第五章晶體缺陷

1、第第5 5章章 晶體缺陷晶體缺陷Imperfections in crystalline solids（ Crystal Defects ）1 1維納斯維納斯“無臂無臂”之美更深入人心之美更深入人心處處留心皆學(xué)問處處留心皆學(xué)問理解開裂無規(guī)則開裂缺陷在實際晶體中，往往存在一些原子的周期性受到破壞的區(qū)域，這在實際晶體中，往往存在一些原子的周期性受到破壞的區(qū)域，這樣的區(qū)域就稱為晶體缺陷樣的區(qū)域就稱為晶體缺陷理想晶體理想晶體：原子完全規(guī)則地排列的晶體。：原子完全規(guī)則地排列的晶體。晶體缺陷晶體缺陷：晶體中部分原子排列偏離理想：晶體中部分原子排列偏離理想 狀態(tài)，局部產(chǎn)生不規(guī)則、不完整的原子狀態(tài)，局部產(chǎn)生不

2、規(guī)則、不完整的原子排列。排列。晶體缺陷產(chǎn)生的原因晶體缺陷產(chǎn)生的原因：原子的熱振動、晶：原子的熱振動、晶體形成條件限制、施加的外部條件等。體形成條件限制、施加的外部條件等。按照缺陷的尺寸和形狀，可將晶體缺陷分類按照缺陷的尺寸和形狀，可將晶體缺陷分類(p60)： 點缺陷：零維缺陷（空位、間隙原子、雜質(zhì)原子）點缺陷：零維缺陷（空位、間隙原子、雜質(zhì)原子） 線缺陷：一維（線狀）缺陷（線缺陷：一維（線狀）缺陷（刃型位錯、螺型位錯刃型位錯、螺型位錯） 面缺陷：二維缺陷（堆垛層錯和晶粒邊界）面缺陷：二維缺陷（堆垛層錯和晶粒邊界） 體缺陷：三維缺陷（晶體內(nèi)部的小晶粒）體缺陷：三維缺陷（晶體內(nèi)部的小晶粒） ，稱為

3、稱為反反5.1 點缺陷點缺陷 熱運動與點缺陷熱運動與點缺陷 晶格原子圍繞平衡位置作熱振動，頻率在晶格原子圍繞平衡位置作熱振動，頻率在101012 12 - - 10101313赫茲（德拜頻率）赫茲（德拜頻率） 原子的能量不是平均的，也不恒定，原子動能近原子的能量不是平均的，也不恒定，原子動能近似服從似服從Maxwell-BoltzmanMaxwell-Boltzman分布，即能量高于分布，即能量高于E E原子原子所占比例所占比例exp(-E/kt)exp(-E/kt) 少數(shù)高能原子離開自己的平衡位置，在晶格節(jié)點少數(shù)高能原子離開自己的平衡位置，在晶格節(jié)點出現(xiàn)空位。出現(xiàn)空位。點缺陷運動方式點缺陷運

4、動方式 遷移遷移 空位或間隙原子由一個位置運動空位或間隙原子由一個位置運動到另一個位置的過程。到另一個位置的過程。 復(fù)合復(fù)合 間隙原子與空位相遇時，將落入間隙原子與空位相遇時，將落入空位，兩者同時消失，這一過程稱為復(fù)合?？瘴唬瑑烧咄瑫r消失，這一過程稱為復(fù)合。點缺陷的運動點缺陷的運動 點缺陷從一個平衡位置移動到相鄰位置，也要克點缺陷從一個平衡位置移動到相鄰位置，也要克服能量障礙服能量障礙 只有周圍原子具有足夠能量才可能實現(xiàn)移動只有周圍原子具有足夠能量才可能實現(xiàn)移動 點缺陷的運動是一個熱激活的過程點缺陷的運動是一個熱激活的過程 運動頻率與溫度有關(guān)。例如運動頻率與溫度有關(guān)。例如CuCu中的空位，中的

5、空位，300K 300K 1010-5-5/s, 1300K 10/s, 1300K 108 8/s/s 空位移動所造成的粒子遷移，即晶體中的自擴散。空位移動所造成的粒子遷移，即晶體中的自擴散。（以后會學(xué)到）自擴散激活能相當(dāng)于空位形成能（以后會學(xué)到）自擴散激活能相當(dāng)于空位形成能與移動能的總和。與移動能的總和。點缺陷的動態(tài)平衡點缺陷的動態(tài)平衡 點缺陷并不是固定不動的，而是處于不斷的產(chǎn)生點缺陷并不是固定不動的，而是處于不斷的產(chǎn)生和消失過程中和消失過程中 在一定溫度下，晶體中點缺陷的數(shù)目是一定的，在一定溫度下，晶體中點缺陷的數(shù)目是一定的，保持動態(tài)平衡。保持動態(tài)平衡。點缺陷與材料行為點缺陷與材料行為(

