材料科学基础线缺陷位错
线缺陷和面缺陷
线缺陷和面缺陷在材料科学和工程中，缺陷是指材料在制造、加工或使用过程中出现的各种不规则形态。
这些缺陷可能影响材料的性能，如强度、电导率、热导率等。
根据存在的范围，缺陷可以分为线缺陷、面缺陷和体缺陷。
以下是关于线缺陷和面缺陷的详细解释。
一、线缺陷线缺陷是指沿着材料某一特定方向（通常是晶体结构中的某一方向）分布的缺陷。
这种缺陷可以在晶体内任何位置出现，影响材料的力学、电学和热学性能。
常见的线缺陷包括位错和层错。
1.位错位错是指晶体中某处的原子或离子偏离了正常的晶格位置，形成了一个“线状”的缺陷。
位错是金属材料中最常见的一种缺陷，它对材料的强度、硬度、塑性和韧性等力学性能都有重要影响。
根据形成机制，位错可以分为刃型位错、螺型位错和混合位错等。
2.层错层错是指晶体中相邻的两个原子平面之间出现的错位。
它通常发生在两个不同原子面的交界处，对材料的力学和电学性能有很大影响。
层错的形成与材料中的温度、压力和杂质等因素有关。
二、面缺陷面缺陷是指分布在材料表面或近表面的缺陷。
这类缺陷对材料性能的影响主要表现在表面效应和界面效应上。
常见的面缺陷包括晶界、相界和表面粗糙等。
1.晶界晶界是指多晶体材料中相邻晶粒之间的界面。
由于不同晶粒的晶体取向不同，晶界处会产生一定的应力集中。
晶界对材料的力学性能、电学性能和热学性能都有一定影响。
为了提高材料性能，可以通过优化晶粒尺寸和分布来减少晶界数量。
2.相界相界是指多相材料中不同相之间的界面。
相界处的原子结构和化学成分往往与主体材料不同，导致其性能具有各向异性。
相界对材料的力学性能、电学性能和热学性能都有重要影响。
优化相界结构可以提高材料的综合性能。
3.表面粗糙表面粗糙是指材料表面或近表面的微观不平整性。
它可能是由于加工过程中冷却速度不均匀、材料氧化等原因导致的。
表面粗糙会影响材料的表面能、润湿性、涂层附着力和摩擦学性能等。
通过表面处理技术（如抛光、喷砂等）可以改善表面粗糙度，提高材料的性能。
材料科学基础位错理论
1.1 点缺陷
一、点缺陷的形式与分类
• 金属晶体中，点缺陷的存在形式有：空位、间隙原子，置换原子。 • 半金属Si、Ge中掺入三价和五价杂质元素，晶体中产生载流子，得
到P型（空穴）和N型（电子）半导体材料。 • 离子晶体中，单一点缺陷的出现，晶体将失去电平衡。为了保持电
中性，将以复合点缺陷形式出现，形成能较高。
返回
• 半共格界面：（界面能中等） 当相邻晶粒的晶面间距相差较大时，将由若干位
错来补偿其错配，出现共格区与非共格区相间界面。
AB
半共格界面中的 共格区A +非共格区B
返回
• 非共格界面： （界面能高） 当两相邻的晶粒的晶面间距相差很大时，界面上的
原子排列完全不吻合，出现高缺陷分布的界面。
返回
二、界面结构
螺位错柏氏矢量的确定：
b
右旋闭合回路
完整晶体中回路
•
螺位错
∥
b
右螺
左螺
b b
b b
b
b
返回
混合型位错的柏氏矢量
b
bs
be
be b sin bs b cos
返回
2、柏氏矢量的意义
• 意义在于：通过比较反映出位错周围点阵畸变的总积 累（包括强度和取向）。位错可定义为柏氏矢量不为 零的晶体缺陷。
┻
返回
4、实际晶体中的柏氏矢量
• 实际晶体中位错的 b，通常用晶向表示。
b
a
uvw
n
ra b n
u2 v2 w2
b表示错排的程度，称为位错的强度。一般晶体的滑移是
在原子最密集的平面和最密集的方向上进行，所以沿该方
向造成的位错柏氏矢量，等于最短的滑移矢量。（称为初 基矢量）。这种位错称为单位位错。—— 为b最近邻的原子
材料科学基础四大强化机制
材料科学基础四大强化机制材料科学是研究材料的结构、性能、制备和应用的学科，是现代科学技术的重要基础。
为了提高材料的性能和功能，材料科学基础研究通常会采用一系列的强化机制。
本文将介绍材料科学基础中的四大强化机制，并分别进行详细解析。
一、晶体缺陷强化机制晶体缺陷是指晶体内部的缺陷或畸变，包括点缺陷、线缺陷和面缺陷等。
晶体缺陷强化机制是通过引入和控制晶体缺陷，来提高材料的力学性能和稳定性。
点缺陷可以通过合金元素的掺杂来引入，从而改变晶体的结构和性能。
线缺陷可以通过外加应力或热处理来引入，从而阻碍晶体的滑移和变形，提高材料的强度和硬度。
面缺陷可以通过晶粒细化和相界强化来实现，从而提高材料的塑性和韧性。
二、相变强化机制相变是指材料在温度、压力或组分等条件改变下发生的结构转变。
