金属材料结构缺陷基本理论
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晶体中的自扩散是不依赖浓度梯度的扩散现象 ，它是由扩散原子的热运动而引起的原子迁移 ，实质上是空位在晶体中的迁移，因此，自扩 散的激活能就等于空位的形成能加上空位的迁 移能。
退火时，空位向空位壑迁移，引起空位的 湮没，位错、晶界、相界、自由表面均是 空位壑。某温度T所需要退火时间t为：
ln(t1/t2)=U[1/T2-1/T1]/K
第二节 位错的基本性质
2.1.位错概念的引入 2.2.位错的类型 2.3.位错的强度—柏氏矢量 2.4.位错的基本性质 2.5.柏氏矢量的基本性质 2.6.位错能量的表示 2.7.位错密度
2.1.位错概念的引入
﹡位错概念引入及位错观察
• 30年代，在研究晶体滑移时，发现理论屈服强 度和实际强度间有巨大差异，为了解释这种差 异，人们设想晶体中存在某种缺陷。形变就在 这局部缺陷处发生。
• 迁移方式：空位为直接式，间隙原子有直接 式、间隙式和对分间隙式
• 热跃迁几率：将点缺陷看作微观粒子，处在 热能谷中，从热涨落获得足够的能量越过势 垒进入B。在势阱A中有n个无交互作用的粒 子。P=B处粒子的流量/A中粒子的总数
• 点缺陷的形成能和迁移能
• 金属的空位迁移能略低于空位形成能；间隙 原子的迁移能比间隙原子的形成能小很多，且 比空位迁移能大。
第二章 晶体的缺 陷
我国晶体缺陷研究的先驱—冯瑞
基本内容
• 第一节 点缺陷 • 第二节 位错的基本性质 • 第三节 位错弹性性质 • 第四节 位错受力 • 第五节 位错运动与增殖 • 第六节 位错的塞积 • 第七节 实际金属晶体中的位错 • 第八节 金属晶体中的界面
第一节 点缺陷
• 1.1. 引言 • 1.2.
形成一个点缺陷内能的增加。 ☻空位形成能：从晶体内部取出一个原子(
离子)放到晶体表面所需要的能量 ☻间隙原子形成能：从晶体表面取出一个
原子，挤进间隙位置所需要的能量。 • 可用实验法测定也要计算
主要包括正离子与负离子间的静电 互作用能和价电子的平均动能。
﹡点缺陷周围的迁移能：
• 定义：点缺陷可往晶体中运动，运动中必须 经过能量的最高点(即鞍点)，点缺陷超过鞍 点所需能量为点缺陷的迁移能。
• 尽管结构缺陷占的分额很少，但对性能 产生根本的影响，起着关键作用。 牵一发而动全身!敏感因素!-----缺陷
1.2. 点缺陷的形成方式
• 晶体中的点缺陷包括空位、间隙原子、 杂质或溶质原子(置换、间隙)，以及它们 组成的复杂缺陷。
• 空位在点缺陷中有极重要地位，一方面 普遍存在，另一方面是因为浓度较高， 对材料性质有重大影响。如扩散、蠕变 等过程。
• 而实际上，τ＝（10－3～ 10－4）G。
矛盾之二：
• 设想原子滑移时的切应力是周期性变化 ，并假定为刚性球。X很小时为弹性变 形，sin2πx/a=2πx/a.
1.1. 引言
• 晶体中的原子排列具有微区不规则性和不完 整性即缺陷。
• 点缺陷----空位、间隙原子与杂质原子等 • 线缺陷----位错 • 面缺陷----晶界、孪晶界与相界
缺陷在影响晶体的什么？
• 晶体缺陷对结构敏感性能，强度、塑性 、电阻等具有很大的影响，而且与相变 、扩散、塑性变形、再结晶及氧化、烧 结等许多物理冶金问题密切相关。
• 间隙原子：在高能辐照条件下有可察觉 的数量
引入可观浓度点缺陷的方法
• 热平衡或从高温淬火 • 多种条件下的范性形变 • 受控偏高理想配比成份 • 以核粒子辐照损伤晶体 • 借蒸发在冷衬底上沉积薄膜 • 冶金过程中的应力迫使原子偏离结构位置
原子产生后，其周围产生弹性畸变，而且间隙原子的畸变比空位要大得多
• C=A.exp(-NoEo/KN0T)=A.exp(-Qf/RT) • Qf=N0E0,为形成空位的激活能，即形成一摩尔
空常位数所，需其要值的为功8.，31单J/m位o为l.KJ/,mAo=le,Rxp=(kSN00/k,为)由气振体 动熵决定的系数，1～10
﹡点缺陷周围的畸变：
往晶体中引入一个空位，所造成的净体积膨胀,要 小于一个原子体积,往晶体中引入 一个空位间隙 原子,所造成的体积膨胀也小于一个原子体积它们
空位邻近原子群向空位所在地移动，形成一个 由几个原子组成的松驰集团，好象局部的熔 化区(特别在高温)
﹡间隙原子:在点阵间隙位置挤进一个
同类原子,该原子称为间隙原子.
