金属材料结构缺陷基本理论
金属材料中的位错与塑性
金属材料中的位错与塑性金属作为一种重要的结构材料，在人类历史上一直扮演着至关重要的角色。
无论是建筑工程、交通运输、电子设备还是航空航天等领域，金属材料都无处不在。
然而，即使已经经过千锤百炼的金属材料也有各种各样的缺陷，其中最基本的就是位错。
位错是指晶格中出现的原子排列偏差，是导致金属材料塑性变形的重要因素之一。
本文将首先介绍位错的概念和形成机制，然后阐述位错对金属材料的影响，最后探讨位错与塑性之间的关系。
一、位错的概念和形成机制位错是指晶格中出现的原子排列偏差，又叫错位。
在一个完美的晶体中，原子应该排列得十分整齐，且紧密地接触着周围的原子。
但在生产过程中，晶体中常常会出现原子排列偏差。
这种偏差是由于某个原子因为某种原因不能成功转移到它应该位置的一个空位上而形成的。
这个空位就叫做间隙。
假设在一个晶体中有一个间隙，它就会产生一个插入位错，也就是原子从原本应该占据的位置插入到另一处，正是在这里难以容纳该原子从而生成了间隙。
另一种常见的位错是滑移位错，它是由于晶体中某个晶面上的原子出现晶面上的原子应该移动的方向与晶面的平面不一致导致的。
二、位错对金属材料的影响位错是金属材料内部的缺陷，在原子尺度上影响着金属整体的性质和行为。
最常见的位错类型是线位错，它会导致晶体中某个晶面上的原子整体向另一个方向移动一定的距离，由于原子之间的相互作用力，线位错处会形成应力场，形成某个区域所受到的应力明显大于另一些区域。
这种不均匀性是位错对材料影响的主要体现。
同时，由于位错的存在，晶体中局部就有更多的间隙，增加了材料的形变难度。
如果一根线位错遇到另一根线位错，则它们就会互相阻挡并产生绕过的效果，这种效果被称为康普顿效应。
另外，位错还容易在行进过程中被附着的杂质粒子卡住，从而对整个材料产生不良影响。
因此，位错对材料的强度、韧性、延展性以及其它机械性能影响很大。
三、位错与塑性之间的关系在处理金属拥有自己的机械特性时，重要的一条涉及塑性。
金属材料中的晶格缺陷
金属材料中的晶格缺陷金属材料是人类社会中不可或缺的一部分，广泛应用于工业生产、机械制造、建筑和装饰等方面。
而与金属材料相关的一个重要的概念便是晶格缺陷。
晶格缺陷指的是晶体结构中的原子或离子位置出现偏差或缺陷，这些缺陷会对材料的物理特性、力学性能、耐久性等造成不同程度的影响。
晶格缺陷分为点缺陷、线缺陷和面缺陷三种类型。
1. 点缺陷点缺陷是指晶体结构中某一点处原子或离子数目或种类与理想晶体结构出现偏差的缺陷。
其中最常见的点缺陷包括空位缺陷、插入缺陷和替代缺陷。
（1）空位缺陷空位缺陷是指晶体结构中某一点处由于原子或离子缺失而产生的缺陷。
空位缺陷对金属材料的物理特性和力学性能等影响较小，但是会影响金属材料的机械强度和耐久性。
例如，在均匀延展过程中，空位缺陷是一种激活位点，可以促进原子扩散，从而使金属材料失去稳定性。
（2）插入缺陷插入缺陷是指晶格结构中外来原子或离子插入到晶格中，从而打破原有的晶格结构，产生的缺陷。
插入缺陷会对金属材料的物理特性、力学性能等产生影响。
（3）替代缺陷替代缺陷是指在晶格结构中，某些原子或离子被其他原子或离子所替代所引起缺陷。
替代缺陷会对金属材料的物理特性、力学性能等产生影响。
2. 线缺陷线缺陷是指晶体结构中某一条直线或曲线处原子或离子数目或种类出现偏差的缺陷，包括位错、螺旋位错和混合位错等。
（1）位错位错是指在晶体结构中，处于某一平面上方和下方原子排列有偏差，从而形成的一个线状缺陷。
位错在金属材料中广泛存在，其对金属材料的力学性能、塑性变形和强度影响较大。
（2）螺旋位错螺旋位错是指位错沿晶体中某一个平面上旋转而形成的一种位错。
螺旋位错会对晶体的物理特性、力学性能等产生重要影响。
（3）混合位错混合位错是指通过位错的组合形成新位错的缺陷，混合位错是位错的一种重要类型。
3. 面缺陷面缺陷是指晶体结构中某一平面内的原子或离子数目或种类与理想晶体结构出现偏差的缺陷，面缺陷的种类较多。
金属材料中的晶格缺陷是一种普遍存在的现象，晶格缺陷的产生会影响到金属材料的物理特性、力学性能、耐久性等方面。
金属表面主要缺陷定义
金属表面主要缺陷定义：模具痕：折弯等模具成型过程中在结构件表面产生的压痕、轻微凹坑等。
磨擦痕：加工过程中板材在机床台面运动过程中产生的轻微划痕，无凹入感。
运动部件摩擦痕：螺丝，旋转轴等运动部件在运动过程中和基体产生的痕迹。
焊渣：指电镀、氧化前，金属焊接时飞溅到焊缝位置以外区域的、牢固粘附在基材表面的金属点状颗粒。
烧伤：拉丝处理时因操作不当、造成零件表面过热而留下的烧蚀痕迹。
