第二章金属的晶体结构缺陷

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晶体结构缺陷的类型

二按缺陷产生旳原因分类
晶体缺陷
辐照缺陷杂质缺陷
电荷缺陷热缺陷非化学计量缺陷
1. 热缺陷
定义:热缺陷亦称为本征缺陷，是指由热起伏旳原因所产生旳空位或间隙质点（原子或离子）。
类型:弗仑克尔缺陷（Frenkel defect）和肖特基缺陷（Schottky defect）
T E 热起伏(涨落) 原子脱离其平衡位置
面缺陷旳取向及分布与材料旳断裂韧性有关。
面缺陷－晶界
晶界示意图
亚晶界示意图
晶界: 晶界是两相邻晶粒间旳过渡界面。因为相邻晶粒间彼此位向各不相同，故晶界处旳原子排列与晶内不同，它们因同步受到相邻两侧晶粒不同位向旳综合影响，而做无规则排列或近似于两者取向旳折衷位置旳排列，这就形成了晶体中旳主要旳面缺陷。
-"extra" atoms positioned between atomic sites.
distortion of planes
selfinterstitiallids
Two outcomes if impurity (B) added to host (A):
• Solid solution of B in A (i.e., random dist. of point defects)
OR
Substitutional alloy (e.g., Cu in Ni)
Interstitial alloy (e.g., C in Fe)
Impurities in Ceramics
本章主要内容：
§2.1 晶体构造缺陷旳类型 §2. 2 点缺陷 §2.3 线缺陷 §2.4 面缺陷 §2.5 固溶体 §2.6 非化学计量化合物

材料科学基础第二章晶体结构缺陷(三)

金属的强度与位错密度的关系
位错的观察
位错在晶体表面的露头抛光后的试样在侵蚀时，由于易侵蚀而出现侵蚀坑，其特点是坑为规则的多边型且排列有一定规律。只能在晶粒较大，位错较少时才有明显效果。
薄膜透射电镜观察将试样减薄到几十到数百个原子层(500nm以下)，利用透射电镜进行观察，可见到位错线。
按照完整晶体滑移模型，使晶体滑移所需的临界切应力，即使整个滑移面的原子从一个平衡位置移动到另一个平衡位置时，克服能垒所需要的切应力，晶面间的滑移是滑移面上所有原子整体协同移动的结果，这样可以把晶体的相对滑移
简化为两排原子间的滑移，晶体的理论切变强度m为： Gx/a=msin（2x/）=m2x/
2. 位错密度：单位体积内位错线的总长度
ρ=L/V
nl n
S l S
式中 L为晶体长度，n为位错线数目，S晶体截面积。
一般退火金属晶体中为104~108cm-2数量级，经剧烈冷加工的金属晶体中，为
1012~1014cm-2
（三）、位错线的连续性及位错密度
图 2-13
（三）、混合位错
在外力作用下，两部分之间发生相对
滑移，在晶体内部已滑移和未滑移部分的交线既不垂直也不平行滑移方向（伯氏矢量b），这样的位错称为混合位错。如图 2-14所示。
位错线上任意一点，经矢量分解后，可分解为刃位错和螺位错分量。晶体中位错线的形状可以是任意的，但位错线上各点的伯氏矢量相同，只是各点的刃型、螺型分量不同而已。
（一）完整晶体的塑性变形方式
1.晶体在外力作用下的滑移（图２－６）滑移的定义滑移的结果滑移的可能性（滑移系统）：在最密排晶面（称为滑移面）的最密排晶向（称为滑移方向）上进行晶体滑移的临界分切应力（c）：开动晶体滑移系统所需的最小分切应力 2.晶体在外力作用下的孪生