6、 (對晶體性能的影響，對晶體性能的影響，P63P63) )點缺陷引起晶格畸變（點缺陷引起晶格畸變（如空位引起晶格收縮，間隙如空位引起晶格收縮，間隙原子引起晶格膨脹，置換原子可引起收縮或膨脹）原子引起晶格膨脹，置換原子可引起收縮或膨脹）, ,能量升高，結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，易發(fā)生轉(zhuǎn)變。能量升高，結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，易發(fā)生轉(zhuǎn)變。 點缺陷的存在會引起性能的變化：點缺陷的存在會引起性能的變化： 1.1.物理性質(zhì)、如物理性質(zhì)、如R、V、 等；等； 2.2.力學(xué)性能：采用力學(xué)性能：采用高溫急冷高溫急冷( (如淬火如淬火),),大量的大量的冷加工冷加工, ,高能粒子高能粒子輻照輻照等方法可獲得等方法可獲得過飽和（超平衡）點缺

7、過飽和（超平衡）點缺陷陷，如使，如使S S提高；提高； 3.3.影響影響固態(tài)相變固態(tài)相變, ,化學(xué)熱處理化學(xué)熱處理等。等。5.2 5.2 位位 錯錯(P64)(P64)*位錯位錯: :位錯理論的提出：位錯理論的提出：用于解釋晶用于解釋晶體的體的塑性形變塑性形變。產(chǎn)生原因：產(chǎn)生原因：由于應(yīng)力超過彈性由于應(yīng)力超過彈性限度而使晶體發(fā)生塑性形變所限度而使晶體發(fā)生塑性形變所產(chǎn)生的。產(chǎn)生的。從晶體內(nèi)部看：從晶體內(nèi)部看：就是晶體的一就是晶體的一部分對于另一部分發(fā)生滑移，部分對于另一部分發(fā)生滑移，以致于在滑移區(qū)的分界線上出以致于在滑移區(qū)的分界線上出現(xiàn)線狀缺陷?，F(xiàn)線狀缺陷。固體在一定的條件下，在外力的作用固體在

8、一定的條件下，在外力的作用下產(chǎn)生形變，當(dāng)施加的外力撤除或消下產(chǎn)生形變，當(dāng)施加的外力撤除或消失后該物體不能恢復(fù)原狀的一種物理失后該物體不能恢復(fù)原狀的一種物理現(xiàn)象，現(xiàn)象， 又稱為又稱為“范性形變范性形變”。與之。與之相對應(yīng)的是相對應(yīng)的是彈性形變彈性形變。晶體的理論切變晶體的理論切變強度強度：2Gm一般金屬：一般金屬： m0.1G實際金屬單晶：實際金屬單晶： 10-310-4G晶體的強度：是指使晶體發(fā)生塑性晶體的強度：是指使晶體發(fā)生塑性變形所需的最小剪切應(yīng)力變形所需的最小剪切應(yīng)力彈性極限彈性極限e以下的曲線線性部分稱以下的曲線線性部分稱作作胡克區(qū)胡克區(qū)。在該區(qū)域，形變較小，。在該區(qū)域，形變較小，材料

9、的行為是純彈性的，去除應(yīng)力材料的行為是純彈性的，去除應(yīng)力后無永久性形變。后無永久性形變。在彈性極限內(nèi)，在彈性極限內(nèi)，應(yīng)力和應(yīng)變互成正比，即應(yīng)力應(yīng)力和應(yīng)變互成正比，即應(yīng)力/應(yīng)變應(yīng)變?yōu)槌?shù)。為常數(shù)。這就是著名的這就是著名的胡克定律胡克定律在彈性極限內(nèi)，剪在彈性極限內(nèi)，剪切應(yīng)力對剪切應(yīng)力對剪切應(yīng)變的比率稱為切應(yīng)變的比率稱為剪切剪切模量模量G在彈性極限以上，材料結(jié)構(gòu)改變產(chǎn)生去除應(yīng)力在彈性極限以上，材料結(jié)構(gòu)改變產(chǎn)生去除應(yīng)力后的永久性形變，稱為非彈性行為。后的永久性形變，稱為非彈性行為。應(yīng)力應(yīng)力應(yīng)變應(yīng)變=L/L0固體材料的應(yīng)力固體材料的應(yīng)力- -應(yīng)變示意圖應(yīng)變示意圖( (e e為彈性極限為彈性極限( (線

