位错和缺陷之间的相互作用ppt课件
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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。
晶体缺陷4+位错的交割与割阶ppt课件
2. 刃形位错形成的扭折属于（ ） （A）刃形位错； （B） 螺型位错； （C）混合位错； （D） 无法确定
3. 两个伯氏矢量相互垂直的刃形位错发生交割作用会产生___ （ a. 割接；b.扭折），属于___ （ a. 螺形位错；b.刃型 位错）；两个伯氏矢量相互平行的刃形位错发生交割作用会 产生___ （ a. 割接；b.扭折），属于___ （ a. 螺形位错； b.刃型位错）。
4. 晶体材料随塑性变形增加，位错密度上升，形变 抗力增加—— 加工硬化。
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18
感谢亲观看此幻灯片，此课件部分内容来源于网络， 如有侵权请及时联系我们删除，谢谢配合！
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13
根据长度超割阶分为短割阶、中割阶和长割阶。
① 短割阶
长度为几个原子间距。滑移 时拖着割阶一起运动，而在 晶体中留下若干空位。
s bs
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14
锌晶体中的位错环
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15
② 中割阶
长度为几个~20个原子间距。位错被割阶的两端钉扎住，
当外切应力足够大，位错向左滑移，从割阶的两端引出两
生割阶，可以和位错p一pt课起件完整运动（非滑移攀移）7
例四：两螺位错，ξ1⊥ξ2 ，b1⊥b2
b1
1
2
2
b2
b1
b2
割阶
1 b2
割阶
b1
♣ 交割后各自在垂直滑移面的方向上产生割阶
。ξ1和ξ2在原滑移面上滑移时，割阶只能一
起攀移，称此割阶为攀移割阶
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8
说明
➢带扭折或割阶的位错,其柏氏矢量与携带它们 的位错相同
5
例二：两刃位错,b1∥b2
2
3. 两个伯氏矢量相互垂直的刃形位错发生交割作用会产生___ （ a. 割接；b.扭折），属于___ （ a. 螺形位错；b.刃型 位错）；两个伯氏矢量相互平行的刃形位错发生交割作用会 产生___ （ a. 割接；b.扭折），属于___ （ a. 螺形位错； b.刃型位错）。
4. 晶体材料随塑性变形增加，位错密度上升，形变 抗力增加—— 加工硬化。
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根据长度超割阶分为短割阶、中割阶和长割阶。
① 短割阶
长度为几个原子间距。滑移 时拖着割阶一起运动，而在 晶体中留下若干空位。
s bs
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锌晶体中的位错环
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15
② 中割阶
长度为几个~20个原子间距。位错被割阶的两端钉扎住，
当外切应力足够大，位错向左滑移，从割阶的两端引出两
生割阶，可以和位错p一pt课起件完整运动（非滑移攀移）7
例四：两螺位错，ξ1⊥ξ2 ，b1⊥b2
b1
1
2
2
b2
b1
b2
割阶
1 b2
割阶
b1
♣ 交割后各自在垂直滑移面的方向上产生割阶
。ξ1和ξ2在原滑移面上滑移时，割阶只能一
起攀移，称此割阶为攀移割阶
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8
说明
➢带扭折或割阶的位错,其柏氏矢量与携带它们 的位错相同
5
例二：两刃位错,b1∥b2
2
晶体缺陷点缺陷和位错
第3章 晶体缺陷
《材料科学与工程基础》
本章主要内容
3.1 点缺陷 3.2 位错 3.3 表面及界面
第3章 晶体缺陷
❖引 言
1、晶体缺陷(Defects in crystals)
定义：实际晶体都是非完整晶体，晶体中原子排 列的不完整性称为晶体缺陷。
2、缺陷产生的原因
（1）晶体生长过程中受到外界环境中各种复杂因 素的不同程度的影响；
作业
Cu晶体的空位形成能1.44x10-19J/atom，A=1, 玻尔兹曼常数k=1.38x10-23J/k。已知Cu的摩尔
质量为MCu＝63.54g/mol， 计算： 1）在500℃以下，每立方米Cu中的空位数？ 2） 500℃下的平衡空位浓度？
18
❖ 解：首先确定1m3体积内Cu原子的总数（已 知Cu的摩尔质量为MCu＝63.54g/mol， 500℃ 下Cu的密度ρCu＝8.96 ×106 g/m3
Ag
3980
