第三章晶體缺陷

第三章晶體缺陷李懷勇聊城大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 本章章節(jié)結(jié)構(gòu)3.1

點缺陷3.2

位錯3.3

表面及界面23

位錯（Dislocation）理論的發(fā)展

起源：塑性變形(plasticdeformation)-滑移(slip)-滑移線最初模型：“剛性相對滑動模型”

3滑移（slip）滑移面（slipplane）滑移矢量（slipvector)4 理想的晶體滑移模型56

位錯（Dislocation）理論的發(fā)展計算臨界切應(yīng)力tm=G/30（G—切變模量）純Fe的切變模量約為：100GPa純Fe的理論臨界切應(yīng)力：約3000MPa純Fe的實際屈服強度：1–10MPa相差3-4個數(shù)量級What’swrongwiththemodel?6 實際的晶體滑移模型7 位錯（Dislocation）理論的發(fā)展1934年Taylor、Orowan、Polanyi提出“位錯模型”，滑移是通過缺陷（位錯）的運動而進行的1950年代后位錯模型為實驗所驗證現(xiàn)在，位錯是晶體性能研究中最重要的概念，被廣泛用來研究固態(tài)相變、晶體光、電、聲、磁、熱力學(xué)，表面及催化等8當晶格中一部分晶體相對于另一部分晶體發(fā)生局部滑移時，滑移面上滑移區(qū)與未滑移區(qū)的交界線稱作位錯。 3.2.1.位錯的基本類型9位錯是原子排列的一種特殊組態(tài)。根據(jù)幾何結(jié)構(gòu)刃型位錯edgedislocation螺型位錯screwdislocation混合位錯mixeddislocation 3.2.1.位錯的基本類型10

1、刃型位錯edgedislocation刃型位錯：當一個完整晶體某晶面以上的某處多出半個原子面，該晶面象刀刃一樣切入晶體，這個多余原子面的邊緣就是刃型位錯。11 刃型位錯原子組態(tài)12ZnO中的刃位錯1314

刃型位錯的特點15（1）半原子面分正負存在額外半原子面。若額外半原子面位于晶體的上半部，則此處的位錯線稱為正刃型位錯（┴），反之，則稱為負刃型位錯（┬）。兩者沒有本質(zhì)區(qū)別。15

刃型位錯的特點16（2）刃位錯線可曲彎刃型位錯線為已滑移區(qū)和未滑移區(qū)的分界線，它不一定是直線16（3）滑移矢量相垂直刃型位錯的位錯線和滑移矢量互相垂直，滑移面是同時包括位錯線和滑移矢量的平面，一個刃型位錯所構(gòu)成的滑移面只有一個 刃型位錯的特點17 刃型位錯的特點（4）彈性畸變兼正切位錯的存在使得位錯周圍的點陣發(fā)生彈性畸變，即有切應(yīng)變，又有正應(yīng)變。對正刃型位錯而言，位錯線上、下部臨近范圍內(nèi)原子受到壓應(yīng)力、拉應(yīng)力,離位錯線較遠處原子排列恢復(fù)正常。18 刃型位錯的特點（5）刃位錯是線缺陷在位錯線周圍的畸變區(qū)內(nèi)，每個原子具有較大的平均能量。這個區(qū)域只有幾個原子間距寬，是狹長的管道，所以刃型位錯是線缺陷。191.當晶格中一部分晶體相對于另一部分發(fā)生局部滑移時，滑移面上滑移區(qū)與未滑移區(qū)的交界線稱作位錯。位錯是原子排列的一種特殊組態(tài)。2.根據(jù)幾何結(jié)構(gòu)刃型位錯edgedislocation螺型位錯screwdislocation混合位錯mixeddislocation 前課提要：20 前課提要：3.刃型位錯：當一個完整晶體某晶面以上的某處多出半個原子面，該晶面象刀刃一樣切入晶體，這個多余原子面的邊緣就是刃型位錯。4.刃型位錯的特點：（1）半原子面分正負（2）刃位錯線可曲彎（3）滑移矢量相垂直（4）彈性畸變兼正切（5）刃位錯是線缺陷21 2、螺型位錯（Screwdislocation）螺型位錯：當一完整晶體被沿某晶面間被切開后，切開部分被扭曲一個原子間距，則在扭曲和未扭曲部分間的交界形成一螺型位錯。22

