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材料A楼509BEmail:Tel:34203763,第三章 晶体缺陷 Imperfections(defects)in Crystals 1材料A楼509BEmail:第三章 晶体缺陷 I第三章 晶体缺陷 Imperfections(defects)in Crystals“It is the defects that makes materials so interesting,just like the human being.”“Defects are at the heart of materials science.”2第三章 晶体缺陷 Imperfections(defec实际晶体中的缺陷晶体缺陷：晶体中各种偏离理想结构的区域根根据据几几何何特特征征分分为为三三类类点缺陷（point defect)三维空间的各个方向均很小零维缺陷(zero-dimensional defect)线缺陷（line defect)在二个方向尺寸均很小面缺陷（plane defect)在一个方向上尺寸很小一维缺陷(one-dimensional defect)二维缺陷(two-dimensional defect)3实际晶体中的缺陷晶体缺陷：晶体中各种偏离理想结构的区域根据几课程安排课程安排点缺陷 （第1周）位错几何 （第1、2周）位错力学 （第2周）位错运动、实际晶体中的位错（第3、4周）表面与界面（第4、5周）课堂讨论 （第5周）4课程安排课程安排点缺陷 （第1周）4点缺陷点缺陷：空位、间隙原子、溶质原子、和杂质原子、+复合体（如：空位对、空位-溶质原子对）点缺陷的形成（The production of point defects)（1）热运动：强度是温度的函数能量起伏=原子脱离原来的平衡位置而迁移别处=空位(vacancy)Schottky 空位，-晶体表面Frenkel 空位，-晶体间隙原因：（2）冷加工（3）辐照5点缺陷点缺陷：空位、间隙原子、溶质原子、和杂质原子、点缺陷的平衡浓度的推导假设条件:（1）晶体体积保持常数，不随温度而变；每个缺陷的能量 与温度无关；（2）缺陷间没有相互作用，彼此独立无关；（3）空位及间隙原子的存在不改变点阵振动的本征频率。平衡判据F：赫姆霍茨自由能U：内能S：熵Stirling 公式：6平衡浓度的推导假设条件:平衡判据F：赫姆霍茨自由能Stirl与点缺陷有关的能量与频率空位形成能：DEv 原子-晶体表面 =电子能+畸变能空位迁移频率：DEm:空位迁移能 DSm:空位迁移熵平衡浓度：热力学稳定的缺陷：产生与消亡达致平衡7与点缺陷有关的能量与频率空位形成能：DEv空位迁移频率：DE点缺陷浓度及对性能的影响*过饱和空位：高温淬火、冷加工、辐照1。电阻增大2。提高机械性能3。有利于原子扩散4。体积膨胀，密度减小*点缺陷对性能的影响8点缺陷浓度及对性能的影响*过饱和空位：1。电阻增大2。提高机第二部分位错概念与位错几何9第二部分9位错举例：刃位错与螺位错刃位错螺位错10位错举例：刃位错与螺位错刃位错螺位错10 缘起：单晶体理论强度（滑移的临界剪切应力）与实验值有巨大差距 理论值：tc=10-210-1G 实验值：tc=10-810-4 G 位错概念的提出（一）假说：1934年证实：上世纪50年代，电镜实验观察材料科学中的有关晶体的核心概念之一；材料科学基础中最难懂的概念。11 缘起：单晶体理论强度（滑移的临界剪切应力）与实验值有巨单晶体理论强度的计算（一）haa/2a/2xxxx(a)(b)(d)(c)12单晶体理论强度的计算（一）haa/2a/2xxxx(a)(b单晶体理论强度的计算（二）13单晶体理论强度的计算（二）13计算中的假设1。完整晶体，没有缺陷2。整体滑动3。正弦曲线（0.01-0.1G）问题出在假设1和2上！应是局部滑移！日常生活和大自然的启示=14计算中的假设1。完整晶体，没有缺陷问题出在假设1和2上！应是有缺陷晶体的局部滑动存在着某种缺陷-位错（dislocation）位错的运动（逐步传递）=晶体的逐步滑移 小宝移大毯！