0.372 25000 9.3×10-5 1.5×10-5
Cu
6480
0.490 40700 7.6×10-5 1.2×10-5
α-Fe
11000
2.75
68950 2.5×10-4 1.5×10-5
Mg
2630
0.393 16400 1.5×10-4 2.4×10-5
问题：计算结果和实验值相差甚远
3）位错线可以是任何形状的曲线。 4）点阵发生畸变，产生压缩和膨胀，形成应力场，
随着远离中心而减弱。
7.2 位错的基本知识
考虑一下，还 可以采用什么 方式构造出一 个刃型位错？
2、螺型位错
（1）螺型位错的形成
螺型位错的 原子组态：
《材料科学与工程基础》
本章主要内容
3.1 点缺陷 3.2 位错 3.3 表面及界面
第3章 晶体缺陷
❖引 言
1、晶体缺陷(Defects in crystals)
定义：实际晶体都是非完整晶体，晶体中原子排 列的不完整性称为晶体缺陷。
2、缺陷产生的原因
（1）晶体生长过程中受到外界环境中各种复杂因 素的不同程度的影响；
作业
Cu晶体的空位形成能1.44x10-19J/atom，A=1, 玻尔兹曼常数k=1.38x10-23J/k。已知Cu的摩尔
质量为MCu＝63.54g/mol， 计算： 1）在500℃以下，每立方米Cu中的空位数？ 2） 500℃下的平衡空位浓度？
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❖ 解：首先确定1m3体积内Cu原子的总数（已 知Cu的摩尔质量为MCu＝63.54g/mol， 500℃ 下Cu的密度ρCu＝8.96 ×106 g/m3
Ag
3980
0.372 25000 9.3×10-5 1.5×10-5
Cu
6480
0.490 40700 7.6×10-5 1.2×10-5
α-Fe
11000
2.75
68950 2.5×10-4 1.5×10-5
Mg
2630
0.393 16400 1.5×10-4 2.4×10-5
问题：计算结果和实验值相差甚远
3）位错线可以是任何形状的曲线。 4）点阵发生畸变，产生压缩和膨胀，形成应力场，
随着远离中心而减弱。
7.2 位错的基本知识
考虑一下，还 可以采用什么 方式构造出一 个刃型位错？
2、螺型位错
（1）螺型位错的形成
螺型位错的 原子组态：
晶体缺陷位错的弹性性质PPT课件
UT=U0+Uel
长程,
U0
1 10
U
T
可忽略。
（2）UT∝b2，晶体中稳定的位错具有最小的柏氏矢 量，从而具有最低的应变能，所以晶体的滑移 方向总是原子的密排方向。
b大的位错有可能分解成b小的位错，以降低系统的能量
（3） W螺/W刃=1-v，常用金属材料的v=1/3，故W螺 /W刃=2/3。所以螺位错比刃位错易形成。
xx
Gb
2 (1)
y(3x2 y 2 ) (x 2 y2 )2
第21页/共99页
σxx 应力场
y
xx
Gb
2 (1 )
y(3x2 y 2 ) (x2 y2)2
6 8 10 20
20 10 8 6
4
2
x
2 4
第22页/共99页
三、混合位错的应力场
b
θ
bs
be
be b sin bs b cos
zz
y
r 0 θ
P(r,θ,z) x
z
dr
dz
θr
dθ
z
t r
tZ t r t rz
rr
t z tzr
zz
r dr d dz 微体积
第8页/共99页
y • 平衡状态，
有切应力互等定律。
t yx t xy
y
yy
tyz tzy
tyx txy
zz tzx txz xx
x
否则六面体将发生转动。
第32页/共99页
作业
1.写出距位错中心为R1范围内的位错弹性应变能。如果弹性应变能为R1范围的一倍，则 所涉及的距位错中心距离R2为多大？
2. 计算产生1cm长的直刃型位错所需要的能量，并指出占一半能量的区域半径（设r0 ＝1nm，R＝1cm，G＝50GPa，b＝0.25nm，ν＝1/3）
位错之间的交互作用位错产生应力场
• 1.2.3.8 实际晶体中的位错
• (1) 常见金属中的位错：分全位错和不全位 错。
• 1) 全位错和不全位错：实际晶体中，位错 的柏氏矢量应符合晶体的结构条件和能量 条件。
• 结构条件：柏氏矢量必须连接相邻两个原 子平衡位置(阵点)。
• 能量条件：柏氏矢量必须使位错处于最低 能量。
位错之间的交互作用位错产生应力 场
• S1在(r,θ)处的应力场为τθ2=Gb1/2πr，S2在 此应力场中受力：
• fr=τθzb2=Gb1b2/2πr
(1-15)
• fr的方向为矢径r的方向。同理，S1也受到 S2的应力场作用，大小与fr相等，方向相反。
• 当b1与b2同向(同号位错)时，fr>0，为斥力； 若b1与b2反向(异号位错)，则fr<0，为吸力。
• mn是一段新位错，其柏氏矢量与CD相同， 也是刃位错，但滑易面AB相同。
• 刃位错与螺位错、螺位错与螺位错之间交 割都要形成割阶，还可能形成难以运动的 固定割阶。
• 割阶的形成增加了位错线长度，要消耗一 定的能量，因此交割对位错运动是一种阻 碍。增加变形困难，产生应变硬化。