10、性區(qū)終點線性區(qū)終點)e物體由于外因物體由于外因( (受力、濕度變化等受力、濕度變化等) )而變形時，在物體內(nèi)各部分之間產(chǎn)生相互作而變形時，在物體內(nèi)各部分之間產(chǎn)生相互作用的內(nèi)力，以抵抗這種外因的作用，并力圖使物體從變形后的位置回復(fù)到變形用的內(nèi)力，以抵抗這種外因的作用，并力圖使物體從變形后的位置回復(fù)到變形前的位置。在所考察的截面某一點單位面積上的內(nèi)力稱為前的位置。在所考察的截面某一點單位面積上的內(nèi)力稱為應(yīng)力應(yīng)力。應(yīng)力分為正應(yīng)應(yīng)力分為正應(yīng)力，剪切應(yīng)力。同截面垂直的應(yīng)力稱為正應(yīng)力力，剪切應(yīng)力。同截面垂直的應(yīng)力稱為正應(yīng)力,同截面相切應(yīng)力的稱為（剪）同截面相切應(yīng)力的稱為（剪）切應(yīng)力切應(yīng)力。 位錯在金屬晶體

11、中的存在和運動，對金屬位錯在金屬晶體中的存在和運動，對金屬的的塑性變形、強度和斷裂塑性變形、強度和斷裂起著決定的作用。起著決定的作用。此外，位錯對金屬的此外，位錯對金屬的擴散、相變擴散、相變等過程也等過程也有較大的影響。有較大的影響。位錯的觀測位錯的觀測 用酸性腐蝕劑（如用酸性腐蝕劑（如氫氟酸氫氟酸和和硝酸硝酸的混合溶液）表面進行腐的混合溶液）表面進行腐蝕，則位錯蝕，則位錯“露頭露頭”處的腐蝕速度將遠高于其它部分，可處的腐蝕速度將遠高于其它部分，可形成一個形成一個“腐蝕坑腐蝕坑”。表面顯微觀察技術(shù)（如。表面顯微觀察技術(shù)（如掃描電子顯掃描電子顯微鏡微鏡等）觀察。等）觀察。 硅硅片表面位錯腐蝕坑的

12、形態(tài)，根據(jù)腐蝕坑邊緣的形狀確定片表面位錯腐蝕坑的形態(tài)，根據(jù)腐蝕坑邊緣的形狀確定硅片的硅片的晶體學(xué)晶體學(xué)取向取向 (100)硅片表面的位錯 (111)硅片表面的位錯 利用透射電子顯微鏡（TEM）直接觀察到材料微結(jié)構(gòu)中的位錯。1.位錯的基本類型和特征位錯的基本類型和特征設(shè)有一簡單立方結(jié)構(gòu)的晶體，在切應(yīng)力的作用下發(fā)生局部滑設(shè)有一簡單立方結(jié)構(gòu)的晶體，在切應(yīng)力的作用下發(fā)生局部滑移，發(fā)生局部滑移后晶體內(nèi)在垂直方向出現(xiàn)了一個多余的半移，發(fā)生局部滑移后晶體內(nèi)在垂直方向出現(xiàn)了一個多余的半原子面，顯然在晶格內(nèi)產(chǎn)生了缺陷，這就是原子面，顯然在晶格內(nèi)產(chǎn)生了缺陷，這就是位錯位錯，這種位錯，這種位錯在晶體中有一個刀刃狀的

13、多余半原子面，所以稱為在晶體中有一個刀刃狀的多余半原子面，所以稱為刃型位錯刃型位錯。刃型位錯的刃型位錯的位錯線位錯線垂直于滑移的方向垂直于滑移的方向（滑移矢量）（滑移矢量）。通常稱晶體上半部多出原子面的位錯為通常稱晶體上半部多出原子面的位錯為正刃型位錯正刃型位錯，用符號，用符號“”表示，反之為表示，反之為負刃型位錯負刃型位錯，用，用“”表示。表示。位錯線位錯線：已滑移區(qū)和未滑移區(qū)的的邊界已滑移區(qū)和未滑移區(qū)的的邊界線就是位錯線線就是位錯線晶體局部滑移造成的刃型位錯晶體局部滑移造成的刃型位錯 從滑移角度看，位錯是滑移面上已滑移從滑移角度看，位錯是滑移面上已滑移和未滑移部分的和未滑移部分的交界交界。