毛毛虫的蠕动15有缺陷晶体的局部滑动存在着某种缺陷-位错（disloca位错的高分辨图像16位错的高分辨图像16位错的明场像原理17位错的明场像原理17典型的位错明场像照片18典型的位错明场像照片18位错特性：滑移面上已滑动区域与未滑动区域的边界两个几何参量（矢量）表征位错的几何特征:线缺陷（不考虑位错核心结构）位错线方向矢量（切矢量）滑移矢量（柏氏矢量）晶体局部滑动的推进=位错运动运动前方：未滑动区域运动后方：已滑动区域边界：位错所在位置，位错线19位错特性：滑移面上已滑动区域与未滑动区域的边界两个几何参量1。首先选定位错的正向 ；2。然后绕位错线周围作右旋（RH）闭合回路-柏氏回路；在不含有位错的完整晶体中作同样步数的路径，3。由终点向始点引一矢量，即为此位错线的柏氏矢量，记为 柏氏矢量的确定 Burgers Vector FS/RH 规则柏氏回路将位错正方向与滑移矢量（柏氏矢量）的正向关联起来！201。首先选定位错的正向 ；柏氏矢量的确定 Burge刃型位错 edge dislocation其形状类似于在晶体中插入一把刀刃而得名。其形状类似于在晶体中插入一把刀刃而得名。特征：特征：*1 1）有一额外原子面，）有一额外原子面，额外半原子面刃口处的原子列额外半原子面刃口处的原子列称为位错称为位错*2 2）位错线垂直于滑移矢量，位错线与滑移矢量构成的）位错线垂直于滑移矢量，位错线与滑移矢量构成的面是滑移面，面是滑移面，刃位错的滑移面是唯一的。刃位错的滑移面是唯一的。3 3）半原子面在上半原子面在上,正刃型位错正刃型位错 ；在下在下,负刃负刃型位错型位错 *4 4）刃位错的位错线不一定是直线，）刃位错的位错线不一定是直线，可以是可以是折线，折线，也可以是曲线，也可以是曲线，但位错线必与滑移矢量垂直。但位错线必与滑移矢量垂直。5 5）刃型位错周围的晶体产生畸变，上压，）刃型位错周围的晶体产生畸变，上压，下拉，下拉，半半原子面是对称的，原子面是对称的，位错线附近畸变大，位错线附近畸变大，远处畸变小。远处畸变小。6 6）位错周围的畸变区一般只有几个原子宽（一般点阵）位错周围的畸变区一般只有几个原子宽（一般点阵畸变程度大于其正常原子间距的畸变程度大于其正常原子间距的1/41/4的区域宽度，的区域宽度，定义为位错宽定义为位错宽度，度，约约2525个原子间距。）个原子间距。）*畸变区是狭长的管道，畸变区是狭长的管道，故位错可看成是线缺陷。故位错可看成是线缺陷。21刃型位错 edge dislocation21螺型位错的图像22螺型位错的图像22螺型位错的特征特征：特征：1 1）无额外半原子面，）无额外半原子面，原子错排是轴对称的原子错排是轴对称的 2 2）位错线与柏氏矢量平行，且为直线）位错线与柏氏矢量平行，且为直线 3 3）凡是以螺型位错线为晶带轴的晶带）凡是以螺型位错线为晶带轴的晶带由所有晶面都可以为滑移面。由所有晶面都可以为滑移面。4 4）螺型位错线的运动方向与）螺型位错线的运动方向与柏氏柏氏矢量矢量相垂直相垂直 5)5)分左螺旋位错分左螺旋位错 left-handed left-handed screw screw 符合左手法则符合左手法则 右右 right-handed right-handed screw screw 右右 6 6）螺型位错也是包含几个原子宽度的）螺型位错也是包含几个原子宽度的线缺陷线缺陷23螺型位错的特征特征：1）无额外半原子面，原子错排是轴对称混合位错 混合位错：滑移矢量既不平行业不垂直于位错线，而是与位错线相交成任意角度。一般混合位错为曲线形式，故每一点的滑移矢量式相同的，但其与位错线的交角却不同。24混合位错 混合位错：滑移矢量既不平行业不垂直于位错线，而是各种位错的柏氏矢量25各种位错的柏氏矢量251。反映位错周围点阵畸变的总积累（包括强度和取向）2。该矢量的方向表示位错运动导致晶体滑移的方向，而该矢量的模表示畸变的程度称为位错的强度。（strength of dislocation）柏氏矢量的物理意义 261。反映位错周围点阵畸变的总积累（包括强度和取向）柏氏矢量的柏氏矢量的守恒性 柏氏矢量的守恒性：与柏氏回路起点的选择无关，柏氏矢量的守恒性：与柏氏回路起点的选择无关，也与回路的具体途径无也与回路的具体途径无关关1 1。