实际金属的晶体缺陷.ppt

材料科学基础,第三节 实际金属的晶体结构,图 对称平移性,1.3 实际金属的晶体结构,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、离子或分子等)完全按照空间点阵规则排列的晶体叫理想晶体 在实际晶体中，粒子的排列不可能这样规则和完整，而是或多或少地存在着偏离理想结构的区域，出现了不完整性 把实际晶体中偏离理想点阵结构的区域称为晶体缺陷 实际晶体中虽然有晶体缺陷存在，但偏离平衡位置很大的粒子数目是很少的，从总的来看，其结构仍可以认为是接近完整的 根据几何形态特征，可以把晶体缺陷分为三类：点缺陷、线缺陷和面缺陷,1.3 实际金属的晶体结构,点缺陷的定义 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 1.点缺陷的类型 金属中常见的基本点缺陷有空位、间隙原子和置换原子 空位：空位就是未被占据的原子位置； 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；,§1.3.1.1 点缺陷的类型及形成,1.3.1 点缺陷,置换原子：位于晶体点阵位置的异类原子 1.3.1 点缺陷,2.点缺陷的形成 原子相互作用的两种作用力：(1)原子间的吸引力；(2)原子间的斥力 点缺陷形成最重要的环节是原子的振动 原子的热振动 （以一定的频率和振幅作振动） 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 点缺陷形成的驱动力：温度、离子轰击、冷加工 在外界驱动力作用下，哪个原子能够挣脱束缚，脱离平衡位置是不确定的，宏观上说这是一种几率分布,1.3.1 点缺陷,空位的两种类型： 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；可迁移到晶体点阵的间隙中，这样的空位称弗兰克尔缺陷。

图 晶体中的点缺陷(a) 肖脱基空位 (b) 弗兰克尔空位,1.3.1 点缺陷,1.点缺陷的运动 点缺陷并非固定不动，而是处在不断改变位置的运动过程中 空位周围的原子，由于热振动能量的起伏，有可能获得足够的能量而跳入空位，并占据这个平衡位置，这时在这个原子的原来位置上，就形成一个空位这一过程可以看作是空位向邻近结点的迁移 在运动过程中，当间隙原子与一个空位相遇时，它将落入这个空位，而使两者都消失，这一过程称为复合，或湮没§1.3.1.2 点缺陷的运动及平衡浓度,1.3.1 点缺陷,（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,1.3.1 点缺陷,2.点缺陷的平衡浓度 晶体中点缺陷的存在，一方面造成点阵畸变，使晶体的内能升高，增大了晶体的热力学不稳定性；另一方面，由于增大了原子排列的混乱程度，并改变了其周围原子的振动频率，又使晶体的熵值增大熵值越大，晶体便越稳定 由于存在着这两个互为矛盾的因素，晶体中的点缺陷在一定温度下有一定的平衡数目，这时点缺陷的浓度就称为它们在该温度下的热力学平衡浓度 在一定温度下有一定的热力学平衡浓度，这是点缺陷区别于其它类型晶体缺陷的重要特点。

1.3.1 点缺陷,§1.3.1.3 点缺陷对性能的影响,点缺陷的存在使晶体体积膨胀，密度减小 点缺陷引起电阻的增加，这是由于晶体中存在点缺陷时，对传导电子产生了附加的电子散射，使电阻增大 空位对金属的许多过程有着影响，特别是对高温下进行的过程起着重要的作用 金属的扩散、高温塑性变形的断裂、退火、沉淀、表面化学热处理、表面氧化、烧结等过程都与空位的存在和运动有着密切的联系 过饱和点缺陷（如淬火空位、辐照缺陷）还提高了金属的屈服强度1.3.1 点缺陷,1.3.2 线缺陷,线缺陷就是在两个方向上尺寸很小，在一个方向上尺寸很大的缺陷 线缺陷是各种类型的位错 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较小，是一个直径为3~5个原子间距，长几百到几万个原子间距的管状原子畸变区 最简单的位错是刃型位错和螺型位错1.3.2 线缺陷,§1.3.2.1 位错的基本概念,1.位错学说的产生 1926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3~4个数量级 1934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 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。

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位置，因此滑移所需的临界切应力大为减小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F—R位错源 50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1.3.2 线缺陷,图 理想晶体的滑移模型和刃型位错的滑移过程,1.3.2 线缺陷,图 刃型位错与螺型位错,2.位错的基本类型 位错可分为刃性位错和螺型位错1.3.2 线缺陷,（1）刃型位错,图 含有刃型位错的晶体,1.3.2 线缺陷,刃型位错的概念： 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，EF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“刃型位错” 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“┻”表示，反之为负刃型位错，用“┳”表示 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阵常数 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 。

