第材料科学基础第3章
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材料科学基础第三章-孪生微观方面
[1 2 1 0]
• •[01 10] •[1120]
HCP取向胞
26
HCP取向胞的应用：
• 不管哪一组的K1 & K2，只要落在K1 & K2之间，均为锐角区， 落在K1 & K2之外均为钝角区
• 不管哪一组的K1 & K2，只要落在A 区，均为锐角区
• 与A区共边的，称为B区（B1～B6） • 与A区共顶的，称为C区（C1～C6） • 与A区不接触的，称为D区（D1～
• 挛晶和基体要成映像关系，对称面为孪生面 • Janson规则：走近路原理（原子移动的位移最小） (1ī1)
FCC 2
BACBACBA
[ī12]
(1ī1)
FCC
3
C B AC B (B) (C) (A) (B) (C) A C B A
[ī12]
(1ī1)
FCC
[ī12]
[ī12]
FCC晶体孪生时原子的运动
23
二、不同方面
7) 变形的条件
高对称（晶体结构）、高温、低应变速率的条件下，有利于滑移 低对称（晶体结构）、低温、高应变速率的条件下，有利于孪生
24
作业： 3－15 自学“滑移和孪生的比较”
25
问题2： Zn单晶任意的晶向[uvtw]方向在孪生后长度的变化情况
c
a3 a2
a1
K1
K2
I、 II：(10 1 2)、(1 012 )
D6），均为钝角区 • [uvtw]位于哪个区，通过判断是锐角
还是钝角来判断其长度的变化。
D6
D5
C6
B6 C1
D1
C BB A • BB C 5
5 VI
3_《材料科学基础》第三章_晶体结构缺陷((上)
点缺陷（零维缺陷）--原子尺度的偏离.
按 缺
例：空位、间隙原子、杂质原子等
陷 线缺陷（一维缺陷）--原子行列的偏离.
的
例：位错等
几 何
面缺陷（二维缺陷）--表面、界面处原子排列混乱.
形
例：表面、晶界、堆积层错、镶嵌结构等
态 体缺陷（三维缺陷）--局部的三维空间偏离理想晶体的周期性
例：异相夹杂物、孔洞、亚结构等
1、 固溶体的分类
(1) 按杂质原子的位置分： 置换型固溶体—杂质原子进入晶格中正常结点位置而取代基
质中的原子。例MgO-CoO形成Mg1-xCoxO固溶体。 间隙型固溶体—杂质原子进入晶格中的间隙位置。
有时俩
(2)按杂质原子的固溶度x分： 无限（连续）固溶体—溶质和溶剂任意比例固溶(x=0~1)。
多相系统
均一单相系统
Compounds AmBn
原子间相互反应生成
均一单相系统
结构
各自有各自的结构
A structure
structure
+ B structure
结构与基质相同 A structure
结构既不同于A也不同于B New structure
化学计量 A/B
不定
固溶比例不定
m:n 整数比或接近整数比的一定范围内
四、固溶体Solid solution（杂质缺陷）
1、固溶体的分类 2、置换型固溶体 3、间隙型固溶体 4、形成固溶体后对晶体性质的影响 5、固溶体的研究方法
①固溶体：含有外来杂质原子的单一均匀的晶态固体。 例：MgO晶体中含有FeO杂质 → Mg1-xFexO
基质 溶剂 主晶相
杂质 溶质 掺杂剂
萤石CaF2(F-空位)
材料科学基础第三章晶体缺陷
够的能量而跳入空位，并占据这个平衡位置，这时在这个原 子的原来位置上，就形成一个空位。这一过程可以看作是空 位向邻近结点的迁移。
在运动过程中，当间隙原子与一个空位相遇时，它将落入
这个空位，而使两者都消失，这一过程称为复合，或湮没。
（a）原来位置；
（b）中间位置；
（c）迁移后位置
图 空位从位置A迁移到B
2 Ar a 3 N A 8.57 (3.294108 )3 6.0231023 x 1 2 Ar 2 92.91 7.1766103 106 7.1766103 7176 .6(个） 所以， 106 个Nb中有7176 .6个空位。
a NA
作业：
二.本章重点及难点 1、点缺陷的形成与平衡浓度 2、位错类型的判断及其特征、伯氏矢量的特征和物理意义 3、位错源、位错的增殖(F-R源、双交滑移机制等)和运动、 交割
4、关于位错的应力场可作为一般了解
