材料的结构与缺陷
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66
➢本章重要知识点：
➢晶体缺陷的种类、形式 ➢位错滑移的基本特点 ➢柏氏矢量与位错线的关系、与晶体滑移的
关系
67
➢反映位错的点阵畸变总量 ➢反映晶体的滑移量及方向 ➢具有守恒性 ➢与位错线有确定的位置关系
30
刃型位错 t , b 与多余半原子面间的右手关系
拇 指： 多余半原子面所在
食指： 位错线方向
中指：
柏氏矢量方向
31
螺型位错 t 与b间的方向关系
32
可用
b
判断位错线的类型
b 0刃型位错
b b右螺型位错
➢类型 肖脱基空位、弗兰克尔空位
➢运动 迁移、复合
➢平衡浓度 c n Aexp( Ev)
N
kT
4
5
空位运动
6
➢2.1.2 间隙原子
➢形成 结晶、高温或辐照
➢平衡浓度 c n Aexp( Ev)
N
kT
➢弗伦克尔空位常与间隙原子伴生
7
➢2.1.3 置换原子
异类原子
8
➢2.1.4 点缺陷对性能的影响
43
➢混合位错的滑移
44
➢ 滑移的共同特点
➢晶体滑移的方向就是位错柏氏矢量的方向 ➢滑移面是最密排面，滑移方向是最密排晶向
滑移的点阵阻力(派-纳力):
p
2G
2 a
e b(1 )
1
a :晶面间距
b : 滑移方向上的原子间距，即柏氏矢量
45
2.2.2 位错的运动
➢2. 刃型位错的攀移
刃型位错在垂直于滑移面方向的的运动。分 正攀移与负攀移。是非保守运动。
异的亚结构之间的界面。
51
1.小角度晶界
➢对称倾侧晶界
晶界模型： 同号刃型位错墙
取向差<10°
无长程应力场 能量低、稳定
52
1.小角度晶界
➢扭转晶界
取向差<10°
晶界模型：两组交叉螺位错的网络
53
➢小角度晶界的能量 界面能低，主要是位错的能量。 位向差越大、位错密度越高，界面能
越高。
54
2.3.2 晶界与亚晶界
61
2.3.4 相界
两种不同晶体结构的相之间的界面 分为共格界面、半共格界面、非共格界面三类 共格界面界面能最低，弹性应变能最高。
62
失配度δ
a a
a
0.05：共格界面 0.05 0.25：半共格界面 0.25：非共格界面
界面能由低到高： 共格界面——半共格界面——非共格界面 弹性应变能由高到低： 共格界面——半共格界面——非共格界面 63
17
➢空位聚集
18
➢结晶
19
2.2.1 位错的基本概念
➢3.柏氏矢量
➢反映位错造成的晶格畸变的大小和方向 ➢避免繁琐的原子模型
20
➢柏氏矢量的确定方法
➢规定
➢位错线垂直向外穿出纸面为正 ➢按右手法则作柏氏回路 ➢回路避开严重畸变区 ➢包含一个位错
21
➢ 刃型位错的柏氏矢量
bt
22
➢ 螺型位错的柏氏矢量
穿过单位面积的位错线的数目
n / A(1/ cm2 )
35
➢实际晶体中的位错网络
36
➢位错密度的显示-蚀坑法
37
2.2.2 位错的运动
➢1.位错的滑移
指位错沿着晶体滑移面的运动，又称保守运动 ➢刃型位错的滑移
38
刃型位错的晶体滑移
39
➢刃型位错滑移的特点
➢滑移面由柏氏矢量与位错线矢量唯一确定 ➢位错的运动方向与晶体滑移方向（即位错
金属材料及热处理
第一篇 材料的结构与缺陷
第二章 晶体缺陷
➢晶体缺陷 是指晶体结构中偏离完整晶格排列的
微观区域。 分为点缺陷，线缺陷，面缺陷。
➢本章提要
➢三类晶体缺陷的形式，分类 ➢晶体缺陷与晶体内相关变化过程的联系
2
2.1 点缺陷
➢ 三维尺度均很小的晶体缺陷。
3
➢2.1.1 空位
➢形成 结晶、高温或辐照
➢ 2.大角度晶界
取向差>10°
➢ 晶界能高， 且与取向差无关
部分特殊取向的晶 界界面能很低。
晶界模型：是CSL的小角度晶界。
55
➢重合位置点阵（CSL）
56
➢界面能与取向差
57
58
2.3.3 孪晶界
是两部分具有特殊镜面对称位向关系的晶 体的界面。
共格孪晶界面界面能低。
59
➢理想晶体
60
➢孪晶界面
➢晶格畸变与缺陷强化 ➢电阻率升高 ➢加速扩散，影响相变
9
2.2 线缺陷