一根位错线具有唯一的柏氏矢量，。一根位错线具有唯一的柏氏矢量，其各处的柏氏矢量都相同，其各处的柏氏矢量都相同，且当位错且当位错运动时运动时 ，其柏氏矢量也不变。其柏氏矢量也不变。2 2。位错的连续性：位错线只能终止在晶体表面或界面上，。位错的连续性：位错线只能终止在晶体表面或界面上，而不能中止于晶而不能中止于晶体内部；在晶体内部它只能形成封闭的环线或与其他位错相交于结点上。体内部；在晶体内部它只能形成封闭的环线或与其他位错相交于结点上。27柏氏矢量的守恒性 柏氏矢量的守恒性：与柏氏回路起点的选择无关柏氏矢量的大小和方向可用它在晶轴上的分量-点阵矢量，来表示在立方晶体中，可用于相同的晶向指数来表示：柏氏矢量的表示法位错强度位错合并28柏氏矢量的大小和方向可用它在晶轴上的分量-点阵矢第三部分位错力学29第三部分29位错的应力场：应力张量应力张量：二阶张量orScientificEngineering平衡状态：or 应力二阶张量的意义 矢量二阶张量矢量力30位错的应力场：应力张量应力张量：二阶张量orScientif失量与张量的坐标转换112323P(P)夹角余弦矩阵1 2 31 L11 L12 L132 L21 L22 L233 L31 L32 L33矢量：Pi=SLij*Pj，j=1，2，3张量：sIJ=SSLIi*LJj*sij；i，j=1，2，331失量与张量的坐标转换112323P(P)夹角余弦矩阵线弹性理论概要32线弹性理论概要32螺型位错的应力场连续介质模型：中空圆柱（不考虑位错中心区）圆柱坐标：方便（利用其轴对称特性！）位移：uz，其余分量为零应变：gyz=b/2pr=gyz,其余分量为零应力：tyz=tyz=Ggyz=Gb/2pr，虎克定律；其余分量为零直角坐标33螺型位错的应力场连续介质模型：位移：uz，其余分量为零直角螺型位错的应力场的特点只有切应力分量，无体积变化应变、应力场为轴对称1/r 规律；r-0,应力无穷大，不合实际情况，不适合中心严重畸变区。此规律适用于所有位错！34螺型位错的应力场的特点只有切应力分量，无体积变化34刃型位错的应力场连续介质模型：1。切开，插入半原子面大小的弹性介质2。中空圆柱，径向平移b插入切开12直角坐标圆柱坐标nn35刃型位错的应力场连续介质模型：b插入切开12直角坐标nn35同时存正、切应力分量，正比于Gb各应变、应力只是（x,y)的函数，平面应变多余半原子面所在平面为对称平面滑移面上无正应力、切应力达最大值上压下拉Anywhere 特征分界线 x=+-y,txy,tyy 在其两侧变号，其上则为零刃型位错应力场的特点注意：前述为无限长直位错在无限大均匀各向同性介质中的应力场n36同时存正、切应力分量，正比于Gb刃型位错应力场的特点注意：位错位错=点阵畸变点阵畸变=能量的增高，能量的增高，此增量称为位错的应此增量称为位错的应变能变能(E=Ec+Es Es)(E=Ec+Es Es)Ec：位错中心应变能(占总的10%)Es：位错应力场引起的弹性应变能位错的应变能位错的应变能=制造单位位错所作的功制造单位位错所作的功位错的应变能 Strain Energy 根据位错切移模型位错切移模型和弹性理论弹性理论可求得混合位错角度因素：螺 K=1 刃 K=1-nzz xx37位错=点阵畸变=能量的增高，此增量称为位错应变能的特点1）应变能与应变能与b b2 2 成正比成正比，故具有最小b的位错最稳定b，大的位错有可能分解为b小的位错，以降低系统能量。2)应变能随R而，故在位错具有长程应力场，其中位错具有长程应力场，其中的长程应变能起主导作用的长程应变能起主导作用，位错中心区能量较小，可忽略不计。3）Es螺/Es刃=1-n 常用金属材料n约为 1/3，故Es螺/Es刃=2/34）位错的能量还与位错线的形状及长度有关位错的能量还与位错线的形状及长度有关，两点之间以直线为最短，位错总有被拉直的趋势，产生一线张力。5）位错的存在 体系内能，晶体的熵值 可忽略因此位错的存在使晶体处于高能的不稳定状态，可见位位错是热力学不稳定的晶体缺陷错是热力学不稳定的晶体缺陷。