5、晶界的特性(大、小角度晶界)、孪晶界、相界的类型
维纳斯“无臂” 之美更深入人心
处处留心皆学问
2.点缺陷的形成（本征缺陷的形成）
点缺陷形成最重要的环节是原子的振动 原子的热振动
（以一定的频率和振幅作振动）
原子被束缚在它的平衡位置上，但原子却在做着挣脱
束缚的努力
点缺陷形成的驱动力：温度、离子轰击、冷加工
在外界驱动力作用下，哪个原子能够挣脱束缚，脱离
平衡位置是不确定的，宏观上说这是一种几率分布
刃型位错的特点：
1).刃型位错有一个额外的半原子面。其实正、负之分只具 相对意义而无本质的区别。 2).刃型位错线可理解为晶体中已滑移区与未滑移区的边界 线。它不一定是直线，也可以是折线或曲线，但它必与滑移 方向相垂直，也垂直于滑移矢量。
《材料科学基础》 第03章 晶体缺陷
第三节 位错的基本概念
三、位错的运动
刃位错的攀移运动：刃型位错在垂直于滑移面方向上的运动。 刃位错发生攀移运动时相当于半原子面的伸长或缩短，通常把 半原子面缩短称为正攀移，反之为负攀移。 滑移时不涉及单个原子迁移，即扩散。刃型位错发生正攀 移将有原子多余，大部分是由于晶体中空位运动到位错线上的 结果，从而会造成空位的消失；而负攀移则需要外来原子，无 外来原子将在晶体中产生新的空位。空位的迁移速度随温度的 升高而加快，因此刃型位错的攀移一般发生在温度较高时；另 外，温度的变化将引起晶体的平衡空位浓度的变化，这种空位 的变化往往和刃位错的攀移相关。切应力对刃位错的攀移是无 效的，正应力的存在有助于攀移(压应力有助正攀移，拉应力 有助负攀移)，但对攀移的总体作用甚小。
第一节 材料的实际晶体结构
二、晶体中的缺陷概论
晶体缺陷按范围分类：
1. 点缺陷 在三维空间各方向上尺寸都很小，在原 子尺寸大小的晶体缺陷。
2. 线缺陷 在三维空间的一个方向上的尺寸很大(晶 粒数量级)，另外两个方向上的尺寸很小(原子尺 寸大小)的晶体缺陷。其具体形式就是晶体中的 位错Dislocation 。
说明：这是一个并不十分准确的定义方法。柏氏矢量的方向与位错线方向的定义有关，应该首 先定义位错线的方向，再依据位错线的方向来定柏氏回路的方向，再确定柏氏矢量的方 向。在专门的位错理论中还会纠正。
第三节 位错的基本概念
二、柏氏矢量
柏氏矢量与位错类型的关系：
刃型位错 柏氏矢量与位错线相互垂直。(依方向关系可 分正刃和负刃型位错) 螺型位错 柏氏矢量与位错线相互平行。(依方向关系可 分左螺和右螺型位错) 混合位错 柏氏矢量与位错线的夹角非0或90度。
过饱和空位 晶体中含点缺陷的数目明显超过平衡 值。如高温下停留平衡时晶体中存在一平衡空位， 快速冷却到一较低的温度，晶体中的空位来不及移 出晶体，就会造成晶体中的空位浓度超过这时的平 衡值。过饱和空位的存在是一非平衡状态，有恢复 到平衡态的热力学趋势，在动力学上要到达平衡态 还要一时间过程。
材料科学基础第三章典型晶体结构(共71张PPT)
Zn离子的位置交叉错开。
表示方法：球体堆积法；坐标法；投影图；配位多面体连 接方式
与金刚石晶胞的比照 ，有什么不同？
同型结构的晶体β-SiC,GaAs,AlP 等
5、 -ZnS〔纤锌矿〕型结构 〔AB type〕
六方晶系，简单六方格子
配位数：
晶胞中正负离子个数
堆积及空隙情况
同型结构的晶体:BeO, ZnO, AlN等
笼外俘获其它原子或基团，形成类C60的衍生物，例如
C60F60。再如，把K、Cs、Ti等金属原子掺进C60分子 的笼内，就能使其具有超导性能。再有C60H60这些相 对分子质量很大地碳氢化合物热值极高，可做火箭的 燃料等等。
2〕碳纳米管
碳纳米管又称纳米碳管〔 Carbon nanotube，CNT〕，是 单质碳的一维结构形式。碳纳米 管按照石墨烯片的层数分类可分 为：单壁碳纳米管〔Singlewalled nanotubes, SWNTs〕和多 壁碳纳米管〔Multi-walled nanotubes, MWNTs〕。
4. -ZnS〔闪锌矿〕型结构 〔AB type〕 点群：
空间群：
配位数：
晶胞中正负离子个数Z：
堆积及间隙情况：
• 以体积较大的S2-作立方紧密堆积 • Zn2+如何填充？ • 空隙如何分布？
等同点分布：
