第五節(jié)課-晶體缺陷和柏氏矢量及位錯運動

第二章晶體缺陷缺陷形成過程：晶體生長過程中、晶體形成后。晶體缺陷：原子排列規(guī)則性受到嚴重破壞的區(qū)域。晶體缺陷分三大類:1）點缺陷：屬零維缺陷，它在三維空間各方向尺寸都很小，如空位、間隙原子和異類原子等。

2）線缺陷：屬一維缺陷，它在兩個方向尺寸很小，而在另一個方向上尺寸卻很大，主要是位錯。可被電鏡觀察到。

3）面缺陷：屬二維缺陷，它在一個方向上尺寸很小，而在另兩個方向上尺寸卻很大，如晶界、相界、層錯和表面等。光學顯微鏡可觀察到。1材料科學基礎西安石油大學材料科學與工程學院2023/1/162材料科學基礎西安石油大學材料科學與工程學院位錯的電鏡照片位錯纏結(jié)形成位錯胞（晶界）空位聚合形成位錯面缺陷：晶界2023/1/163材料科學基礎西安石油大學材料科學與工程學院圖2-1晶體中的點缺陷遷移到晶格間隙中，在晶體中同時形成數(shù)目相等的空位和間隙原子：弗蘭克爾（Frankel）缺陷。遷移到晶體表面的正常結(jié)點位置上，而使晶體內(nèi)部留下空位：肖脫基（Schottky）空位。遷移到其它空位中，使空位消失或使空位移動。2.1點缺陷：結(jié)點上或鄰近的微觀區(qū)域內(nèi)偏離晶體結(jié)構的正常排列的缺陷。點缺陷包括：空位、間隙原子、異類原子。2.1.1點缺陷的類型及形成2023/1/162.1.2點缺陷的運動及平衡濃度點缺陷存在的影響：（1）造成點陣畸變，使晶體的內(nèi)能升高，降低了晶體的熱力學穩(wěn)定性。（2）增大了原子排列的混亂程度，改變周圍原子的振動頻率，使晶體熵值增大，增加了晶體的熱力學穩(wěn)定性。一定溫度下空位或者間隙原子的平衡濃度：其中，E為形成一個空位或者間隙原子所需的能量；n為超過平均能量而具有高能量的原子數(shù)；N為總原子數(shù)；A為比例常數(shù)；k為玻耳茲曼常數(shù)；T為絕對溫度。4材料科學基礎西安石油大學材料科學與工程學院2.1.3點缺陷對性能的影響電阻增大、密度降低、提高金屬的屈服強度2023/1/162.2線缺陷：位錯一、位錯（dislocation）位錯模型的提出：晶體完整無缺陷且剛性滑動→金屬晶體的切變強度→理論切變強度比實測切變強度高出幾個數(shù)量級→晶體缺陷的設想─線缺陷（位錯）的模型→以位錯滑移模型計算出的晶體強度，與實測值基本相符。位錯定義：線缺陷，晶體中某處有一列或若干列原子發(fā)生有規(guī)律的錯排現(xiàn)象，錯排區(qū)是細長的管狀畸變區(qū)。位錯類型：刃型位錯、螺型位錯、混合位錯。5材料科學基礎西安石油大學材料科學與工程學院2023/1/166材料科學基礎西安石油大學材料科學與工程學院刃型位錯的形成示意圖刃型位錯定義：位錯線垂直于滑移方向，則會存在一多余半排原子面，它象一把刀刃插入晶體中，使此處上下兩部分晶體產(chǎn)生原子錯排，這種晶體缺陷稱為刃型位錯。1、刃型位錯(edgedislocation)位錯線額外的半個原子面位錯是已滑移區(qū)和未滑移區(qū)的邊界2023/1/167材料科學基礎西安石油大學材料科學與工程學院刃型位錯的平面示意圖刃型位錯的立體示意圖負刃型位錯正刃型位錯2023/1/16刃型位錯的結(jié)構特點：1)刃型位錯有一個額外的半原子面。2)刃型位錯線為晶體中已滑移區(qū)與未滑移區(qū)的邊界線。多余的半原子面不一定是直線，也可以是折線或曲線，但它必與滑移方向和滑移矢量相垂直。3)滑移面是同時包含位錯線和滑移矢量的平面，在其它面上不能滑移。4)位錯線是具有一定寬度的細長的晶格畸變的管道。5）刃型位錯周圍的點陣既有正應變又有切應變。8材料科學基礎西安石油大學材料科學與工程學院2023/1/169材料科學基礎西安石油大學材料科學與工程學院圖2-4螺型位錯

