第四章 晶体缺陷

刃型位错结构的特点


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、位错移动的方向和位错线垂直；

6、运动位错扫过的区域晶体的两部分发生了柏氏矢 量大小的相对运动(滑移)； 7、位错移出晶体表面将在晶体的表面上产生柏氏矢 量大小的台阶。
第二节 位错的基本概念
（2）位错运动的方式
a 滑移：位错沿着滑移面的移动。
螺型位错的滑移的特点：1、具有多个滑移面。2、切应力方向与位错线平行；3 晶体滑移方向与位错运动方向垂直、 4、螺位错是在外加切应力的作用下发生运 动；5、位错移动的方向总是和位错线垂直；6、运动位错扫过的区域晶体的两部 分发生了柏氏矢量大小的相对运动(滑移)；7、位错移过部分在表面留下部分台 阶，全部移出晶体的表面上产生柏氏矢量大小的完整台阶。


1．柏氏矢量的确定 柏氏矢量可以通过柏氏回路来确定。图为含有一个刃型 位错的确定柏氏回路参考动画。通常确定确定该位错柏氏 矢 量 的 具 体 步 骤 如 下 ： 1).首先选定位错线的正向，例如，常规定出纸面的方向 为 位 错 线 的 正 方 向 。 2).在实际晶体中，从任一原子出发，围绕位错（避开位 错线附近的严重畸变区）以一定的步数作一右旋闭合回路 （ 称 为 柏 氏 回 路 ） 。 3).在完整晶体中按同样的方向和步数作相同的回路，该 回路并不封闭，由终点F向起点S引一矢量，使该回路闭合， 这个矢量b就是实际晶体中位错的柏氏矢量。
螺型位错具有以下特征

6).螺型位错周围的点阵畸变随离位错线距离 的增加而急剧减少，故它也是包含几个原子宽 度的线缺陷。
3．混合位错 除了上面介绍的两种基本型位错外，还有一种形式更为普遍的位 错，其滑移矢量既不平行也不垂直于位错线，而与位错线相交成任 意角度，这种位错称为混合位错。

由于位错线是已滑移区与未滑移区的边界 线。因此，位错具有一个重要的性质，即 一根位错线不能终止于晶体内部，而只能 露头于晶体表面（包括晶界）。若它终止 于晶体内部，则必与其他位错线相连接， 或在晶体内部形成封闭线。形成封闭线的 位错称为位错环，如图所示。图中的阴影 区是滑移面上一个封闭的已滑移区。显然， 位错环各处的位错结构类型也可按各处的 位错线方向与滑移矢量的关系加以分析， 如A，B两处是刃型位错，C，D两处是螺型 位错，其他各处均为混合位错。




1. 如图2-2，某晶体滑移面上有一个 柏氏矢 量为b的位错环，受到均匀切应力τ作用，试分 析： （1） 该位错环各段位错的结构类型； （2） 求各段位错所受的力； （3） 在τ的作用下，位错环将如何运动？ （4） 在τ的作用下，位错环稳定不动，其最 小半径应该多大？
（2）柏氏矢量的物理意义
a 代表位错，并表示其特征（强度、畸变量）。矢量的模|b|表示 了畸变的程度，称为位错的强度。
b 表示晶体滑移的方向和大小。
c 柏氏矢量的守恒性（唯一性）：一条位错线具有唯一的柏氏矢 量。 d 判断位错的类型。 E几根位错相遇于一点，其方向朝着节点的各位错线的柏氏矢量 b之和等于离开节点之和。如有几根位错线的方向均指向或离开 节点，则这些位错线的柏氏矢量之和值为零 ，
第二节 位错的基本概念
3、 柏氏矢量 （1）确定方法 (避开严重畸变区) a 在位错周围沿着点阵结点形成封闭回路。 b 在理想晶体中按同样顺序作同样大小的回路。 c 在理想晶体中从终点到起点的矢量即为――。
柏氏矢量与位错线的关系


刃型位错的柏氏矢量与位错线垂直，这是刃型 位错的一个重要特征。 螺型位错的柏氏矢量也可按同样的方法加以确 定。螺型位错的柏氏矢量与位错线平行，且规 定b与 正向平行者为右螺旋位错，b与 反向平 行者为左螺旋位错 至于混合位错的柏氏矢量既不垂直也不平行于 位错线，而与它相交成ψ角（0＜ψ ＜π/2 ）， 可将其分解成垂直和平行于位错线的刃型分量 （be=bsinψ ）和螺型分量（bs=bcosψ ）。
刃型位错结构的特点

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。
第二节 位错的基本概念
1 、位错的基本类型
（2）螺型位错
模型：滑移面/位错线。（位错线//晶体滑移方向，位错线 ┻位错运动方向，晶体滑移方向┻位错运动方向。） 分类：左螺型位错；右螺型位错。
上
Schottky缺陷的产生
上
第一节 点缺陷
2 、点缺陷的平衡浓度
（1）点缺陷是热力学平衡的缺陷－在一定温度下， 晶体中总是存在着一定数量的点缺陷（空位），这时体 系的能量最低－具有平衡点缺陷的晶体比理想晶体在热 力学上更为稳定。
设自由能F=U－TS n U为内能，S为系统熵（包括振动熵 SV和排列熵SC）
第二节 位错的基本概念
螺型位错具有以下特征