共有2套等同点。这种结构 可以看作是Zn离子处在由S离 子组成的面心立方点阵的4个
四面体间隙中，即有一半四面 体间隙被占据，上层和下层的
晶体结构的描述通常有三种方法：
1〕坐标法：给出单位晶胞中各质点的空间坐标，这种采用
数值化方式描述晶体结构是最标准化的。为了方便表示晶胞， 化学式可写为MO，其中M2＋是二价金属离子，结构中M2＋和O2－分别占据了NaCl中钠离子和氯离子的位置。 以由体正积 负还较离大子可的半径S以2比-作rN采立a方+/r用紧cl-密≈堆投0.积 影图，即所有的质点在某个晶面〔001〕上的投
表示方法：球体堆积法；坐标法；投影图；配位多面体连 接方式
与金刚石晶胞的比照 ，有什么不同？
同型结构的晶体β-SiC,GaAs,AlP 等
5、 -ZnS〔纤锌矿〕型结构 〔AB type〕
六方晶系，简单六方格子
配位数：
晶胞中正负离子个数
堆积及空隙情况
同型结构的晶体:BeO, ZnO, AlN等
笼外俘获其它原子或基团，形成类C60的衍生物，例如
C60F60。再如，把K、Cs、Ti等金属原子掺进C60分子 的笼内，就能使其具有超导性能。再有C60H60这些相 对分子质量很大地碳氢化合物热值极高，可做火箭的 燃料等等。
2〕碳纳米管
碳纳米管又称纳米碳管〔 Carbon nanotube，CNT〕，是 单质碳的一维结构形式。碳纳米 管按照石墨烯片的层数分类可分 为：单壁碳纳米管〔Singlewalled nanotubes, SWNTs〕和多 壁碳纳米管〔Multi-walled nanotubes, MWNTs〕。
4. -ZnS〔闪锌矿〕型结构 〔AB type〕 点群：
空间群：
配位数：
晶胞中正负离子个数Z：
堆积及间隙情况：
• 以体积较大的S2-作立方紧密堆积 • Zn2+如何填充？ • 空隙如何分布？
等同点分布：
共有2套等同点。这种结构 可以看作是Zn离子处在由S离 子组成的面心立方点阵的4个
四面体间隙中，即有一半四面 体间隙被占据，上层和下层的
晶体结构的描述通常有三种方法：
1〕坐标法：给出单位晶胞中各质点的空间坐标，这种采用
数值化方式描述晶体结构是最标准化的。为了方便表示晶胞， 化学式可写为MO，其中M2＋是二价金属离子，结构中M2＋和O2－分别占据了NaCl中钠离子和氯离子的位置。 以由体正积 负还较离大子可的半径S以2比-作rN采立a方+/r用紧cl-密≈堆投0.积 影图，即所有的质点在某个晶面〔001〕上的投
材料科学基础第三章
注意： 阵点可以是原子或分子的中心， 也可以是彼此等同 阵点可以是原子或分子的中心，
的原子群或分子群的中心， 的原子群或分子群的中心 ，但 各个阵点的周围环境必须相 同。
4
空间点阵： 空间点阵：阵点在三维空间呈周期性规则排列所组成 的阵列。（阵点是构成空间点阵的基本要素） 的阵列。 阵点是构成空间点阵的基本要素） 晶格（空间格子） 为了便于描述空间点阵的图形， 晶格（空间格子）：为了便于描述空间点阵的图形， 可用许多平行的直线把所有阵点连接起来， 可用许多平行的直线把所有阵点连接起来 ， 构成一个 三维的几何格架， 称为晶格或空间格子 。 （ 可以形象 三维的几何格架 ， 称为晶格或空间格子。 描述空间点阵的几何形状，实质仍是空间点阵） 描述空间点阵的几何形状，实质仍是空间点阵） 晶胞：能够代表晶格中原子排列特征的最小单元体。 晶胞：能够代表晶格中原子排列特征的最小单元体。 （将晶胞作三维的重复堆砌就构成了空间点阵） 将晶胞作三维的重复堆砌就构成了空间点阵）
c/a值的范围：1.568（铍， 值的范围： 值的范围 （ Be）～ 1.886（镉，Cd） ）～ （ ）
21
22
3.3.3 晶胞中的原子数 fcc： n = 8 × 1 （顶角） 6 × 1 2 ： 8 + （面心）= 4 bcc： n = 8 × 1 8 ： （顶角） 1(体心) = 2 + hcp： hcp：n = 12 × 1 6 （顶角） 2 × 1 2 + （面心） （中心）＝6 +3
5
c
β
a γ
α b
空间点阵、 空间点阵、晶胞
6
3.2.2 晶
胞