位错之间的交互作用位错产生应力 场
位错之间的交互作用位错产生应力 场
• 设一位错线一沿其滑易面ABCD移出晶体， 晶体上下两部分产生了b的切变。在滑移前 另有一个垂直于滑移面的位错环与滑移面 相交，设位错环的垂直部分为刃位错，当 晶体切变且应
• 力足够时，必然 • 会使这两段位错 • 沿滑移面产生切 • 变而形成台阶， • 即位错割阶。
仍为最短的点阵矢量。如NaCl的主滑移面 是{110}，其次是{100}，偶尔也有{111}， {112}等，但柏氏矢量都为b=<110>a/2。 • 2 ) 刃位错的附加半原子面是包括两个互补 的附加半原子面。 • 3) 刃位错滑移时没有离子移动，因而露头 处的有效电荷不改变符号。
点缺陷与位错的相互作用
1，溶质原子从压缩区域被排斥到膨胀的区域（替换） 2，间隙原子，被体积膨胀区域所吸引 3, 在球对称下，溶质原子和纯螺型位错之间没有弹性交互作用。 4, 交互作用的结果，大量溶质原子，尤其是间隙原子将聚集在位错附近 区域，形成原子云，称为科垂尔气团
等能曲线和作用力的方向：
明显屈服现象
弹性形变
塑性形变
坐标系的变换：
U b 3 r
2 (11
33 )a3
cos
'
cos
r
Ui
r
cos
(i
1)
2
3
对于Fe其交互作用大概为0.5eV，与刃型位错的作用相当 通过改变不同轴向的应变，改变溶质原子在Fe中的分布特点！
张量变换：T' ijaik a Tjl kl
x2'
x3
aij为变换矩阵，对于直角系坐标变换就是方向余弦的变换式。
位错附近溶质原子的浓度
C C0 exp(U / kT ) Cm C0 exp(Um / kT )
溶质原子（间隙原子）对位错的钉扎作用：
F ( x)
2 AR0 x (x2 R02 )2
, F (x)max
3 3A 8R02
Cottrell气团的盯扎作用（说明）
• 柯氏气团是体心立方金属出现明显屈服效 应的根本原因，但是其他金属及合金中由 于他原因也可能出现明显屈服效应。
位错
应力场
点缺陷
应力场
交互作用
能量降低
稳定位错 强化晶体
弹性相互作用
• 溶质原子会使周围晶体产生弹性畸变，而产生应 力场，它与位错的应力场相互作用从而升高或降 低晶体中的弹性应变能。分科垂耳型(cottrell)和斯 诺克型(snoek)两种作用。
等能曲线和作用力的方向：
明显屈服现象
弹性形变
塑性形变
坐标系的变换：
U b 3 r
2 (11
33 )a3
cos
'
cos
r
Ui
r
cos
(i
1)
2
3
对于Fe其交互作用大概为0.5eV，与刃型位错的作用相当 通过改变不同轴向的应变，改变溶质原子在Fe中的分布特点！
张量变换：T' ijaik a Tjl kl
x2'
x3
aij为变换矩阵，对于直角系坐标变换就是方向余弦的变换式。
位错附近溶质原子的浓度
C C0 exp(U / kT ) Cm C0 exp(Um / kT )
溶质原子（间隙原子）对位错的钉扎作用：
F ( x)
2 AR0 x (x2 R02 )2
, F (x)max
3 3A 8R02
Cottrell气团的盯扎作用（说明）
• 柯氏气团是体心立方金属出现明显屈服效 应的根本原因，但是其他金属及合金中由 于他原因也可能出现明显屈服效应。
位错
应力场
点缺陷
应力场
交互作用
能量降低
稳定位错 强化晶体
弹性相互作用
• 溶质原子会使周围晶体产生弹性畸变，而产生应 力场，它与位错的应力场相互作用从而升高或降 低晶体中的弹性应变能。分科垂耳型(cottrell)和斯 诺克型(snoek)两种作用。
点缺陷与位错的相互作用
x3'
x1'
x2
x1
<-1-12>
<111>
<-110>
两种弹性相互作用
螺位错的应力场是间隙原子在位错线附近产生 局部有序排列，这种有序排列称斯诺克 （snoek）气团。和科垂尔气团相比，形成这 种气团不需要原子长程扩散，也不需要引起溶 质原子的聚集。
化学相互作用—Suzuki气团
• 在热平衡下， 溶质原子在层错区的浓度与基体不 同，它阻碍扩展位错运动---化学相互作用。层错 区富集的溶质原子称为铃木气团。
静电相互作用
体积变化： V V 4 Emax 15 费米能的变化： E f 3 N Emax 2 CV
2 3 2 3
刃型位错附近存在附加电场 静电相互作用 溶质原子周围存在库仑场
本章重点掌握内容
• 科垂耳气团，斯诺克气团，铃木气团的内 涵及相互区别
等能曲线和作用力的方向：
明显屈服现象
塑性形变
弹性形变
位错附近溶质原子的浓度
C C0 exp(U / kT ) Cm C0 exp(U m / kT )
溶质原子（间隙原子）对位错的钉扎作用：
2 AR0 x 3 3A F ( x) 2 , F ( x)max 2 2 2 ( x R0 ) 8R0
位错
应力场 交互作用 能量
弹性相互作用