相变强化机制是通过控制材料的相变行为，来调控材料的性能和结构。
例如，通过合金化和热处理，可以控制材料的相变温度和相变速率，从而改变材料的硬度、强度和韧性。
此外，相变还可以引发材料的形状记忆效应和超弹性等特殊性能。
三、晶界强化机制晶界是指晶体之间的界面或界面区域，是晶体内部的缺陷和畸变的集中位置。
晶界强化机制是通过控制和调控晶界的结构和性质，来提高材料的力学性能和稳定性。
晶界可以通过晶粒尺寸控制和晶界工程来实现强化。
晶粒尺寸的减小可以提高材料的塑性和韧性，而晶界工程可以通过合金元素的添加和热处理来调控晶界的能量和结构，从而提高材料的强度和硬度。
四、位错强化机制位错是材料中晶格的缺陷和畸变，是材料塑性变形的基本单位。
位错强化机制是通过控制和调控位错的密度和类型，来提高材料的力学性能和稳定性。
位错可以通过外加应力和热处理来引入和操控，从而阻碍材料的滑移和变形，提高材料的强度和硬度。
位错还可以引发材料的弹性形变和塑性形变等特殊性能。
总结起来，材料科学基础中的四大强化机制分别是晶体缺陷强化、相变强化、晶界强化和位错强化。
这些强化机制通过引入和控制材料的缺陷、相变、晶界和位错等结构特征，可以有效地提高材料的力学性能和稳定性，为材料科学和工程提供了重要的理论和实践基础。
材料科学基础第三章晶体缺陷
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。
（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
2 Ar a 3 N A 8.57 (3.294108 )3 6.0231023 x 1 2 Ar 2 92.91 7.1766103 106 7.1766103 7176 .6(个） 所以， 106 个Nb中有7176 .6个空位。
a NA
作业：
二.本章重点及难点 1、点缺陷的形成与平衡浓度 2、位错类型的判断及其特征、伯氏矢量的特征和物理意义 3、位错源、位错的增殖(F-R源、双交滑移机制等)和运动、 交割
4、关于位错的应力场可作为一般了解
5、晶界的特性(大、小角度晶界)、孪晶界、相界的类型
维纳斯“无臂” 之美更深入人心
处处留心皆学问
2.点缺陷的形成（本征缺陷的形成）
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
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。
材料科学基础位错理论
材料科学基础位错理论位错理论是材料科学领域中的重要概念之一、它是位错理论与晶体缺陷之间相互关联的核心。
本文将从位错的定义、分类和特征出发，进一步介绍位错理论的基本原理和应用。
首先，位错是固体晶体结构中的一种缺陷。
当晶体晶格中发生断裂、错位或移动时，就会形成位错。
位错可以被看作是晶体中原子排列的异常，它具有一定的形态、构型和特征。
根据位错发生的方向和类型，位错可分为直线位错、面位错和体位错。
直线位错是沿晶体其中一方向上的错排，常用符号表示为b。
直线位错一般由滑移面和滑移方向两个参数来表征。
滑移面是指位错的平移面，滑移方向是位错在晶体中的移动方向。
直线位错可以进一步分为边位错和螺位错。
边位错的滑移面为滑移方向的垂直面，螺位错则是在滑移面上存在沿位错线方向扭曲的位错。
面位错是晶体晶格上的一次干涉现象，即滑移面上的两部分之间发生错排。
面位错通常由面位错面和偏移量来描述。
面位错可以是平面GLIDE面位错、垂直GLIDE面位错或螺脚面位错。
体位错是沿体方向上的排列不规则导致的位错。
体位错通常是由滑移面间的晶体滑移产生的。
位错理论的基本原理是通过研究位错在晶体中的移动机制和相互作用，来理解材料的塑性变形和力学行为。
位错理论最早由奥斯勒(Oliver)于1905年提出，他认为材料的塑性变形是由于位错在晶体中游走和相互作用所引起的。
这一理论为后来的位错理论奠定了基础。
位错理论的应用非常广泛。
在材料加工和设计中，位错理论被广泛用于控制材料的力学性能和微观结构。
通过控制位错的生成、运动和相互作用，可以获得理想的材料性能。
同时，位错理论也被用于研究材料的磁性、电子输运和热传导性能等方面。
此外，位错理论也在材料的缺陷工程和腐蚀研究中发挥着重要作用。
通过控制位错的形态和分布，在材料中引入有利于抵抗腐蚀的位错类型，可以提高材料的抗腐蚀性能。
位错理论也可以用于解释材料的断裂行为和疲劳寿命等方面。
