材料科學(xué)基礎(chǔ)3-1點(diǎn)缺陷

1、概 述晶體缺陷點(diǎn)缺陷線(xiàn)缺陷:位錯(cuò)面缺陷間隙原子與雜質(zhì)原子刃型:螺型:混合型:界面表面堆垛層錯(cuò)晶界亞晶界孿晶界btbtt返回下頁(yè)b1 前邊討論的大都是理想的晶體結(jié)構(gòu)，在理想的晶體結(jié)構(gòu)中，所有的原子都處于規(guī)則的晶體學(xué)位置上，也就是平衡位置上。但人們很早就發(fā)現(xiàn)在實(shí)際晶體中，并不是那麼完整無(wú)缺的，原子的排列不可能絕對(duì)規(guī)則和完整，總是存在著偏離完整性的區(qū)域，對(duì)此稱(chēng)為晶體缺陷。根據(jù)晶體缺陷的幾何形態(tài)特征，一般將它分為三類(lèi)：點(diǎn)缺陷、線(xiàn)缺陷和面缺陷。后退下頁(yè)2（1）點(diǎn)缺陷 它在三維空間各方向上尺寸都很小，亦稱(chēng)為零維缺陷，如空位間隙原子和異類(lèi)原子等。（2）線(xiàn)缺陷 亦稱(chēng)一維缺陷，在兩個(gè)方向上尺寸很小，主要是位錯(cuò)。

2、（3）面缺陷 在空間一個(gè)方向上尺寸很小，另外兩個(gè)方向上尺寸較大的缺陷，如晶界、相界等。后退下頁(yè)返回3第一節(jié) 點(diǎn)缺陷一點(diǎn)缺陷類(lèi)型 空位，間隙原子：肖脫基空位及間隙原子、弗蘭克缺陷（圖） 空位及間隙原子在熱力學(xué)上是平衡濃度為： 下頁(yè)上頁(yè)二、點(diǎn)缺陷的產(chǎn)生 1、平衡點(diǎn)缺陷及其濃度4點(diǎn)缺陷的類(lèi)型5其中Ce為某一種類(lèi)型點(diǎn)缺陷的平衡濃度，N為晶體的原子總數(shù)，A為材料常數(shù)，T熱力學(xué)溫度，k玻爾茲蔓常數(shù)，u該類(lèi)型缺陷的形成能。 熵值的增加隨缺陷數(shù)量的變化是非線(xiàn)性的，（如圖4-3）所示少量點(diǎn)缺陷的存在使熵增快速增加，繼續(xù)增加點(diǎn)缺陷使熵增變化逐漸變緩。U和S這兩項(xiàng)相反作用的結(jié)果使自由能變化A下頁(yè)上頁(yè)6的走向如圖4-

3、3的中間曲線(xiàn)所示，先隨晶體中缺陷數(shù)目的增多，自由能逐漸降低，然后又逐漸增高，這樣體系中在一定溫度下存在著一個(gè)平衡的點(diǎn)缺陷濃度，在該濃度下體系的自由能最低。也就是說(shuō)由熱振動(dòng)產(chǎn)生的點(diǎn)缺陷屬于熱力學(xué)平衡缺陷，晶體中存在這些缺陷使自由能是降低的；相反，如果沒(méi)有這些卻陷，自由能反而升高。下頁(yè)上頁(yè)7返回8 Cu晶體的空位形成能uv=0.9ev/atom或1.44*10-19J/atom材料常數(shù)A取作1,k=1.38*10-23.計(jì)算: 1)在下，每立方米中的空位數(shù)目; 2) 下的平衡空位濃度 。例題 解：首先確定1m3體積內(nèi)原子Cu原子總數(shù) （已知Cu的摩爾質(zhì)量MCu=63.54g/mol,500 下Cu