• 溶质原子会使周围晶体产生弹性畸变，而产生应 力场，它与位错的应力场相互作用从而升高或降 低晶体中的弹性应变能。分科垂耳型(cottrell)和斯 诺克型(snoek)两种作用。 • 模型：在弹性介质中挖一个球形空洞，再在其中 放入刚性球，当球的半径与孔的半径不同时，便 需要给晶体做功，以使二者保持相对平衡。在完 整晶体中，溶质原子分布是随机的， 但有其他缺 陷（位错）产生应力场时，溶质原子产生的应变 能就要发生改变，即产生相互作用。
结晶学 第七章 线缺陷-位错
P
3
应力 T 有方向性，是位置的函数，还 是小面元法线方向 n 的函数，通常在直角 坐标系下描述某点的应力，可用九个分量 的张量(txx txy txz, tyx tyy tyz, tzxtzytzz)表示。 将应力T 分解为两个分量
n
σ T
(1) 沿小面元 dS 法线方向称作正应力s ； (2) 沿小面元 dS 切线方向称作切应力 τ 。
26
位错的普遍定义：一个柏格斯回路绕着晶体缺陷 作一闭合回路，其所走步数矢量和不为零，这个晶 体缺陷叫位错。 此前定义“位错是已滑移区与未滑移区的交界线”， 略显粗糙。
27
2、柏氏矢量的守恒性
一个确定的位错，其柏氏矢量是固定不变的（与伯格斯回路 的大小、路径无关）。 而且，它有如下表现： (1) 方向指向结点的位错线的柏氏矢量之和等于方向离开结 点的位错的柏氏矢量之和。
型
螺
右
正刃型
负刃型
b
型
螺
左
图7.1.12 具有环形位错线的混合型位错
18
晶体中存在的环形位错线不一定必须由各种类型的位错 构成。例如图7.1.13所示的环形位错线是纯刃型的，形成它 的滑移矢量与位错线是垂直的。
图7.1.13 具有环形位错线的刃型位错
19
7.2 柏氏矢量
滑移矢量的大小等于原子间距的整数倍，其大小可以反 映产生位错的数目或强度，依据其方向与位错线的交角可以 判断位错类型，但用其描述位错的特征尚有不足。 例如：
33
看几个实验结果：
① Ge单晶在温度T＜500℃，Si单晶在温度T＜650℃的条件 下，进行热处理，一般不产生位错； ② 无位错的Si单晶，屈服强度接近理论值。在800～900℃ 温度下进行热处理，施加较大的热应力也不产生位错增殖； ③ Si单晶薄片在室温下，施加机械应力使之弯曲，r (曲率 半径)在2m以上，不发生范性形变。 若晶体内应力超过晶体的屈服强度，将会出现位错。 讨论弯曲应力和温度应力产生的位错密度问题。
演示文稿位错和缺陷之间的相互作用
气团阻碍位错运动，产生固溶强化效应，但气团在高 温条件下会消失，失去强化效果
用柯氏气团可解释合金中出现应变时效和屈服现象
第六页，共30页。
铃木气团
• 溶质原子与扩展位错之间会发生化学交互作用，产生铃木气团
• 由于扩展位错的层错区具有与周围基体不同的晶体结构（如fcc中层错区属hcp ），为保持热力学平衡，溶质原子在层错区浓度与在基体中浓度不同， 有的原子偏聚于层错区，减小表面能，使层错区宽度d增大，不易于束集
，难于交滑移，从而提高合金强度，这种由化学交互作用而产生溶质原子在 层错区偏聚，构成了“铃木气团”
• 与科垂耳气团比较
• 1）铃木气团与温度无关 • 2）铃木气团与位错类型无关
第七页，共30页。
斯诺克气团
• 体心立方晶体中间隙原子如C、N 等与螺位错切应力场发生的交互 作用
• C、N原子使得α－Fe产生四方畸变 • 间隙原子分布于α－Fe的（1/2,0,0） （0,1/2,
通过攀移随主位错线移动产生空位
第十四页，共30页。
异号刃型位错互毁后产生空位
互毁时其中任一位错线必须每隔一定距离相对攀移一个原子间距
是产生空位的常见机制
第十五页，共30页。
螺型位错交截后移动产生空位
两相互垂直的螺型位错经交截后产生刃型割阶
割阶高度足够小（1~2个原子间距），外力足够大且温度比较高时，此割阶只能
第四页，共30页。
溶质原子与位错的交互作用
位错与溶质原子的交互作用 • 至于溶质原子能否移至理想的位置，则取决于溶质原
子的扩散能力 • 溶质原子分布于位错周围使位错的应变能下降，位错
的稳定性增加，晶体强度提高
第五页，共30页。
科垂耳气团
通常把把溶质原子与位错交互作用后，围绕位错而形 成的溶质原子聚集物，称为“科垂耳气团” （Cottrell Atmosphere）
用柯氏气团可解释合金中出现应变时效和屈服现象
第六页，共30页。
铃木气团
• 溶质原子与扩展位错之间会发生化学交互作用，产生铃木气团
• 由于扩展位错的层错区具有与周围基体不同的晶体结构（如fcc中层错区属hcp ），为保持热力学平衡，溶质原子在层错区浓度与在基体中浓度不同， 有的原子偏聚于层错区，减小表面能，使层错区宽度d增大，不易于束集
，难于交滑移，从而提高合金强度，这种由化学交互作用而产生溶质原子在 层错区偏聚，构成了“铃木气团”
• 与科垂耳气团比较
• 1）铃木气团与温度无关 • 2）铃木气团与位错类型无关
第七页，共30页。
斯诺克气团
• 体心立方晶体中间隙原子如C、N 等与螺位错切应力场发生的交互 作用
• C、N原子使得α－Fe产生四方畸变 • 间隙原子分布于α－Fe的（1/2,0,0） （0,1/2,
通过攀移随主位错线移动产生空位
第十四页，共30页。