➢晶体中长度为数百到数万原子间距的管 线状原子错排区。又称位错。
➢知识点
➢位错的基本类型 ➢柏氏矢量 ➢位错的密度 ➢位错的运动
10
➢位错学说发展简史
➢矛盾提出——晶体理论剪切强度与实测值 的巨大差异
➢位错概念提出——1934年 ➢螺型位错概念，柏氏矢量概念——1939年 ➢F-R位错源——1950年 ➢TEM技术研究位错——50’s 以后 ➢… …
➢ 存在内吸附现象。异类原子可降低界面能时， 会向界面偏聚
➢ 界面阻碍位错运动，组织越细小，强度硬度 越高
➢ 界面能越大，界面迁移速度越大；晶粒长大 可以降低界面能。
65
晶体缺陷是研究晶体材料的一项基本内容
➢晶体缺陷的存在影响晶体的许多性质：
➢ 相变 ➢ 塑性变形 ➢ 材料强化 ➢ 其他物理化学性质
25
➢ 柏氏矢量的表示方法 立方晶系中：
b
1
[uvw]
n
如：
1
[110],
1
[111],
1
[11
2]等
2 36
26
b 的方向与大小
➢1/2<111> 1/2<110>
3a 2
2a 2
1/3<11-20> a
27
➢面心立方晶胞中的密堆积面
28
➢H.C.P.晶体中的密排面
29
Biblioteka Baidu
➢柏氏矢量的意义及特征
b Pt
23
➢混合位错的柏氏矢量
24
Atoms from upper and lower part of crystal are again aligned.
Positive edge
Slipped by 1 b. Positive screw
Negative screw
Negative Edge
46
2.2.2 位错的运动
➢3. 螺型位错的交滑移
螺型位错在滑移受阻时，转换到与原滑移面 相交的滑移面滑移。
47
位错运动总结
➢ 位错的运动是晶体塑性变形的主要原因 ➢ 不同的位错可表现出滑移、攀移、交滑移等
运动方式 ➢ 一条位错线在运动过程中总可以将晶体分为
已变形区域与未变形区域，晶格畸变则集中 于位错周围 ➢ 晶体的滑移方向与位错柏氏矢量方向一致 ➢ 位错滑移总是在晶体中面间距最大的密排面 上沿着密排晶向进行
柏氏矢量方向）一致 ➢位错线的运动方向与位错线垂直 ➢一次滑移量为最近邻的原子间距（全位错
的柏氏矢量的模）
40
➢螺型位错的滑移
41
螺型位错的晶体滑移
42
➢螺型位错滑移的特点
➢滑移面可以是包含位错线的任意一个密排 面
➢位错的运动方向与晶体滑移方向（即柏氏 矢量方向）垂直
➢位错的运动方向与位错线垂直 ➢原子一次滑移量小于1个密排方向原子间距
48
2.3 面缺陷
➢两个方向上有显著的畸变，畸变层厚度 仅有几个原子间距，又称二维缺陷。
49
2.3.1 外表面
➢表面及近表面层原子偏离平衡位置 ➢表面能
形成表面时单位面积表面上增加的能量称比表面 能（γ）
➢表面的吸附作用
➢能降低表面能的原子偏聚于表面使表面能降低
50
2.3.2 晶界与亚晶界
➢晶界：相邻晶粒的界面 ➢亚晶界：晶粒内部各排列方位有细微差
➢影响塑性变形与强度、扩散与相变等
11
2.2.1 位错的基本概念
➢1.位错的基本类型
➢刃型位错 有正、负之分
12
➢TEM观察到的刃型位错
13
➢螺型位错 有左右之分
14
➢TEM
15
➢混合位错 具有螺型位错 与刃型位错的 特点
16
2.2.1 位错的基本概念
2.位错的产生
➢结晶过程 ➢空位聚集成片的边缘 ➢塑性变形
b b左螺型位错
33
2.2.1 位错的基本概念
4.位错的特征
➢位错是晶体变形与未变形区域的分界 ➢位错线不会中断于晶体内。 ➢位错具有易动性
位错是晶体内多种变化的原因：强化，塑变， 相变等
34
2.2.1 位错的基本概念
5.位错密度
表示晶体中位错的数量 单位体积中的位错线长度
S /V (cm / cm3)
2.3.5 堆垛层错(Stacking Fault, SF)
是原子的堆垛次序错误形成的缺陷。 层错能(SFE)：形成单位面积层错增加的能
量。层错能越高，形成层错越困难。
64
2.3.6 界面特性
➢ 界面处晶体缺陷集中，原子能量高