14、 刃型位錯的特點刃型位錯的特點： 刃型位錯有一個額外的（多余）半原子面。正刃型位刃型位錯有一個額外的（多余）半原子面。正刃型位錯用錯用“”“”表示，負刃型位錯用表示，負刃型位錯用“”“”表示；其正負只表示；其正負只是相對而言。是相對而言。 刃型位錯線是已滑移區(qū)與未滑移區(qū)的邊界線，可以刃型位錯線是已滑移區(qū)與未滑移區(qū)的邊界線，可以是是直線直線、折線折線或或曲線曲線。它與滑移方向、滑移矢量垂直。它與滑移方向、滑移矢量垂直。（2 2）螺型位錯）螺型位錯 設(shè)想在簡單立方晶體右端施加一切應(yīng)力，使右端設(shè)想在簡單立方晶體右端施加一切應(yīng)力，使右端ABCD滑移滑移面上下兩部分晶體發(fā)生一個原子間距的相對切變，在已滑

15、移區(qū)面上下兩部分晶體發(fā)生一個原子間距的相對切變，在已滑移區(qū)與未滑移區(qū)的交界處，與未滑移區(qū)的交界處，BC線右側(cè)的上下兩層原子發(fā)生了錯排線右側(cè)的上下兩層原子發(fā)生了錯排和不對齊現(xiàn)象，它們圍繞著和不對齊現(xiàn)象，它們圍繞著BC線連成了一個螺旋線，而被線連成了一個螺旋線，而被BC線所貫穿的一組原來是平行的晶面則變成了一個以線所貫穿的一組原來是平行的晶面則變成了一個以BC線為軸線為軸的螺旋面。此種晶格缺陷被稱為的螺旋面。此種晶格缺陷被稱為螺型位錯螺型位錯。螺型位錯的位錯線螺型位錯的位錯線平行于滑移的方向（滑移矢量）平行于滑移的方向（滑移矢量） 螺型位錯分為螺型位錯分為左旋左旋螺型位錯和螺型位錯和右旋右旋螺型位

16、錯。螺型位錯。 所謂所謂左左(右右)旋螺型位錯旋螺型位錯：伸出左：伸出左(右右)手握住位錯，并使拇指手握住位錯，并使拇指平行于位錯線。如果沿著其余四指的回旋方向運動后，晶體是平行于位錯線。如果沿著其余四指的回旋方向運動后，晶體是沿拇指方向前進的，那么所論位錯是左沿拇指方向前進的，那么所論位錯是左(右右)旋螺型位錯。旋螺型位錯。3131螺型位錯示意圖螺型位錯示意圖螺型位錯的特點螺型位錯的特點1 1）無額外半原子面無額外半原子面，原子錯排，原子錯排呈軸對稱呈軸對稱。2 2）分為：）分為：右旋和左旋右旋和左旋螺型位錯。螺型位錯。 3 3）螺型位錯線螺型位錯線/滑移矢量滑移矢量，故一定是直線，故一定是

17、直線，4 4）純螺型位錯的）純螺型位錯的滑移面不是唯一滑移面不是唯一的，但實際上滑的，但實際上滑移移通常是在原子密排面上進行通常是在原子密排面上進行，5 5）螺位錯周圍的）螺位錯周圍的點陣點陣也發(fā)生了也發(fā)生了彈性畸變彈性畸變，但只有，但只有平行于位錯線的平行于位錯線的切應(yīng)變切應(yīng)變，無，無正應(yīng)變正應(yīng)變（在垂直于（在垂直于位錯線的平面投影上，看不出缺陷位錯線的平面投影上，看不出缺陷）混合位錯示意圖混合位錯的位錯線特點混合位錯的位錯線特點（1 1）形狀：不一定是直線，位錯及其畸變區(qū)是一條管道）形狀：不一定是直線，位錯及其畸變區(qū)是一條管道 （2 2）是已滑移區(qū)和未滑移區(qū)的邊界。）是已滑移區(qū)和未滑移區(qū)的

18、邊界。 （3 3）不能中斷于晶體內(nèi)部。可在表面露頭，或終止于晶）不能中斷于晶體內(nèi)部?？稍诒砻媛额^，或終止于晶界和相界，或與其它位錯相交，或自行封閉成環(huán)。界和相界，或與其它位錯相交，或自行封閉成環(huán)。2.2.柏氏柏氏(Burgers)矢量矢量(p69)(p69) 柏氏矢量柏氏矢量: :用來描述用來描述位錯區(qū)域原子的畸變特征位錯區(qū)域原子的畸變特征（包括（包括畸變發(fā)生在什么晶向以及畸變有多大）的物理參量，畸變發(fā)生在什么晶向以及畸變有多大）的物理參量，稱為柏氏矢量（稱為柏氏矢量（Burgers vector）。它是一個矢量，）。它是一個矢量，19391939年由柏格斯（年由柏格斯（J.M.Burgers