凹坑：由于基体材料缺陷、或在加工过程中操作不当等原因而在材料表面留下的小坑状痕迹。
抛光区：对基材上的腐蚀、划伤、焊接区、铆接区等部位进行机械打磨抛光后表现出的局高光泽、光亮区域及焊接的背面所呈现出的打磨痕迹。
镀前划伤：指电镀或氧化之前的基体材料上的划伤痕迹，手摸有明显的凹入感。
镀后划伤：指电镀之后因操作不当等人为造成的表面划伤痕迹。
基材花斑：电镀或氧化前因基体材料腐蚀、材料中的杂质或者材料微孔等原因所造成的、与周围材质表面不同光泽或粗糙度的斑块状花纹外观。
镀层起泡：电镀不良、或因基材原因而出现的镀层鼓起甚至脱落现象。
露白：镀锌彩色钝化膜因磨擦而被去除、露出锌层，或因缝隙截留溶液导致的无钝化膜现象，呈现为区别于周围彩色的白色。
黑点：镀锌彩色钝化膜上因初期腐蚀变化而出现的零星分散的小黑点。
雾状：镀铬、镀镍表面上的模糊、不清晰、不光亮的现象。
水印：电镀或氧化后因清洗水未及时干燥或干燥不彻底所形成的斑纹、印迹。
挂具印：电镀或者氧化时挂具和结构件接触部位局部无镀层或者膜层的现象。
指印：镀层表面的指纹等缺陷。
水纹：压铸件成形时，熔体流动产生的可见条纹。
缩水：因材料、工艺等原因使压铸件表面出现凹陷的收缩现象。
砂眼：压铸件表面的疏松针孔。
披锋：压铸件上浇口残留物取掉后的毛刺。
局部无铬层：指镀铬表面因电镀工艺的局限而在凹槽内、深孔内、折弯内角等低电位区出现铬层未电镀上的现象腐蚀：因各种原因所导致的表面金属生锈、氧化现象。
修补：因膜层损伤、轻微腐蚀等原因而用涂料所作的局部遮盖处理。
材料的结构缺陷
C. 混合位错 (Mixed dislocation)
混合位错：一种更为普遍的位错形式，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。可看作是刃型 位错和螺型位错的混合形式。
螺型位错
刃型位错
混合位错的特点：
混合位错线是一条曲线；
在 A 处，位错线与滑移矢量
平行，故为螺型位错；
在一定温度下具有一定的平衡浓度
4.1.1 空位的平衡浓度
设在1个含有N个阵点的晶体点阵中引进n个空位，则体 系的自由能变化为
G E TS
令：形成一个空位所需能量为 ΔEv，当含有 n个空位时， 其内能增加为 ΔE=nΔE v，振动熵的改变为nΔS v，体系结构 熵（或称组态熵、排列熵）的改变为ΔSc，则自由能的变化 为
螺型位错的特点：
A.螺型位错无额外半原子面，原子错排呈轴对称。 B.根据位错线附近呈螺旋形排列的原子的旋转方向不同，可分 为右旋和左旋螺型位错。
螺型位错的特点： C.螺型位错的位错线与滑移矢量平行， 因此一定是直线；位错线的移动方向与 晶体滑移方向互相垂直。 D.纯螺型位错的滑移面不是唯一的；凡 包含位错线的平面都可作为滑移面；一 般，滑移通常在原子密排面上进行，故 也有限。 E.螺型位错周围的点阵发生弹性畸变，只有平行于位错线的 切应变，无正应变，故不会引起体积膨胀和收缩。 F.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，故也是几个原子宽度的线缺陷。
金属学与热处理
Metallography & Heat Treatment
第4章 金属材料结构缺陷
主讲人：潘尧坤
知识回顾：单晶体和多晶体的区别
单晶体：在整个晶体内部原子都按照一定规律周期性规则排列。
金属材料的结构与缺陷
➢晶带定理： 在立方晶系中，若晶面（hkl）的晶带轴 是[uvw]，则必有 hu+kv+lw=0 反之亦然。
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晶带定理的应用：
根据两不平行晶面的指数（h1 k1 l1）， （h2 k2 l2） 可以求出它们所在晶带的晶带轴[uvw]。
➢u=k1l2 - k2l1 ➢v=l1h2 - l2h1 ➢w=h1k2 - h2k1
一定变化范围 ➢金属键 ➢硬度高脆性大 ➢有色金属中的弥散强化相
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➢间隙相与间隙化合物
➢过渡金属与H,B,C,N等形成 ➢不是固溶体
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➢间隙相
➢Rx/Rm<0.59时形成的结构简单的金属化合 物
➢成分可表现为一定范围 ➢极高的硬度和熔点 ➢硬质合金、高速钢的强化相
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➢间隙化合物