a,体心组态
b,挤列组态组态
球对称畸变
沿密排方向，n+1原子占据n个原子位置
c,对分间隙组态 b
A’
B’
A’-B’对分，四方畸变方向沿<100>，能量稍比球对称低
夫伦克耳对：一个原子从它点阵位置脱出后 间隙到点阵的其它位置上形成间隙原子与点 阵位置的空位，一起组成夫伦克耳对。
1.4. 点缺陷的热力学 ﹡点缺陷热力学：晶体中点缺陷的存在一方面
造成点阵畸变，使晶体内能升高，增加了晶 体热力学不稳定性，另一方面增大了原子排 列的混乱程度，改变了周围原子的振动频率 。使熵值增大使晶体稳定。矛盾因素使晶体 点缺陷在一定温度下有一定平衡数目。
• 晶体结构－－规则的完整排列是主要的，非完 整的则是次要的。
• 晶体力学性能－－晶体的非完整性、完整性处 于次要地位
﹡理论屈服强度
设想变形时原子按扑克式滑移，即：
τ
τ
τ
Βιβλιοθήκη Baidu
τ
a
τ
τ
a
r a / a 1 Gr=
22
=G/2
实际观察到 的位错图片
矛盾之一：
• 可见原子由一个平衡位置滑到下一个平 衡位置需要G/2的应力，而在通常受力 条件下，是难达到的，即晶体难于滑动 。
周围原子离开它们的平衡位置,造成晶格畸变,而
使晶体总自由能降低.在无表面应力的均匀的各向 同性弹性体中引入一个强度为C有膨胀中心时,体 积变化△υ 为
4cr r 3(1 ) /(1 )
式中σ 为泊松(Poisson)比，r为常数，大多数金属 r=1.5
﹡点缺陷周围的形成能：
1.3. 空位及间隙原子的几何 组态
﹡空位：从晶体正常点阵位置上抽去一
个原子，失去了原子的位置就是空位。
a,肖脱基空位(Schottky),离位原子迁移 到表面或晶界而留下空位
b,弗仑克尔空位(Френкель)，离位原子 挤入晶体的间隙位置后而留下空位
b
c
a e
a空位，b空位对，c三空位及空位四面体
退火时，空位向空位壑迁移，引起空位的 湮没，位错、晶界、相界、自由表面均是 空位壑。某温度T所需要退火时间t为：
ln(t1/t2)=U[1/T2-1/T1]/K
第二节 位错的基本性质
2.1.位错概念的引入 2.2.位错的类型 2.3.位错的强度—柏氏矢量 2.4.位错的基本性质 2.5.柏氏矢量的基本性质 2.6.位错能量的表示 2.7.位错密度
2.1.位错概念的引入
﹡位错概念引入及位错观察
• 30年代，在研究晶体滑移时，发现理论屈服强 度和实际强度间有巨大差异，为了解释这种差 异，人们设想晶体中存在某种缺陷。形变就在 这局部缺陷处发生。
• 迁移方式：空位为直接式，间隙原子有直接 式、间隙式和对分间隙式
• 热跃迁几率：将点缺陷看作微观粒子，处在 热能谷中，从热涨落获得足够的能量越过势 垒进入B。在势阱A中有n个无交互作用的粒 子。P=B处粒子的流量/A中粒子的总数
• 点缺陷的形成能和迁移能
• 金属的空位迁移能略低于空位形成能；间隙 原子的迁移能比间隙原子的形成能小很多，且 比空位迁移能大。
第二章 晶体的缺 陷
我国晶体缺陷研究的先驱—冯瑞
基本内容
• 第一节 点缺陷 • 第二节 位错的基本性质 • 第三节 位错弹性性质 • 第四节 位错受力 • 第五节 位错运动与增殖 • 第六节 位错的塞积 • 第七节 实际金属晶体中的位错 • 第八节 金属晶体中的界面
第一节 点缺陷
• 1.1. 引言 • 1.2.
