第二章-晶体缺陷课件

材料科学基础第二章晶体缺陷1u晶晶体体结构构的的特特点点是是长程程有有序序。结构构基基元元或或者者构构成成物物体体的的粒粒子子(原原子子、离离子子或或分分子子等等)完完全全按按照照空空间点点阵规则排排列列的的晶晶体体叫理想晶体。叫理想晶体。u在在实际晶晶体体中中，粒粒子子的的排排列列不不可可能能这样规则和和完完整整，而而是是或多或少地存在着偏离理想或多或少地存在着偏离理想结构的区域，出构的区域，出现了不完整性。了不完整性。u把把实际晶体中偏离理想点晶体中偏离理想点阵结构的区域称构的区域称为晶体缺陷晶体缺陷。u实际晶晶体体中中虽然然有有晶晶体体缺缺陷陷存存在在，但但偏偏离离平平衡衡位位置置很很大大的的粒粒子子数数目目是是很很少少的的，从从总的的来来看看，其其结构构仍仍可可以以认为是是接接近近完整的。完整的。u根根据据几几何何形形态特特征征，可可以以把把晶晶体体缺缺陷陷分分为三三类：点点缺缺陷陷、线缺陷和面缺陷。线缺陷和面缺陷。晶体结构的特点是长程有序。结构基元或者构成物体的粒子(原子、2第一节第一节 点缺陷点缺陷u点缺陷的定义点缺陷的定义u点缺陷：在三维方向上尺寸都很小（远小于晶体或晶粒点缺陷：在三维方向上尺寸都很小（远小于晶体或晶粒的线度）的缺陷。的线度）的缺陷。u1.1.点缺陷的类型点缺陷的类型u金属中常见的基本点缺陷有空位、间隙原子和置换原子。金属中常见的基本点缺陷有空位、间隙原子和置换原子。u空位空位：空位就是未被占据的原子位置；空位就是未被占据的原子位置；u间隙原子：间隙原子可以是晶体中正常原子离位产生，间隙原子：间隙原子可以是晶体中正常原子离位产生，也可以是外来杂质原子；也可以是外来杂质原子；2.1.1 点缺陷的类型及形成点缺陷的类型及形成第一节点缺陷点缺陷的定义2.1.1点缺陷的类型及形成3u置换原子：位于晶体点阵位置的异类原子置换原子：位于晶体点阵位置的异类原子。2.1点缺陷置换原子：位于晶体点阵位置的异类原子。4u2.点缺陷的形成点缺陷的形成u原子相互作用的两种作用力：原子相互作用的两种作用力：(1)原子间的吸引力；原子间的吸引力；(2)原子间的斥力原子间的斥力 u点缺陷形成最重要的环节是原子的振动点缺陷形成最重要的环节是原子的振动 u原子的热振动原子的热振动（以一定的频率和振幅作振动）以一定的频率和振幅作振动）u原子被束缚在它的平衡位置上，但原子却在做着挣脱原子被束缚在它的平衡位置上，但原子却在做着挣脱束缚的努力束缚的努力 u点缺陷形成的点缺陷形成的驱动力力：温度、：温度、离子离子轰击、冷加工、冷加工 u在外界在外界驱动力作用下，哪个原子能力作用下，哪个原子能够挣脱束脱束缚，脱离，脱离平衡位置是不确定的，宏平衡位置是不确定的，宏观上上说这是一种几率分布是一种几率分布2.点缺陷的形成2.1点缺陷5u空位的两种类型：空位的两种类型：u离位原子迁移到晶体的表面上，这样形成的空位通常称为离位原子迁移到晶体的表面上，这样形成的空位通常称为肖脱基缺陷；肖脱基缺陷；可迁移到晶体点阵的间隙中，这样的空位称弗可迁移到晶体点阵的间隙中，这样的空位称弗兰克尔缺陷。兰克尔缺陷。图 晶体中的点缺陷(a)肖脱基空位 (b)弗兰克尔空位空位的两种类型：2.1点缺陷图晶体中的点缺陷(a)肖6u1.点缺陷的运动点缺陷的运动u点点缺缺陷陷并并非非固固定定不不动，而而是是处在在不不断断改改变位位置置的的运运动过程程中。中。u空空位位周周围的的原原子子，由由于于热振振动能能量量的的起起伏伏，有有可可能能获得得足足够的的能能量量而而跳跳入入空空位位，并并占占据据这个个平平衡衡位位置置，这时在在这个个原原子子的的原原来来位位置置上上，就就形形成成一一个个空空位位。这一一过程程可可以以看看作作是是空空位向位向邻近近结点的迁移。点的迁移。u在在运运动过程程中中，当当间隙隙原原子子与与一一个个空空位位相相遇遇时，它它将将落落入入这个空位，而使两者都消失，个空位，而使两者都消失，这一一过程称程称为复合，或湮没。复合，或湮没。2.1.2 点缺陷的运动及平衡浓度点缺陷的运动及平衡浓度1.点缺陷的运动2.1.2点缺陷的运动及平衡浓度2.17（a）原来位置；（b）中间位置；（c）迁移后位置图 空位从位置A迁移到B（a）原来位置；（b）中间位置；（c8u2.点缺陷的平衡浓度点缺陷的平衡浓度u晶晶体体中中点点缺缺陷陷的的存存在在，一一方方面面造造成成点点阵畸畸变，使使晶晶体体的的内内能能升升高高，增增大大了了晶晶体体的的热力力学学不不稳定定性性；另另一一方方面面，由由于于增增大大了了原原子子排排列列的的混混乱乱程程度度，并并改改变了了其其周周围原原子子的的振振动频率率，又使晶体的又使晶体的熵值增大。增大。熵值越大，晶体便越越大，晶体便越稳定。定。u由由于于存存在在着着这两两个个互互为矛矛盾盾的的因因素素，晶晶体体中中的的点点缺缺陷陷在在一一定定温温度度下下有有一一定定的的平平衡衡数数目目，这时点点缺缺陷陷的的浓度度就就称称为它它们在在该温度下的温度下的热力学平衡力学平衡浓度。度。