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2. 晶胞 ➢晶胞：构成点阵的最基本单元。 ➢晶胞选择的依据：——反映点阵的规律
➢ 反映点阵对称性。 ➢ 平衡六面体内各角与棱尽量相等。 ➢ 棱之间尽量为直角。 ➢ 晶胞体积最小。
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晶胞的选择 晶胞参数
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3. 晶胞参数：
➢ 晶格常数 ａ、ｂ、ｃ ➢ 晶轴间角 α、β、γ
4. 七个晶系与十四种Bravis点阵
➢Rx/Rm>0.59，结 构较复杂
➢过渡金属的碳化物 ➢比间隙相略低的熔
点和硬度 ➢钢中弥散强化相
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➢中间相的性能与应用
➢硬度高，熔点高 ➢可作弥散强化相 ➢提高合金的强度、硬度、耐磨性、耐热性 ➢用于耐热合金、硬质合金、有色合金、钢
的强化
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➢良好的合金组织是什么样的？
➢性能要求：强度高，有适中的塑性和韧性 ➢组织：基体——固溶体
金属材料常见缺陷
铸造制品主要缺陷有偏析、气孔、缩孔与缩松、夹杂、裂纹、冷隔及其他缺陷。
1偏析偏析——在铸件中出现化学成分不均匀的现象。
偏析使铸件的性能不均匀，严重时会造成废品。
偏析可分为两大类：微观偏析和宏观偏析。
晶内偏析(又称枝晶偏析)——是指晶粒内各部分化学成分不均匀的现象，是微观偏析的一种。
凡形成固溶体的合金在结晶过程中，只有在非常缓慢的冷却条件下，使原子充分扩散，才能获得化学成分均匀的晶粒。
在实际铸造条件下，合金的凝固速度较快，原子来不及充分扩散，这样按树枝状方式长大的晶粒内部，其化学成分必然不均匀。
为消除晶内偏析，可把铸件重新加热到高温，并经长时间保温，使原子充分扩散。
这种热处理方法称为扩散退火。
密度偏析(旧称比重偏析)——是指铸件上、下部分化学成分不均匀的现象，是宏观偏析的一种。
当组成合金元素的密度相差悬殊时，待铸件完全凝固后，密度小的元素大都集中在上部，密度大的元素则较多地集中在下部。
为防止密度偏析，在浇注时应充分搅拌或加速金属液冷却，使不同密度的元素来不及分离。
宏观偏析有很多种，除密度偏析之外，还有正偏析、逆偏析、V形偏析和带状偏析等。
偏析金相组织见图1：图1边部灰色处为反偏析区2气孔金属在凝固过程中，气体的溶解度急剧降低，在戮度很大的固态金属中难以逸出而滞留于熔体内形成气孔。
与缩孔缩松的形态不同，气孔一般呈圆形、椭圆形或长条形，单个或成串状分布，内壁光滑。
孔内常见气体有H2、CO、H2O、CO2等。
按气孔在铸锭中出现的位置分为内部气孔、皮下气孔和表面气孔。
气孔的存在减少了铸锭的有效体积和密度，经加工后虽可被压缩变形，但难以焊合，结果造成产品的起皮、起泡、针眼、裂纹等缺陷。
气孔形态金相组织见图2：图2浇铸时由模底和模壁产生的气体来不及逸出而沿结晶方向形成气孔3缩孔与缩松金属在凝固过程中，发生体积收缩，熔体不能及时补充，而在最后凝固的地方出现收缩孔洞，称为缩孔或缩松。
容积大而集中的缩孔称为集中缩孔，细小而分散的缩孔称为缩松，其中出现在晶界和枝晶间借助于显微镜观察的缩松称为显微缩松。
金属材料的晶体缺陷与塑性变形
金属材料的晶体缺陷与塑性变形金属材料是我们日常生活中使用最广泛的材料之一，它们具有出色的强度、导电性和耐腐蚀性能。
然而，这些材料中经常会出现各种各样的晶体缺陷，比如空位、过垫、位错等。
这些缺陷对于材料的力学性能和物理性质会产生深远影响，尤其是对于金属材料的塑性变形来说，晶体缺陷更是至关重要的因素。
1. 晶体缺陷的分类晶体缺陷是指晶体中由于各种因素导致的结构上的缺陷或变异。
从不同角度来进行分类，晶体缺陷可以分为以下类型：1.1 点缺陷点缺陷是指晶体中的空位、过垫和杂质原子等点状缺陷。
其中空位是最常见的一种点缺陷，其可以影响晶体的热力学性质，例如分子扩散、热导率和蒸发等。
1.2 线缺陷线缺陷是指晶体中的位错和螺旋线等。
位错是晶体中空间中某些原子排列错误的位置，随着应力的作用，位错可以在晶体中移动，导致晶体的塑性变形。
螺旋线则是由于晶体的外在形状而形成的缺陷，对于晶体的磁学性能有一定的影响。
1.3 面缺陷面缺陷是指而晶体中的晶粒边界和晶体表面等面状缺陷。
晶粒边界是不同晶粒之间的界面，晶体形成时会存在不同的晶粒之间的排列错误，从而形成晶粒边界。
