晶体缺陷线缺陷

A--材料常数，其值常取1；
T--体系所处的热力学温度；
k--玻尔兹满常数，k值为8.62×10-5ev/K。
μ--该类型缺陷的形成能。
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二、 点缺陷的产生
1、平衡点缺陷及其浓度
①点缺陷在晶体中必然会存在。在一定的温度条件下，晶 体中存在一定浓度的点缺陷以使其处于最低的能量状态， 使结构最稳定。
② 在一定温度下并非所有的原子都能离开平衡位置形成缺陷， 只有比原子的平均能量高出缺陷形成能μ的那部分原子才能 形成点缺陷。
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复习：点 缺 陷
一、点缺陷的类型 --- 空位和间隙原子
空位
晶体结构中原来应该有原子的某些结点上因某种 原因出现了原子空缺而形成。
①肖特基空位 脱位原子进入其它空位或逐渐迁移至 晶面或界面。肖特基空位仅形成空位。
②弗兰克空位
脱位原子挤入节点的间隙，同时形成 间隙原子从而产生间隙原子-空位对。
间隙原子 晶体结构中间隙处因某种原因存在的同种原子。
混合位错的位错 线与滑移方向既 不垂直也不平行！
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三、位错的柏氏矢量
用来反映位错点阵畸变特征的物理参量。
（1）柏氏矢量 b 表示可以很容
易地表征出位错产生的畸变的 方向和大小。
（2）引入柏氏矢量后，可以 使对位错的描述大大简化。
（3）柏氏矢量可通过在位错线周围和理想 晶体中以相同的方法和路径作柏氏回路而求 得。
位错相互切割后，将使位错产生弯折， 生成位错折线，这种折线有两种：
割阶：垂直滑移面的折线 扭折：在滑移面上的折线
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位错的交割---
（1）两根互相垂直刃型位错 的交截 a. 柏氏矢量互相平行 ，产生 扭折，可消失
AB，xy两根相互垂直的刃型位错线 b1// b2，交截后各自产生一小段PP′ 和QQ′的折线，它们均位于原来两个 滑移面上，为“扭折”。在运动过程
位错的攀移：指在热缺陷的作用下，位错在 垂直滑移方向的运动，结果导致空位或间隙 原子的增值或减少。
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1、位错的滑移
指位错在切应力的作用下，当切应力达到某一临界值时，沿着一定 的晶面----滑移面、在一定的方向----滑移方向上进行的移动。 ① 位错滑移的滑移面为位错线与柏氏矢量所决定的平面，对刃型 位错而言是唯一的，而对螺型位错来说却不是唯一的。
螺型位错的位错线与滑 移方向平行！
螺型位错有左右之分！
位错线是未滑移区与已滑移区的边界！位错线不能终止于晶体内部，只能在晶体表面 露头、终止于晶界或相界、与其它位错线相交、自行形成封闭的环！
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二、位错的基本类型 — 混合位错
位错线
混合位错可看出 是刃型为位错和 螺型位错的组合 或叠加！可分解 成刃型位错和螺 型位错两部分！
肖 特 基 空 位
离子晶体中的肖特基和弗兰克空位
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一、点缺陷的类型 --- 外来原子
异类原子进入到晶体中而形成。根据其与基体原子尺寸 的差异，既可进入间隙位置，又可置换晶格的某些结点。
异类原子在晶体中的存在情况
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二、 点缺陷的产生
1、平衡点缺陷及其浓度
点缺陷的产生一方面使晶体的内能升高，另一方面却使体系 的混乱度增加，使熵值增加。
对于任意位错，不管其形状如何，只要知道了它的柏氏矢量，就 可得知晶体滑移的大小和方向。
任何一根位错，位错线上各点的柏氏矢量都相同。即对一条位错线而 言，其柏氏矢量是固定不变的，此即位错的柏氏矢量的守恒性。
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柏氏矢量的意义
① 刃型位错的柏氏矢量与位错线垂直！
② 螺型位错的柏氏矢量与位 错线平行！ ③混合位错的柏氏矢量与其 位错线既不平行也不垂直而 呈一定角度！
设N为晶体的原子总数，n 为晶体中的点缺陷数，μ 为该类型缺陷的形成能。 则点缺陷数形成后其自由 能的变化为：
ΔA =ΔU–TΔS = nμ–TΔS
由此不难得出其ΔA-n关系曲线。
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二、 点缺陷的产生 1、平衡点缺陷及其浓度
Ce = ne/N = A exp(-μ/kT)
其中：
Ce --某类型点缺陷的平衡浓度； N—晶体的原子总数；
位错的能量，应力场，位错受力等，都与b有关。
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柏氏矢量的确定方法
刃型位错柏氏矢量的确定方法
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螺位错的确定方法p29图1-40
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柏氏矢量的意义
位错的柏氏矢量描述了位错线上原子的畸变特征，畸变发生的方向和 大小（位错的畸变能与柏氏矢量的平方成正比）。 柏氏矢量给出了位错滑移后晶体上、下部产生相对位移的方向和大 小 ------ 滑移矢量。