19、J.M.Burgers）率先提出。）率先提出。 柏氏矢量的確定方法柏氏矢量的確定方法 先確定位錯的方向（一般規(guī)定位錯線垂直紙面時，由紙先確定位錯的方向（一般規(guī)定位錯線垂直紙面時，由紙面向外為正），按面向外為正），按右手法則右手法則做柏氏回路，右手大拇指指位做柏氏回路，右手大拇指指位錯正方向，回路方向按右手螺旋方向確定。從實際晶體中錯正方向，回路方向按右手螺旋方向確定。從實際晶體中任一原子任一原子M 出發(fā)，避開位錯附近的嚴(yán)重畸變區(qū)作一閉合回出發(fā)，避開位錯附近的嚴(yán)重畸變區(qū)作一閉合回路路 MNOPQ，回路每一步連結(jié)相鄰原子。按同樣方法在完回路每一步連結(jié)相鄰原子。按同樣方法在完整晶體中做同樣回路，步數(shù)

20、，方向與上述回路一致，這時整晶體中做同樣回路，步數(shù)，方向與上述回路一致，這時終點終點 Q 和起點和起點 M 不重合，由終點不重合，由終點Q 到起點到起點M 引一矢量引一矢量QM 即為即為柏氏矢量柏氏矢量b。柏氏矢量與起點的選擇無關(guān)，也與路徑柏氏矢量與起點的選擇無關(guān)，也與路徑無關(guān)。無關(guān)。刃型位錯柏氏矢量的確定(a) 有位錯的晶體 (b) 完整晶體 MNOPQMNOPQ柏氏矢量螺型位錯柏氏矢量的確定(a) 有位錯的晶體 (b) 完整晶體 柏氏矢量柏氏矢量的特征：柏氏矢量的特征： 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。柏氏矢量與位錯線垂直者柏氏矢量與位錯線垂直者為刃型位錯，平行者為

21、螺型位錯，既不垂直又不平行者為混為刃型位錯，平行者為螺型位錯，既不垂直又不平行者為混合位錯。合位錯。柏氏矢量反映位錯區(qū)域點陣畸變總累積的大小。柏氏矢量反映位錯區(qū)域點陣畸變總累積的大小。柏氏矢量柏氏矢量越大，位錯周圍晶體畸變越嚴(yán)重。越大，位錯周圍晶體畸變越嚴(yán)重。用柏氏矢量可以表示晶體滑移的方向和大小。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)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，滑移方向即為柏氏，滑移方向即為柏氏矢量的方向。矢量的方向。 一條位錯線具有唯一的柏氏矢量。一條位錯線具有唯一的柏氏矢量。它與柏氏回路的大小和它與柏氏回路的大小和回路在位

22、錯線上的位置無關(guān)，位錯在晶體中運動或改變方向回路在位錯線上的位置無關(guān)，位錯在晶體中運動或改變方向時，其柏氏矢量不變。時，其柏氏矢量不變。 若位錯可分解，則分解后各分位錯的柏氏矢量之和等于原若位錯可分解，則分解后各分位錯的柏氏矢量之和等于原位錯的柏氏矢量。位錯的柏氏矢量。 位錯的滑移特征總結(jié)位錯的滑移特征總結(jié)3.3.位錯的運動位錯的運動(p72)(p72) 位錯最重要的性質(zhì)之一是它可以在晶體中運動。位錯最重要的性質(zhì)之一是它可以在晶體中運動。刃型位錯的運動可有兩種方式：一種是位錯線沿刃型位錯的運動可有兩種方式：一種是位錯線沿著滑移面的移動，稱為位錯的滑移；另一種是位著滑移面的移動，稱為位錯的滑移；

23、另一種是位錯線垂直于滑移面的移動，稱為位錯的攀移。對錯線垂直于滑移面的移動，稱為位錯的攀移。對螺型位錯來說，它只作滑移而不存在攀移。螺型位錯來說，它只作滑移而不存在攀移。位錯的運動刃型位錯運動螺型位錯運動滑移滑移攀移（1 1）刃型位錯的滑移）刃型位錯的滑移：對含刃型位錯的晶體加切應(yīng)力，：對含刃型位錯的晶體加切應(yīng)力，切應(yīng)力方向平行于柏氏矢量，位錯周圍原子只要移動切應(yīng)力方向平行于柏氏矢量，位錯周圍原子只要移動很小距離，就使位錯由位置很小距離，就使位錯由位置(a)(a)移動到位置移動到位置(c)(c)。 當(dāng)位錯運動到晶體表面時，整個上半部晶體相對當(dāng)位錯運動到晶體表面時，整個上半部晶體相對下半部移動了