晶粒边界有利于调整晶体中不同晶粒的方向和结构，从而达到材料强度和硬度之间的平衡。
2. 晶体缺陷与塑性变形晶体缺陷在材料的机械性能中起着至关重要的作用，其中最重要的是晶体缺陷与塑性变形之间的关系。
塑性变形是指材料结构的变形过程中一个结构单元从一种能量状态变为另一种，通常是由于位错的滑移或形成使受力部分发生塑性变形。
塑性变形取决于材料的塑性机制，即材料中塑性形变所依赖的机制，和材料的内部结构。
晶体缺陷会影响材料内部的塑性机制和材料的内在结构，从而影响材料的强度、韧性和延展性等力学性质。
2.1 种类与数量晶体缺陷的种类和数量是影响材料塑性变形的关键因素。
通常情况下，材料中的晶体缺陷越多越多样化，材料的塑性变形就越容易发生。
例如，在晶体中形成许多杂质原子可以增加位错的丰度，从而使材料的塑性发生改变。
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( )
金属材料缺陷的特点
金属材料缺陷的特点金属材料是工业生产中常用的一种材料，但是在生产和使用过程中，金属材料会出现各种缺陷，这些缺陷会直接影响到金属材料的性能和使用寿命。
因此，了解金属材料缺陷的特点对于保证产品质量和安全具有重要意义。
一、金属材料缺陷的分类1. 内部缺陷：内部缺陷是指金属材料内部存在的各种不良组织或结构，包括气孔、夹杂物、晶界、析出物等。
2. 表面缺陷：表面缺陷是指金属表面存在的各种不良组织或结构，包括划痕、裂纹、氧化皮等。
3. 尺寸偏差：尺寸偏差是指制造过程中由于加工误差或测量误差而导致零件尺寸与设计要求不符合的情况。
二、金属材料缺陷的特点1. 内部缺陷：（1）气孔：气孔是指金属内部存在的大小不等的空洞。
气孔通常由于熔体中残留的气体没有完全排出或者在冷却过程中气体溶解度降低而形成。
气孔会降低材料的强度和韧性，导致材料易于断裂。
（2）夹杂物：夹杂物是指金属内部存在的非金属物质，如氧化物、硫化物、碳化物等。
夹杂物会影响金属的力学性能和耐腐蚀性能。
（3）晶界：晶界是指相邻晶粒之间的界面。
晶界缺陷包括错位、堆垛缺陷等，会影响金属的强度和延展性。
（4）析出物：析出物是指在固溶体中析出的第二相组织，如硬质相、脆性相等。
析出物会影响金属的力学性能和耐腐蚀性能。
2. 表面缺陷：（1）划痕：划痕是指金属表面被尖锐或硬质物体刮擦后形成的线状或点状凹槽。
划痕会影响产品外观和表面质量。
（2）裂纹：裂纹是指金属表面或内部存在的断裂面。
裂纹会降低材料的强度和韧性，导致材料易于断裂。
（3）氧化皮：氧化皮是指金属表面被氧化后形成的一层薄膜。
氧化皮会影响产品外观和表面质量，同时也会降低金属的耐腐蚀性能。
3. 尺寸偏差：尺寸偏差包括公差、误差等。
公差是指零件尺寸与设计要求之间的允许范围，误差是指实际测量值与理论值之间的偏差。
尺寸偏差会影响产品的精度和可靠性。
三、金属材料缺陷的检测方法1. X射线探伤：X射线探伤可以检测金属内部存在的各种缺陷，如气孔、夹杂物、晶界等。
《材料成型金属学》教学资料：第一章位错理论基础
晶界特点
1） 晶界—畸变—晶界能—向低能量状态转化—晶粒长大、 晶界变直—晶界面积减小； 2） 阻碍位错运动— 流变应力↑ 细晶强化； 3） 位错、空位等缺陷多—晶界扩散速度高； 4） 晶界能量高、结构复杂—容易满足固态相变的条件— 固态相变首先发生地； 5） 化学稳定性差—晶界容易受腐蚀； 6） 微量元素、杂质富集。
1 位错理论基础
Fundamentals of dislocation theory
理想晶体 完全按照空间点阵有规则排列
实际晶体 不可能完全规则排列，存在晶格缺陷 lattice defect
1.1 晶体缺陷概述
晶体中的缺陷： 原子排列偏离完整性的区域
点缺陷－在三个方向上尺寸都很小 线缺陷－在二个方向上尺寸很小 面缺陷－在一个方向上尺寸很小
Ae-q / kT
空位迁移速度与绝对温度T和空位迁移能量q的关系 式中：A为常数，k为玻尔兹曼常数。
点缺陷对晶体性质的影响
晶格畸变：点缺陷引起晶格局部弹性变形。
空位缺陷
间隙粒子缺陷 杂质粒子缺陷
点缺陷引起的三种晶格畸变
点缺陷对材料性能的影响
点缺陷的存在会使其附近的原子稍微偏离原结点位置才能平 衡，即造成小区域的晶格畸变。
Low Angle Grain Boundary －小角晶界
(a)倾侧晶界模型；(b)扭转晶界模型
小角晶界可理解为位错墙 位向差θ<10°
亚结构
变形→位错密Leabharlann 增加→位错缠结 高位错密度区将位错密度低的区域隔开 → 晶粒内部出现“小晶粒” ，取向差不大→ 胞状亚结构
.