u在在一一定定温温度度下下有有一一定定的的热力力学学平平衡衡浓度度，这是是点点缺缺陷陷区区别于其它于其它类型晶体缺陷的重要特点型晶体缺陷的重要特点。2.点缺陷的平衡浓度2.1点缺陷9图 空位-体系能量曲线图空位-体系能量曲线2.1点缺陷102.1点缺陷112.1.3 点缺陷对性能的影响点缺陷对性能的影响u点缺陷的存在使晶体体积膨胀，密度减小。点缺陷的存在使晶体体积膨胀，密度减小。u点点缺缺陷陷引引起起电电阻阻的的增增加加，这这是是由由于于晶晶体体中中存存在在点点缺缺陷陷时时，对传导电子产生了附加的电子散射，使电阻增大。对传导电子产生了附加的电子散射，使电阻增大。u空空位位对对金金属属的的许许多多过过程程有有着着影影响响，特特别别是是对对高高温温下下进进行行的的过程起着重要的作用。过程起着重要的作用。u金金属属的的扩扩散散、高高温温塑塑性性变变形形的的断断裂裂、退退火火、沉沉淀淀、表表面面化化学学热热处处理理、表表面面氧氧化化、烧烧结结等等过过程程都都与与空空位位的的存存在在和和运运动动有有着密切的联系。着密切的联系。u过过饱饱和和点点缺缺陷陷（如如淬淬火火空空位位、辐辐照照缺缺陷陷）还还提提高高了了金金属属的的屈服强度。屈服强度。2.1.3点缺陷对性能的影响2.1点缺陷点缺陷的存在使12第二节第二节 线缺陷线缺陷u线缺陷就是在两个方向上尺寸很小，在一个方向上尺寸很线缺陷就是在两个方向上尺寸很小，在一个方向上尺寸很大的缺陷。大的缺陷。u线缺陷是各种类型的位错。线缺陷是各种类型的位错。u位错是晶体内部一种有规律的管状畸变区。原子发生错排位错是晶体内部一种有规律的管状畸变区。原子发生错排的范围，在一个方向上尺寸较大，而另外两个方向上尺寸的范围，在一个方向上尺寸较大，而另外两个方向上尺寸较小，是一个直径为较小，是一个直径为35个原子间距，长几百到几万个原个原子间距，长几百到几万个原子间距的管状原子畸变区。子间距的管状原子畸变区。u最简单的位错是刃型位错和螺型位错。最简单的位错是刃型位错和螺型位错。第二节线缺陷线缺陷就是在两个方向上尺寸很小，在一个方向上尺132.2.1 位错的基本概念位错的基本概念u1.1.位错学说的产生位错学说的产生u1926年弗兰克尔利用理想晶体的模型估算了理论切变强年弗兰克尔利用理想晶体的模型估算了理论切变强度，与实验结果相比相差度，与实验结果相比相差34个数量级。个数量级。u19341934年泰勒，波朗依和奥罗万三人几乎同时提出晶体中年泰勒，波朗依和奥罗万三人几乎同时提出晶体中位错的概念。位错的概念。u泰勒把位错与晶体塑变的滑移联系起来，认为位错在切泰勒把位错与晶体塑变的滑移联系起来，认为位错在切应力作用下发生运动，依靠位错的逐步传递完成了滑移。应力作用下发生运动，依靠位错的逐步传递完成了滑移。u与刚性滑移不同，位错的移动只需邻近原子作很小距离与刚性滑移不同，位错的移动只需邻近原子作很小距离的弹性偏移就能实现，而晶体其他区域的原子仍处在正常的弹性偏移就能实现，而晶体其他区域的原子仍处在正常位置，因此滑移所需的临界切应力大为减小。位置，因此滑移所需的临界切应力大为减小。2.2线缺陷2.2.1位错的基本概念1.位错学说的产生14图 理想晶体的滑移模型和刃型位错的滑移过程图理想晶体的滑移模型和刃型位错的滑移过程2.2线缺陷151939年柏格斯提出用柏氏矢量来表征位错的特性，同时引年柏格斯提出用柏氏矢量来表征位错的特性，同时引入螺型位错。入螺型位错。1947年柯垂耳利用溶质原子与位错的交互作用解释了低碳年柯垂耳利用溶质原子与位错的交互作用解释了低碳钢的屈服现象。钢的屈服现象。1950年弗兰克与瑞德同时提出了位错增殖机制年弗兰克与瑞德同时提出了位错增殖机制FR位错位错源。源。50年代后，透射电镜直接观测到了晶体中位错的存在、运年代后，透射电镜直接观测到了晶体中位错的存在、运动、增殖。动、增殖。1939年柏格斯提出用柏氏矢量来表征位错的特性，同时引入螺型16图 刃型位错与螺型位错u2.位错的基本类型位错的基本类型u位错可分为刃性位错和螺型位错。位错可分为刃性位错和螺型位错。图刃型位错与螺型位错2.位错的基本类型2.2线缺陷17u（1）刃型位错）刃型位错图 含有刃型位错的晶体（1）刃型位错2.2线缺陷图含有刃型位错的晶体18u刃型位错的概念：刃型位错的概念：u在某一水平面以上多出了垂直方向的原子面，犹如插入的在某一水平面以上多出了垂直方向的原子面，犹如插入的刀刃一样，刀刃一样，EFEF称为刃型位错线。位错线附近区域发生了原子称为刃型位错线。位错线附近区域发生了原子错排，因此称为错排，因此称为“刃型位错刃型位错”。u把多余半原子面在滑移面以上的位错称为正刃型位错，用把多余半原子面在滑移面以上的位错称为正刃型位错，用符号符号“”“”表示，反之为负刃型位错，用表示，反之为负刃型位错，用“”“”表示。表示。u含有多余半原子面的晶体受压，原子间距小于正常点阵常含有多余半原子面的晶体受压，原子间距小于正常点阵常数；不含多余半原子面的晶体受张力，原子间距大于正常点数；不含多余半原子面的晶体受张力，原子间距大于正常点阵常数。阵常数。