总结起来，位错理论是材料科学基础中的重要内容。
第3章点缺陷、位错的基本类型和特征_材料科学基础
缺
陷
陷，如Fe1－xO、Zn1+xO等晶体中的缺陷。
特点：其化学组成随周围气氛的性质及其分压大
小而变化。是一种半导体材料。
4. 其它原因，如电荷缺陷，辐照缺陷等
6
第
三
3.1 点缺陷
章
1. 基本概念：如果在任何方向上缺陷区的尺寸
晶
体
都远小于晶体或晶粒的线度，因而可以忽略
缺
不计，那么这种缺陷就叫做点缺陷。 点缺陷
T 100K 300K 500K 700K 900K 1000K n/N 10-57 10-19 10-11 10-8.1 10-6.3 10-5.7
14
3.1
点 4. 点缺陷的产生
缺
陷 ➢ 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。
15
3.1
点 5. 点缺陷的运动：迁移、复合－浓度降低；聚集
需的能量，叫空位移动能Em。自扩散激活能 相当于空位形成能与移动能的总和。
17
3.1
6. 点缺陷与材料行为
点
缺 （1）结构变化：晶格畸变（如空位引起晶格收
陷
缩，间隙原子引起晶格膨胀，置换原子可引
起收缩或膨胀。）；形成其他晶体缺陷（如
过饱和的空位可集中形成内部的空洞，集中
一片的塌陷形成位错。）
（2）性能变化：物理性能：如电阻率增大，密 度减小。力学性能：屈服强度提高（间隙原 子和异类原子的存在会增加位错的运动阻 力。）加快原子的扩散迁移
位错运动导致晶体滑移的方向；该矢量的模|b|表示
了畸变的程度，即位错强度。
② 柏氏矢量的守恒性：柏氏矢量与回路起点及其具体途 径无关。一根不分岔的位错线，不论其形状如何变化 （直线、曲折线或闭合的环状），也不管位错线上各 处的位错类型是否相同，其各部位的柏氏矢量都相同； 而且当位错在晶体中运动或者改变方向时，其柏氏矢 量不变，即一根位错线具有唯一的柏氏矢量。
材料科学基础结构缺陷详解
第一节 点缺陷
1-2 点缺陷的平均浓度
Material
以空位平均浓度为例：
C Aexp( Ev kT)
式中：C —— 空位的平均浓度； A —— 缺陷形成的自由能； k —— 波尔兹曼常数； T —— 温度；
上式说明：点缺陷的平均浓度与温度密切相关，温度越高，C以指数 规律急剧增大。
b
a
uvw，其
n
中n是与点阵类型有关的常数。柏氏矢量的模
a b
u2 v2 w2
。
n
四、位错的柏氏矢量( b )
7. 位错密度
Material
位错的密度包括以下两种： •体密度（ρv ) •面密度（ ρs )
第一节 点缺陷
1-1 点缺陷的类型及形成(续）
Material
有动 画哦
(a)Schottky空位形成示意图
(b)Frankel空位形成示意图
第一节 点缺陷
1-1 点缺陷的类型及形成(续）
Material
④点缺陷形成能： 点缺陷形成能＝电子能＋畸变能
（空位形成能中，电子能是主要的；间隙原子形成能，畸变能是主 要的。） 间隙原子形成能 > 空位形成能 Frankel 空位形成能＝空位形成能 ＋ 间隙原子形成能（约为4ev），
材料科学基础
第一讲 晶体中的结构缺陷
缺陷在空间的分布情况
缺陷在空间的分布有如下三种情况：
Guidelines
①点缺陷： 是零维缺陷，包括空位、间隙原子、置换原子等；
②线缺陷： 是一维缺陷，即位错；
③面缺陷： 是二维缺陷，包括晶界、相界、孪晶界、堆垛层错等；
缺陷在空间的分布情况
晶体缺陷-线缺陷讲解
（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；
（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 A 能滑移；
（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；
（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。
H D
错中心附近的原子沿柏氏矢量方向在滑移面上不断 地作少量的位移（小于一个原子间距）而逐步实现 的。（刃型位错和螺型位错均可发生） 4.2 位错的攀移
刃型位错在垂直于滑移面的方向上运动，即发 生攀移。实质上就是构成刃型位错的多余半原子面 的扩大或缩小。（螺型位错没有多余的半原子面， 因此不会发生攀移运动）
12
三.柏氏矢量
(a) 实际晶体
(a) 理想晶体