38位错应变能的特点1）应变能与b2 成正比，故具有最小b的位位错的线张力线张力:为了降低能量，位错自发变直，缩短长度的趋势 T=dE/dl T=aGb2 （a=0.51.0）*组态力 趋向于能量较低的状态，没有施力者*线张力的意义：a.使位错线缩短变直 b.晶体中位错呈三维网状分布端点固定的位错在剪应力作用下的平衡形态或39位错的线张力线张力:为了降低能量，位错自发变直，缩短长度位错运动方向位错线=假想力作用于位错上 虚功原理：=滑移力：Fd=tb t：作用在滑移面上、指向柏氏矢量b的剪应力 *永远位错线 攀移力：Fy=-sxxb 位错线，也 b（刃位错或刃型分量）作用在位错上的力矢量与张量表示的力矢量40位错运动方向位错线=假想力作用于位错上 作用在位错位错间的作用力通过彼此的应力场实现：F1-2=t1-2b2两平行螺位错间的作用力：Fr=Gb1b2/r 圆周对称应力场-圆周对称作用力 同号相斥，异号相吸两平行刃位错间的作用力：矢量与张量表示的力矢量滑移力攀移力41位错间的作用力通过彼此的应力场实现：两平行螺位错间的作用力：两刃位错间作用力的讨论（一）同号位错异号位错排斥吸引排斥吸引排斥排斥吸引吸引介稳稳定介稳介稳介稳介稳介稳稳定滑移力攀移力同号相斥，异号相吸42两刃位错间作用力的讨论（一）同号位错异号位错排斥吸引排斥吸引两刃位错间作用力的讨论（二）两同号位错间作用力与两异号位错间作用力：大小相等，方向相反（适用于所有位错）43两刃位错间作用力的讨论（二）两同号位错间作用力与两异号位错间两任意平行位错间作用力在各向同性介质中：两相互平行的螺位错与刃位错间：无作用力！原因：各自的应力场在对方的滑移面及滑移方向上无剪应力！相互作用力=刃型分量间的作用力+螺型分量间的作用力可用能量法定性判断：b1 矢量与 b2矢量间夹角 b12+b22:排斥b1 矢量与 b2矢量间夹角 p/2:b2 b12+b22:吸引44两任意平行位错间作用力在各向同性介质中：相互作用力=刃型第四部分位错运动与实际晶体中的位错45第四部分45位错的运动（一）人们为什么对位错感兴趣？大量位错在晶体中的运动=晶体宏观塑性变形位错运动的两种基本形式：滑移和攀移滑移面：位错线与柏氏矢量所在平面 刃位错的滑移面：？螺位错的滑移面：？滑移2DMove1:4-12滑移2DMove2:4-13刃位错的滑移晶体的滑移总是与b矢量在同一直线上，同向或反向，取决于剪应力方向46位错的运动（一）人们为什么对位错感兴趣？位错运动的两种基本形位错的运动（二）位错有一定宽度，位错滑移一个b时，位错中原子各移动一小距离。宽位错易移！47位错的运动（二）位错有一定宽度，位错滑移一个b时，位错中原子位错的运动（三）攀移：刃位错滑移面=多余半原子面的扩大或缩小=原子或空位的扩散螺位错的交滑移特点:(1)扩散需要热激活，比滑移需要更大的能量 (2)纯剪应力不能引起体积变化，对攀移不起作用 (3)过饱和空位的存在有利于攀移进行。涉及多个滑移面的滑移48位错的运动（三）攀移：刃位错滑移面=多余半原子面的扩大位错的交割（一）交割：位错与穿过其滑移面的位错彼此切割 意义：有利于晶体强化及空位和间隙原子的产生。几种典型的位错交割1。两个互相垂直的刃位错的交割2。刃位错和螺位错的交割3。两个互相垂直的螺位错的交割49位错的交割（一）交割：位错与穿过其滑移面的位错彼此切割几种典螺位错运动过后晶体两部分的相对运动方向假设滑移面左侧晶体不动，请判断正负螺位错在不同的方向运动后，右侧晶体的运动方向。vc:晶体右侧运动方向；vd：位错运动方向螺旋起点、终点在已滑过区域有利于判断。vdvdvdvdx,bx,bxbxbvcvcvcvc右螺旋右螺旋左螺旋左螺旋50螺位错运动过后晶体两部分的相对运动方向假设滑移面左侧晶体不刃型位错的运动引起的原子列的变化移动部分：移动部分的移动方向：刃型位错刃型位错位错运动队原子列构型的影响（一）51刃型位错的运动引起的原子列的变化刃型位错位错运动队原子列构型螺型位错螺型位错的运动引起的原子列的变化螺型位错的运动引起的原子列的变化移动部分：移动部分的移动方向：位错运动队原子列构型的影响（二）位错运动队原子列构型的影响（一）52螺型位错螺型位错的运动引起的原子列的变化位错运动队原子列构型对于刃型位错和螺型位错都有：（原子列）移动部分：（原子列）移动部分的移动方向：其中，我的规则位错运动队原子列构型的影响（三）“香港”规则对于刃型位错和螺型位错都有：（原子列）移动部分：（左手规则）（原子列）移动部分的移动方向：简化规则53对于刃型位错和螺型位错都有：我的规则位错运动队原子列构型的影位错的交割（一）交割：位错与穿过其滑移面的位错彼此切割 意义：有利于晶体强化及空位和间隙原子的产生。