第二章缺陷与位错

螺型位错的形成及其几何特征如图2-8 (螺位错形 .spl演示）。演示）如图螺位错形演示
图2-8 螺位错形成示意图
EF就是线缺陷螺型位错。割开面就是线缺陷--螺型位错割开面ABCD就是滑移面，就是滑移面，就是线缺陷螺型位错。就是滑移面滑移矢量为d，其方向为-z轴平行。周围的原滑移矢量为，其方向为轴，与EF平行。EF周围的原平行子面形成以EF为轴线的螺卷面为轴线的螺卷面。子面形成以为轴线的螺卷面。
图2-4 电子显微镜下观察到的位错线
二、位错的基本类型从位错的几何结构来看，可将它们分为两种基本类型，从位错的几何结构来看，可将它们分为两种基本类型，即刃型位错和螺型位错。即刃型位错和螺型位错。从滑移角度看，从滑移角度看，位错是滑移面上已滑移和未滑移部分的交界。的交界。
刃型位错的形成及其几何特征示意了晶体中形成刃型位错的过程。）图2-5示意了晶体中形成刃型位错的过程。 (a.spl）示意了晶体中形成刃型位错的过程
图2-6 刃型位错包含半原子面
刃型位错的几何特征：刃型位错的几何特征： (1) 有多余半原子面。有多余半原子面。习惯上，习惯上，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，刃型位错，用符号“┻”表示，反之为负刃型位错，用表示。 “┳”表示。刃型位错周围的点阵畸变关于半原子面左右对称。刃型位错周围的点阵畸变关于半原子面左右对称。
所谓局部滑移就是原子面间的滑移不是整体进行，所谓局部滑移就是原子面间的滑移不是整体进行，而是发生在滑移面的局部区域，而是发生在滑移面的局部区域，其他区域的原子仍然保持滑移面上下相对位置的不变。持滑移面上下相对位置的不变。

第二章晶体结构缺陷(线缺陷课件-9)

(2) 混合位错特征:混合位错可分解为刃型分量混合位错特征: 和螺型分量,它们分别具有刃位错和螺位错的特征。和螺型分量,它们分别具有刃位错和螺位错的特征。位错环( 位错环(dislocation loop)是一种典型的混合位错。是一种典型的混合位错。
（a）混合位错的形成）（b）混合位错分解为刃位错）和螺位错示意图
螺位错形成示意图
晶体局部滑移造成的螺型位错
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。 ♦ 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。
1. 刃型位错
♦ （1）刃型位错（edge dislocation）的产生刃型位错（
完整晶体滑移的理论剪切强度要远高于实际晶体滑移的对完整晶体滑移的理论剪切强度要远高于实际晶体滑移的对的理论剪切强度要远高于实际晶体滑移应强度，从而促进了位错理论的产生和发展。应强度，从而促进了位错理论的产生和发展。刃型位错：（2）刃型位错：作用下， ABCD面为滑移面发生晶体在大于屈服值的切应力τ作用下，以ABCD面为滑移面发生滑移。EF是晶体已滑移部分和未滑移部分的交线是晶体已滑移部分和未滑移部分的交线，滑移。EF是晶体已滑移部分和未滑移部分的交线，犹如砍入晶体的一把刀的刀刃，即刃位错（或棱位错）。的一把刀的刀刃，即刃位错（或棱位错）。刃型位错线：多余半原子面与滑移面的交线。刃型位错线：多余半原子面与滑移面的交线。 (3)几何特征 (3)几何特征位错线与原子滑移方向相垂直；位错线与原子滑移方向相垂直；滑移面上部位错线周围原子受压应力作用，原子间距小于正常晶格间距；压应力作用，原子间距小于正常晶格间距；滑移面下部位错线周围原子受张应力作用，原子间距大于正常晶格间距。围原子受张应力作用，原子间距大于正常晶格间距。 (4)分类正刃位错，分类：负刃位错， (4)分类：正刃位错， “⊥” ；负刃位错， “┬ ” 。符号中水平线代表滑移面，垂直线代表半个原子面。水平线代表滑移面，垂直线代表半个原子面。

第二章晶体结构缺陷

2FeFe 2h
Oo 2h

3OO
VF''e

VF''e
从中可见，铁离子空位本身带负电，为了保持电中性；
两个电子空穴被吸引到这空位的周围，形成一种V一色心。
根据质量作用定律
K

[OO ][h ]2[VFe ''] P 1/ 2
O2
[OO●]≈1 [h●]=2[VFe’’] 由此可得： [h●]∝PO21/6
1
[e]

P6 O2
如果Zn离子化程度不足，可以有 -2.1 Zn(g) Zni. e
-2.3
[Zni.
]

P1/ 2 Zn
（此为另一1 种模型）
[e]