4、的密度為.96*106g/m3）. 下頁(yè)上頁(yè)91)將N代入，計(jì)算空位數(shù)目ne下頁(yè)上頁(yè)102)計(jì)算空位濃度即在C時(shí)，每106個(gè)原子中才有.個(gè)空位。下頁(yè)上頁(yè)112、過(guò)飽和點(diǎn)缺陷的產(chǎn)生有時(shí)晶體中點(diǎn)缺陷的數(shù)目會(huì)明顯超過(guò)平衡值，這些點(diǎn)缺陷稱(chēng)為過(guò)飽和點(diǎn)缺陷。產(chǎn)生過(guò)飽和點(diǎn)缺陷的原因有高溫淬火、輻照、冷加工等。三、點(diǎn)缺陷及材料行為 空位和間隙原子的運(yùn)動(dòng)是晶體內(nèi)原子擴(kuò)散的內(nèi)部原因，原子（或分子）的擴(kuò)散就是靠點(diǎn)缺陷的運(yùn)動(dòng)而實(shí)現(xiàn)的。材料加工工藝中不少過(guò)程都是以擴(kuò)散作為基礎(chǔ)的，如改變表面下頁(yè)上頁(yè)12下頁(yè)上頁(yè)成分的化學(xué)熱處理、成分均勻化處理，退火與正火、時(shí)效硬化處理、表面氧化及燒結(jié)等過(guò)程無(wú)一不與原子的擴(kuò)散相聯(lián)系，如果晶

5、體中沒(méi)有缺陷，這些工藝將無(wú)法進(jìn)行。 點(diǎn)缺陷還可以造成金屬物理性能與力學(xué)性能的變化。引起電阻的增加，晶體中存在點(diǎn)缺陷。13時(shí)破壞了原子排列的規(guī)律性，使電子在傳導(dǎo)時(shí)的散射增加，從而增加了電阻?？瘴坏拇嬖谑咕w的密度下降，體積膨脹?？瘴坏拇嬖诩捌溥\(yùn)動(dòng)是晶體高溫下發(fā)生蠕變的重要原因之一。高溫快速冷卻時(shí)保留的空位，或經(jīng)輻照處理后空位，這些過(guò)量空位往往沿一些晶面聚集，形成空位片，或它們與其他晶體缺陷發(fā)生交互作用，因而使材料強(qiáng)度有所提高，但同時(shí)也引起顯著的脆性。下頁(yè)上頁(yè)返回14第二節(jié) 位錯(cuò)的基本概念一位錯(cuò)概念的引入 1926年 Frank計(jì)算了理論剪切強(qiáng)度，與實(shí)際剪切 強(qiáng)度相比，相差個(gè)數(shù)量級(jí)，當(dāng)時(shí)無(wú)法解釋?zhuān)?/p>

6、 此矛盾持續(xù)了很長(zhǎng)時(shí)間 。1934年 Taylor在晶體中引入位錯(cuò)概念，將位錯(cuò)與 晶體結(jié)構(gòu)、晶體的滑移聯(lián)系起來(lái)解釋了這種差異 。下頁(yè)上頁(yè)151947年Cottrell發(fā)表了溶質(zhì)原子與位錯(cuò)間交互作用 的研究報(bào)告 。1950年Frank and Reed同時(shí)提出了位錯(cuò)萌生機(jī)制。 1957年公布了世界上第一張位錯(cuò)照片。 今天，位錯(cuò)理論已經(jīng)成為塑性變形及強(qiáng)化的理論基礎(chǔ) 1939年 Burgers提出柏氏矢量b以表征位錯(cuò)的特征， 闡述了位錯(cuò)彈性應(yīng)力場(chǎng)理論。下頁(yè)上頁(yè)16二位錯(cuò)類(lèi)型 刃型位錯(cuò)原子模型刃型位錯(cuò)的局部滑移晶體的局部滑移螺型位錯(cuò)的原子組態(tài)晶體的局部滑移混合型位錯(cuò)的原子組態(tài)bb刃型位錯(cuò)混合型位錯(cuò)：螺

7、型位錯(cuò)下頁(yè)上頁(yè)b17螺型位錯(cuò)與刃型位錯(cuò)的區(qū)別（1）螺型位錯(cuò)中不存在多余半原子面，而是垂直于位錯(cuò)線(xiàn)的原子平面發(fā)生了螺旋狀的扭曲。（2）螺位錯(cuò)線(xiàn)的b與其位錯(cuò)線(xiàn)相平行，而刃位錯(cuò)線(xiàn)的b與其位錯(cuò)線(xiàn)相互垂直，這是區(qū)別螺位錯(cuò)與刃位的主要依據(jù)。（3）螺型位錯(cuò)可分為左螺型位錯(cuò)和右螺型位錯(cuò)，與正負(fù)刃位錯(cuò)不同，左右螺型位錯(cuò)是不能相互轉(zhuǎn)化的，不管從哪個(gè)。下頁(yè)上頁(yè)18（4）螺位錯(cuò)與刃位錯(cuò)的滑移運(yùn)動(dòng)有一個(gè)重要的差別，即刃位錯(cuò)有確定的滑移面（1）它們都是線(xiàn)缺陷；（2）它們都可以在外力的作用下發(fā)生滑移運(yùn)動(dòng)，而且運(yùn)動(dòng)的結(jié)果都是在位錯(cuò)線(xiàn)滑移過(guò)的區(qū)域之中，造成了上下兩半晶刃型位錯(cuò)、螺型位錯(cuò)和混合位錯(cuò)在本質(zhì)上的共同點(diǎn)：方向看，旋轉(zhuǎn)的