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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（1）两根互相垂直刃型位错的交截
b、b 1⊥ b 2，当xy位错线与不动的AB位错交截后，AB产生一个长 度与b 1相等的刃型割阶PP′，PP′折线位于Pxy滑移面上
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位错交割的小结
位错交截后产生“扭折”或“割阶”。
“扭折”可以是刃型、亦可是“螺型”，可随 位错线一道运动，几乎不产生阻力，且它可因 位错线张力而消失。
晶体滑移时，作用于微元位错dL上的 力Fd所做的功为：
Fd×dL×ds 外加切应力τ所做的功为：
τ×b×dL×ds 因为：Fd×dL×ds =τ×b×dL×ds 所以有： Fd =τ×b Fd 垂直于位错线沿位错线运动方向一致！
（2）位错滑移时作用在位错线上的力
Fd =τ×b
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6.位错的交割
在滑移面上运动的某一位错，必与穿过 此滑移面上的其它位错相交截，该过程即为 “位错交割”。
的运动
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位错的滑移特点总结
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2、 位错的攀移
指刃位错的位错线沿着其半原子面的上下运动。
（1）位错的攀移存在正攀移（原子离 开半原子面）和负攀移两种情况。 （2）位错的攀移受应力和温度的影响。 （3）只有刃型位错才能进行攀移，螺 型位错不能攀移。 （4）位错的攀移比滑移困难得多，因 此位错的主要运动形式为滑移。 （5）位错攀移时常常形成许多割阶。
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第二节 位错的基本概念
一、位错概念的引入
1、理想晶体的刚性滑移模型
人们最初认为晶体是通过刚性滑移 而产生塑性变形的。 晶体的这种滑动方式需同时破坏滑 移面上所有原子键。 理论计算所需临界切应力:
τm = G / 30
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一、位错概念的引入 2、实际晶体中存在位错的假设
实际上使晶体产生滑移所需的临界切应力只为理论值的百分 之一到万分之一。 实际晶体的内部一定存在着某中缺陷 ---- 位错，晶体的滑移 正是借助于其内部位错的运动来实现，从而使材料在远低于其 理论屈服强度时就产生滑移。
② 不论刃位错或螺位错，使位错滑移的切应力方向与位错的柏氏矢 量方向一致。
③ 位错的滑移必须在某一滑移面上切应力达到某一临界值后才能发生。 ④ 位错滑移时其位错线实际运动方向为位错线的法线方向，位错通过
后晶体所产生的滑移方向与柏氏矢量方向相同。
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1、位错的滑移
（1）刃型位错运动方向、切应力方向及晶体滑移方向的关系
③晶须中的位错密仅为 10m/cm3左右。
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第三节 位错的能量及交互作用
一、 位错的应变能（与产生此位错所需要做的功数值相等）
1、基本假设条件 符合虎克定律， 非塑性形变 将晶体看成连续的介质； 将晶体看成各向同性。
当材料在外力作用下不能产生位移时，它的几何形状和尺寸将发生变化，这 种形变称为应变（Strain）。材料发生形变时内部产生了大小相等但方向相 反的反作用力抵抗外力，定义单位面积上的这种反作用力为应力（Stress）。 或物体由于外因(受力、湿度变化等)而变形时，在物体内各部分之间产生相互 作用的内力，以抵抗这种外因的作用，并力图使物体从变形后的位置回复到 变形前的位置。
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二、位错的基本类型 — 刃型位错
刃型位错的原子模型
晶体中原子面的错排---半原子 面的出现而形成，有正、负位 错之分。
半原子面的存在在晶体中产生 畸变，畸变区为以半原子面的 边缘线EF为中心的线型区域。
称半原子面的边缘线EF为位错 线。
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晶体的局部滑移形成刃型位错示意图
刃型位错的位错线垂直于滑移 方向！
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1、位错的滑移
（2）螺型位错运动方向、切应力方向及晶体滑移方向的关系
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问题 1 刃型位错滑移后圆形标记如何变化？
原
始
刃型
标
滑移
记
后！
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问题 2 螺型位错滑移后圆形标记如何变化？
原 始 标 记
螺型 滑移 后！
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问题3： 位错环怎样滑移？
① 混合位错，位错环所在平面平行于柏氏矢 量，可滑移!