P4 O2
logσ
上述-2.反5实应测进Zn行O的电同导时率，与进氧行分氧压化的反关应系：支持了
单电荷间隙的模型1 ，即后一种是正确的。
把这种经过辐照而变色的晶体加热，能使缺陷扩散掉，使辐照破坏得到修复，晶体失去颜色。
举例
现象：白色的 Y2O3 在真空中煅烧，变成黑色，再退火，又变成白
色。
原因：晶体中存在缺陷，阴离子空位能捕获自由电子，阳离子空位能捕
获电子空穴，被捕获的电子或空穴处在某一激发态能级上，易受激而发出一定频率的光，从而宏观上显示特定的颜色。
缺陷反应方程式应如下：
2TiO2
-
1 2
O2

2Ti' Ti

VO

2OO
2TiTi

4OO

2Ti' Ti

VO

3Oo

第二章-晶体结构与晶体中的缺陷

• 层间结合力强，水分子不易进入层间，与水拌和体积不膨胀，泥料可塑性差（黏土-水系统解释）。
• 层内力远远大于层间力，容易形成片状解理。
• ⑷ 蒙脱石结构
• 单元层间：范德华力，弱。 • [SiO4]4-中的Si4+被Al3+取代（
同晶取代）为平衡电价，吸附低价正离子，易解吸，使颗粒荷电，因此使陶瓷制品因带某些离子具有放射性。 • 性质： • 加水体积膨胀，泥料可塑性好。
因子看，A位离子越大， B位离子才能较大。
理想立方钙钛矿结构中离子的位置
§2.2 硅酸盐晶体结构
一、硅酸盐结构特点与分类硅酸盐是数量极大的一类无机物。硅酸盐晶体可以按硅（铝）氧骨干的形式分成岛状结构、组群状结构、链状结构、层状结构和架状结构。它们都具有下列结构特点： 1）结构中Si4+之间没有直接的键，而是通过O2-连接起来的 2）结构是以硅氧四面体为结构的基础 3）每一个O2-只能连接2个硅氧四面体 4）硅氧四面体间只能共顶连接，而不能共棱和共面连接
陶瓷材料如MgO,CaO, NiO,
CoO,MnO和PbO等都形成
该结构。岩盐型结构还是若干
复杂层状化合物结构的一部分。
根据鲍林静电价规则，
S=Z/n NaCl: 每一个Na+静电键强度是 1/6。正负离子的配位数相等，都是6。因此键强度总和达到氯离子的价电荷数(6x(1/6)=1) MgO: 阳离子Mg2+的静电键强度是2/6 ,键强度总和等于氧离子 O2-的电价6x(2/6)=2
缺陷的含义：通常把晶体点阵结构中周期性势场的畸变称为晶体的结构缺陷。理想晶体：质点严格按照空间点阵排列。实际晶体：存在着各种各样的结构的不完整性。
晶体结构缺陷的类型

第二章晶体结构缺陷(五)

（二）、注意事项
以上几个影响因素，并不是同时起作用，在某些条件下，有的因素会起主要因素，有的会不起主要作用。例如，rSi4+=0.26埃， rAl3+=0.39埃，相差达45%以上，电价又不同，但Si—O、Al—O键性接近，键长亦接近，仍能形成固溶体，在铝硅酸盐中，常见Al3+ 置换Si4+形成置换固溶体的现象。
2、固溶体化学式的写法
以CaO加入到掺入xmolCaO。
ZrO2
中
为
例
，
以
1mol为
基
准
，
形成置换式固溶体：
C aZ O 2 r O C Z '' a rO o V O • •
x
x
x
空位模型
则化学式为：CaxZrl~xO2-x 形成间隙式固溶体：
2 C aZ O 2 r O C i• • a 2 O O C Z '' r a 间隙模型
四、形成固溶体后对晶体性质的影响
1、稳定晶格，阻止某些晶型转变的发生 2、活化晶格 3、固溶强化 4、形成固溶体后对材料物理性质的影响
1、稳定晶格，阻止某些晶型转变的发生
(1) PbTiO3是一种铁电体，纯PbTiO3烧结性能极差，居里点为490℃，发生相变时，晶格常数剧烈变化，在常温下发生开裂。PbZrO3 是一种反铁电体，居里点为230℃。两者结构相同，Zr4+、Ti4+离子尺寸相差不多，能在常温生成连续固溶体Pb(ZrxTi1-x)O3，x=0.1~0.3。在斜方铁电体和四方铁电体的边界组成 Pb(Zr0.54Ti0.46)O3处，压电性能、介电常数都达到最大值，烧结性能也很好，被命名为PZT 陶瓷。