13
三.柏氏矢量
3.2 右手法则（确定刃型位
错的正负）： 先人为的规定位错线方向，
用右手的拇指、食指和中指构 成直角坐标，以食指指向位错 线的方向，中指指向柏氏矢量 的方向，则拇指的指向代办多 余半原子面的位向，且规定拇 指向上者为正刃型位错；反之 为负刃型位错。
（2）线缺陷：特征是在两个方向上尺寸很小，另外一 个方向上延伸较长。如各种位错；
（3）面缺陷：特征是在一个方向上尺寸很小，另外两 个方向上扩展很大。如晶界、孪晶界等。
5
二.位错（dislocation)
2.1 位错的定义：晶体的线缺陷表现为各种
类型的位错。即晶体中某处一列或若干列原 子有规律的错排。
3.1 柏氏矢量的确定：柏氏矢量可通过
柏氏回路（Burgers circuit）来确定。 在含有位错的实际晶体中作一个包含位 错发生畸变的回路，然后将这同样大小 的回路置于理想晶体中，此时回路将不 能封闭，需引一个额外的矢量b连接回路 ，才能使回路闭合，这个矢量b就是实际 晶体中位错的柏氏矢量。如图所示： a ）实际晶体（b) 完整晶体
3-1点缺陷&3-2--西安交大材料科学基础
或螺型，它们的运动方向总是与位错线 垂直的，而位错通过后，晶体所产生的 滑移方向就不同了，对于刃位错，晶体 的滑移方向与位错运动方向是一致的， 而螺位错引起的晶体滑移方向与位错运 动方向垂直。
位错环的滑移特征，如图4-20，位错 在滑移面上自行封闭形成位错环，位错 环的柏氏矢量正好处于滑移面上，所以 可以理解为 上页 下页
熵值的增加随缺陷数量的变化是 非线性的，（如图4-3）所示少量点缺 陷的存在使熵增快速增加，继续增加点 缺陷使熵增变化逐渐变缓。ΔU和ΔS这 两项相反作用的结果使自由能变化ΔA
上页
下页
的走向如图4-3的中间曲线所示，先 随晶体中缺陷数目的增多，自由能逐 渐降低，然后又逐渐增高，这样体系 中在一定温度下存在着一个平衡的点 缺陷浓度，在该浓度下体系的自由能 最低。也就是说由热振动产生的点缺 陷属于热力学平衡缺陷，晶体中存在 这些缺陷使自由能是降低的；相反， 如果没有这些却陷，自由能反而升高。
概 述
点缺陷
空位 间隙原子与杂质原子 刃型: 螺型:
晶 线缺陷:位错 体 缺 陷
面缺陷
t ^b t b 混合型: t ∧b
晶界 亚晶界 孪晶界 相界
界面 表面
返回 下页
堆垛层错
前边讨论的大都是理想的晶体结构， 在理想的晶体结构中，所有的原子都处 于规则的晶体学位置上，也就是平衡位 置上。但人们很早就发现在实际晶体中， 并不是那麽完整无缺的，原子的排列不 可能绝对规则和完整，总是存在着偏离 完整性的区域，对此称为晶体缺陷。根 据晶体缺陷的几何形态特征，一般将它 分为三类：点缺陷、线缺陷和面缺陷。 后退 下页
τ
b
τ∧ b
上页 下页
混合型位错的原子组态
螺型位错与刃型位错的区别 （1）螺型位错中不存在多余半原子面， 而是垂直于位错线的原子平面发生了螺 旋状的扭曲。 （2）螺位错线的b与其位错线相平行， 而刃位错线的b与其位错线相互垂直，这 是区别螺位错与刃位的主要依据。 （3）螺型位错可分为左螺型位错和右螺 型位错，与正负刃位错不同，左右螺型 位错是不能相互转化的，不管从哪个。 上页 下页
材料科学基础I 7-2 线缺陷——位错的基本概念
即，晶体滑移方向与位错运动方向一致。
2、刃型位错的结构
如左图所示，晶体中多余的 半原子面好象一片刀刃切入晶 体中，沿着半原子面的“刃 边”，形成一条间隙较大的 “管道”，该“管道”周围附 近的原子偏离平衡位置，造成 晶格畸变。刃型位错包括“管 道”及其周围晶格发生畸变的 范围，通常只有3到5个原子间 距宽，而位错的长度却有几百 至几万个原子间距。刃位错用 符号“⊥”表示。
3、柏氏矢量b的守恒性
如果若干条位错线交于一点，此交汇点称为节点，那么“流 入”节点的位错线的柏氏矢量之和等于“流出”节点的位错线 的矢量之和。
biin
bout j
推论：一条位错线只能有一个柏氏矢量。
四、混合型位错
混合型位错是由刃型位错和 螺型位错混合而成的。混合型 位错用m表示。
由于混合型位错是由刃型位 错和螺型位错合成的，所以它 的柏氏矢量也是由这二个柏氏 矢量合成的。或者说，混合型 位错的柏氏矢量可以分解成二 个矢量：一个和位错线垂直， 是刃型位错的柏氏矢量；一个 和位错线平行，是螺型位错的 柏氏矢量。
§7-2 线缺陷——位错的基本概念
