材料科學(xué)基礎(chǔ) chp-3-晶體缺陷

第三章晶體缺陷非理想晶體結(jié)構(gòu)金屬物理篇章目錄3.1點缺陷

3.2位錯3.3表面及界面實際晶體中常存在各種偏離理想結(jié)構(gòu)的區(qū)域，即晶體缺陷。晶體缺陷對晶體的性質(zhì)起著重要作用。存在于晶體結(jié)構(gòu)中的缺陷，按幾何特征可分為：晶體缺陷零維—點缺陷空位、間隙原子、置換原子、復(fù)雜離子

一維—線缺陷各類位錯二維—面缺陷各類界面，表面及層錯等三維—體缺陷第二相粒子、空位團等3.1 點缺陷一、點缺陷的形式與分類金屬晶體中，點缺陷的存在形式有：空位、間隙原子，置換原子。半金屬Si、Ge中摻入三價和五價雜質(zhì)元素，晶體中產(chǎn)生載流子，得到P型（空穴）和N型（電子）半導(dǎo)體材料。離子晶體中，單一點缺陷的出現(xiàn)，晶體將失去電平衡。為了保持電中性，多以復(fù)合點缺陷形式出現(xiàn)，形成能較高。

Frank

復(fù)合型空位＋間隙離子

Shockley

復(fù)合型一對帶電空位FrankShockleyNaCl晶體Ca+2取代Na+Ca+2Na+Cl-空位按形成原因分為三類：熱缺陷

由原子的熱振動，形變加工，高能粒子轟擊等，此類點缺陷濃度受熱力學(xué)控制，尤其前者與溫度有關(guān)。

Cv＝f（T）雜質(zhì)缺陷如摻雜、氧化或其他原因引入的外來原子或分子。非化學(xué)計量

離子晶體的陶瓷、金屬間化合物，通常以化合物為基形成固溶體。成分在分子式AxBy左右變化，此類點缺陷稱為非化學(xué)計量點缺陷。電子陶瓷中的這類點缺陷濃度，會隨周圍環(huán)境發(fā)生變化，是制造檢測元件（傳感器）的基礎(chǔ)。例：SnO2在缺氧氣氛中，將放出氧（O2↑）電學(xué)性能變化，據(jù)此原理可測量周圍氣氛氧含量。帶負(fù)電荷的點缺陷帶正電荷的氧空位二、點缺陷的平衡濃度與線缺陷、面缺陷不同，點缺陷在熱力學(xué)上是穩(wěn)定的，其平衡濃度隨溫度升高而增加。設(shè)晶體中原子的正常位置數(shù)N，空位數(shù)目為n；形成一個空位所需的能量為Ev；

n個空位的組態(tài)熵為Sc；振動熵為nSv；則體系自由能改變：ΔG=nEv－T(nSv+Sc)

其中組態(tài)熵：ΔG=nEv－T(nSv+Sc)

nΔG0平衡時：其中ΔGv—空位形成能★結(jié)論：T℃↗、ΔGv↘

Cv↗說明：其它點缺陷也有類似的表達(dá)式，不同的只是形成能的高低、濃度大小不同而以。同類間隙原子形成能太大，平衡濃度很低，可以忽略。異類原子中，只有小半徑的H、O、N、

C、B以間隙式存在。其它原子因半徑大,以置換式存在于晶格中,形成能較小。各種點缺陷的存在形式復(fù)合點缺陷的形成能一般較高，濃度較低?！鼽c缺陷單元形成能之和例：Frank缺陷形成能由空位形成能與間隙缺陷形成能之和。

注：P202.（5-26）式錯誤=D-==)2exp(kTGNnCff3.2線缺陷—位錯←ττ→滑移面一、位錯理論的提出早期認(rèn)為晶體在切應(yīng)力作用下，原子沿滑移面同步剛性地平移，滑移面上下兩部分晶體相對錯動。按此模型推算，晶體開始滑移所必須的力：切應(yīng)變：切應(yīng)力：∵G=104～105N/mm2∴τm=103～104N/mm2而τ實=100N/mm2按經(jīng)典模型嚴(yán)密推導(dǎo)，也比實測值高出103～104倍。←ττ→臨界點a晶體的理論切應(yīng)力與實驗值的比較（單位：N/mm2）金

屬理論切應(yīng)力實驗值切變模量Al38300.78624400Ag39800.37225000Cu64800.49040700α-Fe110002.7568950Mg26300.39316400啟示與設(shè)想：實際晶體結(jié)構(gòu)是非理想完整的，存在偏離正常排列的原子結(jié)構(gòu)—某種缺陷，并能在較小的應(yīng)力下運動。實際晶體的滑移是非同步剛性的，滑移首先從缺陷處開始，滑移的繼續(xù)靠缺陷的逐步傳遞而實現(xiàn)。這種特殊的原子排列組態(tài)稱為位錯。二、位錯模型1、刃型位錯刃型位錯形成過程刃型位錯原子結(jié)構(gòu)