异号刃型位错互毁后产生空位
互毁时其中任一位错线必须每隔一定距离相对攀移一个原子间距
是产生空位的常见机制
第十五页，共30页。
螺型位错交截后移动产生空位
两相互垂直的螺型位错经交截后产生刃型割阶
割阶高度足够小（1~2个原子间距），外力足够大且温度比较高时，此割阶只能
第四页，共30页。
溶质原子与位错的交互作用
位错与溶质原子的交互作用 • 至于溶质原子能否移至理想的位置，则取决于溶质原
子的扩散能力 • 溶质原子分布于位错周围使位错的应变能下降，位错
的稳定性增加，晶体强度提高
第五页，共30页。
科垂耳气团
通常把把溶质原子与位错交互作用后，围绕位错而形 成的溶质原子聚集物，称为“科垂耳气团” （Cottrell Atmosphere）
位错和缺陷之间的相互作用33页PPT
位错和缺陷之间的相互作用
26、机遇对于有准备的头脑有特别的 亲和力 。 27、自信是人格的核心。
28、目标的坚定是性格中最必要的力 量泉源 之一， 也是成 功的利 器之一 。没有 它，天 才也会 在矛盾 无定的 迷径中 ，徒劳 无功。- -查士 德斐尔 爵士。 29、困难就是机遇。--温斯顿．丘吉 尔。 30、我奋斗，所以在、过 去和未 来文化 生活的 源泉。 ——库 法耶夫 57、生命不可能有两次，但许多人连一 次也不 善于度 过。— —吕凯 特 58、问渠哪得清如许，为有源头活水来 。—— 朱熹 59、我的努力求学没有得到别的好处， 只不过 是愈来 愈发觉 自己的 无知。 ——笛 卡儿
拉
60、生活的道路一旦选定，就要勇敢地 走到底 ，决不 回头。 ——左
26、机遇对于有准备的头脑有特别的 亲和力 。 27、自信是人格的核心。
28、目标的坚定是性格中最必要的力 量泉源 之一， 也是成 功的利 器之一 。没有 它，天 才也会 在矛盾 无定的 迷径中 ，徒劳 无功。- -查士 德斐尔 爵士。 29、困难就是机遇。--温斯顿．丘吉 尔。 30、我奋斗，所以在、过 去和未 来文化 生活的 源泉。 ——库 法耶夫 57、生命不可能有两次，但许多人连一 次也不 善于度 过。— —吕凯 特 58、问渠哪得清如许，为有源头活水来 。—— 朱熹 59、我的努力求学没有得到别的好处， 只不过 是愈来 愈发觉 自己的 无知。 ——笛 卡儿
拉
60、生活的道路一旦选定，就要勇敢地 走到底 ，决不 回头。 ——左
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空位与位错在一定条件下可以互相转化
03.05.2020
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10
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2．位错与空位的交互作用
空位通常被吸引到刃型位错的压缩区，或消失在刃型位错线上， 使位错线产生割阶
空位被吸引到刃型位错上产生割阶
03.05.2020
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带割阶的螺位错运动
a无应力下的直位错 b外加切应力后位错在滑移面弯曲
c位错运动在割阶后留下一串空位
03.05.2020
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• PP′可随AB滑移，但有阻 碍
• 位错CD上交截线段QQ‘与b2 垂直，为扭折，在线张力下 可被拉直
(a) 交截前; (b) 交截后
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两根螺型位错的交截
值得注意的一种，如图所示
螺错L1向右运动，遇到与之垂直的 螺错L2发生交截
用柯氏气团可解释合金中出现应变时效和屈服现象
03.05.2020
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铃木气团
• 溶质原子与扩展位错之间会发生化学交互作用，产生铃木 气团
• 由于扩展位错的层错区具有与周围基体不同的晶体结构（如fcc中层错 区属hcp），为保持热力学平衡，溶质原子在层错区浓度与在基体中 浓度不同，有的原子偏聚于层错区，减小表面能，使层错区宽度d增 大，不易于束集，难于交滑移，从而提高合金强度，这种由化学交互 作用而产生溶质原子在层错区偏聚，构成了“铃木气团”
• 间隙原子分布于α－Fe的（1/2,0,0） （0,1/2, 0） （ 0,0,1/2）间隙位置
• 在应力作用下，三个间隙位置的原子应 变能不同，从应变能大的位置跳到应变 能小的位置，即斯诺克效应
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• 与科垂耳气团比较 • 1）铃木气团与温度无关 • 2）铃木气团与位错类型无关
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斯诺克气团