几种典型的位错交割1。两个互相垂直的刃位错的交割54位错的交割（一）交割：位错与穿过其滑移面的位错彼此切割几种典位错的交割（二）2。刃位错和螺位错的交割：割阶+扭折刃位错螺位错割阶扭折55位错的交割（二）2。刃位错和螺位错的交割：割阶+扭折刃位错螺位错的交割（三）3。两个互相垂直的螺位错的交割产生两个刃型割阶，大小和方向各等于对方b矢量56位错的交割（三）3。两个互相垂直的螺位错的交割产生两个刃型割割阶与纽折（Jog and Kink）所有的割阶都是刃型位错，纽折可以是刃位错也可以是螺位错割阶：攀移，硬化割阶的三种情况：1。高度1-2b，拖着走，一排点缺陷2。几个b-20nm，形成位错偶。3。20nm，各自旋转57割阶与纽折（Jog and Kink）所有的割阶都是刃型位错位错密度位错密度：单位体积中的位错线的总长度。r=L/V （1/cm2）（1）r=nl/lA=n/A （2）（面积A中所见的位错线数目）（2）=103/cm2 剧烈冷变形的金属：10101012/cm258位错密度位错密度：单位体积中的位错线的总长度。金属晶体中的位宏观应变率与位错运动速率及密度的关系1.一个位错滑过整个滑移面后对正应变的贡献2.一个位错滑过部分滑移面后对正应变的贡献3.全部位错在Dt时间内的滑移对正应变的贡献4.剪应变方法相同考虑正应变的情形，分为三步：59宏观应变率与位错运动速率及密度的关系一个位错滑过整个滑移面位错的生成晶体缓慢生长过程中产生的位错：1。成分不同=晶块点阵常数不同=位错过渡 2。晶块偏转、弯曲=位相差=位错过渡 3。晶体表面受到影响=台阶或变形=产生位错快速凝固=过饱和空位=聚集=位错热应力=界面和微裂纹处应力集中=局部滑移=位错60位错的生成晶体缓慢生长过程中产生的位错：60位错的增殖事实上：密度增加，可达4-5 个数量级 位错必有增殖！主要增殖机制：Frank-Read 位错源已为实验所证实：Si，Al-Cu晶体中观察到位错滑移到表面=宏观变形（减少？）61位错的增殖事实上：密度增加，可达4-5 个数量级主要增殖机制螺位错双交滑移增殖比Frank-Read源更有效!62螺位错双交滑移增殖比Frank-Read源更有效!62实际晶体中的位错简单立方晶体：柏氏矢量=点阵矢量 实际晶体：柏氏矢量=，,点阵矢量全位错（perfect dislocation：柏氏矢量=n*点阵矢量 n=1:单位位错 不全位错（imperfect dislocation):柏氏矢量!=n*点阵矢量 n 晶体能量升高增加的能量称为“堆垛层错能”或“层错能”（J/m2)层错能越低，层错出现的几率越大，越易观察到，例如奥氏体不锈钢中。68层错能形成层错几乎不产生点阵畸变，但会破毁晶体的正常周期完整不全位错不全位错：堆垛层错与完整晶体的分界线（b矢量不等于点阵矢量）肖克莱（Schckley)不全位错:(a/6)*1,-2,1 (在(111)面上）特点：特点：1）b矢量永远平行于层错面 2）层错为一平面=其边界在一平面内 3）可以为刃型、螺形、混和位错 4）滑移的结果是层错面的扩大或缩小。但不能攀移，因它必须和层错始终相连FccFcc晶体中两种重要的不全位错晶体中两种重要的不全位错69不全位错不全位错：堆垛层错与完整晶体的分界线（b矢量不等于点面心立方晶体中的肖克莱不全位错：再看仔细点！两个多余的两个多余的半原子面！半原子面！(1,-2,1)(111)目视方向目视方向70面心立方晶体中的肖克莱不全位错：再看仔细点！两个多余的半原子弗兰克（Frank)不全位错弗兰克（Frank)不全位错：插入或抽出半原子面所形成的层错与完整晶体的边界,（a/3)*。