➢界面是氧化、腐蚀的优先发生地 ➢界面是固态相变的有效形核位置 ➢界面原子的扩散速度远高于晶内
➢本章重要知识点：
➢晶体缺陷的种类、形式 ➢位错滑移的基本特点 ➢柏氏矢量与位错线的关系、与晶体滑移的
关系
67
➢反映位错的点阵畸变总量 ➢反映晶体的滑移量及方向 ➢具有守恒性 ➢与位错线有确定的位置关系
30
刃型位错 t , b 与多余半原子面间的右手关系
拇 指： 多余半原子面所在
食指： 位错线方向
中指：
柏氏矢量方向
31
螺型位错 t 与b间的方向关系
32
可用
b
判断位错线的类型
b 0刃型位错
b b右螺型位错
➢类型 肖脱基空位、弗兰克尔空位
➢运动 迁移、复合
➢平衡浓度 c n Aexp( Ev)
N
kT
4
5
空位运动
6
➢2.1.2 间隙原子
➢形成 结晶、高温或辐照
➢平衡浓度 c n Aexp( Ev)
N
kT
➢弗伦克尔空位常与间隙原子伴生
7
➢2.1.3 置换原子
异类原子
8
➢2.1.4 点缺陷对性能的影响
43
➢混合位错的滑移
44
➢ 滑移的共同特点
➢晶体滑移的方向就是位错柏氏矢量的方向 ➢滑移面是最密排面，滑移方向是最密排晶向
滑移的点阵阻力(派-纳力):
p
2G
2 a
e b(1 )
1
a :晶面间距
b : 滑移方向上的原子间距，即柏氏矢量
45
2.2.2 位错的运动
➢2. 刃型位错的攀移
刃型位错在垂直于滑移面方向的的运动。分 正攀移与负攀移。是非保守运动。
异的亚结构之间的界面。
51
1.小角度晶界
➢对称倾侧晶界
晶界模型： 同号刃型位错墙
取向差<10°
无长程应力场 能量低、稳定
52
1.小角度晶界
➢扭转晶界
取向差<10°
晶界模型：两组交叉螺位错的网络
53
➢小角度晶界的能量 界面能低，主要是位错的能量。 位向差越大、位错密度越高，界面能
越高。
54
2.3.2 晶界与亚晶界
61
2.3.4 相界
两种不同晶体结构的相之间的界面 分为共格界面、半共格界面、非共格界面三类 共格界面界面能最低，弹性应变能最高。
62
失配度δ
a a
a
0.05：共格界面 0.05 0.25：半共格界面 0.25：非共格界面
界面能由低到高： 共格界面——半共格界面——非共格界面 弹性应变能由高到低： 共格界面——半共格界面——非共格界面 63
17
➢空位聚集
18
➢结晶
19
2.2.1 位错的基本概念
➢3.柏氏矢量
➢反映位错造成的晶格畸变的大小和方向 ➢避免繁琐的原子模型
20
➢柏氏矢量的确定方法
➢规定
➢位错线垂直向外穿出纸面为正 ➢按右手法则作柏氏回路 ➢回路避开严重畸变区 ➢包含一个位错
21
➢ 刃型位错的柏氏矢量
bt
22
➢ 螺型位错的柏氏矢量
穿过单位面积的位错线的数目
n / A(1/ cm2 )
35
➢实际晶体中的位错网络
36
➢位错密度的显示-蚀坑法
37
2.2.2 位错的运动
➢1.位错的滑移
指位错沿着晶体滑移面的运动，又称保守运动 ➢刃型位错的滑移
38
刃型位错的晶体滑移
39
➢刃型位错滑移的特点
➢滑移面由柏氏矢量与位错线矢量唯一确定 ➢位错的运动方向与晶体滑移方向（即位错
金属材料及热处理
第一篇 材料的结构与缺陷
第二章 晶体缺陷
➢晶体缺陷 是指晶体结构中偏离完整晶格排列的
微观区域。 分为点缺陷，线缺陷，面缺陷。
➢本章提要
➢三类晶体缺陷的形式，分类 ➢晶体缺陷与晶体内相关变化过程的联系
2
2.1 点缺陷
➢ 三维尺度均很小的晶体缺陷。
3
➢2.1.1 空位
➢形成 结晶、高温或辐照
➢ 2.大角度晶界
取向差>10°
➢ 晶界能高， 且与取向差无关
部分特殊取向的晶 界界面能很低。
晶界模型：是CSL的小角度晶界。
55
➢重合位置点阵（CSL）
56
➢界面能与取向差
57
58
2.3.3 孪晶界
是两部分具有特殊镜面对称位向关系的晶 体的界面。
共格孪晶界面界面能低。
59
➢理想晶体
60
➢孪晶界面
➢晶格畸变与缺陷强化 ➢电阻率升高 ➢加速扩散，影响相变
9
2.2 线缺陷
➢晶体中长度为数百到数万原子间距的管 线状原子错排区。又称位错。
➢知识点