24、一個柏氏矢量晶體表面產(chǎn)生了高度為下半部移動了一個柏氏矢量晶體表面產(chǎn)生了高度為b b的臺階。的臺階。 刃型位錯的柏氏矢量刃型位錯的柏氏矢量b b與位錯線與位錯線l l互相垂直，故滑互相垂直，故滑移面為移面為b b與與l l 決定的平面，它是決定的平面，它是唯一確定唯一確定的。刃型位的。刃型位錯移動的方向與錯移動的方向與b b方向一致，和位錯線垂直。方向一致，和位錯線垂直。刃型位錯的運動刃型位錯的運動：(a) (b) (c)刃型位錯的滑移滑移面滑移臺階位錯滑移的比喻位錯滑移的比喻（2 2）刃型位錯的攀移）刃型位錯的攀移由于原子擴散而導(dǎo)致的位錯線脫離滑移面的運動稱為位錯由于原子擴散而導(dǎo)致的位錯線脫離

25、滑移面的運動稱為位錯的的攀移攀移，其中導(dǎo)致半原子面縮小的攀移為，其中導(dǎo)致半原子面縮小的攀移為正攀移正攀移，導(dǎo)致半，導(dǎo)致半原子面擴大的攀移為原子面擴大的攀移為負攀移負攀移。刃型位錯的攀移(a)正攀移 (b)原始位置 (c)負攀移 螺型位錯的滑移也是局部滑移區(qū)的不斷擴大。螺型位錯的滑移也是局部滑移區(qū)的不斷擴大。 螺型位錯的移動方向與螺型位錯的移動方向與b b平行平行。此外因螺型位。此外因螺型位錯錯b b 與與l l平行，故通過位錯線并包含平行，故通過位錯線并包含b b的隨所有晶的隨所有晶面都可能成為它的滑移面。面都可能成為它的滑移面。這表明螺型位錯的滑這表明螺型位錯的滑移面不是唯一的。移面不是唯一

26、的。當(dāng)螺型位錯在原滑移面運動受當(dāng)螺型位錯在原滑移面運動受阻時，可轉(zhuǎn)移到與之相交的另一個滑移面上去，阻時，可轉(zhuǎn)移到與之相交的另一個滑移面上去，這樣的過程叫交叉滑移，簡稱這樣的過程叫交叉滑移，簡稱交滑移交滑移。螺型位錯的運動（滑移）：螺型位錯的運動（滑移）：螺型位錯的滑移 假設(shè)，位錯線假設(shè)，位錯線dl,dl,向任意方向移動向任意方向移動ds,ds,掃過的面積掃過的面積為為 晶體體積變化晶體體積變化 滑移時，體積不變，保守運動滑移時，體積不變，保守運動； 攀移時，體積變化，非保守運動攀移時，體積變化，非保守運動dAnsdl dAddAnbAdbV位錯運動與晶體體積變化關(guān)系位錯運動與晶體體積變化關(guān)系晶

27、體中存在位錯時，位錯線附近的原子偏離了正晶體中存在位錯時，位錯線附近的原子偏離了正常位置，引起點陣畸變，從而產(chǎn)生常位置，引起點陣畸變，從而產(chǎn)生應(yīng)力場應(yīng)力場。 在位錯的中心部，原子排列特別紊亂，超出在位錯的中心部，原子排列特別紊亂，超出彈性變形范圍，虎克定律已不適用。中心區(qū)外，彈性變形范圍，虎克定律已不適用。中心區(qū)外，位錯形成的彈性應(yīng)力場可用各向同性連續(xù)介質(zhì)的位錯形成的彈性應(yīng)力場可用各向同性連續(xù)介質(zhì)的彈性理論來處理。彈性理論來處理。 分析位錯應(yīng)力場時，常設(shè)想把半徑約為分析位錯應(yīng)力場時，常設(shè)想把半徑約為0.50.51nm1nm的中心區(qū)挖去，而在中心區(qū)以外的區(qū)域的中心區(qū)挖去，而在中心區(qū)以外的區(qū)域采用

28、采用連續(xù)彈性介質(zhì)模型連續(xù)彈性介質(zhì)模型導(dǎo)出應(yīng)力場公式。導(dǎo)出應(yīng)力場公式。 4.位錯的應(yīng)力場位錯的應(yīng)力場(p77)（1 1）螺型位錯的應(yīng)力場）螺型位錯的應(yīng)力場模型：將一個空心厚壁圓筒模型：將一個空心厚壁圓筒沿縱向切開一半（切面包含沿縱向切開一半（切面包含中心軸中心軸Z Z），然后使切面兩），然后使切面兩邊的晶體分別沿邊的晶體分別沿+Z+Z軸和軸和-Z-Z軸軸方向位移方向位移b/2b/2（相對位移為（相對位移為b b，b b是位錯的柏氏矢量），最是位錯的柏氏矢量），最后將切面膠合。這樣就相當(dāng)后將切面膠合。這樣就相當(dāng)于形成了一個螺型位錯。位于形成了一個螺型位錯。位錯線就是錯線就是Z Z軸，圓筒的空心軸，