抽出：负弗兰克（Frank)不全位错 插入：正弗兰克（Frank)不全位错特点：特点：a)(a/3)*，纯刃型位错 b）不能在滑移面上滑移，只能攀移 c）属不动位错（sessile dislocation)71弗兰克（Frank)不全位错弗兰克（Frank)不全位错面心立方晶体中的位错汤普森（Thompson）四面体 FCC 中所有重要的位错和位错反应均可用Thompson四面体表示。(1)四个面即为4个可能的滑移面(111),(-1,1,1),(1,-1,1),(1,1,-1)(2)6条棱边代表12个晶向，即FCC中所有可能的12个全位错的b矢量72面心立方晶体中的位错汤普森（Thompson）四面体(1)汤普森四面体的展开*每个顶点与其中心的连线共代表24个(a/6)肖克莱不全位错的b矢量*4个顶点到它所对的三角形中点连线代表8个(a/3)弗兰克不全位错的b矢量*4个面中心相连即为(a/6)压杆位错73汤普森四面体的展开*每个顶点与其中心的连线共代表24个(aFCC中的位错反应位错反应：位错反应：位错之间的合并与分界 1）几何条件：b矢量总和不变 2）能量条件：反应降低位错总能量74FCC中的位错反应位错反应：位错之间的合并与分界74扩展位错的宽度吸引力：层错能，g排斥力：两位错间的斥力可见：d 与g成反比，与G成正比扩展位错：扩展位错：一种特殊的位错组态，系由两个不全位错以及在两个不全位错之间的一片层错所构成。一般由全位错分解而成75扩展位错的宽度吸引力：层错能，g可见：d 与g成反比，扩展扩展位错的束集束集：束集：在外切应力作用下，层错宽度减小至零，局部收缩成原来的全位错：位错扩展的反过程76扩展位错的束集束集：在外切应力作用下，层错宽度减小至零，局部扩展位错的交滑移扩展位错=束集=交滑移=重新扩展（在新滑移面上）扩展位错的交滑移比全位错困难，层错能越低，扩展位错越宽，交滑移越困难77扩展位错的交滑移扩展位错=束集=交滑移=重新扩展（在新位错网络实际晶体中的不同b矢量的位错可组成二维或三围的位错网络b1:一组位错b2 一个螺型位错b1 与b2 成120o夹角，相互吸引78位错网络实际晶体中的不同b矢量的位错可组成二维或三围的位错网面角位错（Lomer-Cottrell 位错）（111）面上（1,1,-1）面上（1,1,-1）-1,1,0滑移面:（001）79面角位错（Lomer-Cottrell 位错）（111）面上体心立方晶体中的位错单位位错：单位位错：(a/2),滑移方向,通常可能的滑移面有110，112，123，随成分、温度及变形速度而异。交滑移=滑移线呈波纹形=层错能高，不易出现扩展位错滑移切应力的不对称性螺位错的核心具有独特的性质80体心立方晶体中的位错单位位错：(a/2),滑移方密排六方晶体中的位错最短的点阵矢量沿,次短的点阵矢量单位位错：(a/3),c,(1/3)滑移面:(0001)（当c/a=1.633时）1,0,-1,0,1,0,-1,1（当c/a(1/3)1,0,-1,0+(1/3)0,1,-1,0 全位错-肖克莱不全位错81密排六方晶体中的位错最短的点阵矢量沿,次第五部分表面与界面82第五部分82表面及界面界面包括：外表面（自由表面）和内界面表面：固体与气体或液体的分界面界面：几个原子层厚，原子排列于成分不同于内部表面能：表面能：定义为形成单位面积的新表面所需做的功*晶体中的表面张力是各向异性的*原子密度最大的面具有最低的g值晶体表面一般为原子密度最大的面*表面能与曲率有关：曲率越大，表面能越大83表面及界面界面包括：外表面（自由表面）和内界面表面能：定义为晶界晶界：晶界：取向不同的晶粒之间的界面（内界面）晶界具有5个自由度：两晶粒的位相差（3），界面的取向（2）84晶界晶界：取向不同的晶粒之间的界面（内界面）84扭转晶界*一般小角度晶界都可看成两部分晶体绕某一轴旋转一角度而形成，不过该转轴即不平行也不垂直晶界，故可看成一系列刃位错，螺位错或混合位错的网络组成。85扭转晶界*一般小角度晶界都可看成两部分晶体绕某一轴旋大角度晶界 High-angle grain boundary*相邻晶粒在交界处的形状不是光滑的曲面，而是由不规则台阶组成的，A,B,C,D特征区域 重合位置点阵模型重合位置点阵模型 *晶界能较低 *特殊位向 *晶界可看成是好区与坏区交替相间组合而成的。