8、方向是不會(huì)變的。下頁(yè)上頁(yè)19 據(jù)位錯(cuò)模型不難看出，晶體中有了位錯(cuò)，滑移就十分容易進(jìn)行。由于位錯(cuò)處原子能量高，不太穩(wěn)定，因此在切應(yīng)力作用下原子很容易位移，把位錯(cuò)推進(jìn)一個(gè)原子距離。（圖4-12）位錯(cuò)的易動(dòng)性下頁(yè)上頁(yè)晶體整體相對(duì)位移過(guò)一個(gè)b的距離，這一點(diǎn)是非常重要的。20下頁(yè)上頁(yè)21 位錯(cuò)就是按照這一方式逐漸前進(jìn)，最終便離開(kāi)了晶體，此時(shí)左側(cè)表面形成了一個(gè)原子間距大小的臺(tái)階，同時(shí)在位錯(cuò)移動(dòng)過(guò)的區(qū)域內(nèi)，晶體的上部相對(duì)于下部也位移了一個(gè)原子間距。當(dāng)很多位錯(cuò)移出晶體時(shí)，會(huì)在晶體表面產(chǎn)生宏觀可見(jiàn)的臺(tái)階，使晶體發(fā)生塑性應(yīng)變。顯然按位錯(cuò)滑移的方式塑變要比兩個(gè)相鄰原子面整體相對(duì)運(yùn)動(dòng)容易得多，因此晶體的實(shí)際強(qiáng)度比理論

9、強(qiáng)度低得多。后退下頁(yè)22三柏氏矢量 位錯(cuò)是b不為零的晶體缺陷，在完全晶體中做與含缺 陷的晶體封閉回路相同的回路，終點(diǎn)指向始點(diǎn)的矢量 即為b（柏氏回路）。 柏氏矢量確定方法：圖4-14后退下頁(yè)23柏氏矢量的物理意義 一般認(rèn)為它代表著位錯(cuò)中心晶格畸變的總和，這種表述有一定的道理，但比較含混且不易理解。其實(shí)把柏氏矢量的物理意義理解為該位錯(cuò)線(xiàn)運(yùn)動(dòng)后能夠在晶體中引起相對(duì)位移量，這種表述十分明確，而且更能反映位錯(cuò)的本質(zhì)問(wèn)題，因?yàn)槲诲e(cuò)存在的意義不僅限于它是一種晶體缺陷引起了晶格的局部畸變，更重要的是它的運(yùn)動(dòng)會(huì)引起晶體的宏觀形變。后退下頁(yè)24（1）一條位錯(cuò)線(xiàn)可以是彎曲的任意形狀，因?yàn)槲诲e(cuò)線(xiàn)的各個(gè)部分可以是不同

10、性質(zhì)的位錯(cuò)，但是它們的柏氏矢量缺頂只有一個(gè)，處處相同。（2）如果有幾條位錯(cuò)線(xiàn)相交于一點(diǎn)，如果把所有位錯(cuò)線(xiàn)的方向都設(shè)定為指向交點(diǎn)（或相反），則每條位錯(cuò)線(xiàn)的b矢量之和為零。柏氏矢量是一個(gè)十分重要的概念：下頁(yè)上頁(yè)25柏氏矢量表示方法一般表達(dá)式：uvwnab=222wvunab+=模(即位錯(cuò)強(qiáng)度)：位錯(cuò)是柏氏矢量不為零的晶體缺陷下頁(yè)上頁(yè)26大拇指多余半原子面b正方向位錯(cuò)線(xiàn)方向食指中指注：b矢量有大小，是一個(gè)原子間距，也有方向，它的方向與所選定的位錯(cuò)線(xiàn)的方向有關(guān)，一旦位錯(cuò)線(xiàn)的方向規(guī)定以后，b矢量的方向不能任意。可用右手定則：下頁(yè)上頁(yè)27四位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng) 思路：位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)相當(dāng)于位錯(cuò)的有力的結(jié)果，運(yùn)用虛功原理，可