(a)立體圖；(b)俯視圖螺型位錯的定義：位錯線平行于滑移方向，位錯線附近的原子按螺旋形式排列，這種晶體缺陷稱為螺型位錯。電鏡下的螺型位錯2、螺型位錯(screwdislocation)2023/1/16材料科學基礎西安石油大學材料科學與工程學院2023/1/16螺型位錯的結(jié)構特征：1)螺型位錯無額外半原子面。2)螺型位錯線與滑移矢量平行，位錯線是直線，位錯線移動方向與晶體滑移方向垂直。3)純螺型位錯的滑移面不是唯一的。凡是包含螺形位錯線的平面都可作為滑移面。4)螺型位錯線是具有一定寬度的細長的晶格畸變管道，其中只有切應變，而無正應變，即不會引起體積膨脹和收縮。11材料科學基礎西安石油大學材料科學與工程學院

刃型位錯和螺型位錯的異同點

刃型位錯螺型位錯與柏氏矢量的關系柏氏矢量與刃性位錯線垂直柏氏矢量與螺型位錯線平行位錯分類刃性位錯有正負之分螺形位錯分為左旋和右旋位錯是否引起晶體畸變和形成應力場引起晶體畸變、形成應力場，且離位錯線越遠，晶格畸變越小引起晶體畸變、形成應力場，且離位錯線越遠，晶格畸變越小位錯類型只有幾個原子間距的線缺陷只有幾個原子間距的線缺陷

2023/1/1612材料科學基礎西安石油大學材料科學與工程學院圖2-7混合位錯3、混合位錯(mixeddislocation)位錯線既不平行也不垂直于滑移方向，滑移矢量與位錯線成任意角度，這種晶體缺陷稱為混合型位錯。位錯線與滑移矢量平行是螺位錯位錯線與滑移矢量垂直是刃位錯ACB位錯線與滑移矢量不垂直也不平行，是混合位錯2023/1/16由于位錯線是已滑移區(qū)與未滑移區(qū)的邊界線。1）一根位錯線不能終止于晶體內(nèi)部，而只能露頭于晶體表面或晶界。2）若位錯終止于晶體內(nèi)部，則必與其它位錯線相連接，或在晶體內(nèi)部形成封閉線。位錯若在晶體內(nèi)部形成的封閉線稱為位錯環(huán)。A，B兩處是刃型位錯，C，D兩處是螺型位錯，其它各處均為混合位錯。13西安石油大學材料科學與工程學院材料科學基礎2023/1/16材料科學基礎西安石油大學材料科學與工程學院2023/1/16三、柏氏矢量(Burgersvector)：1939年柏格斯（J.M.Burgers）提出了采用柏氏回路來定義位錯。柏氏矢量：描述位錯實質(zhì)的物理量，反映柏氏回路包含的位錯所引起的點陣畸變的總積累。位錯的很多性質(zhì)與柏氏矢量有關，也表示晶體滑移時原子移動的大小和方向。15材料科學基礎西安石油大學材料科學與工程學院2023/1/1616材料科學基礎西安石油大學材料科學與工程學院（a）實際晶體的柏式回路