螺型位錯原子組態(tài)23螺型位錯：位錯附近的原子是按螺旋形排列的。位錯線（bb’）：已滑移區(qū)和未滑移區(qū)的分界線?；儏^(qū)（aa’b’b）：約幾個原子間距寬、上下層原子位置不相吻合的過渡區(qū)，原子的正常排列遭破壞。螺型位錯也是線缺陷。24 螺型位錯的特點(1)螺型位錯分左右無額外半原子面，原子錯排呈軸對稱；根據(jù)位錯線附近呈螺旋形排列的原子的旋轉(zhuǎn)方向不同，可分為右旋和左旋螺型位錯；25 螺型位錯的特點(2)滑移矢量相平行螺型位錯的位錯線與滑移矢量平行，因此一定是直線；位錯線的移動方向與晶體滑移方向互相垂直26 螺型位錯的特點(3)滑移面可有很多純螺型位錯的滑移面不是唯一的；凡包含位錯線的平面都可作為滑移面；一般位錯在原子密排面上進行；27 螺型位錯的特點(4)彈性畸變僅切變螺位錯周圍的點陣發(fā)生彈性畸變，只有平行于位錯線的切應(yīng)變，無正應(yīng)變，所以不會引起體積膨脹和收縮。28 螺型位錯的特點(5)螺位錯是線缺陷螺型位錯周圍的點陣畸變隨離位錯線距離的增加而急劇減少，故也是幾個原子寬度的線缺陷。29 區(qū)分刃、螺位錯的依據(jù)刃位錯線和滑移矢量垂直螺位錯線和滑移矢量平行30 3、混合位錯mixeddislocation31混合位錯晶體模型32混合位錯原子組態(tài)331、滑移矢量與位錯線相交成任意角度2、混合位錯線是一條曲線，可分解為刃型和螺型分量 混合位錯的結(jié)構(gòu)特點：34位錯環(huán)35大?。夯兊某潭?，滑移距離；方向：什么類型的位錯；滑移(錯位)的方向。

3.2.2伯格氏（Burgers）矢量透射電鏡下鈦合金中的位錯線(黑線)36(a)有位錯的晶體(b)完整晶體MNOPQMNOPQ伯氏矢量 1.伯氏矢量的確定(刃型位錯)37(a)有位錯的晶體(b)完整晶體

伯氏矢量 1.伯氏矢量的確定(螺型位錯)38

1.伯氏矢量求法做一個伯式回路，步驟：（1）確定位錯線的正方向（2）用右手螺旋定則確定回路。（3）圍繞位錯做一右旋閉合回路。（4）在完整晶體中按同樣的方向和步數(shù)作相同的回路，如不閉合，則由終點向起點引一矢量b，即為伯氏矢量。39ScrewEdge40混合位錯的形成混合位錯分解為刃位錯和螺位錯示意圖41刃位錯的正負：右手法則,食－位錯線(正向),中－伯氏矢量,拇指代表多余半原子面的位向，規(guī)定拇指向上為正，反之為負。螺位錯的左右：伯氏矢量與位錯線正向平行的為右，反之為左。

位錯線伯氏矢量刃型正負右手法則直角坐標bb刃型位錯bb右左螺型位錯正?負× 判斷位錯的性質(zhì)42ScrewEdgebs=bcosb┴=bsin混合位錯43思考題一個位錯環(huán)能否各部分都是螺位錯?能否各部分都是刃位錯?為什么?解：螺位錯的柏氏矢量與位錯線平行，而一個位錯只有一個柏氏矢量，一個位錯環(huán)不可能與一個方向處處平行，所以一個位錯環(huán)不能各部分都是螺位錯。刃位錯的柏氏矢量與位錯線垂直，如果柏氏矢量垂直位錯環(huán)所在的平面，則位錯環(huán)處處都是刃位錯。這種位錯的滑移面是位錯環(huán)與柏氏矢量方向組成的棱柱面，這種位錯又稱棱柱位錯。4445

2.伯氏矢量的特性1).點陣畸變總累積的物理量。而該矢量的模|b|表示了畸變的程度，稱為位錯的強度。2).柏氏矢量是唯一的，這就是柏氏矢量的守恒性(計算)。3).一根位錯線具有唯一的柏氏矢量（位錯線上各處）。4).分解（證明）

5).位錯的連續(xù)性。不能中斷于晶體內(nèi)部。（證明）交點b=046

3.伯氏矢量的表示方法位錯的伯氏矢量，任一原子從一個位置移向另一個位置所引出的矢量。伯氏矢量的大小和方向可以用它在晶軸上的分量來表示。具體做法是：將某個滑移矢量在晶胞坐標軸上的分量，依次填入[

]中，提取公因數(shù)k，使括號內(nèi)的數(shù)字成為最小整數(shù)即可。47右圖中的矢量O’b，其晶向指數(shù)為[110]，伯氏矢量b1=1a+1b+0c,對于立方晶體a=b=c，故可簡寫為：xO’abOyz右圖中的矢量Oa，其晶向指數(shù)也為[110]，伯氏矢量b2=1/2a+1/2b+0c，可簡寫為： 舉例48 立方晶系晶體柏氏矢量表示方法由于a=b=c，柏氏矢量可用晶向指數(shù)表示為：b=a/n<uvw>