11、得到作用于單位位錯(cuò)長(zhǎng)度上的作用力的大小和方向 。作用在位錯(cuò)上的力位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)刃型位錯(cuò) 螺型位錯(cuò)滑移 攀移滑移交滑移大小：方向： bF=ttF下頁(yè)上頁(yè)281、位錯(cuò)的滑移 位錯(cuò)的滑移是在切應(yīng)力下進(jìn)行的，只有當(dāng)滑移面上的切應(yīng)力分量達(dá)到一定值后位錯(cuò)才能滑移。刃、螺位錯(cuò)滑移特征的不同之處在于：（1）開(kāi)動(dòng)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的切應(yīng)力方向不同，使刃型位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的切應(yīng)力方向必須與位錯(cuò)線(xiàn)垂直；而使螺型位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的切應(yīng)力方向卻是與螺型位錯(cuò)平行的。（2）位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)方向與晶體滑移方向之間的關(guān)系不同，不論是刃型后退下頁(yè)29或螺型，它們的運(yùn)動(dòng)方向總是與位錯(cuò)線(xiàn)垂直的，而位錯(cuò)通過(guò)后，晶體所產(chǎn)生的滑移方向就不同了，對(duì)于刃位錯(cuò)，晶體的滑移方向與位錯(cuò)運(yùn)

12、動(dòng)方向是一致的，而螺位錯(cuò)引起的晶體滑移方向與位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)方向垂直。 位錯(cuò)環(huán)的滑移特征，如圖4-20，位錯(cuò)在滑移面上自行封閉形成位錯(cuò)環(huán)，位錯(cuò)環(huán)的柏氏矢量正好處于滑移面上，所以可以理解為下頁(yè)上頁(yè)30滑移面上圓形區(qū)域內(nèi)沿著柏氏矢量方向局部滑移，位錯(cuò)環(huán)就是滑移區(qū)與未滑移區(qū)的邊界。后退下頁(yè)312、位錯(cuò)的攀移只有刃位錯(cuò)才能發(fā)生攀移運(yùn)動(dòng)，螺型位錯(cuò)是不會(huì)攀移的。攀移的本質(zhì)是刃型位錯(cuò)的半原子面向上或向下移動(dòng)，于是位錯(cuò)線(xiàn)也就跟著向上或向下運(yùn)動(dòng)，因此攀移時(shí)位錯(cuò)線(xiàn)的運(yùn)動(dòng)方向正好與柏氏矢量垂直。 攀移是通過(guò)原子的擴(kuò)散來(lái)實(shí)現(xiàn)的。攀移是位錯(cuò)線(xiàn)并不是同步向上或向下運(yùn)下頁(yè)上頁(yè)32攀移是位錯(cuò)線(xiàn)并不是同步向上或向下運(yùn)動(dòng)，因此攀移時(shí)位錯(cuò)

13、線(xiàn)的運(yùn)動(dòng)方向正好與柏氏矢量垂直。 攀移是通過(guò)原子的擴(kuò)散來(lái)實(shí)現(xiàn)的。攀移是位錯(cuò)線(xiàn)并不是同步向上或向下運(yùn)動(dòng)，而是原子逐個(gè)的加入，所以攀移時(shí)位錯(cuò)線(xiàn)上帶有很多臺(tái)階稱(chēng)為割階。下頁(yè)上頁(yè)33下頁(yè)上頁(yè)刃型位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)一、滑移運(yùn)動(dòng)（1）使刃位錯(cuò)線(xiàn)產(chǎn)生滑移運(yùn)動(dòng)的力是作用在滑移面上且平行于b的切應(yīng)力，滑移面由位錯(cuò)線(xiàn)和b確定；（2）在上述切應(yīng)力作用下，位錯(cuò)線(xiàn)在滑34滑移面上向著垂直于位錯(cuò)線(xiàn)的方向運(yùn)動(dòng)，位錯(cuò)線(xiàn)的方向于外切應(yīng)力平行，但在同一切應(yīng)力作用下，正負(fù)刃位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)方向相反；（3）刃位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的結(jié)果使位錯(cuò)線(xiàn)掃過(guò)區(qū)上下兩半晶體產(chǎn)生一其值為b的相對(duì)位移，位移的方向完全取決于外切應(yīng)力，位移方向與位錯(cuò)線(xiàn)方向平行，也與b方向平行，但