ABCD—滑移面—多余半原子面—已滑移區(qū)—未滑移區(qū)⊥τ→bEF滑移面←τDABC滑移矢量⊥位錯核心區(qū)域的原子排列晶體中由已滑移區(qū)與未滑移區(qū)的交界處，原子嚴(yán)重錯排而造成的晶體缺陷稱為位錯。E-F線稱為位錯線。由于它像刀刃，所以稱為刃型位錯。正、負(fù)刃位錯分別用“⊥”、“”表示。核心區(qū)域FE⊥⊥特點:位錯線垂直于滑移矢量b，位錯線與滑移矢量構(gòu)成的面稱為滑移面。刃型位錯周圍的晶體產(chǎn)生畸變，使位錯線周圍產(chǎn)生彈性應(yīng)變，造成應(yīng)力場。在位錯線周圍的畸變區(qū)原子有較高的能量，該區(qū)只有幾個原子寬，所以該區(qū)稱線缺陷。2、螺位錯單晶受切應(yīng)力τ作用，上下兩部分晶體沿滑移面發(fā)生了部分滑移?；茀^(qū)與未滑移區(qū)交線為EF，EF線周圍的原子失去了正常排列。它們圍繞著EF構(gòu)成了一個以EF為軸的螺旋面，這種晶體缺陷稱為螺位錯。τ螺型位錯模型上層原子下層原子EFABCDτbEFτDABC按旋進(jìn)方向，螺位錯分左旋與右旋兩類。表示方法:結(jié)構(gòu)特點：

①螺位錯線與滑移矢量平行，因此由位錯線與滑移矢量構(gòu)成的滑移面不是唯一的。

②螺位錯不引起體積膨脹和收縮，但產(chǎn)生剪切畸變，從而在位錯線附近產(chǎn)生應(yīng)力場。

③螺位錯是包含幾個原子寬度的線缺陷。右螺左螺b3、混合型位錯如果晶體中已滑移區(qū)和未滑移區(qū)的交界線是曲線。其位錯線與滑移矢量既不平行又不垂直，稱為混合型位錯。結(jié)構(gòu)特點:位錯線與滑移方向既不平行也不垂直，其原子排列介于刃、螺位錯之間?？煞纸獬扇行秃吐菪头至?。ττDABCb位錯環(huán)模型DABC電子顯微鏡下的位錯線透射電鏡下鈦合金中的位錯線高分辨率電鏡下的刃位錯（白點為原子）三、柏氏矢量—定量描述位錯的物理量1、柏氏矢量的確定①選定位錯線的正方向。②在含有位錯的晶體中，繞位錯線沿好區(qū)作右旋的閉合回路。③在完整晶體中作同樣回路，它必然不能閉合。④從終點連向起點得。AA右旋閉合回路完整晶體中回路★由此確定的柏氏矢量與柏氏回路的大小及形狀無關(guān)，位錯運動或形狀發(fā)生變化時，其柏氏矢量不變。向上為正刃向下為負(fù)刃對刃位錯⊥⊥多余原子面、位錯線和柏氏矢量服從右手定則。右手定則拇指食指中指多余半原子面朝向（⊥）螺位錯柏氏矢量的確定：右旋閉合回路完整晶體中回路螺位錯∥右螺左螺混合型位錯的柏氏矢量2、柏氏矢量的意義意義在于：通過比較反映出位錯周圍點陣畸變的總積累（包括強度和取向）。位錯可定義為柏氏矢量不為零的晶體缺陷。位錯線是晶體滑移區(qū)與未滑移區(qū)的邊界線，滑移區(qū)上下兩部分晶體相對滑移的大小和方向就是。3、柏氏矢量的性質(zhì)（1）守恒性a.一根位錯線只有一個，運動過程中不變?！呤腔茀^(qū)上下兩部分晶體相對滑動的矢量?；茀^(qū)未滑移區(qū)∴無論位錯線形狀如何，怎樣運動，滑移區(qū)的相對滑移矢量不變，即相同。右螺C左螺D例：位錯環(huán)的確定ττDABCBACD┻┬ττ┻┬ABττb.幾根位錯線的節(jié)點處有：進(jìn)出證明：B1B2+3B2B3L2L3L1B2+3（2）連續(xù)性位錯線不能終止在晶體中，只能形成閉合回路、網(wǎng)絡(luò)、連到表面或晶界。┻4、實際晶體中的柏氏矢量實際晶體中位錯的，通常用晶向表示。

表示錯排的程度，稱為位錯的強度。一般晶體的滑移是在原子最密集的平面和最密集的方向上進(jìn)行，所以沿該方向造成的位錯柏氏矢量，等于最短的滑移矢量。（稱為初基矢量）。這種位錯稱為單位位錯?！獮樽罱彽脑娱g距的位錯。b222wvuna++=r單位位錯的體心立方面心立方簡單立方密排六方a四、位錯密度(cm/cm3、1/cm2)退火試樣，ρ為104～106mm-2，經(jīng)變形后為，ρ為1010mm-2。ρσ退火態(tài)加工硬化晶須五、位錯的應(yīng)力場與應(yīng)變能應(yīng)力場