• 体心立方晶体中间隙原子如C、N 等与螺位错切应力场发生的交互 作用
• C、N原子使得α－Fe产生四方畸变
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2．位错与空位的交互作用
• 空位也会引起点阵畸变，空位与位错也会发生交互作用 • 空位通常被吸引到刃型位错的压缩区，降低位错的应 变能，使位错发生攀移 • 这一交互作用在高温下显得十分重要，因为空位浓度 随温度升高而上升
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位错交截
• 是否产生结果由位错线与另外的位错的柏矢矢量决定，若 平行，无交截结果，垂直时才有交截结果
• 交截后位错线段的刃型、螺型性质取决于该位错线段与本 身位错线柏矢矢量的关系
• 交截结果是割阶或扭折取决于该位错线段与本身位错滑移 平面的关系
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空位盘转化成位错环
金属从高温急冷所固定下来的过饱和空位可以聚集成空位盘
盘的尺寸达到几十个原子间 距时，不稳定而发生崩 塌，在四周形成一个刃 型位错环
位错环的滑移面是一个环柱 面，由于柏氏矢量垂直 于环面，在位错环所处 的平面上位错只攀移， 这种位错称为“棱柱位 错”
位错与空位的化学交互作用
• 置换式固溶体中溶质原子与层错化学交互作用，形成铃木 （Suzuki）气团
• 比弹性交互作用小1－2个数量级 • 由于堆剁层错作用，很难靠热起伏摆脱溶质原子束缚，有
好的高温稳定性，特别是Cottrell气团消失后作用显著 • 钉扎与位错类型无关，刃位错、螺位错钉扎强弱程度一样
两柏氏矢量互相垂直的刃型位错交截 (a) 交截前；(b) 交截后
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刃型位错与螺型位错交截
• 交截后，AB被分割成位于相 邻两平行平面内的两段位错
• 中间由刃型割阶PP′相连
• PP′长度与b2相等 • PP′柏氏矢量仍为b1
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位错线互相垂直刃型位错的交截
AB，xy两根相互垂直的刃型位错线，b1// b2 交截后各产生PP′和QQ′的折线，它们均位于原来两个滑移面上，同属螺型性质，
为“扭折” 在运动过程中，这种折线在线张力的作用下可能被拉长而消失
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两根螺型位错的交截
在外力足够大且温度比较高，并且此割阶长度足够小（1~2 个原子间距），此割阶可以通过攀移与主位错一道运动， 并在割阶后面留下一连串空位
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位错与溶质原子的交互作用
所有溶质原子均可在刃型位错周围找到合适的位置 正刃型位错
下方原子受到拉应力，原子半径较大的置换型溶质原子和间隙原子位于位错滑 移面下方（即晶格受拉区）可以降低位错的应变能 小原子半径的间隙型溶质原子位于滑称面上方（晶格受压区）可以降低位错应 变能，使体系处于较低的能量状态
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两根相互垂直的刃型位错线交截
b1⊥b2
xy位错线与不动的AB位错
交截后，AB产生一个长度
与PPb′折1相线等位的于刃P型xy割滑阶移P面P上′，，
是可动的，随AB沿着b 指方向移动
2所
b2与xy平行，xy不产生折线
割阶通过攀移随主位错线移动产生空位
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异号刃型位错互毁后产生空位
互毁时其中任一位错线必须每隔一定距离相对攀移一个原子间距 是产生空位的常见机制
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溶质原子与位错的交互作用
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位错与溶质原子的交互作用
• 至于溶质原子能否移至理想的位置，则取决于溶 质原子的扩散能力
• 溶质原子分布于位错周围使位错的应变能下降， 位错的稳定性增加，晶体强度提高
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螺型位错和螺型位错的交割
AB的滑移面一定，由外力决定，所以P’P是刃型位错割阶，而Q’Q不是， 会消失
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位错偶
• 割阶高度在几个原子间距到20nm之间，位错不能拖着割阶运动 • 在外力作用下，若割阶间的位错线发生弯曲，且在上下两个滑移面和割阶相连