29、圓筒的空心部分相當(dāng)于位錯的中心區(qū)，部分相當(dāng)于位錯的中心區(qū)，實心部分相當(dāng)于位錯的彈性實心部分相當(dāng)于位錯的彈性區(qū)。區(qū)。采用圓柱坐標(biāo)系。在離開中心采用圓柱坐標(biāo)系。在離開中心r r處的切應(yīng)變?yōu)樘幍那袘?yīng)變?yōu)?其相應(yīng)切應(yīng)力其相應(yīng)切應(yīng)力 式中，式中，G G為切變模量。由于圓柱只在為切變模量。由于圓柱只在Z Z方向有位移，方向有位移，X,YX,Y方方向無位移，所以其余應(yīng)力分量為零。向無位移，所以其余應(yīng)力分量為零。 螺型位錯應(yīng)力場是徑向?qū)ΨQ的，即同一半徑上的切螺型位錯應(yīng)力場是徑向?qū)ΨQ的，即同一半徑上的切應(yīng)力相等。且不存在正應(yīng)力分量。應(yīng)力相等。且不存在正應(yīng)力分量。rbZZ2rGbGZZZ2（2 2）刃型位錯應(yīng)力場

30、）刃型位錯應(yīng)力場模型：將一個空心厚壁圓筒模型：將一個空心厚壁圓筒沿縱向切開一半（切面包含沿縱向切開一半（切面包含中心軸中心軸Z Z），然后使切面兩），然后使切面兩邊的晶體沿徑向發(fā)生相對位邊的晶體沿徑向發(fā)生相對位移移b b（b b是位錯的柏氏矢量），是位錯的柏氏矢量），最后將切面膠合。這樣就相最后將切面膠合。這樣就相當(dāng)于形成了一個刃型位錯。當(dāng)于形成了一個刃型位錯。位錯線就是位錯線就是Z Z軸，圓筒的空軸，圓筒的空心部分相當(dāng)于位錯的中心區(qū)，心部分相當(dāng)于位錯的中心區(qū)，實心部分相當(dāng)于位錯的彈性實心部分相當(dāng)于位錯的彈性區(qū)。區(qū)。刃型位錯周圍的應(yīng)力場刃型位錯刃型位錯x和和y方向方向相反。表明在刃型位相反。表

31、明在刃型位錯半原子面的區(qū)域，錯半原子面的區(qū)域，沿沿x方向的正應(yīng)力是方向的正應(yīng)力是壓應(yīng)力，而在不含半壓應(yīng)力，而在不含半原子面的區(qū)域為拉應(yīng)原子面的區(qū)域為拉應(yīng)力力5.位錯的起源和位錯的增殖位錯的起源和位錯的增殖(p88) 位錯的產(chǎn)生導(dǎo)致吉布斯自由能增加（內(nèi)能和焓位錯的產(chǎn)生導(dǎo)致吉布斯自由能增加（內(nèi)能和焓增加，熵減少），增加，熵減少），位錯是一種非平衡缺陷位錯是一種非平衡缺陷。 在材料的制備和加工過程中不可避免地會形成位在材料的制備和加工過程中不可避免地會形成位錯：錯：(1) 位錯的起源位錯的起源 1）凝固時在晶體長大相遇處，因位向略有差別而形成；）凝固時在晶體長大相遇處，因位向略有差別而形成； 2）因

32、熔體中雜質(zhì)原子在凝固過程中不均勻分布使晶體的）因熔體中雜質(zhì)原子在凝固過程中不均勻分布使晶體的先后凝固部分成分不同，從而點陣常數(shù)也有差異，而在過先后凝固部分成分不同，從而點陣常數(shù)也有差異，而在過渡區(qū)出現(xiàn)位錯；渡區(qū)出現(xiàn)位錯； 3）流動液體沖擊、冷卻時局部應(yīng)力集中導(dǎo)致位錯的萌生。）流動液體沖擊、冷卻時局部應(yīng)力集中導(dǎo)致位錯的萌生。 4）晶體裂紋尖端、沉淀物或夾雜物界面、表面損傷處等）晶體裂紋尖端、沉淀物或夾雜物界面、表面損傷處等都易產(chǎn)生應(yīng)力集中，這些應(yīng)力也促使位錯的形成。都易產(chǎn)生應(yīng)力集中，這些應(yīng)力也促使位錯的形成。 5）過飽和空位的聚集成片也是位錯的重要來源。）過飽和空位的聚集成片也是位錯的重要來源。