1、應(yīng)力分量彈性體受力后，其內(nèi)部各點處的應(yīng)力狀態(tài)不同。為了研究物體內(nèi)應(yīng)力隨位置的變化規(guī)律，首先取坐標(biāo)定位。直角坐標(biāo)極坐標(biāo)常用方法：θrP(x,y,z)zyx0P(r,θ,z)取單元體zyxsyy

szz

txz

txy

tyz

tyx

tzy

tzx

sxx

dxdydz微體積在研究P點的應(yīng)力狀態(tài)時，可在P點處取一個微小的平行六面體（dxdydz）。

如果搞清了微體積各個面上的應(yīng)力隨位置的變化規(guī)律，那么整個彈性體的應(yīng)力狀態(tài)就唯一確定了。下標(biāo)1表示作用面下標(biāo)2表示作用方向因彈性體中六面體處于平衡狀態(tài)，因此六面體對應(yīng)面上的應(yīng)力大小相等，方向相反。固只考慮三個面上的九個應(yīng)力分量足以。rzθdrdzdθxy平衡狀態(tài)，有切應(yīng)力互等定律。否則六面體將發(fā)生轉(zhuǎn)動。獨立可變的應(yīng)力分量只有六個，它們唯一確定了該點的應(yīng)力狀態(tài)。應(yīng)變分量的表示zyxtyx

ba

虎克定律是聯(lián)系應(yīng)力與應(yīng)變的橋梁rPθ2、螺位錯的應(yīng)力場在位錯中心區(qū)域應(yīng)變很大，不能用虎克定律討論，只有在較遠(yuǎn)處才能用其作近似討論。取各向同性的空心圓柱體，圓柱中線選為z軸，沿xz平面切開后,使之位移b，再把它膠合起來，相當(dāng)于制造一個螺位錯。Lr0bzxyLbz過P點取平面展開rp2由于晶體只在θ面上沿z軸方向切動，所以其余應(yīng)變?yōu)?，相應(yīng)的應(yīng)力分量也為0。離開中心r處切應(yīng)變?yōu)椋害扔弥苯亲鴺?biāo)表示，如圖：zyxθPr其余應(yīng)力分量為0應(yīng)力場特點：只有切應(yīng)力，τ∝b，螺位錯不引起晶體體積變化。與z無關(guān)，垂直于位錯線任一平面上應(yīng)力相同。與θ無關(guān)，軸對稱。τ∝1/r，但r→0時，所以不適用于位錯中心的嚴(yán)重畸變區(qū)。xyz3、刃位錯的應(yīng)力場制造刃位錯的連續(xù)彈性介質(zhì)模型。該問題屬于彈性力學(xué)中平面應(yīng)變問題。經(jīng)推導(dǎo)可得P(x,y,z)點的應(yīng)力場為：極坐標(biāo)表示bP直角坐標(biāo)表示：式中υ—柏松比。詳解見《金屬物理》特點：，且∝1/r。應(yīng)力與z無關(guān)，垂直于位錯線任一截面上應(yīng)力分布相同。正應(yīng)力對稱于y軸（x的偶函數(shù)），切應(yīng)力對稱于x軸（y的偶函數(shù)）。σxx：當(dāng)y>0，σxx<0，為壓y<0，σxx>0，為拉y＝0，σxx＝0σyy：在y＝0或，σyy＝0τxy：，x＝0，有τxy＝τyx＝0y＝0面上，切應(yīng)力最大。yx4、混合位錯的應(yīng)力場θ位錯的應(yīng)變能位錯的總應(yīng)變能UT可分為兩個部分：UT=U0+Uel其中：U0—位錯核心區(qū)的應(yīng)變能（被挖去的r0區(qū)域）

Uel—核心區(qū)外的彈性應(yīng)變能（長程應(yīng)變能）由于核心區(qū)為短程力，2～3個原子間距，用派－納模型估算，只占位錯總能量的1/10～1/15。LA1、螺位錯的彈性應(yīng)變能考慮一截面積為A0,長為L0的棒，進(jìn)行單軸拉伸。當(dāng)外力為F時棒長增至L。若外力再增加dF，棒再伸長dL，則棒中儲存的應(yīng)變能增量為：FFL0A0FdL總應(yīng)變能：單位體積應(yīng)變能：εσ對于切應(yīng)變有：εzxy螺位錯r處的切應(yīng)變：Lr0代入上式rdr單位長度螺位錯的彈性應(yīng)變能為：J/cmr0—核心半徑，一般為2～3若取r0＝2b，R＝2000b（亞晶尺寸）則：2、刃位錯的應(yīng)變能若考慮制造一個刃位錯所作之功，等于刃位錯的彈性應(yīng)變能，經(jīng)推導(dǎo)可求得：（取υ＝1/3）>Us3、混合位錯的應(yīng)變能其中：0.5≤α≤0.754、結(jié)論總應(yīng)變能UT=U0+Uel

Uel∝lnR長程，可忽略。UT∝b2,晶體中穩(wěn)定的位錯具有最小的柏氏矢量，從而具有最低的應(yīng)變能，所以晶體的滑移方向總是原子的密排方向。兩點間直線位錯的總應(yīng)變能低于彎曲位錯，即直線位錯更穩(wěn)定。從熱力學(xué)考慮：ΔG=ΔU-TΔS，由于位錯的存在，ΔU可上升幾個以上電子伏特，而組態(tài)熵ΔS小，TΔS