➢位错的基本类型 ➢柏氏矢量 ➢位错的密度 ➢位错的运动
10
➢位错学说发展简史
➢矛盾提出——晶体理论剪切强度与实测值 的巨大差异
➢位错概念提出——1934年 ➢螺型位错概念，柏氏矢量概念——1939年 ➢F-R位错源——1950年 ➢TEM技术研究位错——50’s 以后 ➢… …
➢ 存在内吸附现象。异类原子可降低界面能时， 会向界面偏聚
➢ 界面阻碍位错运动，组织越细小，强度硬度 越高
➢ 界面能越大，界面迁移速度越大；晶粒长大 可以降低界面能。
65
晶体缺陷是研究晶体材料的一项基本内容
➢晶体缺陷的存在影响晶体的许多性质：
➢ 相变 ➢ 塑性变形 ➢ 材料强化 ➢ 其他物理化学性质
25
➢ 柏氏矢量的表示方法 立方晶系中：
b
1
[uvw]
n
如：
1
[110],
1
[111],
1
[11
2]等
2 36
26
b 的方向与大小
➢1/2<111> 1/2<110>
3a 2
2a 2
1/3<11-20> a
27
➢面心立方晶胞中的密堆积面
28
➢H.C.P.晶体中的密排面
29
Biblioteka Baidu
➢柏氏矢量的意义及特征
b Pt
23
➢混合位错的柏氏矢量
24
Atoms from upper and lower part of crystal are again aligned.
Positive edge
Slipped by 1 b. Positive screw
Negative screw
Negative Edge
46
2.2.2 位错的运动
➢3. 螺型位错的交滑移
螺型位错在滑移受阻时，转换到与原滑移面 相交的滑移面滑移。
47
位错运动总结
➢ 位错的运动是晶体塑性变形的主要原因 ➢ 不同的位错可表现出滑移、攀移、交滑移等
运动方式 ➢ 一条位错线在运动过程中总可以将晶体分为
已变形区域与未变形区域，晶格畸变则集中 于位错周围 ➢ 晶体的滑移方向与位错柏氏矢量方向一致 ➢ 位错滑移总是在晶体中面间距最大的密排面 上沿着密排晶向进行
柏氏矢量方向）一致 ➢位错线的运动方向与位错线垂直 ➢一次滑移量为最近邻的原子间距（全位错
的柏氏矢量的模）
40
➢螺型位错的滑移
41
螺型位错的晶体滑移
42
➢螺型位错滑移的特点
➢滑移面可以是包含位错线的任意一个密排 面
➢位错的运动方向与晶体滑移方向（即柏氏 矢量方向）垂直
➢位错的运动方向与位错线垂直 ➢原子一次滑移量小于1个密排方向原子间距
48
2.3 面缺陷
➢两个方向上有显著的畸变，畸变层厚度 仅有几个原子间距，又称二维缺陷。
49
2.3.1 外表面
➢表面及近表面层原子偏离平衡位置 ➢表面能
形成表面时单位面积表面上增加的能量称比表面 能（γ）
➢表面的吸附作用
➢能降低表面能的原子偏聚于表面使表面能降低
50
2.3.2 晶界与亚晶界
➢晶界：相邻晶粒的界面 ➢亚晶界：晶粒内部各排列方位有细微差
➢影响塑性变形与强度、扩散与相变等
11
2.2.1 位错的基本概念
➢1.位错的基本类型
➢刃型位错 有正、负之分
12
➢TEM观察到的刃型位错
13
➢螺型位错 有左右之分
14
➢TEM
15
➢混合位错 具有螺型位错 与刃型位错的 特点
16
2.2.1 位错的基本概念
2.位错的产生
➢结晶过程 ➢空位聚集成片的边缘 ➢塑性变形
b b左螺型位错
33
2.2.1 位错的基本概念
4.位错的特征
➢位错是晶体变形与未变形区域的分界 ➢位错线不会中断于晶体内。 ➢位错具有易动性
位错是晶体内多种变化的原因：强化，塑变， 相变等
34
2.2.1 位错的基本概念
5.位错密度
表示晶体中位错的数量 单位体积中的位错线长度
S /V (cm / cm3)
2.3.5 堆垛层错(Stacking Fault, SF)
是原子的堆垛次序错误形成的缺陷。 层错能(SFE)：形成单位面积层错增加的能
量。层错能越高，形成层错越困难。
64
2.3.6 界面特性
➢ 界面处晶体缺陷集中，原子能量高
➢界面是氧化、腐蚀的优先发生地 ➢界面是固态相变的有效形核位置 ➢界面原子的扩散速度远高于晶内