1.3.2 线缺陷,刃型位错的特点： 1).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 2).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，但它必与滑移方向相垂直，也垂直于滑移矢量图 不同形状的刃型位错,1.3.2 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 4).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 5).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，畸变区是狭长的管道，所以刃型位错是线缺陷1.3.2 线缺陷,（a）立体图； （b）顶视图 图 螺型位错的原子组态,（2）螺型位错,1.3.2 线缺陷,图 螺型位错原子模型及其形成示意,1.3.2 线缺陷,螺型位错的结构特征 无额外的半原子面，原子错排程轴对称，分右旋和左旋螺型位错； 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； 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； 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； 位错畸变区也是几个原子间距宽度，同样是线位错。

1.3.2 线缺陷,3.柏氏矢量 （1）柏氏矢量的确定方法 先确定位错线的方向(一般规定位错线垂直纸面时，由纸面向外为正向)，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 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b1.3.2 线缺陷,图 刃型位错柏氏矢量的确定,1.3.2 线缺陷,图 螺型位错柏氏矢量的确定,1.3.2 线缺陷,（2）柏氏矢量的物理意义及特征 物理意义： 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 反映出柏氏回路包含的位错所引起点阵畸变的总积累 通常将柏氏矢量称为位错强度，该矢量的模|b|表示了畸变的程度，称为位错的强度 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和方向1.3.2 线缺陷,柏氏矢量的特征 用柏氏矢量可判断位错的类型 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b，滑移方向即为柏氏矢量的方向。

一条位错线具有唯一的柏氏矢量若位错可分解，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 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，或露头于晶体表面1.3.2 线缺陷,图 三种类型位错的矢量图解法,1.3.2 线缺陷,（3）混合位错 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，这种晶体缺陷称为混合型位错 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,1.3.2 线缺陷,图 混合位错的原子组态,1.3.2 线缺陷,（4）柏氏矢量的表示方法 柏矢量 对于柏矢量b沿晶向[uvw]的位错 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： 位错的加法按照矢量加法规则进行1.3.2 线缺陷,4.位错密度 晶体中所含位错的多少可用位错密度来表示位错密度定义为单位体积晶体中所含位错线的总长度，其表达式为  若为了简便起见，可把晶体中的位错线视为一些直线，而且是平行地从晶体的一端延伸到另一端，于是位错密度就可被视为垂直于位错线的单位截面中所穿过的位错线数目，即,1.3.2 线缺陷,图 晶体位错密度和强度关系示意图,1.3.2 线缺陷,1.位错的滑移 位错沿滑移面的移动称为滑移。

图 位错的滑移,§1.3.2.2 线缺陷的类型及形成,1.3.2 线缺陷,（a）正刃型位错 （b）负刃型位错 图 刃位错的滑移,1.3.2 线缺陷,当一个刃型位错沿滑移面滑过整个晶体，就会在晶体表面产生宽度为一个柏氏矢量b的台阶，造成晶体的塑性变形 在滑移时，刃型位错的移动方向一定是与位错线相垂直，即与其柏氏矢量相一致 位错线沿着滑移面移动时，它所扫过的区域是已滑移区，而位错线未扫过的区域为未滑移区图 刃型位错滑移导致晶体塑性变形的过程,1.3.2 线缺陷,（a）原始位置； （b）位错向左移动一个原子间距 图 螺型位错滑移,1.3.2 线缺陷,图 螺型位错滑移导致晶体塑性变形的过程,在切应力作用下，螺型位错的移动方向是与其柏氏矢量相垂直对于螺型位错，由于位错线与柏氏矢量平行，所以它不象刃型位错那样具有确定的滑移面，而可在通过位错线的任何原子平面上滑移如果螺型位错在某一滑移面滑移后转到另一通过位错线的临近滑移面上滑移的现象称为交滑移1.3.2 线缺陷,图 刃型位错与螺型位错,1.3.2 线缺陷,由于混合位错可以分解为刃型和螺型两部分，因此，不难理解，混合位错在切应力作用下，也是沿其各线段的法线方向滑移，并同样可使晶体产生与其柏氏矢量相等的滑移量。

a）位错环 （b）位错环运动后产生的滑移 图 位错环的滑移,1.3.2 线缺陷,位错的滑移特征,（1）可以通过柏氏矢量和位错线的关系来判断位错特征b⊥t时为刃型位错，b∥t为螺型位错，对于混合型位错，b和t的角度在0°和90° （2）位错的滑移面包含柏氏矢量和位错线 （3）对于一根位错线而言，柏氏矢量是固定不变的 （4）位错线不能终止于完整晶体之中1.3.2 线缺陷,2.位错的攀移 刃型位错除了可以在滑移面上滑移外，还可垂直于滑移面发生攀移 当半原子面下端的原子跳离，即空位迁移到半原子面下端时，半原子面将缩短，表现为位错向上移动，这种移动叫做正攀移反之叫做负攀移 位错攀移时伴随着物质的迁移，需要扩散才能实现因为攀移需。