33、塑性變形時，有大量位錯滑出晶體，所以變形以后晶體中的位錯數(shù)目塑性變形時，有大量位錯滑出晶體，所以變形以后晶體中的位錯數(shù)目應(yīng)當(dāng)減少。應(yīng)當(dāng)減少。但實際上，位錯密度隨著變形量的增加而加大，在經(jīng)過劇烈變形以后但實際上，位錯密度隨著變形量的增加而加大，在經(jīng)過劇烈變形以后甚至可增加個數(shù)量級。甚至可增加個數(shù)量級。此現(xiàn)象表明：此現(xiàn)象表明：變形過程中位錯肯定是以某種方式不斷增殖，變形過程中位錯肯定是以某種方式不斷增殖，而能增值而能增值位錯的地方稱為位錯的地方稱為位錯源位錯源。位錯增殖機制位錯增殖機制有多種，其中最重要的是：有多種，其中最重要的是：弗蘭克和瑞德弗蘭克和瑞德于于19501950年年提出并已為實驗所證

34、實的位錯增殖機制稱為提出并已為實驗所證實的位錯增殖機制稱為弗弗蘭克蘭克- -瑞德瑞德(Frank-Rend(Frank-Rend）源，又稱為）源，又稱為U U型位錯機制，簡稱型位錯機制，簡稱F-RF-R源源。設(shè)想晶體中某滑移面上有一段刃型位錯設(shè)想晶體中某滑移面上有一段刃型位錯ABAB，其兩端被位錯網(wǎng)節(jié)點釘住，其兩端被位錯網(wǎng)節(jié)點釘住，如圖：如圖：(2) 位錯的增殖位錯的增殖弗蘭克弗蘭克-瑞德源的結(jié)構(gòu)瑞德源的結(jié)構(gòu)當(dāng)外切應(yīng)力滿足必要的條當(dāng)外切應(yīng)力滿足必要的條件時，位錯線件時，位錯線DDDD將受到將受到滑移力的作用而發(fā)生滑移滑移力的作用而發(fā)生滑移運動。運動。在應(yīng)力場均勻的情況下，在應(yīng)力場均勻的情況下，

35、沿位錯線各處的滑移力沿位錯線各處的滑移力t t大小都相等，位錯大小都相等，位錯線本應(yīng)平行向前滑移，但線本應(yīng)平行向前滑移，但因位錯因位錯DDDD兩端被固定住，兩端被固定住，不能運動，勢必在運動的不能運動，勢必在運動的同時發(fā)生彎曲，結(jié)果位錯同時發(fā)生彎曲，結(jié)果位錯變成曲線形狀，如圖（變成曲線形狀，如圖（b b）所示。所示。U型位錯機制型位錯機制（Frank-Read Source，F(xiàn)-R源）源） U型位錯是由三段位錯型位錯是由三段位錯BD, DD，DB組成。組成。 DD段位錯在滑移面上，段位錯在滑移面上， BD和和DB均垂直于滑移面（均垂直于滑移面（B點和點和D點重合點重合, B和和D 重合），分析

36、重合），分析U型型位錯在滑移面上的切應(yīng)力位錯在滑移面上的切應(yīng)力作用下如何運動作用下如何運動。當(dāng)外切應(yīng)力滿足必要的條當(dāng)外切應(yīng)力滿足必要的條件時，位錯線件時，位錯線DDDD將受到將受到滑移力的作用而發(fā)生滑移滑移力的作用而發(fā)生滑移運動。在應(yīng)力場均勻的情運動。在應(yīng)力場均勻的情況下，沿位錯線各處的滑況下，沿位錯線各處的滑移力移力t t大小都相等，大小都相等，位錯線本應(yīng)平行向前滑移，位錯線本應(yīng)平行向前滑移，位錯所受力位錯所受力t t總是處處與總是處處與位錯本身垂直，即使位錯位錯本身垂直，即使位錯彎曲也如此彎曲也如此. .在應(yīng)力作用在應(yīng)力作用下，位錯的每一微線段都下，位錯的每一微線段都沿其法線方向向外運動，沿其法線方向向外運動，經(jīng)歷圖（經(jīng)歷圖（c c）（）（d d）。）。當(dāng)位錯線再向前走出一段當(dāng)位錯線再向前走出一段