14、不能單純由位錯(cuò)線(xiàn)的運(yùn)動(dòng)方下頁(yè)上頁(yè)35方向或b的方向來(lái)確定晶體的相對(duì)運(yùn)動(dòng)方向。二、攀移運(yùn)動(dòng)刃型位錯(cuò)線(xiàn)在垂直于滑移面的方向上的運(yùn)動(dòng)稱(chēng)為攀移運(yùn)動(dòng)。（1）攀移運(yùn)動(dòng)一定伴隨著原子的擴(kuò)散，從位錯(cuò)多余半原子面擴(kuò)散出去的原子，可能成為間隙原子，或躍入空位，因此下頁(yè)上頁(yè)36可以說(shuō)正攀移將使晶體中的空位濃度降低，負(fù)攀移則會(huì)使空位濃度增大。（2）刃位錯(cuò)的攀移運(yùn)動(dòng)是比較難于進(jìn)行的，只有在高溫下，原子擴(kuò)散能力很強(qiáng)，或空位濃度很大的情況下，攀移運(yùn)動(dòng)才是可能的。外加應(yīng)力可以促進(jìn)刃位錯(cuò)的攀移運(yùn)動(dòng)，壓應(yīng)力有利于正攀移，拉應(yīng)力有利于負(fù)攀移。下頁(yè)上頁(yè)37滑移面上向著垂直于位錯(cuò)線(xiàn)的方向運(yùn)動(dòng)，位錯(cuò)線(xiàn)的方向于外切應(yīng)力平行，但在同一切應(yīng)力

15、作用下，正負(fù)刃位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)方向相反；（3）刃位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的結(jié)果使位錯(cuò)線(xiàn)掃過(guò)區(qū)上下兩半晶體產(chǎn)生一其值為b的相對(duì)位移，位移的方向完全取決于外切應(yīng)力，位移方向與位錯(cuò)線(xiàn)方向平行，也與b方向平行，但不能單純由位錯(cuò)線(xiàn)的運(yùn)動(dòng)方下頁(yè)上頁(yè)38（3）對(duì)攀移運(yùn)動(dòng)起作用的是正應(yīng)力，而且是垂直作用在多余半原面上的正應(yīng)力分量，或著說(shuō)平行于b的正應(yīng)力分量。（4）刃位錯(cuò)的攀移運(yùn)動(dòng)同樣會(huì)引起晶體的宏觀變形，因?yàn)槲诲e(cuò)線(xiàn)正攀移所經(jīng)過(guò)的區(qū)域中，少了一排原子，則整個(gè)晶體將縮短一個(gè)原子層（一個(gè)b），而負(fù)攀移使晶體中多出一排原子，則整個(gè)晶體將伸長(zhǎng)一個(gè)b。下頁(yè)上頁(yè)39螺型位錯(cuò)線(xiàn)的運(yùn)動(dòng)一、滑移運(yùn)動(dòng)（1）引起螺位錯(cuò)滑移運(yùn)動(dòng)的力是平行于b的切應(yīng)力，位錯(cuò)

16、線(xiàn)的滑移面不能由位錯(cuò)線(xiàn)和b來(lái)確定，因位b和位錯(cuò)線(xiàn)是平行的。（2）位錯(cuò)線(xiàn)的運(yùn)動(dòng)方向依然是在滑移面上垂直于位錯(cuò)線(xiàn)的方向。下頁(yè)上頁(yè)40（3）位錯(cuò)線(xiàn)運(yùn)動(dòng)的結(jié)果使位錯(cuò)線(xiàn)掃過(guò)區(qū)上下兩半晶體產(chǎn)生其值為B的相對(duì)位移，位移的方向完全取決于外切應(yīng)力方向，位移方向與位錯(cuò)線(xiàn)的運(yùn)動(dòng)方向垂直，但與b平行。二、交滑移如果由于某種原因，螺位錯(cuò)在某一平面上的滑移運(yùn)動(dòng)受阻，那麼只要應(yīng)力條件下頁(yè)上頁(yè)41具備，它可以繞過(guò)障礙向另一個(gè)滑移面上繼續(xù)滑移，稱(chēng)為交滑移。螺位錯(cuò)交滑移時(shí)，滑移面改變了，但b矢量不變?；旌衔诲e(cuò)的運(yùn)動(dòng) 對(duì)于混合位錯(cuò)，在切應(yīng)力作用下，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的方向也是處垂直于位錯(cuò)線(xiàn)。處下頁(yè)上頁(yè)42位錯(cuò)的滑移特征下頁(yè)上頁(yè)433、作用在位錯(cuò)上的力 F d= =b式中Fd為作用于單位長(zhǎng)度位錯(cuò)線(xiàn)上的力，方向垂直于位錯(cuò)線(xiàn)，即指向位錯(cuò)