透射电镜 （TEM）
大角晶界
理想晶体原子 面堆积
含有刃型位错晶 体原子面堆积
金属材料的微观构造理论
金属材料的微观构造理论是材料科学中一个非常重要的理论体系。
从一定程度上来说，它是材料制备、加工和性能研究的基础。
本文将从金属材料的微观构造的概念入手，逐步深入探讨。
一、金属材料的微观构造概念金属材料是由原子和离子组成的，因此它们的内部结构和运动状态都受到原子和离子的影响。
在金属材料的微观构造中，原子和离子的排列、晶体结构、晶界、位错等是非常重要的元素。
金属材料的原子和离子的排列是不规则的，但是它们可以组成有序结构，这种有序结构就是晶体结构。
晶体结构是由原子或离子的周期性排列所组成的，具有一定的几何形态和参数特征，常常通过晶体学的方法来表征。
晶体结构中的晶格是指空间中的三维点阵结构，它是由原子或离子点阵所组成的。
在晶体结构中，晶格点处的原子或离子称为格点，格点之间的空隙称为间隙。
晶体结构的几何和原子、离子间的相互作用是导致晶体物理性质和化学性质差异的主要原因。
晶体内部不同的晶粒之间存在晶界，晶界对金属材料的性能影响非常大。
晶界是指晶体中的两个晶粒之间的过渡区域，其宽度通常在数分之几到数百微米之间。
晶界以及晶界附近的区域是金属材料中缺陷和位错的聚集区，因此晶界对材料的性能有着重要的影响。
位错是晶体中的一种基本缺陷，是指晶体中由于原子形成之间的错位而产生的线状缺陷，导致晶体中的原子排列发生滑移。
由于材料在加工、应力加载等过程中会出现滑移和变形，因此位错的行为对金属材料的性能有着重要的影响。
二、主要有晶体学、位错学和相变学等。
晶体学是研究晶体结构的科学，它通过实验、理论和计算三个方面来探究晶体结构。
位错学是研究位错及其运动、增殖、交错和缺陷的科学，它通过理论模型、实验和模拟计算的方面来探究位错的行为。
相变学是研究物质的来源和组成、结构和性质随温度、压力、成分和加工过程等因素的变化规律性。
晶体学研究金属材料的晶体结构和晶体缺陷，通过实验和理论计算来解析晶体结构变化及其相应的性能变化规律。
位错学则研究金属材料中的位错及其行为，使人们了解金属材料的塑性变形规律，推导出材料塑性常数等相关的数学模型。
第二章 金属晶体的缺陷
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
必学-金属材料热处理轧制原理基本理论知识
必学-金属材料热处理轧制原理基本理论知识金属材料及热处理、金属塑性变形与轧制原理基本理论知识金属材料及热处理部分一、金属材料的种类材料是人类用来制造各种有用物件的物质。
工程材料是指具有一定性能，在特定条件下能够承担某种功能、被用来制取零件和元件的材料。
工程材料的种类繁多，分类方法也不同，但均可分为金属材料和非金属材料两大类。
金属材料通常分为黑色金属和有色金属两大类，黑色金属包括钢、铸铁、锰、铬及其合金，有色金属材料是除黑色金属之外的所有金属及其合金。
在铸铁中，由于采用不同的处理方式可使石墨呈现不同的形式。
根据石墨形态的差别，将铸铁分为下列几种:普通灰铸铁(石墨呈片状)、蠕墨铸铁(石墨呈蠕虫状)、可锻铸铁(石墨呈团絮状)、球墨铸铁(石墨呈球状)。
二、金属的结构1,金属的晶体结构金属和合金在固态下通常都是晶体。
内部原子或离子在三维空间呈周期性有规则的重复排列的固体称为晶质体(晶质)。
习惯上，将具有几何多面体外形的晶质称为晶体，相应地，将不具有几何多面体外形的晶质称为晶粒。
由一个核心(晶核)生长而成的晶体称为单晶体，在单晶体的不同方向上测量其性能时，表现出或大或小的差异，这就是晶体的各向异性。
金属材料通常由许多不同位向的小晶粒所组成，称为多晶体;多晶体中各晶粒的各向异性互相抵消，故一般不显示各向异性，所以在工业用的金属材料中，通常见不到各向异性特征，称之为伪各向同性。
工业上使用的金属元素中，除了少数具有复杂的晶体结构外，绝大多数都具有比较简单的晶体结构，其中最典型、最常见的金属晶体结构有三种类型，即体心立方结构，面心立方结构和密排六方结构。
2,金属的同素异构转变大部分金属只有一种晶体结构，但也有少数金属如Fe、Mn、Ti、Co等具有两种或几种不同的晶体结构，即具有多晶型。
当外部条件(如温度和压力)改变时，金属可能由一种晶体结构转变成另一种晶体结构。
这种固态金属在不同温度下具有不同晶格的现象称为多晶型性或同素异晶性。
材料科学基础 晶体缺陷
二元离子晶体——不等径刚球密堆理论
.