（b）完整晶體的相應回路圖2-5刃型位錯的柏氏矢量確定確定柏氏矢量的具體步驟：

1)首先選定位錯線的正向，通常規(guī)定出紙面的方向為位錯線的正方向。2)按照右手法則作柏氏回路。在實際晶體中，從任一原子（例如M）出發(fā)，避開位錯線附近的嚴重畸變區(qū)，圍繞位錯以一定的步數(shù)作一閉合回路。3)在完整晶體中按同樣的方向和步數(shù)作相同的回路，該回路不封閉。由終點Q向起點M引一矢量，使該回路閉合，這個矢量b就是實際晶體中位錯的柏氏矢量。2023/1/1617材料科學基礎西安石油大學材料科學與工程學院（a）實際晶體的柏式回路

（b）完整晶體的相應回路圖2-6螺形位錯的柏氏矢量確定確定柏氏矢量的具體步驟：

1)首先選定位錯線的正向，通常規(guī)定出紙面的方向為位錯線的正方向。2)按照右手法則作柏氏回路。在實際晶體中，從任一原子（例如M）出發(fā)，避開位錯線附近的嚴重畸變區(qū)，圍繞位錯以一定的步數(shù)作一閉合回路。3)在完整晶體中按同樣的方向和步數(shù)作相同的回路，該回路不封閉。由終點Q向起點M引一矢量，使該回路閉合，這個矢量b就是實際晶體中位錯的柏氏矢量。2023/1/16位錯的確定方法：

刃型位錯右手法則:食指指向位錯線方向，中指指向柏氏矢量方向，拇指指向代表多余半面子面位向，向上為正，向下為負。

螺型位錯的柏氏矢量:螺型位錯的柏氏矢量與位錯線平行，且規(guī)定b與位錯線正向平行者為右螺旋位錯，b與位錯線反向平行者為左螺旋位錯。18材料科學基礎西安石油大學材料科學與工程學院2023/1/162．柏氏矢量的特性1)柏氏矢量是一個反映位錯周圍點陣畸變總累積的物理量。該矢量的方向表示位錯的性質(zhì)與位錯的取向，其方向表示晶體滑移的方向，而模|b|表示畸變的程度，稱為位錯的強度。所以，位錯也可定義為柏氏矢量不為零的晶體缺陷。2)柏氏矢量具有守恒性：一條位錯線的柏氏矢量是恒定不變的。3)柏氏矢量的唯一性：一根不分岔的位錯線，不論其形狀如何變化（直線、曲折線或閉合的環(huán)狀），也不管位錯線上各處的位錯類型是否相同，其各部位的柏氏矢量都相同；而且當位錯在晶體中運動或者改變方向時，其柏氏矢量不變，即一根位錯線具有唯一的柏氏矢量。4)柏氏矢量的守恒性定律

★位錯分解：若一個柏氏矢量為b的位錯可以分解為柏氏矢量分別為b1，b2….bn的n個位錯，則分解后各位錯柏氏矢量之和等于原位錯的柏氏矢量，即b=★位錯交于一點：若由數(shù)根位錯相交于一點，則指向結(jié)點的位錯線的柏氏矢量的和等于離開結(jié)點的柏氏矢量的和。如果位錯線都指向或者離開結(jié)點，則柏氏矢量和為零。19材料科學基礎西安石油大學材料科學與工程學院2023/1/163．柏氏矢量的表示方法柏氏矢量的大小可以用它在各個晶軸上的單位矢量（即用點陣矢量a、b、c）表示。立方晶系中柏氏矢量的表示方法為b=a/n[uvw]，其中，n為正整數(shù)。表示位錯的強度，稱為柏氏矢量的大小或者模。同一晶體中，柏氏矢量越大，點陣畸變越嚴重，能量越高。能量高的位錯傾向于分解為兩個或者多個能量較低的位錯，使系統(tǒng)的自由能下降。20材料科學基礎西安石油大學材料科學與工程學院2023/1/16四、位錯的密度：單位體積晶體中所含的位錯線的總長度

式中