晶胞通常是平行六面体。 晶胞通常是平行六面体。 选取晶胞的原则： 选取晶胞的原则： a. 几何形状与晶体具有同样的对称性； 几何形状与晶体具有同样的对称性； b. 平行六面体内相等的棱和角的数目最多； 平行六面体内相等的棱和角的数目最多； c. 当平行六面体棱间夹角存在直角时，直角数目 当平行六面体棱间夹角存在直角时， 应最多； 应最多； d. 在满足上述条件下，晶胞应具有最小的体积。 在满足上述条件下，晶胞应具有最小的体积。
材料科学基础第三章 晶体缺陷
贵州师范大学
化学与材料科学学院
SCHOOL OF CHEMISTRY AND MATERIAL SCIENCE OF GUIZHOU NORMAL UNIVERSITY
贵州师范大学
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二、点缺陷的产生 1. 平衡点缺陷及其浓度 虽然点缺陷的存在使晶体的内能增高，但 同时也使熵增加，从而使晶体的能量下降。因 此，点缺陷是晶体中热力学平衡的缺陷。 等温等容条件下，点缺陷使晶体的亥姆霍 A U T S 兹自由能变化为：
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三、点缺陷与材料行为 1. 点缺陷的运动 1）空位的运动
2）间隙原子的运动 3）空位片的形成
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第三章 晶体缺陷
CRYSTAL DEFECTS
点缺陷 位错的基本概念 位错的弹性性质 作用在位错线上的力 实际晶体结构中的位错 晶体中的界面
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一、点缺陷的类型
点缺陷的类型: (a) Schottky 空位; (b) Frenkel 缺陷; (c) 异类间隙原子; (d) 小置换原子; (e) 大置换原子
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材料科学基础第三章
• 如果只有一粒晶核长大，则由这一粒晶核 长大的金属就是一块金属单晶体。
• 3.1.2 金属结晶的宏观现象
• 金属结晶伴随着一系列宏观特征的改变， 如结晶潜热的释放，融化熵的变化等。研 究这些宏观特征的变化是研究金属结晶过 程的重要手段。
• 3.1.2.1 冷却曲线与金属结晶温度：用热分 析装置将金属融化后缓慢降温，每隔一定 时间记录一次温度，绘制成温度-时间关系 曲线，称为冷却曲线。这种测定冷却曲线 的方法叫热分析法。
• 液态金属在达到某一过冷度之前基本不形 核，而在有效过冷度ΔΤP时形核率骤增。
• 金属的晶体结构简单，容易结晶。在达到 很大过冷度前已结晶完毕，无曲线后半部。
• 通常液态金属是不纯的。凝固总是从杂质 表面开始，所需要的过冷度很低，称非均 匀形核。将液态金属碎裂成直径10至50μm 的小液滴，则凝固按均匀成核方式进行。 纯金属均匀形核的有效过冷度为 ΔΤp0.2Tm(绝对温度)。
• 2) 拓扑无序模型：一些近程有序的基本几 何单元密集无序堆垛或随机密堆垛。
• 原子处于永恒的热运动。液态中的近程有 序结构只能维持极短时间(~10-11s)即消散， 同时又有新结构出现。形成结构起伏或叫 相起伏。
• 相起伏现象是液态结构的重要特征之一， 是产生晶核的基础。
• 规则排列结构比无规排列结构稳定。在过 冷液体中，短程有序结构越大越稳定，而 稳定结构才可能成为晶核。因此称过冷液 体中尺寸较大的近程规则排列结构为晶胚。
• 3.3.1.1 晶胚形成时的能量变化：
• 体积自由能：晶胚内部原子因规则排列而 低于液相原子自由能的差值称为体积自由 能。其值的降低为结晶动力。
• 表面自由能：晶胚表面原子因受力不均匀而偏离 平恒位置，其自由能反而高于液态原子，其差值 称为表面自由能。其值的增高为结晶阻力。
• 3.1.2 金属结晶的宏观现象
• 金属结晶伴随着一系列宏观特征的改变， 如结晶潜热的释放，融化熵的变化等。研 究这些宏观特征的变化是研究金属结晶过 程的重要手段。
• 3.1.2.1 冷却曲线与金属结晶温度：用热分 析装置将金属融化后缓慢降温，每隔一定 时间记录一次温度，绘制成温度-时间关系 曲线，称为冷却曲线。这种测定冷却曲线 的方法叫热分析法。