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2. 共价晶体结构（原子晶体）
典型共价晶体结构
金刚石型（单质型） ZnS型（AB型） SiO2型（AB2型）
.
13
第三节 原子的不规则排列
晶体中的缺陷——原子排列偏离完整性的区域
点缺陷——在三个方向上尺寸都很小 线缺陷——在二个方向上尺寸很小 面缺陷——在一个方向上尺寸很小
24
（1） 包含位错线做一封闭回路——柏氏回路 （2） 将同样的回路置于完整晶体中——不能闭合 （3） 补一矢量（终点指向起点）使回路闭合——柏氏矢量
43 21
1
2
2
1
1
3
1
1 23 4
b
43
2
1 2
1
1 23 4
.
25
2）柏氏矢量特性
（1） 满足右螺旋规则时，柏氏矢量与柏氏回路路径无关
二、金属晶体结构及几何特征
1. 常见的三种晶体结构
面心立方 体心立方
既是晶体结构，又是点阵
密排六方 —— 仅是晶体结构，不是点阵 — 简单六方
.
1
1) 面心立方（fcc 或 A1）
点 阵 常 数： R 2 a
4
最近原子间距：d 2 a 2
<110> 方向 晶胞原子数： 1/8×8 ＋1/2 ×6 ＝ 4
1a 1b 0c a[11 ] 0
22
2
例：b 5a 2[11 0]、 b 6a 2[01] 1
b 5b 6a 2[11 0]a 2[01 ]1 a 2[11 ] 0
1) 刃位错
┻
┻
多出（或少了） 称为
半排原子面
各种材料的常见缺陷
各种材料的常见缺陷各种材料的常见缺陷材料是人类生产、生活中不可或缺的重要基础，包括各种金属、非金属、聚合物等。
然而，无论何种材料，都会存在一些缺陷，这些缺陷会影响到材料的性能和寿命。
下面将介绍各种材料的常见缺陷。
1. 金属材料的常见缺陷(1) 气孔：指金属材料中存在的气体空腔。
气孔的存在会影响材料的强度和韧性，同时也会引起材料的腐蚀。
产生气孔的原因可能是材料熔化温度不足、气体未能完全排出等。
(2) 针孔：指金属材料内部存在的细小孔隙。
针孔虽然很小，但会导致材料在受力时出现脆性断裂。
(3) 夹杂物：指金属材料中未能完全溶解的杂质。
夹杂物会影响材料的强度和塑性，同时也会引起材料的腐蚀。
(4) 结构不均匀：指金属材料内部结构不均匀的缺陷。
这可能是由于金属加工不当或热处理不均匀等原因造成的。
结构不均匀会导致材料发生变形、疲劳等现象。
2. 非金属材料的常见缺陷(1) 孔洞：指非金属材料中的空腔。
孔洞的存在降低了材料的强度和韧性，同时也会引起材料的腐蚀。
(2) 杂质：指非金属材料中存在的不纯物质。
杂质会影响材料的物理、化学性质，导致材料的强度下降和易脆断。
(3) 晶界：指非金属材料晶粒之间的边界。
晶界可以降低材料的强度和韧性，引起材料的疲劳。
(4) 孪晶：指非金属材料中存在的晶体缺陷，使晶体发生旋转或翻转。
孪晶会导致非金属材料的脆性增加。
3. 聚合物材料的常见缺陷(1) 孔洞：指聚合物材料中存在的微小空腔。
孔洞会导致聚合物材料的强度和韧性下降。
(2) 气泡：指聚合物材料中存在的气体泡沫。
气泡会减低聚合物材料的密度，同时也会影响聚合物材料的强度和韧性。
(3) 假晶：指聚合物材料中存在的结晶缺陷。
假晶会导致聚合物材料变得易脆。
(4) 分子链断裂：指聚合物材料中分子链的断裂。
分子链断裂会导致聚合物材料的塑性下降。
总之，无论何种材料，都存在一些缺陷，这些缺陷会影响材料的性能和寿命。
因此，在材料的生产和使用过程中，必须严谨控制和处理有关缺陷，以使材料的性能更加优越，满足各种工业和生活方面的要求。
材料缺陷简介解读
' Na
V Cl
AgCl(s) 'Ag Cl AgCl Ag V Cl i
点缺陷对晶体材料性能的影响
一般情况下，点缺陷主要影响晶体的物理性质，如比容、比热容、 电阻率、扩散系数、介电常数等。
1）比容 形成Schottky空位时，原子迁移到晶体表面上的新位置， 导致晶体体积增加。
F心的着色原理在于加热过程中过量的碱金属原子进入 晶体占据碱金属格点位置。晶体为保持电中性，会产生 相应数目的负离子空位。同时，处于格点的碱金属原子 被电离，失去的电子被带正电的负离子空位所束缚，从 而在空位附近形成F心。F心可以看成是束缚在负离子空 位处的一种“电子陷阱”。