线缺陷(linear defects)又称为位错(dislocation)。也就是说， 位错是一种线型的晶体缺陷，位错线周围附近的原子偏离自己 的平衡位置，造成晶格畸变。
位错有两种基本类型： 刃型位错 (edge dislocation) 螺型位错 (screw dislocation) 混合位错 (mixed dislocations)，实际晶体中的位错往往既不 是单纯的螺位错，也不是单纯的刃位错，而是它们的混合形式， 故称之为混合位错。
3、左、右旋螺型位错的规定
材料科学基础I__7-2___线缺陷——位错的基本概念
b)中：AB、CD段与柏氏矢量b垂直，所以是单纯的刃型位错， AC、BD段与柏氏矢量b平行，所以是单纯的螺型位错。
即，晶体滑移方向与位错运动方向垂直。
2、螺型位错的结构
如右图所示，上半部分晶体的右 边相对于它下面的晶体移动了一个 原子间距。在晶体已滑移和未滑移 之间存在一个过渡区，在这个过渡 区内的上下二层的原子相互移动的 距离小于一个原子间距，因此它们 都处于非平衡位置。这个过渡区就 是螺型位错，也是晶体已滑移区和 未滑移区的分界线。之所以称其为 螺型位错，是因为如果把过渡区的 原子依次连接起来可以形成“螺旋 线”。螺位错用环形箭头或用s表 示。
的柏氏矢量也是由这二个柏氏
矢量合成的。或者说，混合型 位错的柏氏矢量可以分解成二
个矢量：一个和位错线垂直，
是刃型位错的柏氏矢量；一个 和位错线平行，是螺型位错的
柏氏矢量。
五、位错密度
晶体中位错的量（多少）通常用位错密度来表示：
S V
V——晶体的体积，cm3
(cm / cm 3 )
S——该晶体中位错线的总长度，cm 为了简便，把位错线当成直线，而且是平行地从晶体的一面 到另一面，这样上式可变为：
分界面， l×v所指向的那部分晶体必沿着b方向运动。
这个规则对刃型位错、螺形位错、混合型位错的任何运动 （滑移、攀移）都适用。 l
v
二、螺型位错的运动
螺型位错只能滑移，不能攀移。 动画
螺型位错的运动方向v与位错线l、柏氏矢量b垂直： v⊥ l // b
三、混合位错的运动
混合位错只有一个柏氏矢量，
§7-2 线缺陷——位错的基本概念
线缺陷(linear defects)又称为位错(dislocation)。也就是说，
材料科学基础重点总结 2 空位与位错
第2章晶体缺陷晶体缺陷实际晶体中某些局部区域，原子排列是紊乱、不规则的，这些原子排列规则性受到严重破坏的区域统称为“晶体缺陷”。
晶体缺陷分类：1)点缺陷：如空位、间隙原子和置换原子等。
2)线缺陷：主要是位错。
3)面缺陷：如晶界、相界、层错和表面等。
2.1 点缺陷空位——晶体中某结点上的原子空缺了，则称为空位。
点缺陷的形成：肖特基空位：脱位原子迁移到晶体表面或者内表面的正常结点位置，从而使晶体内部留下空位，这样的空位称为肖特基(Schottky)空位。
（内部原子迁移到表面）肖特基(Schottky)空位弗仑克耳(Frenkel)空位弗仑克耳空位：脱位原子挤入点阵空隙，从而在晶体中形成数目相等的空位和间隙原子，称为弗仑克耳(Frenkel)空位。
（由正常位置迁移到间隙）外来原子：外来原子也可视为晶体的点缺陷，导致周围晶格的畸变。
外来原子挤入晶格间隙（间隙原子），或置换晶格中的某些结点（置换原子）。
空位的热力学分析：空位是由原子的热运动产生的，晶体中的原子以其平衡位置为中心不停地振动。
对于某单个原子而言，其振动能量也是瞬息万变的，在某瞬间原子的能量高到足以克服周围原子的束缚，离开其平衡位置从而形成空位。
空位是热力学稳定的缺陷点缺陷的平衡浓度系统自由能F=U- TS (U为内能，S为总熵值，T为绝对温度)平衡机理：实际上为两个矛盾因素的平衡a 点缺陷导致弹性畸变使晶体内能U增加，使自由能增加，降低热力学稳定性b 使晶体中原子排列混乱度增加，熵S增加，使自由能降低，增加降低热力学稳定性熵的变化包括两部分：①空位改变它周围原子的振动引起振动熵，Sf。
②空位在晶体点阵中的存在使体系的排列方式大大增加，出现许多不同的几何组态，使组态熵Sc增加。
空位浓度，是指晶体中空位总数和结点总数(原子总数)的比值。
随晶体中空位数目n的增多，自由能先逐渐降低，然后又逐渐增高，这样体系中在一定温度下存在一个平衡空位浓度，在平衡浓度下，体系的自由能最低。
位错基本理论
直到1950年后，电子显微镜实 验技术的发展，才证实了位错 的存在及其运动。
TEM下观察到不锈钢316L (00Cr17Ni14Mo2) 的位错线与位错缠结
26