u位错在晶体中引起的畸变在位错线中心处最大，随着离位位错在晶体中引起的畸变在位错线中心处最大，随着离位错中心距离的增大，晶体的畸变逐渐减小错中心距离的增大，晶体的畸变逐渐减小。刃型位错的概念：2.2线缺陷19u刃型位错的特点：刃型位错的特点：u1).1).刃型位错有一个额外的半原子面。其实正、负之分只刃型位错有一个额外的半原子面。其实正、负之分只具相对意义而无本质的区别。具相对意义而无本质的区别。u2).2).刃型位错线可理解为晶体中已滑移区与未滑移区的边刃型位错线可理解为晶体中已滑移区与未滑移区的边界线。它不一定是直线，也可以是折线或曲线，但它必与滑界线。它不一定是直线，也可以是折线或曲线，但它必与滑移方向相垂直，也垂直于滑移矢量。移方向相垂直，也垂直于滑移矢量。图 不同形状的刃型位错刃型位错的特点：图不同形状的刃型位错2.2线缺陷20u3).3).滑移面必定是同时包含有位错线和滑移矢量的平面，滑移面必定是同时包含有位错线和滑移矢量的平面，在其他面上不能滑移。由于在刃型位错中，位错线与滑移矢在其他面上不能滑移。由于在刃型位错中，位错线与滑移矢量互相垂直，因此，由它们所构成的平面只有一个。量互相垂直，因此，由它们所构成的平面只有一个。u4).4).晶体中存在刃型位错之后，位错周围的点阵发生弹性晶体中存在刃型位错之后，位错周围的点阵发生弹性畸变，既有切应变，又有正应变。就正刃型位错而言，滑移畸变，既有切应变，又有正应变。就正刃型位错而言，滑移面上方点阵受到压应力，下方点阵受到拉应力：负刃型位错面上方点阵受到压应力，下方点阵受到拉应力：负刃型位错与此相反。与此相反。u5).5).在位错线周围的过渡区（畸变区）每个原子具有较大在位错线周围的过渡区（畸变区）每个原子具有较大的平均能量。但该区只有几个原子间距宽，畸变区是狭长的的平均能量。但该区只有几个原子间距宽，畸变区是狭长的管道，所以刃型位错是线缺陷。管道，所以刃型位错是线缺陷。3).滑移面必定是同时包含有位错线和滑移矢量的平面，在其他面21（a）立体图；（b）顶视图图 螺型位错的原子组态u（2 2）螺型位错）螺型位错（a）立体图；（b）顶视图（2）螺型位错2.2线缺陷22图 螺型位错原子模型及其形成示意图螺型位错原子模型及其形成示意2.2线缺陷23u螺型位错的结构特征螺型位错的结构特征 u无额外的半原子面，原子错排呈轴对称，分右旋和左旋螺无额外的半原子面，原子错排呈轴对称，分右旋和左旋螺型位错；型位错；u一定是直线，与滑移矢量平行，位错线移动方向与晶体滑一定是直线，与滑移矢量平行，位错线移动方向与晶体滑移方向垂直；移方向垂直；u滑移面不是唯一的，包含螺型位错线的平面都可以作为它滑移面不是唯一的，包含螺型位错线的平面都可以作为它的滑移面；的滑移面；u位错周围点阵也发生弹性畸变，但只有平行于位错线的切位错周围点阵也发生弹性畸变，但只有平行于位错线的切应变而无正应变，即不引起体积的膨胀和收缩；应变而无正应变，即不引起体积的膨胀和收缩；u位错畸变区也是几个原子间距宽度，同样是线位错。位错畸变区也是几个原子间距宽度，同样是线位错。螺型位错的结构特征2.2线缺陷24u3.柏氏矢量柏氏矢量u（1 1）柏氏矢量的确定方法）柏氏矢量的确定方法u先确定位错线的方向先确定位错线的方向(一般规定位错线垂直纸面时，由纸一般规定位错线垂直纸面时，由纸面向外为正向面向外为正向)，按右手法则做柏氏回路，右手大拇指指位，按右手法则做柏氏回路，右手大拇指指位错线正向，回路方向按右手螺旋方向确定。错线正向，回路方向按右手螺旋方向确定。u从实际晶体中任一原子出发，避开位错附近的严重畸变区从实际晶体中任一原子出发，避开位错附近的严重畸变区作一闭合回路，回路每一步连接相邻原子。按同样方法在完作一闭合回路，回路每一步连接相邻原子。按同样方法在完整晶体中做同样回路，步数、方向与上述回路一致，这时终整晶体中做同样回路，步数、方向与上述回路一致，这时终点和起点不重合，由终点到起点引一矢量即为柏氏矢量点和起点不重合，由终点到起点引一矢量即为柏氏矢量b b。3.柏氏矢量2.2线缺陷25图 刃型位错柏氏矢量的确定图刃型位错柏氏矢量的确定2.2线缺陷26图 螺型位错柏氏矢量的确定图螺型位错柏氏矢量的确定2.2线缺陷27u（2 2）柏氏矢量的物理意义及特征）柏氏矢量的物理意义及特征u物理意义：物理意义：u代表位错，并表示其特征（强度、畸变量）；表示晶体滑代表位错，并表示其特征（强度、畸变量）；表示晶体滑移的方向和大小。移的方向和大小。u反映出柏氏回路包含的位错所引起点阵畸变的总积累。反映出柏氏回路包含的位错所引起点阵畸变的总积累。u通常将柏氏矢量称为位错强度，该矢量的模通常将柏氏矢量称为位错强度，该矢量的模|b|b|表示了畸表示了畸变的程度，称为位错的强度。变的程度，称为位错的强度。u位错的许多性质如位错的能量，所受的力，应力场，位错位错的许多性质如位错的能量，所受的力，应力场，位错反应等均与其有关。它也表示出晶体滑移时原子移动的大小反应等均与其有关。它也表示出晶体滑移时原子移动的大小和方向。和方向。（2）柏氏矢量的物理意义及特征2.2线缺陷28u柏氏矢量的特征柏氏矢量的特征u用柏氏矢量可判断位错的类型。