接的位错线是异号刃型位错时，这对异号刃型位错相互吸引而平行排列起来， 形成位错偶 • 位错偶经常断开而留下一个长的位错环，原位错线仍回复原来带割阶的状态， 形成的长形位错环又可分裂成小的位错环，也是形成位错环机制之一
位错与空位的电学交互作用
• 刃位错压缩区原子间距小，电子密度增大，电子能量增大， 刃位错膨胀区原子间距大，电子密度小，电子能量小 • 压缩区电子流向膨胀区，压缩区带正电，膨胀区带负电， 形成电偶极子 • 高价原子进入膨胀区，低价原子进入压缩区
• 作用力为弹性交互作用的1/5
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2.6 位错与晶体缺陷的相互作用
1．位错与溶质原子的交互作用
点缺陷在晶体中会引起点阵畸变，产生的应 力场可与位错产生交互作用
弹性的、化学的、电学的、几何的四种交互作用 弹性作用为最重要
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(a)空位凝聚成盘；(b)空位盘崩塌成位错环； (c)纯铝(650℃淬火)中的位错环
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位错与空位的交互作用---位错在运动过程中产生空位
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2．位错与空位的交互作用
空位通常被吸引到刃型位错的压缩区，或消失在刃型位错线上， 使位错线产生割阶
空位被吸引到刃型位错上产生割阶
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带割阶的螺位错运动
a无应力下的直位错 b外加切应力后位错在滑移面弯曲
c位错运动在割阶后留下一串空位
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• PP′可随AB滑移，但有阻 碍
• 位错CD上交截线段QQ‘与b2 垂直，为扭折，在线张力下 可被拉直
(a) 交截前; (b) 交截后
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两根螺型位错的交截
值得注意的一种，如图所示
螺错L1向右运动，遇到与之垂直的 螺错L2发生交截
用柯氏气团可解释合金中出现应变时效和屈服现象
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铃木气团
• 溶质原子与扩展位错之间会发生化学交互作用，产生铃木 气团
• 由于扩展位错的层错区具有与周围基体不同的晶体结构（如fcc中层错 区属hcp），为保持热力学平衡，溶质原子在层错区浓度与在基体中 浓度不同，有的原子偏聚于层错区，减小表面能，使层错区宽度d增 大，不易于束集，难于交滑移，从而提高合金强度，这种由化学交互 作用而产生溶质原子在层错区偏聚，构成了“铃木气团”
• 间隙原子分布于α－Fe的（1/2,0,0） （0,1/2, 0） （ 0,0,1/2）间隙位置
• 在应力作用下，三个间隙位置的原子应 变能不同，从应变能大的位置跳到应变 能小的位置，即斯诺克效应
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• 与科垂耳气团比较 • 1）铃木气团与温度无关 • 2）铃木气团与位错类型无关
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斯诺克气团
• 体心立方晶体中间隙原子如C、N 等与螺位错切应力场发生的交互 作用
• C、N原子使得α－Fe产生四方畸变
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2．位错与空位的交互作用
• 空位也会引起点阵畸变，空位与位错也会发生交互作用 • 空位通常被吸引到刃型位错的压缩区，降低位错的应 变能，使位错发生攀移 • 这一交互作用在高温下显得十分重要，因为空位浓度 随温度升高而上升
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位错交截
• 是否产生结果由位错线与另外的位错的柏矢矢量决定，若 平行，无交截结果，垂直时才有交截结果
• 交截后位错线段的刃型、螺型性质取决于该位错线段与本 身位错线柏矢矢量的关系
• 交截结果是割阶或扭折取决于该位错线段与本身位错滑移 平面的关系
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空位盘转化成位错环
金属从高温急冷所固定下来的过饱和空位可以聚集成空位盘
盘的尺寸达到几十个原子间 距时，不稳定而发生崩 塌，在四周形成一个刃 型位错环
位错环的滑移面是一个环柱 面，由于柏氏矢量垂直 于环面，在位错环所处 的平面上位错只攀移， 这种位错称为“棱柱位 错”
位错与空位的化学交互作用