位错类型： 位错：实质上是原子的一种特殊组态，熟悉其结构特点是掌
左螺型位错。
螺型位错特点
36
1）无额外半原子面，原子错排是呈轴对称的。
2）螺位错线与滑移矢量平行，故一定是直线，且位错线的 移动方向与晶体滑移方向互相垂直。
3）纯螺位错滑移面不唯一的。凡包含螺型位错线的平面都 可为其滑移面，故有无穷个，但滑移通常在原子密排面上， 故也有限。
晶体是不完整的，而有缺陷的。 滑移也不是刚性的，而是从晶体中局部薄弱地区(即缺陷处)
开始，而逐步进行的。
待变形晶体
弹性变形
出现位错
晶体的逐步滑移
位错迁移
晶体形状改变，但未断 裂并仍保留原始晶体结
构
25
1934年，泰勒（G.I.Taylor）、波朗依（M.Polanyi）和奥罗万 （E.Orowan）几乎同时从晶体学角度提出位错概念。
人们最早提出对位错的设想，是在对晶体强度作了一系列的 理论计算，发现在众多实验中，晶体的实际强度远低于其理 论强度，因而无法用理想晶体的模型来解释，在此基础上才 提出来的。
21
塑性变形：是提高金属强度和制造金属制品的重要手段。 早在位错被认识前，对晶体塑性变形的宏观规律已作了广泛
的研究。发现：塑性变形的主要方式是滑移，即在切应力作 用下，晶体相邻部分彼此产生相对滑动。
结等过程都与空位的存在和运动有着密切的联系。 （4）过饱和点缺陷（如淬火空位、辐照缺陷）还提高了金
材料科学基础位错部分知识点
材料科学基础位错部分知识点第三章晶体结构缺陷（位错部分）1.刃型位错及螺型位错的特征刃型位错特征：1）刃型位错是由一个多余半原子面所组成的线缺陷；2）位错滑移矢量(柏氏向量)垂直于位错线，而且滑移面是位错线和滑移矢量所构成唯一平面；3）位错的滑移运动是通过滑移面上方的原子面相对于下方原子面移动一个滑移矢量来实现的；4）刃型位错线的形状可以是直线、折线和曲线；5）晶体中产生刃型位错时，其周围的点阵发生弹性畸变，使晶体处于受力状态，既有正应变，又有切应变。
螺型位错特征：1)螺型位错是由原子错排呈轴线对称的一种线缺陷；2)螺型位错线与滑移矢量平行，因此，位错线只能是直线；3)螺型位错线的滑移方向与晶体滑移方向、应力矢量方向互相垂直；4)位错线与滑移矢量同方向的为右螺型位错；为此系与滑移矢量异向的为左螺型位错。
刃型位错螺型位错位错线和柏氏矢量关系（判断位错类型）⊥∥滑移方向∥b∥b位错线运动方向和柏氏矢量关系∥⊥相关概念（ppt上的，大概看一看）：A.位错运动与晶体滑移：通过位错运动可以在较小的外加载荷下晶体产生滑移，宏观显现为产生塑性变形。
B.位错线：位错产生点阵畸变区空间呈线状分布。
对于纯刃型位错，其可以描述为刃型位错多余半原子面的下端沿线。
为了与其它类型位错统一，位错线可表述为已滑移区与未滑移区的交界线。
C.混合型位错：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(柏氏矢量b)，这样的位错称为混合位错。
（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。
）=l/V；单位面积内位错条数来表示位错密度：D.错位密度：单位体积内位错线的长度：ρv=n/S。
（金属中位错密度通常在106~8—1010~121/c㎡之间。
）ρs2.柏氏矢量：1）刃型位错和螺型位错的柏氏矢量表示：2）柏氏矢量的含义：柏氏矢量反映出柏氏回路包含的位错所引起点阵畸变的总累计。
材料科学基础四大强化机制
材料科学基础四大强化机制材料科学是一门研究材料性质、结构和性能的学科，它涉及到多个学科领域，如物理学、化学、力学等。
为了深入了解和掌握材料科学的基础知识，人们提出了四大强化机制，即晶格缺陷、固溶体、相变和析出。
这些强化机制在材料的研究和应用中起着重要的作用。
晶格缺陷是材料中晶格结构的缺陷或不完整性。
晶格缺陷可以分为点缺陷、线缺陷和面缺陷。
点缺陷是晶体中原子位置的缺失或替代，如空位、杂质和间隙原子等。
线缺陷是晶体中原子排列的缺陷，如位错和螺旋位错等。
面缺陷是晶体中晶面的缺陷，如晶界和层错等。
晶格缺陷会导致材料的物理和化学性质发生变化，从而影响材料的力学性能和热学性能等。
固溶体是指由两种或多种不同原子组成的晶体。
在固溶体中，原子可以以替代或插入的方式存在。
替代固溶体是指替代原子取代晶体中的原子，而插入固溶体是指插入原子插入晶体的间隙位置。
固溶体的形成可以改变材料的晶体结构和性质，从而强化材料的力学性能和热学性能。
相变是指材料在温度、压力等条件改变时，发生相结构和性质的变化。