• 液态金属在达到某一过冷度之前基本不形 核，而在有效过冷度ΔΤP时形核率骤增。
• 金属的晶体结构简单，容易结晶。在达到 很大过冷度前已结晶完毕，无曲线后半部。
• 通常液态金属是不纯的。凝固总是从杂质 表面开始，所需要的过冷度很低，称非均 匀形核。将液态金属碎裂成直径10至50μm 的小液滴，则凝固按均匀成核方式进行。 纯金属均匀形核的有效过冷度为 ΔΤp0.2Tm(绝对温度)。
• 2) 拓扑无序模型：一些近程有序的基本几 何单元密集无序堆垛或随机密堆垛。
• 原子处于永恒的热运动。液态中的近程有 序结构只能维持极短时间(~10-11s)即消散， 同时又有新结构出现。形成结构起伏或叫 相起伏。
• 相起伏现象是液态结构的重要特征之一， 是产生晶核的基础。
• 规则排列结构比无规排列结构稳定。在过 冷液体中，短程有序结构越大越稳定，而 稳定结构才可能成为晶核。因此称过冷液 体中尺寸较大的近程规则排列结构为晶胚。
• 3.3.1.1 晶胚形成时的能量变化：
• 体积自由能：晶胚内部原子因规则排列而 低于液相原子自由能的差值称为体积自由 能。其值的降低为结晶动力。
• 表面自由能：晶胚表面原子因受力不均匀而偏离 平恒位置，其自由能反而高于液态原子，其差值 称为表面自由能。其值的增高为结晶阻力。
[课件]材料科学基础 第三章晶体缺陷PPT
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2018/12/13
《材料科学基础》CAI课件-李克
11
b. 螺型位错 screw dislocation
位错线bb’：已滑移区和未滑移区的边界线
特征：
1）无额外半原子面， 原子错排是轴对称的 2）分左螺旋位错，符合左手法则；右螺旋位错 ，符合右手法则 3）位错线与滑移矢量平行，且为直线，位错线的运动方向与滑移矢量垂直 4）凡是以螺型位错线为晶带轴的晶带 所有晶面都可以为滑移面。 5) 点阵畸变引起平行于位错线的切应变，无正应变。 6）螺型位错是包含几个原子宽度的线缺陷。
2018/12/13 《材料科学基础》CAI课件-李克 9
3.2.1 位错的基本类型和特征
根据几何结构特征： a. 刃型位错 edge dislocation
b. 螺型位错 screw dislocation
2018/12/13
《材料科学基础》CAI课件-李克
10
a. 刃型位错 edge dislocation
材料科学基础 第三章_晶体缺 陷
第三章 晶体缺陷
Imperfections (defects) in Crystals
It is the defects that makes materials so interesting, just like the human being.
Defects are at the heart of materials science.
1、点缺陷的形成 （production of point defects)
原因：热运动：热振动强度是温度的函数 能量起伏=〉原子脱离原来的平衡位置而迁移别处 Schottky 空位，-〉晶体表面 =〉空位(vacancy)
材料科学基础第三章滑移时参考方向和参考面的变化
A
a
(a
b )n
A a (1 2 coso coso 2 cos2 o )
根据体积不变的原理：AL = al
L al
l
A
(1 2 cos o coso 2 cos2 o ) 13
(3) 用初始 l 和瞬时的、来表示长度的变化：
•
拉伸：
L
l
(l
n)b
n
L cos
l coso
n
－滑移面法线的单位向量
OC
X
滑移前后参考方向的变化公式：
D d (d n)b
当
d n
移面时，滑移前后不变。
2
二、参考面的变化
平面的表示法：
方位－－法线方向上的向量
面积－－向量的长 度 a d1 d2
d2
a
d1
滑移前后参考面的变化：
[2 1 5] [0 1 1] [211] [001] [1 1 1] [1 1 0]
Īī1 0ī1 1ī1
1ī0
Ī01
•F
001
Ī11 011
111
101
Ī10
010
100
110
Ī1Ī
01ī
1īĪ
10ī
11Ī