，n為正整數(shù)。符合加減定律。其中a為晶胞參數(shù)，[uvw]表示矢量方向，它與晶體滑移方向的晶向符號相同。只不過晶向指數(shù)沒有“大小”的概念，而柏氏矢量必須在晶向指數(shù)的基礎(chǔ)上把該矢量的模（或位錯強度）也表示出來，因而要同時標出該矢量在各個晶軸上的分量.49位錯的強度：就是錯位的距離同一晶體中，柏氏矢量愈大，表明該位錯導(dǎo)致點陣畸變愈嚴重，它所處的能量也愈高。能量較高的位錯通常傾向于分解為兩個或多個能量較低的位錯：b1→b2＋b3，并滿足|b1|2＞|b2|2＋|b3|2，以使系統(tǒng)的自由能下降。50判斷下列位錯反應(yīng)能否進行？若能進行，試在晶胞上作出矢量圖。

思考題：51

3.2.3位錯的運動宏觀的塑性形變是位錯運動的結(jié)果；深入理解位錯與材料的力學(xué)性能的關(guān)系；兩種最基本的形式：滑移和攀移。52

1.位錯的滑移（1）刃型位錯的滑移：是刃型位錯在外加切應(yīng)力的作用下，通過位錯中心附近的原子沿伯氏矢量方向象毛蟲一樣爬行。5354 （2）螺型位錯的滑移特點：a.滑移面選擇很多；b.交滑移；c.雙交滑移55 （3）混合位錯的滑移沿各點的法線方向在滑移面上向外擴展。56刃位錯的運動螺位錯的運動混合位錯的運動 （4）位錯滑移的結(jié)果571)位錯的運動方向與位錯線關(guān)系；

2)晶體的滑移方向與位錯線關(guān)系；

3)切應(yīng)力方向與柏氏矢量關(guān)系；4)晶體的相對位移與柏氏矢量關(guān)系；5)對螺型位錯，如果在原滑移面上運動受阻時，有可能轉(zhuǎn)移到與之相交的另一滑移面上繼續(xù)滑移，這稱為交滑移(雙交滑移）。

（5）位錯滑移的特點58位錯的滑移特征位錯類型柏氏矢量位錯線運動方向晶體滑移方向切應(yīng)力方向滑移面數(shù)目刃型位錯⊥位錯線⊥位錯線本身與b一致與b一致唯一確定螺型位錯∥位錯線⊥位錯線本身與b一致與b一致多個混合位錯成角度⊥位錯線本身與b一致與b一致唯一確定59 幾點思考：a.位錯運動的推動力？b.同一形變（物質(zhì)遷移）可以通過不同類型的位錯來實現(xiàn)？c.位錯運動和原子運動的關(guān)系？d.同一切應(yīng)力作用下b方向相反位錯的運動方向有什么不同？外加應(yīng)力可以方向相反相關(guān)但不相同60右旋左旋正負61 （6）位錯線運動方向的右手法則拇指沿b方向滑移的那部分晶體中指位錯線運動方向食指位錯線方向62思考題1、圖中有一位錯錢AB，其滑移面為圖中黃線所示，另有一與滑移面垂直相交于CD的圓環(huán)。（1）AB在外力作用下由右向左運動，請在圖中標出其柏氏矢量b和所需外加應(yīng)力；（2）說明AB滑過圓環(huán)后，對圓環(huán)會產(chǎn)生什么影響？提示：分別按純?nèi)形诲e和純螺位錯討論63ABCD>>>>bttssxyzo2、如圖，在晶體的滑移面上有一伯氏矢量為b的位錯環(huán)，并受到均勻切應(yīng)力和s的作用。（1）分析該位錯環(huán)各段位錯的結(jié)構(gòu)類型；（2）在的作用下，該位錯環(huán)將如何運動？（3）在s的作用下，位錯環(huán)將如何運動？64什么是刃型位錯的攀移？ 2.刃型位錯的攀移65刃位錯攀移示意圖（a）正攀移（半原子面縮短）(b)未攀移（c）負攀移（半原子面伸長）66定義：刃型位錯在垂直于滑移面的方向上運動，即發(fā)生攀移。正負攀移。特點：位錯攀移需要熱激活，較之滑移所需的能量更大。 2.刃型位錯的攀移67在位錯的滑移運動過程中，其位錯線往往很難同時實現(xiàn)全長的運動。 阻力或者位錯間的交割打彎：扭折（處于滑移面上)割階（垂直于滑移面） 3.運動位錯的交割68圖3.17位錯中出現(xiàn)的割階與扭折示意圖(a)刃型位錯（b）螺型位錯 扭折和割階的位錯類型刃位錯：扭折，螺位錯螺位錯：均為刃位錯割階，刃位錯69兩個伯氏矢量互相垂直/平行的刃位錯交割垂直平行70兩個伯氏矢量互相