第二章晶体缺陷

2G ⎛ 2πW ⎞ τp = ⋅ exp⎜ − ⎟ (1 − v) b ⎠ ⎝
⎡ 2G 2π a ⎤ exp ⎢ − = (1 − v ) (1 − v ) b ⎥ ⎣ ⎦ 晶体滑移为什么多是沿着晶体中晶面间距最大的最密排面和原子密排方向进行？
31
式中b：滑移方向上原子间距 G：切变模量 v：泊松比 W为位错宽度，W=a/1-v，a为晶面间距
11
2.2.1 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
2.位错的攀移
攀移为“非守恒运动”
空位引起的正攀移
负攀移
32
2.2.3 位错的弹性性质
1.位错的应力场位错的存在，在其周围的点阵发生不同程度的畸变中心部分畸变程度最为严重，为位错中心区，这部分超出了弹性应变范围，不讨论仅讨论中心区以外的弹性畸变区借助各向同性的弹性连续介质模型讨论位错的弹性性质
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。
30
位错由1→2经过不对称状态，位错必越过一势垒才能前进。位错移动受到一阻力——点阵阻力，又叫派—纳力（PeirlsNabarro），此阻力来源于周期排列的晶体点阵。
49
刃型肖克莱不全位错在（110）面上的投影只能滑移，不能攀移
50
弗兰克（Frank）不全位错
（a）面心立方结构（b）密排六方结构密排面的堆垛顺序

金属材料与热处理材料的结构晶体结构和缺陷

影响金属结晶后晶粒大小的因素
成核率：晶核产生的速度，以每单位时间在单位体积液体中所产生的晶核数目来表示
长大率：指晶体生长的线速度影响成核率N和长大速率G最主要的因素：结晶时的过冷度和
液体中的不熔杂质。过冷度的影响
结晶时的冷却速度愈大，其过冷度也愈大，结晶后金属的晶粒便愈细小。
液体中不熔杂质的影响：可显著加速晶核的形成，使金属的晶粒细化，
24. α-Fe和γ-Fe都是面心晶格。( )
选择题 :
25. 下列那种物质是非晶体。( )
a. 松香 b. 石蜡
c. 水晶
26. 下列那种金属是体心立方晶格。(
a.a-Fe
b. 钼
c. 铜
27.下列那种金属是面心立方晶格。(
a. 铬
b. 铝
c. 镍
d. 普通玻璃 ) d. 钨
) d.γ-Fe
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第二章金属的晶体结构与结晶
第一节金属的晶体的结构晶体与非晶体
晶体：原子（或分子）按一定的几何规律作周期性地排列
非晶体：这些质点是无规则地堆积在一起，如普通玻璃、松香、石蜡等
晶体与非晶体在性能上也有区别，晶体具有固定的熔点，且在不同方向上具有不同的性能，即表现出晶体的各向异性
晶体和非晶体在一定条件下可以互相转化
7.在同一晶格的不同晶面和晶向上原子排列的疏密程度不同, 原子间的结合力也就不同,从而在不同的晶面和晶向上显示不同的性能, 这就是晶体具有( )。
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8. 晶体內部其晶格向位是完全一致的则这种晶体为 ( ) 。 9.小晶体的外形呈不规则的颗粒状称( )

第二章晶体构与晶体中的缺陷

第二章晶体结构与晶体中的缺陷1、证明等径圆球面心立方最密堆积的空隙率为25.9％。

解：设球半径为a ，则球的体积为4/3πa 3，求的z=4，则球的总体积（晶胞）4×4/3πa 3，立方体晶胞体积：33216)22(a a =，空间利用率=球所占体积/空间体积=74.1%，空隙率=1-74.1%=25.9%。

2、金属镁原子作六方密堆积，测得它的密度为1.74克/厘米3，求它的晶胞体积。

解：ρ=m/V =1.74g/cm 3，V=1.37×10-22。

3、根据半径比关系，说明下列离子与O 2-配位时的配位数各是多少? 解：Si 4+ 4； K + 12； Al 3+ 6； Mg 2+ 6。

4、一个面心立方紧密堆积的金属晶体，其原子量为M ，密度是8.94g/cm 3。

试计算其晶格常数和原子间距。

解：根据密度定义，晶格常数)(0906.0)(10906.094.810023.6/(43/13/183230nm M cm M M a =⨯=⨯⨯=- 原子间距= )(0641.02/0906.0)4/2(223/13/1nm M M a r ==⨯=5、试根据原子半径R 计算面心立方晶胞、六方晶胞、体心立方晶胞的体积。