交点为 [211][1 1 0] [1 1 3]
23
解答： (4) 发生双滑移时的转动规律和转轴 双滑移系统：(0ī1)[ī11]＋(ī01)[1ī1]的连线上
(1īī)[101]
Īī1
Ī01
Ī11
0ī1
001
011
1ī1
101
• F’’• F
1ī0
F’ 100
111 Ī10
材料科学基础第三章
• 从纯金属冷却曲线可以看出：金属从液态 冷却到理论凝固温度(熔点)Tm时并不凝固， 而是再降至实际开始结晶温度Tn时才开始 结晶；随后温度回升到接近Tm时出现恒温 结晶(曲线平台)，结晶终止后温度继续下降。
• 曲线出现“平台”，是金属液固转变所释 放的潜热与系统散热量相等的结果。
• 在“平台”温度下，液固相不平衡，所以 “平台”温度不是熔点但相差不大。
• 如果只有一粒晶核长大，则由这一粒晶核 长大的金属就是一块金属单晶体。
• 3.1.2 金属结晶的宏观现象
• 金属结晶伴随着一系列宏观特征的改变， 如结晶潜热的释放，融化熵的变化等。研 究这些宏观特征的变化是研究金属结晶过 程的重要手段。
• 3.1.2.1 冷却曲线与金属结晶温度：用热分 析装置将金属融化后缓慢降温，每隔一定 时间记录一次温度，绘制成温度-时间关系 曲线，称为冷却曲线。这种测定冷却曲线 的方法叫热分析法。
金属中，表面能可用表面张力表示。当晶 核稳定时，有：
• σLW=σSW+σSLcosθ
(3-15)
• 形成一个晶核时，总自由能的变化为：
ΔG’=-ΔGBV+ΣσAi
(3-16)
• 晶核体积(球冠体积)为：
• VS=πr3(2-3cosθ+cos3θ)/3
(3-17)
• (VS=πh2(r-h/3), h=r(1-cosθ))
核功越小。
• 在过冷液相中，均匀形核依靠结构起伏形 成大于临界晶核的晶胚；再从能量起伏中
获得形核功形成稳定的晶核。结构起伏和 能量起伏是均匀形核的必要条件。
• 临 但界 晶晶胚核的半最径大尺rk随寸过rm冷ax却度随ΔT过增冷加度而的减增小加；而 增加。如图所示：两条曲线的交点为均匀 形核的临界过冷度ΔT*。当系统过冷度 ΔT<ΔT*时，
材料科学基础第三章答案
第三章1. 试述结晶相变的热力学条件、动力学条件、能量及结构条件。
2. 如果纯镍凝固时的最大过冷度与其熔点（tm＝1453℃）的比值为0.18，试求其凝固驱动力。
（ΔH＝-18075J/mol）3. 已知Cu的熔点tm＝1083℃，熔化潜热Lm＝1.88×103J/cm3，比表面能σ＝1.44×105 J/cm3。
（1）试计算Cu在853℃均匀形核时的临界晶核半径。
（2）已知Cu的相对原子质量为63.5，密度为8.9g/cm3,求临界晶核中的原子数。
4. 试推导杰克逊（K.A.Jackson）方程5. 铸件组织有何特点？6. 液体金属凝固时都需要过冷，那么固态金属熔化时是否会出现过热，为什么？7. 已知完全结晶的聚乙烯（PE）其密度为1.01g/cm3,低密度乙烯（LDPE）为0.92 g/cm3，而高密度乙烯（HDPE）为0.96 g/cm3，试计算在LDPE及HDPE中“资自由空间”的大小。
8欲获得金属玻璃，为什么一般选用液相线很陡从而有较低共晶温度的二元系？9. 比较说明过冷度、临界过冷度、动态过冷度等概念的区别。
10. 分析纯金属生长形态与温度梯度的关系。
11. 什么叫临界晶核？它的物理意义及与过冷度的定量关系如何？12. 简述纯金属晶体长大的机制。
13. 试分析单晶体形成的基本条件。
14. 指出下列概念的错误之处，并改正。
(1) 所谓过冷度，是指结晶时，在冷却曲线上出现平台的温度与熔点之差；而动态过冷度是指结晶过程中，实际液相的温度与熔点之差。
(2) 金属结晶时，原子从液相无序排列到固相有序排列，使体系熵值减少，因此是一个自发过程。
(3) 在任何温度下，液体金属中出现的最大结构起伏都是晶胚。
(4) 在任何温度下，液相中出现的最大结构起伏都是核。
(5) 所谓临界晶核，就是体系自由能的减少完全补偿表面自由能的增加时的晶胚的大小。
(6) 在液态金属中，凡是涌现出小于临界晶核半径的晶胚都不能成核，但是只要有足够的能量起伏提供形核功，还是可以成核的。
材料科学基础第3-4章小结及习题课讲解