用柏氏矢量可判断位错的类型。u用柏氏矢量可以表示晶体滑移的方向和大小。位错运动导用柏氏矢量可以表示晶体滑移的方向和大小。位错运动导致晶体滑移时，滑移量大小即柏氏矢量致晶体滑移时，滑移量大小即柏氏矢量b b，滑移方向即为柏，滑移方向即为柏氏矢量的方向。氏矢量的方向。u一条位错线具有唯一的柏氏矢量。一条位错线具有唯一的柏氏矢量。若位错可分解，则分解若位错可分解，则分解后各分位错的柏氏矢量之和等于原位错的柏氏矢量。后各分位错的柏氏矢量之和等于原位错的柏氏矢量。u位错具有连续性，不能中断于晶体内部。其存在形态可形位错具有连续性，不能中断于晶体内部。其存在形态可形成一个闭合的位错环，或连接于其他位错，或终止在晶界，成一个闭合的位错环，或连接于其他位错，或终止在晶界，或露头于晶体表面。或露头于晶体表面。柏氏矢量的特征2.2线缺陷29u（3 3）混合位错）混合位错u晶体中已滑移区与未滑移区的边界线（即位错线）既不平晶体中已滑移区与未滑移区的边界线（即位错线）既不平行也不垂直于滑移方向，即滑移矢量与位错线成任意角度，行也不垂直于滑移方向，即滑移矢量与位错线成任意角度，这种晶体缺陷称为混合型位错。这种晶体缺陷称为混合型位错。u混合型位错可分解为刃型位错分量和螺型位错分量。混合型位错可分解为刃型位错分量和螺型位错分量。图 晶体局部滑移形成混合位错（3）混合位错图晶体局部滑移形成混合位错2.2线缺陷30图 混合位错的原子组态图混合位错的原子组态2.2线缺陷31u（4 4）柏氏矢量的表示方法）柏氏矢量的表示方法u柏矢量对于柏矢量柏矢量对于柏矢量b b沿晶向沿晶向uvw的位错的位错u柏矢量的模柏矢量的模的计算就是矢量模的计算，同第柏矢量的模柏矢量的模的计算就是矢量模的计算，同第一章中介绍的晶向长度计算。对于立方晶系：一章中介绍的晶向长度计算。对于立方晶系：u位错的加法按照矢量加法规则进行。位错的加法按照矢量加法规则进行。（4）柏氏矢量的表示方法2.2线缺陷32v4.4.位错密度位错密度v晶晶体体中中所所含含位位错的的多多少少可可用用位位错密密度度来来表表示示。位位错密密度度定定义为单位体位体积晶体中所含位晶体中所含位错线的的总长度，其表达式度，其表达式为v若若为了了简便便起起见，可可把把晶晶体体中中的的位位错线视为一一些些直直线，而而且且是是平平行行地地从从晶晶体体的的一一端端延延伸伸到到另另一一端端，于于是是位位错密密度度就就可可被被视为垂垂直直于于位位错线的的单位位截截面面中中所所穿穿过的的位位错线数数目，即目，即4.位错密度2.2线缺陷33图 晶体位错密度和强度关系示意图图晶体位错密度和强度关系示意图2.2线缺陷34u5.5.位错的攀移位错的攀移u刃刃型型位位错错除除了了可可以以在在滑滑移移面面上上滑滑移移外外，还还可可垂垂直直于于滑滑移移面发生攀移。面发生攀移。u当当半半原原子子面面下下端端的的原原子子跳跳离离，即即空空位位迁迁移移到到半半原原子子面面下下端端时时，半半原原子子面面将将缩缩短短，表表现现为为位位错错向向上上移移动动，这这种种移移动动叫做正攀移。反之叫做负攀移。叫做正攀移。反之叫做负攀移。u位位错攀攀移移时伴伴随随着着物物质的的迁迁移移，需需要要扩散散才才能能实现。因因为攀攀移移需需要要原原子子扩散散，所所以以较之之滑滑移移所所需需的的能能量量更更大大。对于于大大多多数数金金属属，这种种运运动在在室室温温下下很很难进行行。因因此此，位位错攀移攀移时需要需要热激活，也就是比滑移需要更大的能量。激活，也就是比滑移需要更大的能量。u通常称攀移通常称攀移为“非守恒运非守恒运动”，滑移，滑移则称称为“守恒运守恒运动”。5.位错的攀移2.2线缺陷35图 位错的攀移图位错的攀移2.2线缺陷36u6.6.位错运动的交割位错运动的交割u对于在滑移面上运于在滑移面上运动的位的位错来来说，穿，穿过此滑移面的其它位此滑移面的其它位错称称为林位林位错。林位。林位错会阻碍位会阻碍位错的运的运动，但是若，但是若应力足力足够大，滑大，滑动的位的位错将切将切过林位林位错继续前前进。位。位错互相切割的互相切割的过程称程称为位位错交割或位交割或位错交截。交截。u一般情况下，两个位错交割时，每个位错上都要新产生一一般情况下，两个位错交割时，每个位错上都要新产生一小段位错，它们的柏氏矢量与携带它们的位错相同，它们的小段位错，它们的柏氏矢量与携带它们的位错相同，它们的大小与方向决定于另一位错的柏氏矢量。大小与方向决定于另一位错的柏氏矢量。u当交割产生的小段位错不在所属位错的滑移面上时，则成当交割产生的小段位错不在所属位错的滑移面上时，则成为位错割阶，如果小段位错位于所属位错的滑移面上，则相为位错割阶，如果小段位错位于所属位错的滑移面上，则相当于位错扭折。当于位错扭折。6.