解：面心立方晶胞：3330216)22(R R a V ===六方晶胞（1/3）：3220282/3)23/8()2(2/3R R R c a V =•••=•= 体心立方晶胞：333033/64)3/4(R R a V ===6、MgO 具有NaCl 结构。

根据O 2-半径为0.140nm 和Mg 2+半径为0.072nm ，计算球状离子所占据的体积分数和计算MgO 的密度。

并说明为什么其体积分数小于74.05%？解：在MgO 晶体中，正负离子直接相邻，a 0=2(r ++r -)=0.424(nm)体积分数=4×(4π/3)×(0.143+0.0723)/0.4243=68.52%密度=4×(24.3+16)/[6.023×1023×(0.424×10-7)3]=3.5112(g/cm 3)MgO 体积分数小于74.05%，原因在于r +/r -=0.072/0.14=0.4235>0.414，正负离子紧密接触，而负离子之间不直接接触，即正离子将负离子形成的八面体空隙撑开了，负离子不再是紧密堆积，所以其体积分数小于等径球体紧密堆积的体积分数74.05%。

第二章金属晶体的缺陷

主要内容
2.1 点缺陷 2.2 位错的基本概念 2.3 位错的运动 2.4 位错的弹性性质 2.5 实际晶体结构中的位错 2.6 位错源和位错增殖 2.7 位错的实际观测 2.8 金属界面
引言
实际晶体中，或多或少地存在偏离理想结构的区域，此即为：晶体缺陷。
1.点缺陷：空位、间隙原子、溶质原子。 2.线缺陷：位错。 3.面缺陷：晶界、相界、孪晶界、堆垛层错。
N N n
C
n
u S f
e kT k
u
Ae kT
N
Sf
式中 A e k 是由振动熵决定的系数，一般估计在1~10之间。
对于间隙原子也可用同样方法求得类似公式。
应用时需求出空位或间隙原子的形成能。
点缺陷的形成能包括电子能（缺陷对晶体中电子状态的影响）和畸变能。
空位形成能中，电子能是主要的；间隙原子，则畸变能使主要的。
用统计热力学方法计算平衡条件下的空位浓度。
由热力学知道自由能 F U TS
F nuv T (nS f Sc )
（2-1）
Sc k ln N(N 1)...(N n 2)(N n 1) N !
n!
(N n)!n!
SC
k
ln
(N
N! n)!n!
代入（2-1）得：
N! F nuv nTS f kT ln (N n)!n!
图2-8 图2-9
2）螺型位错：当螺型位错移过整个晶体后，在晶体表面形成的滑移台阶宽度也等于柏氏矢量，其结果与刃型位错是完全一样的。但它不像刃型位错那样有确定的滑移面，而可以在通过位错线的任何原子平面上滑移。
图2-10
3）混合型位错
图2-11
图2-12