表示 ，模的大小表示该晶向上原子间的距离。
b a u2 v2 w2 n
六方晶系中: b=（a/n）[uvtw]
同一晶体中，柏氏矢量愈大，表明该位错导致点阵畸变愈 严重，它所在处的能量也愈高。
3.2.3 位错的运动
基本形式:滑移和攀移
滑移（slip）:三种位错的滑移过程 攀移（climb）：在垂直于滑移面方向上运动，
第三章 晶体缺陷
晶体缺陷分类及特征（几何形态、相对于晶体的尺寸、影响范围） ：
1. 点缺陷：特征是三维空间的各个方面上尺寸都很小，尺寸
范围约为一个或几个原子尺度，包括空位、间隙原子、杂质 和溶质原子。
2. 线缺陷：特征是在两个方向上尺寸很小，另外一个方面上
很大，如各类位错。
3. 面缺陷：特征是在一个方向上尺寸很小,另外两个方向上
晶界：属于同一固相但位向不同的晶粒之间的界面 称为晶界。
亚晶界：每个晶粒有时又由若干个位向稍有差异的 亚晶粒所组成，相邻亚晶粒间的界面称为亚晶界。
确定晶界位置方法： (1)两晶粒的位向差θ (2)晶界相对于一个点阵某一平面的夹角φ。
晶界分类（按θ的大小）： 小角度晶界θ<10º 大角度晶界θ>10º
（3）刃型位错标记 正刃型位错用“⊥”表示，负刃型位错用“┬”表示；其
正负只是相对而言。
（4）刃型位错特征： ① 有一额外的半原子面，分正和负刃型位错；
② 可理解为是已滑移区与未滑移区的边界线，可是直线也 可是折线和曲线，但它们必与滑移方向和滑移矢量垂直；
③ 只能在同时包含有位错线和滑移矢量的滑移平面上滑移； ④ 位错周围点阵发生弹性畸变，有切应变，也有正应变；
表面能(γ）：产生单位面积新表面所做的功。 表示法：①γ= dw/ds ②γ= T/L （N/m） ③γ= [被割断的结合键数/形成单位新表面]×[能量/每个键] 影响γ的因素： (1)晶体表面原子排列的致密程度。 (2)晶体表面曲率。 (3)外部介质的性质。 (4)晶体性质。
b a u2 v2 w2 n
六方晶系中: b=（a/n）[uvtw]
同一晶体中，柏氏矢量愈大，表明该位错导致点阵畸变愈 严重，它所在处的能量也愈高。
3.2.3 位错的运动
基本形式:滑移和攀移
滑移（slip）:三种位错的滑移过程 攀移（climb）：在垂直于滑移面方向上运动，
第三章 晶体缺陷
晶体缺陷分类及特征（几何形态、相对于晶体的尺寸、影响范围） ：
1. 点缺陷：特征是三维空间的各个方面上尺寸都很小，尺寸
范围约为一个或几个原子尺度，包括空位、间隙原子、杂质 和溶质原子。
2. 线缺陷：特征是在两个方向上尺寸很小，另外一个方面上
很大，如各类位错。
3. 面缺陷：特征是在一个方向上尺寸很小,另外两个方向上
晶界：属于同一固相但位向不同的晶粒之间的界面 称为晶界。
亚晶界：每个晶粒有时又由若干个位向稍有差异的 亚晶粒所组成，相邻亚晶粒间的界面称为亚晶界。
确定晶界位置方法： (1)两晶粒的位向差θ (2)晶界相对于一个点阵某一平面的夹角φ。
晶界分类（按θ的大小）： 小角度晶界θ<10º 大角度晶界θ>10º
（3）刃型位错标记 正刃型位错用“⊥”表示，负刃型位错用“┬”表示；其
正负只是相对而言。
（4）刃型位错特征： ① 有一额外的半原子面，分正和负刃型位错；
② 可理解为是已滑移区与未滑移区的边界线，可是直线也 可是折线和曲线，但它们必与滑移方向和滑移矢量垂直；
③ 只能在同时包含有位错线和滑移矢量的滑移平面上滑移； ④ 位错周围点阵发生弹性畸变，有切应变，也有正应变；
表面能(γ）：产生单位面积新表面所做的功。 表示法：①γ= dw/ds ②γ= T/L （N/m） ③γ= [被割断的结合键数/形成单位新表面]×[能量/每个键] 影响γ的因素： (1)晶体表面原子排列的致密程度。 (2)晶体表面曲率。 (3)外部介质的性质。 (4)晶体性质。
材料科学基础第三章6-2应变硬化
由于冷加工过程中内部结构（缺陷）的变化引起的
三、应变硬化对力学性能的影响
定量描述晶体硬化行为的两个参数：
1、材料的屈服极限；2、硬化速率或硬化系数
k
d d
3
强度，塑性，脆性，硬度和韧性
1. 特定材料的强度一般指材料的屈服强度。总体上材料的强 度越高，抵抗塑性变形能力越强，硬度越高，在特定条件 下存在一定的线性关系。材料强度越高，塑性一般较差。