*一般大角度晶界的宽度一般不超过三个原子间距。压缩区扩张区双属区零属区86大角度晶界 High-angle grain bounda晶界能晶界能：形成单位面积晶面时，系统Helmholtz自由能的变化，即dg/dA。它等于接口区单位面积的能量减去无界面时该区单位面积的能量。也可看成由于晶界上点阵畸变增加的那部分额外自由能。在纯金属中 在合金中晶介面积A改变而引起的晶粒内i组元原子数的改变假定晶介面积A改变不不引起的晶粒内i组元原子数的改变87晶界能晶界能：形成单位面积晶面时，系统Helmholtz自由小角度晶界的界面能单位长度刃型位错的能量：单位长度刃型位错的能量：而令则，A=故小角度晶界g是相邻两晶粒之间位相差q的函数88小角度晶界的界面能单位长度刃型位错的能量：而令则，A=晶界的界面能的测量晶界能可通过测定界面交角求出其相对值：三个晶粒相遇，在达到平衡时，在o点处接口张力必须达到力学平衡 故测得在平衡状态下，三叉晶界的各面角均趋于最稳定的120。89晶界的界面能的测量晶界能可通过测定界面交角求出其相对值：晶界偏聚晶界偏聚内吸附（热力学平衡的偏聚）特点：特点：1 1）溶质浓度不变时，一定的T对应一定平衡晶界偏聚量2）T偏聚量，DE：溶质原子在晶界上的能量差,C：晶界浓度 C0：晶内浓度3）晶界平衡偏聚量可以很显著 4）晶界偏聚区的范围约为4-几百埃5）在某种情况下可产生晶界上溶质原子的贫化负吸附负吸附6）产生晶界偏聚的原因，有一种解释：固溶体中溶质原子和溶剂原子的尺寸不同，晶界偏聚可使系统能量降低晶界的平衡偏聚 90晶界偏聚内吸附（热力学平衡的偏聚）晶界的平衡偏聚 90晶界特性 1）晶界处点阵畸变大，存在晶界能，故晶粒长大和晶界平直化是一个自发过程 2）晶界处原子排列不规则阻碍塑性变形Hb，sb（细晶强化）3）晶界处存在较多缺陷（位错、空位等）有利原子扩散 4）晶界能量高固态相变先发生，d形核率 5）晶界能高晶界腐蚀速度91晶界特性 1）晶界处点阵畸变大，存在晶界能，故晶粒长大和晶界亚晶界（Sub-grain boundary）事实上每个晶粒中还可分成若干个更为细小的亚晶粒（0.001mm），亚晶粒之间存在着小的位相差，相邻亚晶粒之间的界面成为亚晶界。亚晶粒更接近于理想的单晶体。位相差一般小于2o，属于小角度晶界，具有晶界的一般特征。92亚晶界（Sub-grain boundary）事实上每个孪晶界 Twin boundary 孪晶孪晶指两个晶体（或一个晶体的两部分）沿一个公共晶面构成对称的位指两个晶体（或一个晶体的两部分）沿一个公共晶面构成对称的位相关系，这两个晶体就称为孪晶，这个公共的晶面即成为孪晶面相关系，这两个晶体就称为孪晶，这个公共的晶面即成为孪晶面 共格孪晶界：共格孪晶界：即孪晶面，其上的原子即孪晶面，其上的原子同时位于同时位于两侧晶体点阵的节两侧晶体点阵的节点上，点上，为两者共有为两者共有。无畸变的完全共格界面，。无畸变的完全共格界面，界面能界面能（约为普通（约为普通晶界能晶界能1/101/10）很低很稳定很低很稳定 非共格孪晶界：非共格孪晶界：孪晶界相对于孪晶面旋转一角度，其上的孪晶界相对于孪晶面旋转一角度，其上的原子只有部分为两者共有，原子只有部分为两者共有，原子错排校严重原子错排校严重，孪晶能量相孪晶能量相对较高对较高，约为普通晶界的，约为普通晶界的1/21/2孪孪晶晶界界93孪晶界 Twin boundary 孪晶指两个晶体（或孪晶的形成孪晶的形成与堆垛层错密度相关，如fcc的111面发生堆垛层错时为ABCACBACBA CAC处为堆垛层错 一般层错能高的晶体不易产生孪晶 形变孪晶：连续的(1/6)类型的滑移生长孪晶退火孪晶孪孪晶晶的的形形成成94孪晶的形成孪晶的形成与堆垛层错密度相关，如fcc的111错配度：错配度：位错间距：位错间距：相界Phase Boundary 相界相界具有不同结构的两相之间的分界面称为相界具有不同结构的两相之间的分界面称为相界 共格界面：共格界面：界面上的原子同时位于两相晶格界面上的原子同时位于两相晶格 