位错运动的交割2.2线缺陷37u(1)两个柏氏矢量互相平行的刃型位错交割两个柏氏矢量互相平行的刃型位错交割图 两个柏氏矢量互相平行刃型位错交割位错扭折螺型位错位错扭折螺型位错(1)两个柏氏矢量互相平行的刃型位错交割图两个柏氏矢38u(2)两个柏氏矢量互相垂直的刃型位错交割两个柏氏矢量互相垂直的刃型位错交割图 两个柏氏矢量互相垂直刃型位错交割位错割阶刃型位错(2)两个柏氏矢量互相垂直的刃型位错交割图两个柏氏矢39u(3)刃型位错与螺型位错的交割刃型位错与螺型位错的交割图 刃型位错与螺型位错的交割位错割阶刃型位错位错扭折刃型位错(3)刃型位错与螺型位错的交割图刃型位错与螺型位错的交割40u(4)螺型位错与螺型位错的交割螺型位错与螺型位错的交割图 螺型位错与螺型位错的交割位错割阶刃型位错位错扭折刃型位错(4)螺型位错与螺型位错的交割图螺型位错与螺型位错的交割41(a)直角坐标；(b)圆柱坐标的正应力及切应力表示办法图 物体中一点(图中放大为六面体)的应力分量 2.1.3 位错的弹性性质（自学）位错的弹性性质（自学）(a)直角坐标；(b)圆柱坐标的正应力及切应力表示办法42u1.1.位错的应力场位错的应力场u位错的弹性性质是位错理论的核心与基础。它考虑的是位位错的弹性性质是位错理论的核心与基础。它考虑的是位错在晶体中引起的畸变的分布及其能量变化。处理位错的弹错在晶体中引起的畸变的分布及其能量变化。处理位错的弹性性质的方法，主要有：连续介质方法、点阵离散方法等。性性质的方法，主要有：连续介质方法、点阵离散方法等。从理论发展和效果来看，连续介质模型发展得较成熟。从理论发展和效果来看，连续介质模型发展得较成熟。u位错在晶体中的存在使其周围原子偏离平衡位置而导致点位错在晶体中的存在使其周围原子偏离平衡位置而导致点阵畸变和弹性应力场的产生。阵畸变和弹性应力场的产生。u在讨论位错的弹性应力场的基础上，可推算出位错所具有在讨论位错的弹性应力场的基础上，可推算出位错所具有的能量、位错的作用力、位错与晶体其它缺陷间交互作用等的能量、位错的作用力、位错与晶体其它缺陷间交互作用等问题。问题。1.位错的应力场2.2线缺陷43图 位错的连续介质模型（a）螺位错（b）刃位错图位错的连续介质模型2.2线缺陷44u（1）螺位错的应力场）螺位错的应力场u螺型位错周围只有一个切应变：螺型位错周围只有一个切应变：zb/2ru相应的各应力分量分别为相应的各应力分量分别为 u用直角坐标表示用直角坐标表示 （1）螺位错的应力场2.2线缺陷45u螺位错的应力场的特点：螺位错的应力场的特点：u只有切应力分量，正应力分量全为零，这表明螺型位错不只有切应力分量，正应力分量全为零，这表明螺型位错不引起晶体的膨胀和收缩。引起晶体的膨胀和收缩。u螺型位错所产生的切应力分量只与螺型位错所产生的切应力分量只与r有关（成反比），而有关（成反比），而与与，z 无关。只要无关。只要r一定，一定，z就为常数。因此，螺型位错的就为常数。因此，螺型位错的应场是轴对称的，即与位错等距离的各处，其切应力值相等，应场是轴对称的，即与位错等距离的各处，其切应力值相等，并随着与位错距离的增大，应力值减小。并随着与位错距离的增大，应力值减小。ur0时，时，z，显然与实际情况不符，这说明上述结果，显然与实际情况不符，这说明上述结果不适用位错中心的严重畸变区。不适用位错中心的严重畸变区。螺位错的应力场的特点：2.2线缺陷46u（2）刃位错的应力场）刃位错的应力场图 刃位错周围的应力场（2）刃位错的应力场图刃位错周围的应力场2.2线缺陷47u刃位错的应力场的特点：刃位错的应力场的特点：u同时存在正应力分量与切应力分量，而且各应力分量的大同时存在正应力分量与切应力分量，而且各应力分量的大小与小与G和和b成正比，与成正比，与r成反比。成反比。u各应力分量都是，的函数，而与无关。这表明在平各应力分量都是，的函数，而与无关。这表明在平行与位错的直线上，任一点的应力均相同。行与位错的直线上，任一点的应力均相同。u在滑移面上，没有正应力，只有切应力，而且切应力在滑移面上，没有正应力，只有切应力，而且切应力xy 达到极大值。达到极大值。u正刃型位错的位错滑移面上侧为压应力，滑移面下侧为拉正刃型位错的位错滑移面上侧为压应力，滑移面下侧为拉应力。应力。uxy时，时，yy，xy均为零，说明在直角坐标的两条对角线均为零，说明在直角坐标的两条对角线处，只有处，只有xx。刃位错的应力场的特点：2.2线缺陷48u2.2.位错的应变能位错的应变能u位错周围点阵畸变引起弹性应力场导致晶体能量增加，这位错周围点阵畸变引起弹性应力场导致晶体能量增加，这部分能量称为位错的应变能或位错能部分能量称为位错的应变能或位错能。u与位错的畸变相对应，位错的能量也可分为两部分：一是与位错的畸变相对应，位错的能量也可分为两部分：一是位错中心畸变能；二是位错中心以外的能量即弹性应变能。位错中心畸变能；二是位错中心以外的能量即弹性应变能。u根据点阵模型对位错中心能量的估算得：弹性应变能占总根据点阵模型对位错中心能量的估算得：弹性应变能占总能量的能量的90%，所以位错中心畸变能常忽略不计，而弹性应变，所以位错中心畸变能常忽略不计，而弹性应变能可采用连续介质弹性模型根据单位长度位错所做的功求得。能可采用连续介质弹性模型根据单位长度位错所做的功求得。2.位错的应变能2.2线缺陷49u位位错的的应变能能与与b2成成正正比比，b越越小小，位位错能能量量越越低低，在在晶晶体体中中越越稳定定。