第二章晶体结构与晶体中的缺陷

第二章晶体结构与晶体中的缺陷内容提要：通过讨论有代表性的氧化物、化合物和硅酸盐晶体结构，用以掌握与本专业有关的各种晶体结构类型。

介绍了实际晶体中点缺陷分类；缺陷符号和反应平衡。

固熔体分类和各类固熔体、非化学计量化学化合物的形成条件。

简述了刃位错和螺位错。

硅酸盐晶体结构是按晶体中硅氧四面体在空间的排列方式为孤岛状、组群状、链状、层装和架状五类。

这五类的[SiO4]四面体中，桥氧的数目也依次由0增加到4, 非桥氧数由4减至0。

硅离子是高点价低配位的阳离子。

因此在硅酸盐晶体中，[SiO4] 只能以共顶方式相连，而不能以共棱或共面方式相连。

表2-1列出硅酸盐晶体结构类型及实例表2-1 硅酸盐晶体的结构类型真实晶体在高于0K的任何温度下，都或多或少地存在着对理想晶体结构的偏离，即存在着结构缺陷。

晶体中的结构缺陷有点缺陷、线缺陷、面缺陷和复合缺陷之分，在无机材料中最基本和最重要的是点缺陷。

点缺陷根据产生缺陷的原因分类，可分为下列三类：（1）热缺陷（又称本征缺陷）热缺陷有弗仑克儿缺陷和肖特基缺陷两种基本形式。

弗仑克儿缺陷是指当晶格热震动时，一些能量足够大的原子离开平衡位置而挤到晶格点的间隙中，形成间隙原子，而原来位置上形成空位，这种缺陷称为弗仑克儿缺陷。

肖特基缺陷是指如果正常格点上原子，热起伏后获得能量离开平衡位置，跃迁到晶体的表面，而在原正常格点上留下空位，这种缺陷称为肖特基缺陷。

（2）杂质缺陷（非本征缺陷）（3）非化学计量化学化合物为了便于讨论缺陷反应，目前广泛采用克罗格-明克（Kroger-Vink）的点缺陷符号（见表2-2）。

表2-2 Kroger-Vink 缺陷符号（以MTX2-为例）缺陷反应方程式书写规则：（1）位置关系。

（2）质量平衡。

（3）电荷守恒。

热缺陷平衡浓度n/N :n/N二exp（- ： G t/2kT）其中n——TK时形成n个孤立空位；G t――热缺陷形成自由焓；h――波儿兹曼常数。

第二章4 晶体结构与塑性变形之小结

冷加工: 冷加工: 在金属的再结晶温度以下的塑性变形加工。如低碳钢的冷轧、冷拔、冷冲等，变形加工。如低碳钢的冷轧、冷拔、冷冲等，有加工硬化的现象产生。有加工硬化的现象产生。热加工: 热加工在金属的再结晶温度以上的塑性变形加工。如碳钢的热轧、锻造等，形加工。如碳钢的热轧、锻造等，因有动态再结晶发生, 无加工硬化现象产生。结晶发生无加工硬化现象产生
一﹑金属的晶体结构
1.三种常见的金属晶体结构: 三种常见的金属晶体结构:
体心立方晶格; 面心方晶格; 体心立方晶格; 面心方晶格; 密排六方立方晶格单晶体：晶体内部的晶格位相完全一致。单晶体：晶体内部的晶格位相完全一致。多晶体：由许多小单晶体组合成的晶体。多晶体：由许多小单晶体组合成的晶体。实际金属晶体是多晶体结构。晶体是多晶体结构。
三、回复和再结晶
(一).回复加热温度较低，晶内原子移动,点线缺陷复合消失、减少。加热温度较低，晶内原子移动,点线缺陷复合消失、减少。晶粒和显微组织仍保持变形后的形态，不发生明显变化。粒和显微组织仍保持变形后的形态，不发生明显变化。强度和硬度只略有降低，塑性有所增高，残余应力大大降低。强度和硬度只略有降低，塑性有所增高，残余应力大大降低。去应力退火就是利用回复过程、消除冷变形金属残余内应力，去应力退火就是利用回复过程、消除冷变形金属残余内应力，保留加工硬化效果的工艺方法。保留加工硬化效果的工艺方法。 (二).再结晶加热温度较高，原子扩散能力增大，被压扁拉长、加热温度较高，原子扩散能力增大，被压扁拉长、破碎的晶粒重新生核、长大变成新的均匀、粒重新生核、长大变成新的均匀、细小的等轴晶称再结晶再结晶后，内应力全部消失，金属的强度和硬度明显降低，再结晶后，内应力全部消失，金属的强度和硬度明显降低，而塑性和韧性大大提高,加工硬化现象被消除。而塑性和韧性大大提高,加工硬化现象被消除。物理、化学性能基本上恢复到变形前的水平,晶格类型不变。物理、化学性能基本上恢复到变形前的水平,晶格类型不变。 ).晶粒长大 (三).晶粒长大继续加热保温会发生晶粒长大。继续加热保温会发生晶粒长大。粗大的晶粒组织使金属的强硬度、塑性、韧性等机械性能都显著降低。度、硬度、塑性、韧性等机械性能都显著降低。