与F心相对的色心是V心。当碱卤晶体在过量的卤素蒸气 中加热后，由于大量的卤素进入晶体，为保持电中性， 在晶体中出现了正离子空位，形成负电中心。这种负电 中心可以束缚一个带正电的“空穴”所组成的体系称为 V心。 F心和V心在结构上是碱卤晶体中两种最简单的缺陷。在 有色心存在的晶体中，A、B两种元素的比例已偏离严格 的化学计量比。所以色心是一种非化学计量引起的缺陷。 色心的应用 光学材料着色，宝石着色。 色心激光晶体 光敏材料，光致变色材料：信息存储与读写
2）比热容 形成点缺陷需向晶体提供附加的能量（空位生成焓）， 因而引起附加比热容。 3）电阻率 金属的电阻主要来源于对传导电子的散射。正常情况 下，电子基本上在均匀电场中运动，在有缺陷的晶体中，晶格的 周期性被破坏，电场急剧变化，因而对电子产生强烈散射，导致 晶体的电阻率增大。点缺陷对金属力学性能影响较小，它只通过 与位错的交互作用，阻碍位错运动而使晶体强化。但在高能离子 辐照情况下，由于形成大量的点缺陷而能引起晶体显著硬化和脆 化（辐照硬化）。
各种材料的常见缺陷
各种材料的常见缺陷1. 金属材料的常见缺陷晶粒缺陷金属材料中的晶粒缺陷是指晶体内部的结构不完善或是存在缺陷的部分。
常见的晶粒缺陷有晶内夹杂、晶粒尺寸不均匀和晶界错配等。
晶内夹杂是指杂质原子或非金属夹杂物被困在晶体内部，影响金属材料的力学性能。
晶界错配是指晶界上相邻晶粒的晶格方向不一致，会导致晶粒边界弱化。
晶体缺陷晶体缺陷是指金属晶体中原子排列的错误或是缺失。
常见的晶体缺陷有点缺陷、线缺陷和面缺陷。
点缺陷是指晶体中有一些原子的位置与理想位置不一致，常见的点缺陷有空位缺陷和间隙原子缺陷。
线缺陷是指沿晶体中某个方向上有一条或多条缺陷线，常见的线缺陷有位错和蚀孔。
面缺陷是指晶体中的一些平面不符合晶体的原子排列规律，常见的面缺陷有晶面凹陷和晶面堆垛。
晶体无序晶体无序指的是金属晶体中原子排列的无序性。
晶体无序会导致金属材料的结构不稳定和力学性能下降。
晶体无序常见的形式有晶格缺陷和晶面缺陷等。
晶格缺陷是指金属晶体中原子间的距离不一致或原子在晶格中位置偏离理想位置，常见的晶格缺陷有点缺陷、线缺陷和面缺陷。
晶面缺陷是指晶体表面的结构不完整，常见的晶面缺陷有表面凹陷和表面堆垛等。
2. 陶瓷材料的常见缺陷晶粒缺陷陶瓷材料中的晶粒缺陷与金属材料中的晶粒缺陷类似，包括晶内夹杂和晶界错配。
但由于陶瓷材料的晶粒尺寸较小和晶界能的高，晶粒缺陷对陶瓷材料的性能影响更加明显。
晶内夹杂会降低陶瓷材料的强度和韧性，而晶界错配会导致陶瓷材料易于脱粒。
晶体缺陷陶瓷材料中的晶体缺陷与金属材料中的晶体缺陷也有类似之处，包括点缺陷、线缺陷和面缺陷。
点缺陷主要是指晶格中的原子位置不完整，线缺陷是指晶体中的一条或多条缺陷线，面缺陷是指晶体的表面结构不完整。
断裂缺陷陶瓷材料容易出现断裂缺陷，这是因为陶瓷材料的断裂韧性较低。
常见的断裂缺陷有裂纹、破损和脆性破坏等。
裂纹是指陶瓷材料中的微小裂缝，会导致材料的强度和韧性降低。
破损是指陶瓷材料表面的磨损或划伤等缺陷，会降低材料的表面质量和性能。
金属材料引起失效的常见缺陷
引起失效的常见缺陷铸态金属组织缺陷铸态金属常见的组织缺陷有缩孔、疏松、偏忻、内裂纹、气泡和白点等。
1.缩孔金属在冷凝过程中由于体积的收缩而在铸锭或铸件心部形成管状（或喇叭状）或分散的孔洞，称为缩孔。
缩孔的相对体积与与液态金属的温度、冷却条件以及铸件的大小等有关。
液态金属的温度越高，则液体与固体之间的体积差越大，而缩孔的体积也越大。
向薄壁铸型中浇注金属时，型壁越薄、则受热越快，液态金属越不易冷却，在刚浇完铸型时，液态金属的体积也越大，金属冷凝后的缩孔也就越大。
2.疏松在急速冷却的条件下浇注金属，可避免在铸锭上部形成集中缩孔，但此时液体金属与固态金属之间的体积差仍保持一定的数值，虽然在表面上似乎已经消除了大的缩孔，可是有许多细小缩孔即疏松，分布在金属的整个体积中。
钢材在锻造和轧制过程中，疏松情况可得到很大程度的改善，但若由于原钢锭的疏松较为严重、压缩比不足等原因，则在热加工后较严重的疏松仍会存在。
此外，当原钢锭中存在着较多的气泡，而在热轧过程中焊合不良，或沸腾钢中的气泡分布不良，以致影响焊合，亦可能形成疏松。
疏松的存在具有较大的危害性，主要有以下几种：（1）在铸件中，由于疏松的存在，显著降低其力学性能，可能使其在使用过程中成为疲劳源而发生断裂。