只有十分之幾的電子伏特，所以位錯的產(chǎn)生ΔG>0，不穩(wěn)定。相反空位等點缺陷是熱力學(xué)穩(wěn)定的缺陷。六、位錯的受力與交互作用位錯的線張力由于位錯具有應(yīng)變能，所以位錯線有縮短的趨勢，以減小應(yīng)變能，這便產(chǎn)生了線張力。定義：使位錯增加單位長度所需的能量。TT在外力場中位錯的受力含有位錯的晶體，在受到外加應(yīng)力作用時，晶體將通過位錯的運動來實現(xiàn)滑移。那么位錯上將受到多大的力？它與外應(yīng)力的關(guān)系如何呢？為了處理問題方便，利用虛功原理，把位錯這個原子組態(tài)抽象為一個實體的受力而運動，這個力叫組態(tài)力,以F表示。外切應(yīng)力作功1、刃位錯外切應(yīng)力使晶體滑移所作之功：虛功原理：位錯實體受力做功F—位錯線受力┴┴lds┴┴ττ┴┴┴┴F虛功原理圖比較兩式得：ds

f

—單位長度位錯線受力，大小為，方向，指向未滑移區(qū)。只有作用于滑移面，且平行于位錯的切應(yīng)力分量，才對組態(tài)力有貢獻(xiàn)。如圖τ1，τ2均不能使位錯運動，因此對滑移力無貢獻(xiàn)。┴┴ττ小結(jié)：F2、螺位錯利用虛功同樣處理大?。悍较颍篵3、刃位錯受正應(yīng)力作用刃位錯在沿方向上受正應(yīng)力作用時，將發(fā)生攀移運動。受拉時，多余半原子面向下作負(fù)攀移；受壓時作正攀移。攀移的結(jié)果使晶體體積發(fā)生變化。正攀移體積縮小；負(fù)攀移體積增大。σσyxdy負(fù)攀移體積增大Lbdy設(shè)位錯攀移dy，則單位長度位錯線體積增加dyb。

外力做功：

位錯線受力fC做功：

比較兩式得：負(fù)號表示：如果σ為拉應(yīng)力，fC為負(fù)向下，作負(fù)攀移，相反作正攀移。bσσyxdyfc

任一位錯環(huán)，在方向上加一切應(yīng)力τ，設(shè)其中一位錯元移動了距離，則位錯線掃過的面積為，切應(yīng)力所作功為：4、混合位錯虛功原理：dlτ由此可見：對任意位錯線，在滑移面上沿柏氏矢量方向加一均勻切應(yīng)力τ，則單位長度位錯線上要受到一個作用力f，其大小為τb，方向是該點的法線方向。5、結(jié)論位錯線上的受力，是一種組態(tài)力，（因為位錯運動只是特殊的組態(tài)傳遞，每個原子只運動了一個）。它不同于位錯附近原子間作用力，也區(qū)別于作用于晶體上的力。按位錯運動方式不同，可分為位錯的滑移力和攀移力。與外力的關(guān)系：刃位錯滑移力，攀移力，螺位錯。與的關(guān)系：滑移力且位錯線各處受力相等，大小為τb，攀移力fc為-σb。位錯間的交互作用力若晶體存在一個位錯，它周圍便產(chǎn)生一個應(yīng)力場。如果在其附近引入另一個位錯，則前一個位錯的應(yīng)力場必對后一個位錯有作用力?；蛘哒f兩者之間有相互作用力。從能量角度來看，位錯有應(yīng)變能，兩個位錯的存在視不同情況或相斥或相吸，其趨勢是力求降低總的彈性應(yīng)變能。能量有變化意味著位錯間有相互作用力。szyxs1、平行螺位錯間的作用力如圖，在位錯線處，存在第一根位錯的應(yīng)力場：P(x,y)rθf對組態(tài)力無貢獻(xiàn)?！嗟诙诲e線所受的組態(tài)力：指向軸正向?！镲@然兩根平行的同號螺位錯將排斥。異號位錯將吸引，最后消失。0000000qqttzz刃位錯應(yīng)力場中,有σxx

、σyy

、

σzz，它們只能引起第二根位錯發(fā)生攀移，不考慮。還有τxy和τyx兩個切應(yīng)力分量，其中，對組態(tài)力f沒有貢獻(xiàn)。τyx作用在滑移面，且與平行，將引起位錯的運動。2、平行刃位錯間的作用力（只考慮滑移力）z┴yx┴┴┴θP(x,y)r討論：（在第Ⅰ象限）滑移力f的方向取決于(x2－y2)項。y＝0

fx

＝k/x同號相斥。x>y

fx>0x<yfx<0x＝0和x＝y(tǒng)，fx＝0，但前者穩(wěn)定，后者介穩(wěn)。顯然：x>y區(qū)域內(nèi)，刃位錯將被推開；x<y區(qū)域內(nèi),刃位錯則向x＝0