为使使位位错具具有有最最低低能能量量，柏柏氏氏矢矢量量都都趋向向于于取密排方向的最小取密排方向的最小值。u当当r0趋于零时，应变能将无穷大，这正好说明用连续介质趋于零时，应变能将无穷大，这正好说明用连续介质模型导出的公式在位错中心区已不适用。模型导出的公式在位错中心区已不适用。位错的应变能与b2成正比，b越小，位错能量越低，在晶体中越稳50u3.3.外力场中位错所受的力外力场中位错所受的力u外力作用在晶体上时，晶体中的位错将沿其法线方向运动，外力作用在晶体上时，晶体中的位错将沿其法线方向运动，通过位错运动产生塑性变形。通过位错运动产生塑性变形。u为了研究问题的方便，把位错线假设为物质实体线，把位为了研究问题的方便，把位错线假设为物质实体线，把位错的滑移运动看作是受一个垂直于位错线的法向力作用的结错的滑移运动看作是受一个垂直于位错线的法向力作用的结果，并把这个法向力称为作用在位错上的力。果，并把这个法向力称为作用在位错上的力。u它是虚设的、驱使位错滑移的力，它必然与位错线运动方它是虚设的、驱使位错滑移的力，它必然与位错线运动方向一致，即处处与位错线垂直，指向未滑移区。向一致，即处处与位错线垂直，指向未滑移区。u根据虚功原理，切应力使晶体滑移所做的功应与法向根据虚功原理，切应力使晶体滑移所做的功应与法向“力力”推动位错滑移所做的功相等。推动位错滑移所做的功相等。3.外力场中位错所受的力2.2线缺陷51图 作用在位错线上的力图作用在位错线上的力2.2线缺陷52u4.4.位错线张力位错线张力u位错的总能量与位错线的长度成正比，因此为降低能量，位错的总能量与位错线的长度成正比，因此为降低能量，位错线有缩短变直的倾向。故在位错线上存在一种使其变位错线有缩短变直的倾向。故在位错线上存在一种使其变直的线张力。直的线张力。这个线张力在数值上等于位错应变能。这个线张力在数值上等于位错应变能。图 位错的线张力4.位错线张力图位错的线张力2.2线缺陷53u5.5.位错之间的相互作用力位错之间的相互作用力u（1 1）两根平行螺位错的交互作用）两根平行螺位错的交互作用图 平行螺型位错的相互作用 5.位错之间的相互作用力图平行螺型位错的相互作用2.54图 同号刃性位错异号刃位错的交互作用u（2 2）两平行刃位错的交互作用）两平行刃位错的交互作用图同号刃性位错异号刃位错的交互作用（2）两平行刃位错的交55u实际晶体结构中，位错的柏氏矢量不能是任意的，它要符实际晶体结构中，位错的柏氏矢量不能是任意的，它要符合晶体的结构条件和能量条件。合晶体的结构条件和能量条件。u晶体结构条件是指柏氏矢量必须连接一个原子平衡位置到晶体结构条件是指柏氏矢量必须连接一个原子平衡位置到另一平衡位置。另一平衡位置。u在某一种晶体结构中，力学平衡位置很多，故柏氏矢量可在某一种晶体结构中，力学平衡位置很多，故柏氏矢量可取很多；但从能量条件看，由于位错能量正比于取很多；但从能量条件看，由于位错能量正比于b b2 2，柏氏矢，柏氏矢量量b b越小越好。越小越好。u正因为正因为b b既要符合结构条件又要符合能量条件，因而实际既要符合结构条件又要符合能量条件，因而实际晶体中存在的位错的柏氏矢量限于少数最短的点阵矢量。晶体中存在的位错的柏氏矢量限于少数最短的点阵矢量。2.2.4 实际晶体中的位错实际晶体中的位错实际晶体结构中，位错的柏氏矢量不能是任意的，它要符合晶体的结563密排六方4体心立方6面心立方3简单立方数量|b|方向柏氏矢量结构类型u1.1.实际晶体结构中的单位位错实际晶体结构中的单位位错3密排六方4体心立方6面心立方3简单立方数量|b|方向柏氏矢57u2.2.不全位错不全位错u柏氏矢量等于点阵矢量或其整数倍的位错称为柏氏矢量等于点阵矢量或其整数倍的位错称为“全位错全位错”，其中柏氏矢量等于单位点阵矢量的位错称为，其中柏氏矢量等于单位点阵矢量的位错称为“单位位错单位位错”，故全位错滑移后晶体原子排列不变。，故全位错滑移后晶体原子排列不变。u把柏氏矢量不等于点阵矢量整数倍的位错称为把柏氏矢量不等于点阵矢量整数倍的位错称为“不全位错不全位错”，其中柏氏矢量小于点阵矢量的位错称为，其中柏氏矢量小于点阵矢量的位错称为“部分位错部分位错”。u不全位错一般表现为晶体原子堆垛层错区与无层错区的边不全位错一般表现为晶体原子堆垛层错区与无层错区的边界线，其滑移后原子排列发生变化。界线，其滑移后原子排列发生变化。2.不全位错2.2线缺陷582.2线缺陷59图 正弗兰克不全位错的形成 图正弗兰克不全位错的形成2.2线缺陷60u3.3.位错反应位错反应u位错之间相互转换位错之间相互转换(即柏氏矢量的合成与分解即柏氏矢量的合成与分解)称为位错称为位错反应。反应。u位错反应能否进行取决于两个条件：位错反应能否进行取决于两个条件：u（1 1）必须满足几何条件即柏氏矢量的守恒性；）必须满足几何条件即柏氏矢量的守恒性；u（2 2）必须满足能量条件，反应后诸位错的总能量小于反）必须满足能量条件，反应后诸位错的总能量小于反应前诸位错的总能量。应前诸位错的总能量。3.位错反应2.2线缺陷61图 fcc晶体中扩展位错的结构u4.4.