相变可以分为一级相变和二级相变。
一级相变是指材料在相变过程中，伴随着潜热的吸收或释放，如固体与液体之间的相变。
二级相变是指材料在相变过程中，没有潜热的吸收或释放，如磁性材料的顺磁性与铁磁性之间的相变。
相变可以通过改变材料的组成和结构来实现材料的强化。
析出是指材料中形成新相的过程。
在固溶体中，当材料处于过饱和状态时，原子会聚集在一起形成新的相，这就是析出。
析出可以通过热处理或其他物理化学方法来实现。
析出会改变材料的晶体结构和性质，从而影响材料的力学性能和热学性能。
晶格缺陷、固溶体、相变和析出是材料科学基础的四大强化机制。
这些机制在材料的研究和应用中起着重要的作用，通过改变材料的结构和性质，实现材料的强化。
研究和掌握这些强化机制对于材料科学的发展和应用具有重要意义，也为人们创造出更高性能的材料提供了基础。
材料科学基础基本概念-名词解释
材料科学基础基本概念-名词解释单晶体：是指在整个晶体内部原子都按照周期性的规则排列。
多晶体：是指在晶体内每个局部区域里原子按周期性的规则排列，但不同局部区域之间原子的排列方向并不相同，因此多晶体也可看成由许多取向不同的小单晶体（晶粒）组成点缺陷（Point defects）：最简单的晶体缺陷，在结点上或邻近的微观区域内偏离晶体结构的正常排列。
在空间三维方向上的尺寸都很小，约为一个、几个原子间距，又称零维缺陷。
包括空位vacancies、间隙原子interstitial atoms、杂质impurities、溶质原子solutes等。
线缺陷（Linear defects）：在一个方向上的缺陷扩展很大，其它两个方向上尺寸很小，也称为一维缺陷。
主要为位错dislocations。
面缺陷（Planar defects）：在两个方向上的缺陷扩展很大，其它一个方向上尺寸很小，也称为二维缺陷。
包括晶界grain boundaries、相界phase boundaries、孪晶界twin boundaries、堆垛层错stacking faults等。
空位：晶体中点阵结点上的原子以其平衡位置为中心作热振动，当振动能足够大时，将克服周围原子的制约，跳离原来的位置，使得点阵中形成空结点，称为空位vacancies肖脱基（Schottky）空位：迁移到晶体表面或内表面的正常结点位置，使晶体内部留下空位。
弗兰克尔（Frenkel）缺陷：挤入间隙位置，在晶体中形成数目相等的空位和间隙原子。
晶格畸变：点缺陷破坏了原子的平衡状态，使晶格发生扭曲，称晶格畸变。
从而使强度、硬度提高，塑性、韧性下降；电阻升高，密度减小等。
热平衡缺陷：由于热起伏促使原子脱离点阵位置而形成的点缺陷称为热平衡缺陷（thermal equilibrium defects），这是晶体内原子的热运动的内部条件决定的。
过饱和的点缺陷：通过改变外部条件形成点缺陷，包括高温淬火、冷变形加工、高能粒子辐照等，这时的点缺陷浓度超过了平衡浓度，称为过饱和的点缺陷(supersaturated point defects) 。
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– The properties of LED depend considerably on the dislocation density in light emission materials such as GaN and SiC (the lower, the better)
Tensile stresses
Represented by symbol - positive dislocation; - negative
Screw dislocation
Representation
AB – dislocation line
Open circles – atom positions above the slip plane; solid circles – atom positions below the slip plane
– To reduce the energy of the system, grains tend to grow to reduce the total grain boundary area.
– Degree of misorientation – low angle boundary (<10o) and high angle boundary (>15o). Low angle boundaries are composed of dislocations