位置運動,達(dá)到穩(wěn)定。這些位錯就相當(dāng)于小角度晶界，腐蝕后有規(guī)則的位錯坑。位錯墻xyr1r0位錯與點缺陷的交互作用1、刃位錯與球形對稱畸變點缺陷在晶體中的點缺陷如空位、間隙原子等，都引起彈性畸變，因此都受到位錯應(yīng)力場的彈性交互作用。設(shè)想一連續(xù)彈性介質(zhì)的晶體中含有一刃位錯和一個溶質(zhì)原子或空位，體系的能量為：yxθγU0+Ue+UIDU0——點缺陷的應(yīng)變能Ue——位錯的應(yīng)變能UID——當(dāng)溶質(zhì)原子移近位錯時，體系能量的改變值，即彈性交互作用能?？赡転檎?，也可能為負(fù)。假想在連續(xù)彈性介質(zhì)中挖一球形孔洞，半徑為r0（置換或空位：溶劑原子半徑，間隙：間隙半徑），然后填入一個半徑為r1（溶質(zhì)原子半徑）的小球。如果體系無位錯，該過程只反抗周圍介質(zhì)做功，能量為U0。r1UID：r0當(dāng)有位錯存在時，除U0外，該過程還需反抗位錯應(yīng)力場σij做功，相當(dāng)于彈性交互作用能UID。由于點缺陷在晶體中產(chǎn)生的是球形對稱的畸變，所以位移始終垂直于球面，故應(yīng)力場中σij在球面上產(chǎn)生的切應(yīng)力做功為0（∵沒有切應(yīng)變），而正應(yīng)力σ為平均值。r1r0στ在位移Δr＝r1－r0過程中，孔洞周圍體積改變?yōu)棣，反抗位錯應(yīng)力場所做之功為：

ΔW＝－σΔV位錯與點缺陷的交互作用能用UID表示，則：將刃位錯應(yīng)力場代入得：r1r0στ討論：要使溶質(zhì)原子處在晶體中穩(wěn)定位置，必須使UID為負(fù)。當(dāng)ΔV>

0（即r1>r0

)時，在y<

0

處UID為負(fù)。這意味著比基體原子大的置換式溶質(zhì)原子或間隙式溶質(zhì)原子處于刃位錯的受膨脹部分較穩(wěn)定，即被吸引在正刃型位錯的下側(cè)。大原子置換間隙式溶質(zhì)原子置換原子，ε＝1～4％，Umax＝0.05~0.1ev

弱

間隙原子ε＝6～20％，Umax＝0.2~0.5ev

強螺位錯由于不產(chǎn)生正應(yīng)力，與球形對稱的點缺陷無交互作用。當(dāng)ΔV

<0

（即r1<r0

)時，在

y

>0

處UID為負(fù)。表示比基體原子小的置換式溶質(zhì)原子或空位，傾向于處在正刃型位錯的上側(cè)。小原子置換2、柯氏氣團點缺陷是熱力學(xué)上穩(wěn)定的缺陷，無位錯時，點缺陷的平衡濃度為：有位錯時：由于UID為負(fù)值★即位錯附近的點缺陷濃度比無位錯處高，溶質(zhì)原子云集于位錯附近的現(xiàn)象稱為溶質(zhì)原子氣團?？率蠚鈭F形成后，欲使位錯離開溶質(zhì)原子，勢必升高應(yīng)變能。這相當(dāng)于溶質(zhì)原子對位錯產(chǎn)生阻力，所以柯氏氣團有釘扎位錯的作用，阻滯位錯移動的能力。位錯必須在較大的外應(yīng)力作用下，才能克服其釘扎作用開始滑移，表現(xiàn)為屈服強度增高。而位錯一旦自氣團中脫釘之后，只需較小的應(yīng)力便可繼續(xù)運動，這便是屈服點的來源。當(dāng)溫度升高時，溶質(zhì)原子的擴散速率增大，位錯可以拖著氣團一起運動，這時便觀察不到屈服現(xiàn)象。

α-Fe中的C、N原子集結(jié)在位錯附近受膨脹的區(qū)域，形成碳、氮原子云，稱柯氏氣團。例：低碳鋼拉伸實驗a.拉伸出現(xiàn)上下屈服點。b.卸載后立即加載拉伸。c.卸載后存放一段時間或200℃加熱后再拉伸，再次出現(xiàn)屈服點。d.900℃退火后再拉伸，同a。cabεσd3、非對稱畸變點缺陷螺位錯的應(yīng)力場是純切應(yīng)力，與球形對稱畸變的點缺陷無交互作用。但是溶質(zhì)原子如果產(chǎn)生非球形對稱畸變，則不僅與刃位錯有交互作用，同時與螺位錯也有交互作用。例如，體心立方α-Fe點陣中，間隙碳、氮原子常處于八面體間隙中，它引起的畸變?yōu)榉乔蛐螌ΨQ，從而產(chǎn)生了切應(yīng)力。該切應(yīng)力場將與螺位錯發(fā)生交互作用，使溶質(zhì)原子運動到螺位錯附近，以抵消一部分應(yīng)變能，使位錯的運動更困難。正因為非球形對稱畸變與螺位錯也有交互作用，因而它的強化效果更為顯著。結(jié)論：非球形對稱畸變的點缺陷不僅與刃位錯，而且與螺位錯也有交互作用，固溶強化效果顯著。b.c.c.金屬中間隙原子的固溶強化效果遠(yuǎn)大于f.c.c.和h.c.p。a非球形對稱畸變球形對稱畸變位錯的滑移