形成一个点缺陷内能的增加。 ☻空位形成能：从晶体内部取出一个原子(
离子)放到晶体表面所需要的能量 ☻间隙原子形成能：从晶体表面取出一个
原子，挤进间隙位置所需要的能量。 • 可用实验法测定也要计算
主要包括正离子与负离子间的静电 互作用能和价电子的平均动能。
﹡点缺陷周围的迁移能：
• 定义：点缺陷可往晶体中运动，运动中必须 经过能量的最高点(即鞍点)，点缺陷超过鞍 点所需能量为点缺陷的迁移能。
• 尽管结构缺陷占的分额很少，但对性能 产生根本的影响，起着关键作用。 牵一发而动全身!敏感因素!-----缺陷
1.2. 点缺陷的形成方式
• 晶体中的点缺陷包括空位、间隙原子、 杂质或溶质原子(置换、间隙)，以及它们 组成的复杂缺陷。
• 空位在点缺陷中有极重要地位，一方面 普遍存在，另一方面是因为浓度较高， 对材料性质有重大影响。如扩散、蠕变 等过程。
• 而实际上，τ＝（10－3～ 10－4）G。
矛盾之二：
• 设想原子滑移时的切应力是周期性变化 ，并假定为刚性球。X很小时为弹性变 形，sin2πx/a=2πx/a.
1.1. 引言
• 晶体中的原子排列具有微区不规则性和不完 整性即缺陷。
• 点缺陷----空位、间隙原子与杂质原子等 • 线缺陷----位错 • 面缺陷----晶界、孪晶界与相界
缺陷在影响晶体的什么？
• 晶体缺陷对结构敏感性能，强度、塑性 、电阻等具有很大的影响，而且与相变 、扩散、塑性变形、再结晶及氧化、烧 结等许多物理冶金问题密切相关。
• 间隙原子：在高能辐照条件下有可察觉 的数量
引入可观浓度点缺陷的方法
• 热平衡或从高温淬火 • 多种条件下的范性形变 • 受控偏高理想配比成份 • 以核粒子辐照损伤晶体 • 借蒸发在冷衬底上沉积薄膜 • 冶金过程中的应力迫使原子偏离结构位置
原子产生后，其周围产生弹性畸变，而且间隙原子的畸变比空位要大得多
• C=A.exp(-NoEo/KN0T)=A.exp(-Qf/RT) • Qf=N0E0,为形成空位的激活能，即形成一摩尔
空常位数所，需其要值的为功8.，31单J/m位o为l.KJ/,mAo=le,Rxp=(kSN00/k,为)由气振体 动熵决定的系数，1～10
﹡点缺陷周围的畸变：
往晶体中引入一个空位，所造成的净体积膨胀,要 小于一个原子体积,往晶体中引入 一个空位间隙 原子,所造成的体积膨胀也小于一个原子体积它们
空位邻近原子群向空位所在地移动，形成一个 由几个原子组成的松驰集团，好象局部的熔 化区(特别在高温)
﹡间隙原子:在点阵间隙位置挤进一个
同类原子,该原子称为间隙原子.
a,体心组态
b,挤列组态组态
球对称畸变
沿密排方向，n+1原子占据n个原子位置
c,对分间隙组态 b
A’
B’
A’-B’对分，四方畸变方向沿<100>，能量稍比球对称低
夫伦克耳对：一个原子从它点阵位置脱出后 间隙到点阵的其它位置上形成间隙原子与点 阵位置的空位，一起组成夫伦克耳对。
1.4. 点缺陷的热力学 ﹡点缺陷热力学：晶体中点缺陷的存在一方面
造成点阵畸变，使晶体内能升高，增加了晶 体热力学不稳定性，另一方面增大了原子排 列的混乱程度，改变了周围原子的振动频率 。使熵值增大使晶体稳定。矛盾因素使晶体 点缺陷在一定温度下有一定平衡数目。
• 晶体结构－－规则的完整排列是主要的，非完 整的则是次要的。
• 晶体力学性能－－晶体的非完整性、完整性处 于次要地位
﹡理论屈服强度
设想变形时原子按扑克式滑移，即：
τ
τ
τ
Βιβλιοθήκη Baidu
τ
a
τ
τ
a
r a / a 1 Gr=
22
=G/2
实际观察到 的位错图片
矛盾之一：
• 可见原子由一个平衡位置滑到下一个平 衡位置需要G/2的应力，而在通常受力 条件下，是难达到的，即晶体难于滑动 。
周围原子离开它们的平衡位置,造成晶格畸变,而
使晶体总自由能降低.在无表面应力的均匀的各向 同性弹性体中引入一个强度为C有膨胀中心时,体 积变化△υ 为
4cr r 3(1 ) /(1 )
式中σ 为泊松(Poisson)比，r为常数，大多数金属 r=1.5
﹡点缺陷周围的形成能：
1.3. 空位及间隙原子的几何 组态
﹡空位：从晶体正常点阵位置上抽去一
个原子，失去了原子的位置就是空位。
a,肖脱基空位(Schottky),离位原子迁移 到表面或晶界而留下空位
b,弗仑克尔空位(Френкель)，离位原子 挤入晶体的间隙位置后而留下空位
b
c
a e
a空位，b空位对，c三空位及空位四面体