第二章晶体缺陷4

五、具体晶体结构与位错（一）、实际晶体结构中的位错以上所述的位错，只是考虑在连续介质或简单立方晶体中的情况。

而实际上大部分金属具有面心立方、体心立方或密集六方的晶体结构。

下面讨论具体晶体结构中有位错存在的情况，他们的性质和行为与简单立方晶体结构的情况是不相同的。

（1）完全位错和分位错完全位错---柏氏矢量为单位点阵矢量或其倍数的称为全位错。

其中，柏氏矢量恰好等于单位点阵矢量的称为单位位错。

不全位错---柏氏矢量不等于点阵矢量整数倍的称为不全位错；柏氏矢量小于点阵矢量的称为部分位错。

实际晶体结构中，位错的柏氏矢量不能是任意的，它要符合晶体的结构条件和能量条件。

结构条件---柏氏矢量必须连接一个原子平衡位置到另一平衡位置。

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。

能量条件---由于位错能量正比于2b，柏氏矢量越小越好。

能量较高的位错是不稳定的，往往通过位错反应分解为能量较底的位错组态。

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。

(2)与晶体结构有关的位错柏氏向量的表示与具体晶体结构有关的位错其柏氏向量可用以下方法表示，,,νμw 表示晶胞边的长度，如相应的取X 、Y 、Z 轴作此晶体的坐标，柏氏向量在X 、Y 、Z 轴上的分量假定为ωνμc c c ,,，则可以用[]μνωc 表示柏氏向量的方向和大小。

例如，面心立方晶体，其晶格常数为a ，而它的全位错的柏氏向量的大小是面对角线的1/2，即a 22。

沿[]110方向的柏氏向量在X ，Y ，Z 轴上的分量为2,0,.2a a -，因此柏氏向量可以表示为[]1102a ，如以晶格常数a 作单位，也可写为[]11021。

柏氏向量的大小可以表示为222ωνμ++c 。

面心立方点阵，最短的点阵矢量为原点到]0,21,21[，可用1102a表示，其长度为22a b =；次短的点阵矢量为100a ，长度为b=a 。

从能量角度来看，柏氏矢量为1102a的位错只有100a 的一半，所以在面心立方晶体中单位位错是1102a 。

晶体结构缺陷

56第二章晶体结构缺陷我们在讨论晶体结构时，是将晶体看成无限大，并且构成晶体的每个粒子（原子、分子或离子）都是在自己应有的位置上，这样的理想结构中，每个结点上都有相应的粒子，没有空着的结点，也没有多余的粒子，非常规则地呈周期性排列。

实际晶体是这样的吗？测试表明，与理想晶体相比，实际晶体中会有正常位置空着或空隙位置填进一个额外质点，或杂质进入晶体结构中等等不正常情况，热力学计算表明，这些结构中对理想晶体偏离的晶体才是稳定的，而理想晶体实际上是不存在的。

结构上对理想晶体的偏移被称为晶体缺陷。

实际晶体或多或少地存在着缺陷，这些缺陷的存在自然会对晶体的性质产生或大或小的影响。

晶体缺陷不仅会影响晶体的物理和化学性质，而且还会影响发生在晶体中的过程，如扩散、烧结、化学反应性等。

因而掌握晶体缺陷的知识是掌握材料科学的基础。

晶体的结构缺陷主要类型如表2—1所示。

这些缺陷类型，在无机非金属材料中最基本和最重要的是点缺陷，也是本章的重点。

表2—1 晶体结构缺陷的主要类型2.1 点缺陷研究晶体的缺陷，就是要讨论缺陷的产生、缺陷类型、浓度大小及对各种性质的影响。

60年代，F ．A ．Kroger 和H ．J ．Vink 建立了比较完整的缺陷研究理论——缺陷化学理论，主要用于研究晶体内的点缺陷。

点缺陷是一种热力学可逆缺陷，即它在晶体中的浓度是热力学参数（温度、压力等）的函数，因此可以用化学热力学的方法来研究晶体中点缺陷的平衡问题，这就是缺陷化学的理论基础。

点缺陷理论的适用范围有一定限度，当缺陷浓度超过某一临界值(大约在0．1原子％左右)时，由于缺陷的相互作用，会导致广泛缺陷（缺陷簇等）的生成，甚至会形成超结构和分离的中间相。

但大多数情况下，对许多无机晶体，即使在高温下点缺陷的浓度也不会超过上述极限。

缺陷化学的基本假设：将晶体看作稀溶液，将缺陷看成溶质，用热力学的方法研究各种缺陷在一定条件下的平衡。

也就是将缺陷看作是一种化学物质，它们可以参与化学反应——准化学反应，一定条件下，这种反应达到平衡状态。