1).螺型位错无额外半原子面，原子错排是呈轴 对称的。 2).根据位错线附近呈螺旋形排列的原子的旋 转方向不同，螺型位错可分为右旋和左旋螺型 位错。 3).螺型位错线与滑移矢量平行，因此一定是 直线，而且位错线的移动方向与晶体滑移方向 互相垂直。
（1）空位：正常结点位置没有被质点占据，称为空位
肖脱基空位－离位原子进入其它空位或迁移至晶界或 表面。
弗兰克尔空位－离位原子进入晶体间隙。
（2）间隙原子：位于晶体点阵间隙的原子。 （3）置换原子：位于晶体点阵位置的异类原子。
置换原子
第一节 点缺陷
一 点缺陷
肖脱基空位 弗兰克尔空位
Frankel缺陷的产生
（3）位错观察：浸蚀法、电境法。
不锈钢中的位错线

第二节 位错的基本概念
5、 位错的运动
（1）位错的易动性。
原子的微小移动导致晶体产生一个原子间距的位移。 多个位错的运动导致晶体的宏观变形。 比喻：地毯的挪动、蛇的爬行等。
（2）位错运动的方式



a 滑移：位错沿着滑移面的移动。 刃型位错的滑移的特点： 1、具有唯一的滑移面 2、切应力方向与位错线垂直； 3、晶体滑移方向与位错运动方向一致。 4、位错的运动在外加切应力的作用下发生；
第四章 晶体缺陷

在晶体内部原子排列 并不是完全规则的， 在局部一定尺寸范围 内原子排列不规则的 现象称为晶体缺陷， 晶体缺陷在材料组织 控制（如扩散、相变） 和性能控制（如材料 强化）中具有重要作 用。就好象维纳斯 “无臂”之美更深入 人心 晶体缺陷赋予 材料丰富内容
第四章 晶体缺陷
晶体缺陷：实际晶体中与理想点阵结构发生偏差
螺型位错具有以下特征


4).纯螺型位错的滑移面不是唯一的。凡是包含 螺型位错线的平面都可以作为它的滑移面。但 实际上，滑移通常是在那些原子密排面上进行。 5).螺型位错线周围的点阵也发生了弹性畸变， 但是，只有平行于位错线的切应变而无正应变， 即不会引起体积膨胀和收缩，且在垂直于位错 线的平面投影上，看不到原子的位移，看不出 有缺陷。


右手定则：
拇
顺着柏氏适量位 移的晶体
中指
食 指 位错线 运动方 向
位错 线正 向


1. 铜的空位生成能1.7×10-19J，试计 算1000℃时，1cm3铜所包含的空位数， 铜的密度8.9g/cm3，相对原子质量63.5， 玻尔兹曼常数K=1.38×10-23J/K。 2. 如图2-1所示的位错环，说明各段位 错的性质，并指出刃位错多余半原子面 的位置。
从柏氏矢量角度，对任何位错：
切应力方向与柏氏矢量一致； 晶体滑移与柏氏矢量一致。
第二节 位错的基本概念
（2）位错运动的方式
b 攀移：刃型位错在垂直于滑移面方向上的运动。
机制：原子面下端原子的扩散――位错随半原子面的上下移动而 上下运动。
分类：正攀移（原子面上移、空位加入）/负攀移（原子面下移、 原子加入）。 应力的作用：（半原子面侧）压应力有利于正攀移，拉应力有利 于负攀移。
第二节 位错的基本概念
1、 位错的基本类型 （1）刃型位错 模型：滑移面/半原子面/位错线 （位错线┻晶体滑移方向， 位错线┻位错运动方向，晶体滑移方向//位错运动方向。） 分类：正刃型位错（┻）；负刃型位错（┳）。 产生：空位塌陷；局部滑移。
第二节 位错的基本概念
刃型位错结构的特点


1).刃型位错有一个额外的半原子面。一般把 多出的半原子面在滑移面上边的称为正刃型位 错，记为“┻”；而把多出在下边的称为负刃 型位错，记为“┳”。其实这种正、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，
(2)强度与位错密度的关系（τ-ρ图）。

退火金属中位错密 度一般为 1010～12m-2 左右。位错的存在极 大地影响金属的机械 性能。当金属为理想 晶体或仅含极少量位 错时, 金属的屈服强度 σs 很高, 当含有一定 量的位错时, 强度降低。 当进行形变加工时, 位 错密度增加, σs 将会 增高。
C=Aexp(-∆Ev/kT)
第一节 点缺陷
3 点缺陷的产生及其运动 （1）点缺陷的产生 平衡点缺陷：热振动中的能力起伏。 过饱和点缺陷：外来作用，如高温淬火、辐照、冷加工等。 （2）点缺陷的运动 （迁移、复合－浓度降低；聚集－浓度升高－塌陷）
第一节 点缺陷
4 、点缺陷与材料行为