1、位錯的滑移與晶體滑動晶體中位錯運動掃過的地方；滑移面上下晶體將發(fā)生相對滑動，其大小和方向為。任意位錯運動引起的晶體相對滑動方向，可按右手定則來判定：七、位錯的運動與增殖位錯運動方向中指食指沿方向運動的那部分晶體拇指例：根據(jù)右手定則確定位錯環(huán)運動方向τDABCττDABCDABCττ2、位錯滑移特點如圖所示，對含刃位錯的晶體加切應(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一很小距離，便使位錯由位置1移動到位置2。如果應(yīng)力繼續(xù)作用，位錯將繼續(xù)向前移動。τ12顯然位錯運動時，是逐排克服原子間結(jié)合力，因而使位錯滑移所需要的臨界切應(yīng)力很小，接近于實際測定值。位錯的滑移就是逐排向前傳遞一種特殊組態(tài)。雖然位錯滑移一個原子間距時原子移動很小，但在位錯掃過的區(qū)域積累起的相對移動。當(dāng)位錯到達(dá)晶體表面后，整個晶體沿滑移面相對移動一個，在晶體表面產(chǎn)生高度為b的臺階。若有成千上萬位錯掃過，表面上產(chǎn)生一個在顯微鏡下可以看到的滑移線。不論位錯性質(zhì)如何，不論它怎樣運動，凡位錯掃過的區(qū)域，滑移面上下兩部分晶體總要發(fā)生相對滑動，其大小和方向為。在外應(yīng)力作用下，位錯移動一個原子間距，只需周圍原子有很小的位移。位錯繼續(xù)滑移，只是依次向前傳遞一種特殊的原子組態(tài)。位錯線與柏氏矢量組成的面稱為滑移面，只有平行于，且作用在滑移面上的切應(yīng)力，才能使位錯發(fā)生滑移運動。刃位錯，只有唯一的滑移面；螺位錯，通過位錯線的所有密排面或次密排面都可成為它的滑移面。不論位錯如何移動，晶體的滑移總是沿相對滑動，所以晶體的滑動方向就是位錯的方向?？偨Y(jié)：3、位錯的交滑移由于螺位錯的滑移面不是唯一的，在它運動過程中，一旦前方受阻，螺位錯的運動將由原來的滑移面轉(zhuǎn)移到另一個滑移面繼續(xù)滑移—交滑移。交滑移是螺位錯的滑移特性，刃位錯不可進(jìn)行交滑移。b4、攀移刃位錯能沿垂直于滑移方向運動，稱為攀移。其實質(zhì)是多余半原子面的伸長或縮短。當(dāng)位錯刃部的空位擴散離開多余半原子面，或間隙原子等擴散到位錯，就使多余半原子面伸長，位錯向下攀移，稱負(fù)攀移，體積膨脹；反之為正攀移，體積收縮。由此可見：攀移的過程是空位擴散的過程，它受控于正應(yīng)力和溫度。室溫下，由于溫度低，空位等點缺陷擴散緩慢，攀移較難發(fā)生。但對高溫下使用的材料，攀移較為明顯，如蠕變，回復(fù)等過程。位錯的萌生與增殖

除了精心制造的細(xì)小晶須外，在大塊晶體中都有大量的位錯存在。即使在充分退火的晶體中，位錯密度也高達(dá)104/mm2。從熔融狀態(tài)凝固的晶體，也具有與此相當(dāng)?shù)奈诲e密度。因此，在晶體形成過程中就可以萌生大量的位錯。1、位錯的萌生產(chǎn)生原因：凝固中枝晶碰撞，液流沖擊，使表面產(chǎn)生長大臺階發(fā)生錯排?？瘴蝗旱谋浪８鞣N原因造成的應(yīng)力集中，產(chǎn)生位錯。

例如：鋼中有夾雜物時，由于與鋼基體的膨脹系數(shù)不同，或塑性不同。從而在冷卻過程中，夾雜與基體之間就會產(chǎn)生應(yīng)力，這個應(yīng)力就可激發(fā)位錯。生長方向2、位錯的增殖隨著晶體的塑性變形，位錯掃出晶體，在表面上形成臺階，由此似乎晶體中的位錯應(yīng)越來越少？但事實上并非如此，變形后晶體中的位錯數(shù)目不是少了，而是顯著增多了。如退火金屬中的位錯密度約為104/mm2

，而變形后其密度可高達(dá)1010/mm2以上。Frank-Read源ABtb滑移面ABt

bt

bABABtb滑移面F-R源電子顯微照片(330,000×)位錯的交割和帶割階位錯的運動對于滑移面上運動的位錯來說，穿過此滑移面的其它位錯稱為林位錯。林位錯會阻礙位錯的運動，但若應(yīng)力足夠大，滑移位錯將切過林位錯繼續(xù)前進(jìn)。位錯線互相切割的過程，稱為位錯的交割。b1