在用作液体容器或管道的铸件中，有时会存在基本上相互连接的疏松，以致不能通过水压试验，或在使用过程中发生渗漏现象；（2）钢材中如存在疏松，亦会降低其力学性能，但因在热加工过程中一般能减少或消除疏松，故疏松对钢材性能的影响比铸件的小；（3）金属中存在较严重的疏松，对机械加工后的表面粗糙度有一定的影响。
3.偏析金属在冷凝过程中，由于某些因素的影响而形成的化学成分不均匀现象称为偏析。
偏析分为晶内偏析、晶间偏析、区域偏析、比重偏析。
由于扩散不足，在凝固后的金属中，便存在晶体范围内的成分不均匀现象，即晶内偏析。
基于同一原因，在固溶体金属中，后凝固的晶体与先凝固的晶体成分也会不同，即晶间偏析。
金属材料中的晶体缺陷及其对性质的影响研究
金属材料中的晶体缺陷及其对性质的影响研究晶体是由排列有序的晶粒构成的结晶体系。
在金属材料中，晶体缺陷是指晶粒和晶界区域内的各种缺陷和不规则结构，包括点缺陷、线缺陷、面缺陷等。
晶体缺陷对金属材料的性质有着重要的影响，研究晶体缺陷及其对性质的影响可以帮助我们更好地理解和改善金属材料的性能。
一、点缺陷点缺陷是指由于某些原因，晶体内的原子位置偏离其理想位置所形成的缺陷。
点缺陷主要分为两类：点附近存在晶格原子数偏少的缺陷称为空位缺陷，点附近存在晶格原子数偏多的缺陷称为间隙缺陷。
间隙缺陷会影响金属的机械性质和热性质。
间隙原子的存在会增加晶粒的固溶度，使晶粒的尺寸变小，从而提高金属的强度和硬度，但会降低金属的延展性和热稳定性。
在高温下，间隙缺陷会发生聚集并形成固溶体的金属间化合物，从而影响金属的热稳定性。
空位缺陷会降低金属的密度和强度，但会增加金属的延展性和热稳定性。
空位缺陷容易在金属中出现，比如在高温条件下，由于原子的热运动，空位缺陷会被产生出来。
此外，空位缺陷还可以通过辐照等方法进行人工控制。
二、线缺陷线缺陷是指由于晶体中的某些原因，晶体中出现原子位移而形成的缺陷，线缺陷分为位错、薄片夹杂、观察到的亚晶体等。
位错对金属的机械性质有着重要的影响。
位错在材料中传播时，可以吸收和扩散原子，从而使材料变形，这种机械变形的过程称为塑性变形。
位错的存在会提高材料的屈服强度、延展性、疲劳性能等，但会降低材料的硬度和耐磨性。
通过对位错的控制，可以优化材料的力学性能和疲劳寿命。
薄片夹杂是由于金属中存在晶界和非金属夹杂物，导致晶界处出现的形状类似于薄片的缺陷。
薄片夹杂会降低金属的强度和韧性，影响金属的锻造性能和延展性。
观察到的亚晶体是指晶体内出现一些局部有序的微区，也称“微细晶”，其大小约为晶体晶粒大小的百万分之一至千万分之一。
观察到的亚晶体会降低金属的强度和韧性，但会提高金属的延展性和热稳定性。
三、面缺陷面缺陷是指晶体内的晶界和表面等缺陷，面缺陷分为晶界、堆垛错和表面等。
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• 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。
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
• 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
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：
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。
• 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
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.
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。
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
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。
• 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
• 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。