則該面上任一原子與相鄰晶面原子的作用鍵數(shù)最少，故以密排面作為表面時(shí)不飽和鍵數(shù)最少，的作用鍵數(shù)最少，故以密排面作為表面時(shí)不飽和鍵數(shù)最少，表面能量低。晶體總是力圖處于最低的自由能狀態(tài)，所以一表面能量低。晶體總是力圖處于最低的自由能狀態(tài)，所以一定體積的晶體的平衡幾何外形應(yīng)滿(mǎn)足表面能總和為最小。定體積

47、的晶體的平衡幾何外形應(yīng)滿(mǎn)足表面能總和為最小。u屬于同一固相但位向不同的晶粒之間的界面稱(chēng)為晶界；而屬于同一固相但位向不同的晶粒之間的界面稱(chēng)為晶界；而每個(gè)晶粒有時(shí)又由若干個(gè)位向稍有差異的亞晶粒所組成，相每個(gè)晶粒有時(shí)又由若干個(gè)位向稍有差異的亞晶粒所組成，相鄰亞晶粒間的界面稱(chēng)為亞晶界鄰亞晶粒間的界面稱(chēng)為亞晶界。圖 晶界與亞晶界示意圖2.3.2 晶界晶界u1.1.小角度晶界小角度晶界u相鄰晶粒的位向差小于相鄰晶粒的位向差小于1010的晶界稱(chēng)為小角度晶界。的晶界稱(chēng)為小角度晶界。u最簡(jiǎn)單的小角度晶界是對(duì)稱(chēng)傾斜晶界，其晶界可看成是由最簡(jiǎn)單的小角度晶界是對(duì)稱(chēng)傾斜晶界，其晶界可看成是由一列平行的刃型位錯(cuò)所構(gòu)成。一列平行的刃型位錯(cuò)所構(gòu)成。圖 對(duì)稱(chēng)傾斜晶界u扭轉(zhuǎn)晶界是小角度晶界的扭轉(zhuǎn)晶界是小角度晶界的一種類(lèi)型，它可看成是兩部一種類(lèi)型，它可看成是兩部分晶體繞某一軸在一個(gè)共同分晶體繞某一軸在一個(gè)共同的晶面上相對(duì)扭轉(zhuǎn)一個(gè)的晶面上相對(duì)扭轉(zhuǎn)一個(gè)角角所構(gòu)成的，扭轉(zhuǎn)軸垂直于這所構(gòu)成的，扭轉(zhuǎn)軸垂直于這一共同的晶面。一共同的晶面。u扭轉(zhuǎn)扭轉(zhuǎn)晶界的結(jié)構(gòu)可看成是晶界的結(jié)構(gòu)可看成是由互相交叉的螺型位錯(cuò)所組由互相交叉的螺型位錯(cuò)所組成。成。圖 扭轉(zhuǎn)晶界的形成u2.2.大角度晶界大角度晶界u相鄰晶粒的位向差大于相鄰晶粒的位