③ 温度升高，则晶体中原子的热运动加剧，点缺陷浓度增大。
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二、 点缺陷的产生
2、过饱和点缺陷
（1）指晶体中点缺陷 的数目明显超过其平 衡值、处于过饱和状 态。
（2）过饱和点缺陷 可通过高温淬火、 辐照、冷加工等产 生。
3、点缺陷与材料的行为
（1）点缺陷的存在及其运动是 晶体中扩散得以实现的根本原 因； （2）点缺陷导致材料物理和力 学性能的改变。 材料在使用过 程中点缺陷的浓度的变化可使材 料的性能发生相应改变，从而对 其使用产生影响。
位错是晶体中存在的原子面的错排，即晶体中存在的不完全的 原子面，是一种线缺陷。
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（Ni，Fe）Al金属间化合物中 亚晶界处位错的TEM
赫希（Hirsch）等应用相衬法在TEM中直接观察到了晶体中的位错。 12
一、位错概念的引入 3、实际晶体中的位错滑移模型
晶体的滑移借助于 晶体中存在的一半 原子面而产生的位 错的运动来完成。 晶体滑移的任一瞬 间仅需破坏一个原 子键。计算所需切 应力与实际值相符， 晶体中存在位错的 假设成立！
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一、点缺陷的类型 --- 空位和间隙原子
一般晶体（如金属晶体）中，肖特基空位比弗兰克空位多得多。
肖
弗兰克
脱
空位
基
空
位
间隙原子
一般晶体中的肖脱基和弗兰克空位
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一、点缺陷的类型 --- 空位和间隙原子
弗兰克 空位
对于离子晶体，当正负离子 尺寸差异较大、结构配位数 较低时，小离子易于移入相 邻的间隙而产生弗兰克空位； 而若离子尺寸相差较小、配 位数较高、排列较密集时， 则易于形成肖特基空位。
②位错环沿法线方向向外扩展至晶 体外消失或向内收缩湮灭。
③位错环滑移消失晶 体产生滑移台阶。
④ 晶体的滑移方向与柏 氏矢量方向一致。
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问题4： 位错环怎样滑移？
① 柏氏矢量与位错线垂直，刃型位错。
②位错环所在平面垂直与柏氏矢量，该 位错环不能滑移。
③此时位错环只能进行攀移。
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刃位错的运动
螺位错的运动 混合位错
“割阶”都是刃型位错，有滑移割阶和攀移割 阶，割阶不会因位错线张力而消失。
wenku.baidu.com41
五、位错密度
单位体积晶体中所包含的位错线的总长度或穿越单位 截面积的位错线的数目（单位为m-2）。
ρ = S/V 或 ρ = n/A
①一般情况下，金属退 火后，位错密度为103 -104m/cm3。
②一般情况下，金属强 化后的位错密度为1014— 1016m/cm3。
位错线是未滑移区与已滑移区 的边界！
位错线不能终止于晶体内部，只能在晶体表面露头、终止于晶界或 相界、与其它位错线相交、自行形成封闭的环！
P26几种形状的位错线1-35
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二、位错的基本类型 — 螺型位错
BC左边晶体上下完全 吻合，而aa右边晶体 在τ作用下上下正好滑 移一个晶格常数，过渡 区晶体滑移小于一个晶 格常数而产生畸变。 BC为位错线！
第1-6章 晶体缺陷
所谓晶体缺陷是指实际晶体与理想晶体之间的点阵结构的 差异。晶体缺陷按其在空间的几何图像，可分为：
（1）点缺陷
（2）线缺陷
（3）面缺陷
在空间三维 各方向上尺 寸都很小， 亦称零维缺 陷，如空位、 间隙原子和 异类原子等。
在两个方向上 尺寸很小，又 称一维缺陷， 主要有位错。
在空间一个方 向上尺寸很小， 另外两个方向 上尺寸较大， 如晶面、界面、 表面等。
④混合位错可分解成 刃型分量和螺型分量。
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柏氏矢量的表示方法
位错的柏氏矢量的表示方法与晶向指数相似。用晶向指数 表示柏氏矢量的方向，利用其模表示柏氏矢量的大小。
立方晶
体
柏氏矢量为：
b
a n
uvw
其大小为：
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四 位错的运动
位错的滑移：指位错在外力作用下，在滑移 面上的运动，结果导致永久形变。
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（a）正攀移（半原 子面缩短）
(b)未攀移 图 刃位错攀移示意图
（c）负攀移 （半原子面伸长）
常温下位错靠热激活来攀移是很困难的。但是，在许多高温过程如蠕变、
回复、单晶拉制中，攀移却起着重要作用。位错攀移在低温下是难以进
行的，只有在高温下才可能发生。
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3、 作用在位错线上的力
F力的方向永远垂直于位错线， 指沿着位错线前进方向上使位错运动的力，一般用Fd表示。 并且指向滑移面上的未滑移区 （1）位错滑移时作用在位错线上的力