扩展位错扩展位错图fcc晶体中扩展位错的结构4.扩展位错2.2线缺陷62v扩展位错：扩展位错：v在面心立方晶体中，能量最低的全位错是处在在面心立方晶体中，能量最低的全位错是处在111111面上的面上的柏氏矢量为柏氏矢量为 的单位位错。的单位位错。v它可以分解为两个肖克莱不全位错：它可以分解为两个肖克莱不全位错：v由于这两个不全位错位于同一滑移面上，彼此同号且其柏由于这两个不全位错位于同一滑移面上，彼此同号且其柏氏矢量的夹角氏矢量的夹角为为6060o o9090o o，故它们必然相互排斥并分开，其，故它们必然相互排斥并分开，其间夹着一片堆垛层错区，直到层错的表面张力间夹着一片堆垛层错区，直到层错的表面张力(等于层错能等于层错能)和不全位错的斥力相平衡时，不全位错的运动才停止，形成和不全位错的斥力相平衡时，不全位错的运动才停止，形成稳定的位错组态。这种两个不全位错夹一片层错的整个位错稳定的位错组态。这种两个不全位错夹一片层错的整个位错组态称为扩展位错。组态称为扩展位错。扩展位错：2.2线缺陷63u5.5.位错的增殖位错的增殖图 FR源动作过程5.位错的增殖图FR源动作过程2.2线缺陷64v弗兰克弗兰克-瑞德瑞德(Frank-Read)(Frank-Read)位错源位错源v刃型位错的两端被位错网点钉住不能运动。若沿柏氏矢量刃型位错的两端被位错网点钉住不能运动。若沿柏氏矢量b b方向施加一切应力，使位错沿滑移面向前滑移运动。方向施加一切应力，使位错沿滑移面向前滑移运动。v作用于位错线上的力作用于位错线上的力,总是与位错线本身垂直，所以弯曲总是与位错线本身垂直，所以弯曲后的位错每一小段继续沿它的法线方向向外扩展，其两端则后的位错每一小段继续沿它的法线方向向外扩展，其两端则分别绕节点分别绕节点A A，B B发生回转。发生回转。v当两端弯出来的线段相互靠近时，由于该两线段平行于柏当两端弯出来的线段相互靠近时，由于该两线段平行于柏氏矢量氏矢量b b，但位错线方向却相反，分别属于左螺和右螺位错，但位错线方向却相反，分别属于左螺和右螺位错，因此会互相抵消，形成一闭合的位错环以及位错环内的一小因此会互相抵消，形成一闭合的位错环以及位错环内的一小段弯曲位错线。段弯曲位错线。弗兰克-瑞德(Frank-Read)位错源2.2线缺陷65第三节第三节 面缺陷面缺陷v面缺陷的定义面缺陷的定义v面缺陷：在两个方向上尺寸很大，在一个方向上尺寸很小面缺陷：在两个方向上尺寸很大，在一个方向上尺寸很小的缺陷。的缺陷。v面缺陷的类型面缺陷的类型v金属中常见的面缺陷有表面、晶界、亚晶界和相界。金属中常见的面缺陷有表面、晶界、亚晶界和相界。第三节面缺陷面缺陷的定义66v从原子结合的角度看，表面原子的结合键数也减少，因从原子结合的角度看，表面原子的结合键数也减少，因此表面原子有强烈的倾向与环境中的原子或分子相互作用。此表面原子有强烈的倾向与环境中的原子或分子相互作用。v晶体表层原子在不均匀力场作用下会偏离其平衡位置而移晶体表层原子在不均匀力场作用下会偏离其平衡位置而移向晶体内部，但是正、负离子向晶体内部，但是正、负离子(或正、负电荷或正、负电荷)偏离的程度不偏离的程度不同，结果在晶体表面产生了双电层。同，结果在晶体表面产生了双电层。图 离子晶体表面的双电层2.3.1 外表面外表面从原子结合的角度看，表面原子的结合键数也减少，因此表面原子67u晶体内部的原子处于其他原子的包围中，处于均匀的力场晶体内部的原子处于其他原子的包围中，处于均匀的力场中，总合力为零，处于能量最低的状态。而表面原子却不同，中，总合力为零，处于能量最低的状态。而表面原子却不同，它与气相它与气相(或液相或液相)接触，处于不均匀的力场之中，其能量较接触，处于不均匀的力场之中，其能量较高，高出的能量称为表面自由能。高，高出的能量称为表面自由能。u晶体中不同晶面的表面能数值不同，这是由于表面能的本晶体中不同晶面的表面能数值不同，这是由于表面能的本质是表面原子的不饱和键，而不同晶面上的原子密度不同，质是表面原子的不饱和键，而不同晶面上的原子密度不同，密排面的原子密度最大，则该面上任一原子与相邻晶面原子密排面的原子密度最大，则该面上任一原子与相邻晶面原子的作用键数最少，故以密排面作为表面时不饱和键数最少，的作用键数最少，故以密排面作为表面时不饱和键数最少，表面能量低。晶体总是力图处于最低的自由能状态，所以一表面能量低。晶体总是力图处于最低的自由能状态，所以一定体积的晶体的平衡几何外形应满足表面能总和为最小。定体积的晶体的平衡几何外形应满足表面能总和为最小。晶体内部的原子处于其他原子的包围中，处于均匀的力场中，总合力68u属于同一固相但位向不同的晶粒之间的界面称为晶界；而属于同一固相但位向不同的晶粒之间的界面称为晶界；而每个晶粒有时又由若干个位向稍有差异的亚晶粒所组成，相每个晶粒有时又由若干个位向稍有差异的亚晶粒所组成，相邻亚晶粒间的界面称为亚晶界。邻亚晶粒间的界面称为亚晶界。图 晶界与亚晶界示意图2.3.2 晶界晶界属于同一固相但位向不同的晶粒之间的界面称为晶界；而每个晶粒有69u1.1.