External Surfaces
• Surface atoms are not bonded to the nearest neighbors above the surface, leading to a higher energy state, i.e., a surface energy
• To be stable, materials need to reduce the surface energy.
• Observation of dislocations
Dark lines - dislocations
Plane Defects
Features: two dimensional
Outline
• External surfaces • Grain boundaries • Twin boundaries • Stacking faults • Phase boundaries
– One dislocation just has one b
– For metals, b normally points in a close-packed crystal direction and its magnitude is the interatomic spacing because the slip direction is normally in the close-packed direction
Linear Defect – Dislocations
Features: one dimensional
• Classification and formation
– Edge dislocation and screw dislocation
Edge dislocation
Compressive stresses
• To reduce the surface energy, the materials tend to minimize the total surface area
Grain Boundaries
In polycrystalline materials, a grain boundary is the boundary between two adjacent grains which have different orientations
• Features of grain boundaries
– 2~3 atomic layers thick (0.5~1 nm)
– Within the boundary, there is some atomic mismatch and the density is lower, so the grain boundary is in a higher energy state, leading to a grain boundary energy
Mixed dislocation
• Burgers vector
– Used to indicate the direction and magnitude of the lattice distortion caused by a dislocation
– Denoted as b
– For edge dislocations, b is perpendicular to the dislocation line; for screw dislocations, b is parallel to the dislocation line; for mixed dislocations, b is neither perpendicular nor parallel to the dislocation line
Edge dislocation
Screw dislocation
Mixed dislocation
• Effects of dislocations on the properties of materials
– Play a crucial role in the plastic deformation of materials
Tilt boundary
nt the extent of CSL e.g., 3, 15, etc.