• 置换式固溶体中溶质原子与层错化学交互作用，形成铃木 （Suzuki）气团
• 比弹性交互作用小1－2个数量级 • 由于堆剁层错作用，很难靠热起伏摆脱溶质原子束缚，有
好的高温稳定性，特别是Cottrell气团消失后作用显著 • 钉扎与位错类型无关，刃位错、螺位错钉扎强弱程度一样
两柏氏矢量互相垂直的刃型位错交截 (a) 交截前；(b) 交截后
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刃型位错与螺型位错交截
• 交截后，AB被分割成位于相 邻两平行平面内的两段位错
• 中间由刃型割阶PP′相连
• PP′长度与b2相等 • PP′柏氏矢量仍为b1
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位错线互相垂直刃型位错的交截
AB，xy两根相互垂直的刃型位错线，b1// b2 交截后各产生PP′和QQ′的折线，它们均位于原来两个滑移面上，同属螺型性质，
为“扭折” 在运动过程中，这种折线在线张力的作用下可能被拉长而消失
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两根螺型位错的交截
在外力足够大且温度比较高，并且此割阶长度足够小（1~2 个原子间距），此割阶可以通过攀移与主位错一道运动， 并在割阶后面留下一连串空位
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位错与溶质原子的交互作用
所有溶质原子均可在刃型位错周围找到合适的位置 正刃型位错
下方原子受到拉应力，原子半径较大的置换型溶质原子和间隙原子位于位错滑 移面下方（即晶格受拉区）可以降低位错的应变能 小原子半径的间隙型溶质原子位于滑称面上方（晶格受压区）可以降低位错应 变能，使体系处于较低的能量状态
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两根相互垂直的刃型位错线交截
b1⊥b2
xy位错线与不动的AB位错
交截后，AB产生一个长度
与PPb′折1相线等位的于刃P型xy割滑阶移P面P上′，，
是可动的，随AB沿着b 指方向移动
2所
b2与xy平行，xy不产生折线
割阶通过攀移随主位错线移动产生空位
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异号刃型位错互毁后产生空位
互毁时其中任一位错线必须每隔一定距离相对攀移一个原子间距 是产生空位的常见机制
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溶质原子与位错的交互作用
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位错与溶质原子的交互作用
• 至于溶质原子能否移至理想的位置，则取决于溶 质原子的扩散能力
• 溶质原子分布于位错周围使位错的应变能下降， 位错的稳定性增加，晶体强度提高
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螺型位错和螺型位错的交割
AB的滑移面一定，由外力决定，所以P’P是刃型位错割阶，而Q’Q不是， 会消失
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位错偶
• 割阶高度在几个原子间距到20nm之间，位错不能拖着割阶运动 • 在外力作用下，若割阶间的位错线发生弯曲，且在上下两个滑移面和割阶相连
接的位错线是异号刃型位错时，这对异号刃型位错相互吸引而平行排列起来， 形成位错偶 • 位错偶经常断开而留下一个长的位错环，原位错线仍回复原来带割阶的状态， 形成的长形位错环又可分裂成小的位错环，也是形成位错环机制之一
位错与空位的电学交互作用
• 刃位错压缩区原子间距小，电子密度增大，电子能量增大， 刃位错膨胀区原子间距大，电子密度小，电子能量小 • 压缩区电子流向膨胀区，压缩区带正电，膨胀区带负电， 形成电偶极子 • 高价原子进入膨胀区，低价原子进入压缩区
• 作用力为弹性交互作用的1/5
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吉 首 大 学 物 理 与 机 电 工 程 学 院 JiShou University
2.6 位错与晶体缺陷的相互作用
1．位错与溶质原子的交互作用
点缺陷在晶体中会引起点阵畸变，产生的应 力场可与位错产生交互作用
弹性的、化学的、电学的、几何的四种交互作用 弹性作用为最重要
03.05.2020
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(a)空位凝聚成盘；(b)空位盘崩塌成位错环； (c)纯铝(650℃淬火)中的位错环
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位错与空位的交互作用---位错在运动过程中产生空位