1、兩刃位錯的交割割階b2

b1

b1

b2

b1

b2

扭折b2

b1

f2、一個刃位錯一個螺位錯bs

be

bs

be

結(jié)論：一般而言，兩個位錯交割時，位錯上要產(chǎn)生一小段新的位錯。它的布氏矢量與攜帶它的位錯相同，大小和方向，決定于另一個位錯的布氏矢量。新位錯形成時，需外力做功；林位錯密度越高，位錯運動阻力越大，表現(xiàn)為材料抵抗外力變形的能力越高?！獜姸雀?、帶割階位錯的運動扭折在形成時需一定的能量，但在運動中并不增加多大的阻力。刃位錯帶割階的運動割階的滑移方向恰好和原位錯線運動方向平行，因而位錯可以帶著割階在原運動方向滑移。只是割階的滑移面未必是晶體的密排面，滑動時所受的點陣阻力要大些。

如果位錯沿原方向運動，割階只能攀移，因此它將阻礙位錯的運動。溫度高和外力足夠大，位錯拖著割階一起運動，結(jié)果在割階經(jīng)過的地方留下一串空位或間隙原子。螺位錯帶割階的運動

bsbs4、結(jié)論對于滑移面上運動的位錯來講，穿過此滑移面的其它位錯，稱為林位錯。林位錯會阻礙位錯的運動，滑動位錯切過林位錯的過程，稱為位錯的交割。位錯交割的結(jié)果，將產(chǎn)生割階或扭折的小段新位錯，其形成時需一定的能量，需增加外力。帶割階位錯的運動，將受到割階的阻礙，需增加外應(yīng)力。晶體材料隨塑性變形增加，位錯密度上升，形變抗力增加—加工硬化。位錯的塞積在切應(yīng)力下，由同一位錯源產(chǎn)生的許多位錯，先后在同一滑移面上運動。如果前方遇到障礙物，位錯就會形成塞積。塞積的位錯對后來的位錯有一斥力，整個塞積群對位錯源有一反作用力。塞積的位錯數(shù)目越多，反作用力越大。當(dāng)塞積群中位錯數(shù)目達(dá)到某一值n后，反作用力將位錯源封殺。所以塞積群中位錯數(shù)目n取決于外力在滑移方向上的分切應(yīng)力τ0

以及位錯源到障礙物的距離L。障礙物L(fēng)位錯源……位錯群前端的應(yīng)力集中每個位錯受到的滑移力：總滑移力：領(lǐng)先位錯上受到的阻力：平衡時：∴前端有很大的應(yīng)力集中τ0障礙物L(fēng)f阻位錯源……f0………

n………

nf0設(shè)L為晶粒半徑，晶粒越大，在τ0下，塞積的位錯越多，前端應(yīng)力集中越嚴(yán)重。脆性材料容易沿晶破裂；塑性材料則容易變形。晶粒越小，應(yīng)力集中較小。反映在性能上，屈服強度、斷裂強度越高。由此模型可導(dǎo)出有名的Hall-petch公式。τ0障礙物L(fēng)位錯源……Hall-petch公式：顯然當(dāng)有彌散分布的第二相質(zhì)點時，位錯塞積長度就小，應(yīng)力集中會緩解，強度也要升高?！镆陨辖Y(jié)果是細(xì)晶強化和彌散強化的理論基礎(chǔ)，細(xì)化晶粒不僅強度高，而且材料的塑性也好。因為細(xì)小的晶粒內(nèi)負(fù)荷均衡，變形均勻。σiσs

d——晶粒半徑σi

——單晶體強度位錯與第二相粒子的交互作用（彌散強化）

非共格位錯繞過質(zhì)點共格位錯可切割質(zhì)點以上無論哪種方式，第二相質(zhì)點都將對位錯的運動起阻礙作用，需要外力做功，表現(xiàn)為材料的強度增加——彌散強化。

第二相硬質(zhì)點屬體缺陷，根據(jù)界面特性分為共格與非共格兩類。小結(jié)：位錯與線缺陷交互作用——加工硬化位錯與點缺陷交互作用——固溶強化位錯與體缺陷交互作用——彌散強化位錯與面缺陷交互作用——細(xì)晶強化八、實際晶體中的位錯

前面以簡單立方晶格為模型，介紹了位錯的物理概念，力學(xué)性能等，他們具有普遍意義。但在實際晶體中，由于晶體結(jié)構(gòu)不同，它們又具有一定的特殊性。1、位錯反應(yīng)實際晶體中存在的位錯，決定于晶體結(jié)構(gòu)和能量條件。因為柏氏矢量表示位錯運動后晶體相對的滑移量，因此它只能從原子的一個平衡位置指向另一個平衡位置。而從能量觀點看，位錯線的應(yīng)變能∝b2，因此具有最小的位錯最穩(wěn)定，所以一個大位錯有分解成兩個或多個小位錯的趨勢。例：以上過程稱位錯反應(yīng)。位錯反應(yīng)能否進(jìn)行，決定于結(jié)構(gòu)條件和能量條件：aa、結(jié)構(gòu)條件：反應(yīng)前后柏氏矢量要守恒上例中：掃過晶體，上下晶體相對滑動2a；分解后，和掃過晶體，同樣會留下2a的臺階。

b、能量條件:反應(yīng)后體系能量應(yīng)降低結(jié)構(gòu)條件：滿足能量條件：滿足上例中：∴反應(yīng)能進(jìn)行2、全位錯

由一個原子平衡位置指向另一個原子平衡位置的位錯稱為全位錯。等于最小原子間距的位錯稱為單位位錯。特征：全位錯掃過晶體后，晶體內(nèi)部全部復(fù)原。其他較大的位錯，一般都能分解成單位位錯。例：f.c.c中，柏氏矢量最短的單位位錯為，