的节点上，弹性畸变的节点上，弹性畸变弹性应变能：弹性应变能：共格时以应变能为主共格时以应变能为主化学交互作用能：化学交互作用能：非共格时的化学能为主非共格时的化学能为主相界能相界能半共格相界：半共格相界：两相结构相近而原子间距相差较大时，部分保持匹配两相结构相近而原子间距相差较大时，部分保持匹配非共格相界：非共格相界：两相在界面处的原子排列相差很大，两相在界面处的原子排列相差很大，相界与大角度晶界相似相界与大角度晶界相似95错配度：第六部分课堂讨论96第六部分96习题与讨论位错的塞集(Pile up)每个位错的受力平衡及平衡位置领先位错所受的阻力：F=ntb计算远处的应力场时，塞集位错可看成一个超位错（nb）tyz97习题与讨论位错的塞集(Pile up)每个位错的受力平衡及平位错的镜像力靠近晶体表面的位错的应力场不同于其在晶体内部的情形（无限大晶体中的位错的应力场）：镜像力螺位错的镜像-镜面位置上放置一负位错-简单构造。刃位错没有这样的简单构造的镜像。98位错的镜像力靠近晶体表面的位错的应力场不同于其在晶体内部的情本章主要内容（总论）缺陷在材料中具有重要地位：材料性质的决定性因素。“It is the defects that makes materials so interesting,just like the human being.”晶体缺陷的分类：按几何特征，在一、二、三维方晶体缺陷的分类：按几何特征，在一、二、三维方向上向上“尺寸很小尺寸很小”而分为二维（界面）、一维（位错）而分为二维（界面）、一维（位错）、零维缺陷（点缺陷）。、零维缺陷（点缺陷）。“尺寸很小尺寸很小”？：一般与原子间距同一数量级？：一般与原子间距同一数量级通常情况下，位错是晶体强度与变形的决定性因素。通常情况下，位错是晶体强度与变形的决定性因素。点缺陷和界面通过对位错的影响而间接地起作用。点缺陷和界面通过对位错的影响而间接地起作用。99本章主要内容（总论）缺陷在材料中具有重要地位：材料性质的决本章主要内容（点缺陷）缺陷在材料中有重要意义，在材料科学中占有重要地位。晶体中的缺陷：点缺陷、线缺陷、面缺陷点缺陷是由于原子的热运动并存在能量起伏而产生的。平衡浓度：100本章主要内容（点缺陷）缺陷在材料中有重要意义，在材料科学中本章主要内容（位错几何）线缺陷：位错，已滑动区域与未滑动区域的边界位错最初作为一种理论的提出有两方面的原因：理论计算和实验观察位错分为：螺型、刃型、混合位错柏氏矢量反应了位错周围点阵畸变的总合，也反映了晶体两部分相对滑动的方向和大小柏氏矢量的确定：FS/RH 规则，表示：晶体学表示位错线的正向101本章主要内容（位错几何）线缺陷：位错，已滑动区域与未滑动区本章主要内容（位错几何）位错的运动、交割、割阶与扭折位错的生成与增值实际晶体中的层错实际晶体中的位错：全位错与不全位错，扩展位错FCC晶体：汤普森四面体交滑移，扩展位错，面角位错102本章主要内容（位错几何）位错的运动、交割、割阶与扭折102本章主要内容（位错力学）应力张量、应变张量矢量、张量对坐标系旋转的变换规则螺型、刃型、混合位错的应力场应力场：连续介质模型、应力场特点位错的能量能量：连续介质模型、线张力概念公式：作用在位错上的作用力位错间的相互作用力103本章主要内容（位错力学）应力张量、应变张量103本章主要内容（面缺陷）小角晶界的位错模型低能大角晶界共格与半共格相界界面能的来源104本章主要内容（面缺陷）小角晶界的位错模型104本章重点点缺陷的基本概念平衡浓度公式位错的几何：位错的基本概念、柏氏矢量、柏氏回路，运动（滑移、攀移、交割）、增殖、合成与分解位错的几何：实际晶体中的位错（层错、扩张位错、面角位错）（层错不是位错，其边缘才是位错），汤普森四面体位错的力学：应力场、能量、作用在位错上的力面缺陷：表面与界面的微观结构、能量特性及由其导致的其它性能小角晶界的位错模型，大角晶界的重合位置点阵模型。相界：共格，半共格（位错模型），非共格105本章重点点缺陷的基本概念平衡浓度公式105
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