小角度晶界小角度晶界u相邻晶粒的位向差小于相邻晶粒的位向差小于1010的晶界称为小角度晶界。的晶界称为小角度晶界。u最简单的小角度晶界是对称倾斜晶界，其晶界可看成是由最简单的小角度晶界是对称倾斜晶界，其晶界可看成是由一列平行的刃型位错所构成。一列平行的刃型位错所构成。图 对称倾斜晶界1.小角度晶界图对称倾斜晶界2.3面缺陷70u扭转晶界是小角度晶界的扭转晶界是小角度晶界的一种类型，它可看成是两部一种类型，它可看成是两部分晶体绕某一轴在一个共同分晶体绕某一轴在一个共同的晶面上相对扭转一个的晶面上相对扭转一个角角所构成的，扭转轴垂直于这所构成的，扭转轴垂直于这一共同的晶面。一共同的晶面。u扭转扭转晶界的结构可看成是晶界的结构可看成是由互相交叉的螺型位错所组由互相交叉的螺型位错所组成。成。图 扭转晶界的形成扭转晶界是小角度晶界的一种类型，它可看成是两部分晶体绕某一轴71u2.2.大角度晶界大角度晶界u相邻晶粒的位向差大于相邻晶粒的位向差大于1010的晶界称为大角度晶界。的晶界称为大角度晶界。u大角度晶界的结构较复杂，大角度晶界的结构较复杂，原子排列很不规则，由不规则原子排列很不规则，由不规则的台阶组成的。晶界可看成坏的台阶组成的。晶界可看成坏区与好区交替相间组合而成。区与好区交替相间组合而成。图 大角度晶界模型2.大角度晶界图大角度晶界模型2.3面缺陷72u大角度晶界的大角度晶界的“重合位置重合位置点阵点阵”模型。在二维正方点模型。在二维正方点阵中，当两个相邻晶粒的位阵中，当两个相邻晶粒的位向差为向差为3737时，设想两晶粒时，设想两晶粒的点阵彼此通过晶界向对方的点阵彼此通过晶界向对方延伸，其中一些原子将出现延伸，其中一些原子将出现有规律的相互重合，由这些有规律的相互重合，由这些原子重合位置所组成比原来原子重合位置所组成比原来晶体点阵大的新点阵，通常晶体点阵大的新点阵，通常称为重合位置点阵。称为重合位置点阵。图 重合位置点阵模型 大角度晶界的“重合位置点阵”模型。在二维正方点阵中，当两个相73v3.3.孪晶界孪晶界v孪晶是指两个晶体孪晶是指两个晶体(或一或一个晶体的两部分个晶体的两部分)沿一个公沿一个公共晶面构成镜面对称的位向共晶面构成镜面对称的位向关系，这两个晶体就称为关系，这两个晶体就称为“孪晶孪晶(twin)”(twin)”，此公共晶面，此公共晶面就称孪晶面。就称孪晶面。图 孪晶界3.孪晶界图孪晶界2.3面缺陷742.3面缺陷75u4.4.相界相界u具有不同结构的两相之间的分界面称为具有不同结构的两相之间的分界面称为“相界相界”。按结构。按结构特点，相界面可分为共格、半共格和非共格相界三种类型。特点，相界面可分为共格、半共格和非共格相界三种类型。图 具有完善共格关系的相界图 具有弹性畸变的共格相界4.相界图具有完善共格关系的相界图具有弹性畸变的共格相界76图 半共格界面图 非共格界面图半共格界面图非共格界面77u4.4.晶界特性晶界特性u1.1.晶界处点阵畸变大，存在晶界能。晶粒的长大和晶界的晶界处点阵畸变大，存在晶界能。晶粒的长大和晶界的平直化都能减少晶界面积，从而降低晶界的总能量。平直化都能减少晶界面积，从而降低晶界的总能量。u2.2.晶界处原子排列不规则，在常温下晶界的存在会对位错晶界处原子排列不规则，在常温下晶界的存在会对位错的运动起阻碍作用，致使塑性变形抗力提高，宏观表现为晶的运动起阻碍作用，致使塑性变形抗力提高，宏观表现为晶界较晶内具有较高的强度和硬度。晶粒越细界较晶内具有较高的强度和硬度。晶粒越细,材料的强度越材料的强度越高，这就是细晶强化。高，这就是细晶强化。u3.3.晶界处原子偏离平衡位置，具有较高的动能，并且晶界晶界处原子偏离平衡位置，具有较高的动能，并且晶界处存在较多的缺陷如空穴、杂质原子和位错等，故晶界处原处存在较多的缺陷如空穴、杂质原子和位错等，故晶界处原子的扩散速度比在晶内快得多。子的扩散速度比在晶内快得多。4.晶界特性2.3面缺陷78v4.4.在固态相变过程中在固态相变过程中,由于晶界能量较高且原子活动能力由于晶界能量较高且原子活动能力较大较大,所以新相易于在晶界处优先形核所以新相易于在晶界处优先形核.原始晶粒越细原始晶粒越细,晶界晶界越多越多,则新相形核率也相应越高。则新相形核率也相应越高。v5.5.由于成分偏析和内吸附现象，特别是晶界富集杂质原子由于成分偏析和内吸附现象，特别是晶界富集杂质原子的情况下，往往晶界熔点较低，故在加热过程中，因温度过的情况下，往往晶界熔点较低，故在加热过程中，因温度过高将引起晶界熔化和氧化，导致高将引起晶界熔化和氧化，导致“过热过热”现象产生。现象产生。v6.6.由于晶界能量较高、原子处于不稳定状态，以及晶界富由于晶界能量较高、原子处于不稳定状态，以及晶界富集杂质原子的缘故，与晶内相比晶界的腐蚀速度一般较快。集杂质原子的缘故，与晶内相比晶界的腐蚀速度一般较快。这就是用腐蚀剂显示金相样品组织的依据，也是某些金属材这就是用腐蚀剂显示金相样品组织的依据，也是某些金属材料在使用中发生晶间腐蚀破坏的原因。料在使用中发生晶间腐蚀破坏的原因。4.在固态相变过程中,由于晶界能量较高且原子活动能力较大,所79