次短的位錯為a

<100>，問后者能否分解為前者?a結(jié)構(gòu)條件：滿足能量條件：不確定因此，f.c.c中存在次短的a<100>

位錯是可能的，但其他的全位錯肯定都能分解成單位位錯。22aa222a+=21]01[]110[2

]100[aaa+?由于能量條件的要求，實際晶體中柏氏矢量大的位錯有分解成單位位錯的趨勢。我們進(jìn)一步要問，單位位錯是否能進(jìn)一步分解呢？答案是肯定的，但分解所得的柏氏矢量必然小于最近的原子間距。這種位錯掃過晶體后，滑移面上下原子不再占有原先位置，即產(chǎn)生層錯。

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相鄰原子間距，掃過晶體后產(chǎn)生層錯的位錯稱為偏位錯或不全位錯。

3、偏位錯（不全位錯）滿足6a2a6a]112[]211[]110[____+=6aa2a2226

+>12ACBA面心立方中的兩個重要偏位錯a、Shockley偏位錯CBACBACBAACBAC[111]bb、Frank偏位錯CCBBAACABBCAACCBBAAbA4、層錯偏位錯掃過晶體后，滑移面上下原子不再占有原有位置，出現(xiàn)原子堆垛層次錯亂，該原子面稱層錯。層錯的產(chǎn)生將引起電子的附加散射，能量提高，因而具有層錯能。層錯的邊界就是偏位錯。5、擴展位錯由單位位錯分解的兩個偏位錯，由于它們之間的斥力而分開，中間便夾了一層層錯，這種由兩個偏位錯夾住一層層錯的組態(tài)稱為擴展位錯。

db擴展位錯中兩偏位錯相斥，其單位長度位錯線斥力近似為：擴展位錯＝一個偏位錯＋一片層錯＋一個偏位錯當(dāng)f與層錯能γ相等時，處于平衡∴擴展位錯的寬度:層錯能↑，擴展寬度d↓，相反則↑。dbf.c.c：6、擴展位錯的束集與交滑移純螺位錯在面上分解運動過程中，若前方受阻，兩個偏位錯束集成全位錯。然后交滑移到面上，重新分解成新的擴展位錯，繼續(xù)運動。總結(jié)：在實際晶體中，由于擴展位錯的形成，螺位錯的交滑移更加困難，必須經(jīng)束集后才能進(jìn)行。晶體層錯能越低，擴展位錯的寬度越大，束集越困難，不易交滑移，因此晶體的變形抗力越大。CoAgCuAuAlNi單位0.020.020.040.060.200.25J/m2單位位錯的體心立方面心立方密排六方caaa<111>{110}<110>{111}h.c.pcab.c.caf.c.ca)0001(0112><3.3 面缺陷—界面晶體中兩相鄰部分的取向、結(jié)構(gòu)、或點陣常數(shù)不同，在它們的接觸處將形成界面。界面是一種二維缺陷，對材料的許多性能有重要影響。一、界面類型一般分類：晶界：多晶材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)相同，而取向不同的晶粒之間的界面。純鐵內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖亞晶界：晶粒內(nèi)部位相差<10°的微區(qū)稱亞結(jié)構(gòu)或亞晶，其界面稱亞晶界。孿晶界：晶粒內(nèi)部具有特殊取向的兩相鄰區(qū)域，原子相對某晶面呈鏡面對稱排列，這兩相鄰區(qū)組成一對孿晶。其界面叫孿晶界。相界：具有不同晶體結(jié)構(gòu)，不同化學(xué)成分的兩相之間的界面。孿晶界面結(jié)構(gòu)奧氏體孿晶按能量高低分類完全共格界面：(界面能最低)

界面上的原子為相鄰兩個晶粒所共有。當(dāng)兩晶區(qū)晶面間距相等或稍有錯配時才可能形成。理想完全共格界面一般少見，在實際晶體中，界面兩側(cè)的晶面間距稍有錯配時，界面附近有應(yīng)變。非共格界面：（界面能高）當(dāng)兩相鄰的晶粒的晶面間距相差很大時，界面上的原子排列完全不吻合，出現(xiàn)高缺陷分布的界面。半共格界面：（界面能中等）

當(dāng)相鄰晶粒的晶面間距相差較大時，將由若干位錯來補償其錯配，出現(xiàn)共格區(qū)與非共格區(qū)相間界面。AB半共格界面中的共格區(qū)A+非共格區(qū)BBA二、界面結(jié)構(gòu)①對稱傾斜晶界由一系列相隔一定距離的刃型位錯垂直排列而成，一般稱為位錯墻，從能量上講是穩(wěn)定的。