4. 按照加工方法、织构形成的原因
• 铸造(casting)、电镀(electroplating)、退火(annealing)、加工 (working)织构等
• 加工织构又可分为：拉伸(tension)、压缩(compression)、拉拔 (drawing)、轧制(rolling)、挤制(extrusion)、锻压(forging)等织构
2. 金属材料的强度和硬度有一定的一致性，强度高的其硬度 往往也高；但硬度表示材料抵抗外力作用下变形的能力， 是一个相对的概念。
3. 脆性相对塑性而言，一般指材料未发生塑性变形而断裂的 趋势。即材料抗拉强度低于屈服强度下，材料呈现脆性。 塑性指的是材料发生永久变形的能力，一般用A-延伸率和 Z断面收缩率表征。
I－－弹性变形区
II－－过渡区－由变形不均匀引起
III－－线性硬化区－由多滑移引起
IV－－抛物线硬化区－由交滑移引起
6
四、影响应变硬化的因素
• 晶体结构
BCC晶体的拉伸曲线
BCC晶体硬化特点：
❖ 有一明显的屈服点（上屈服点）
❖ 当应力达到上屈服点时，突然发生 显著的塑性变形，应力迅速减小至 下屈服点
8
四、影响应变硬化的因素
• 变形速率 d/dt
❖ d/dt较小时，影响不大 ❖ d/dt较大时，高速变形，使试件升温，金属软化 ❖ d/dt更大时，爆炸成型，硬度，形成大量挛晶或点缺陷
三、应变硬化对力学性能的影响
定量描述晶体硬化行为的两个参数：
1、材料的屈服极限；2、硬化速率或硬化系数
k
d d
3
强度，塑性，脆性，硬度和韧性
1. 特定材料的强度一般指材料的屈服强度。总体上材料的强 度越高，抵抗塑性变形能力越强，硬度越高，在特定条件 下存在一定的线性关系。材料强度越高，塑性一般较差。
4. 按照加工方法、织构形成的原因
• 铸造(casting)、电镀(electroplating)、退火(annealing)、加工 (working)织构等
• 加工织构又可分为：拉伸(tension)、压缩(compression)、拉拔 (drawing)、轧制(rolling)、挤制(extrusion)、锻压(forging)等织构
2. 金属材料的强度和硬度有一定的一致性，强度高的其硬度 往往也高；但硬度表示材料抵抗外力作用下变形的能力， 是一个相对的概念。
3. 脆性相对塑性而言，一般指材料未发生塑性变形而断裂的 趋势。即材料抗拉强度低于屈服强度下，材料呈现脆性。 塑性指的是材料发生永久变形的能力，一般用A-延伸率和 Z断面收缩率表征。
I－－弹性变形区
II－－过渡区－由变形不均匀引起
III－－线性硬化区－由多滑移引起
IV－－抛物线硬化区－由交滑移引起
6
四、影响应变硬化的因素
• 晶体结构
BCC晶体的拉伸曲线
BCC晶体硬化特点：
❖ 有一明显的屈服点（上屈服点）
❖ 当应力达到上屈服点时，突然发生 显著的塑性变形，应力迅速减小至 下屈服点
8
四、影响应变硬化的因素
• 变形速率 d/dt
❖ d/dt较小时，影响不大 ❖ d/dt较大时，高速变形，使试件升温，金属软化 ❖ d/dt更大时，爆炸成型，硬度，形成大量挛晶或点缺陷
材料科学基础第三章滑移引起的表面形貌
§3-5 滑移引起的表面形貌
（Surface morphology） 一、滑移线（slip line）
由滑移引起的表面台阶，是滑移面与样品表面的交线。
衬度(contrast)不同，因而在显微镜下可看到台阶。
1
二、滑移带（slip bands）
由许多相邻的滑移线组成滑移带。
滑移带
2
3
4
三、形变带（deformation bands）
交滑移系统： (ī11)[110] & (1ī1)[110]
9
FCC
多选题 多晶和单晶的应变硬化曲线分别由什么表示：
A 都用- 曲线 B 都用-曲线 C - 曲线， -曲线 Ddening rate or coefficient of hardening） d/d
7
二、单晶体的硬化曲线
（－曲线）
问题：为什么不用－曲线来 讨论单晶体的硬化行为呢？
阶段 特点
d/d
形貌
第一阶段 易滑移阶段
很小
均匀细小的滑移线
第二阶段 线性硬化阶段 为一恒定的最大值 不均匀粗大的滑移带
第三阶段 抛物线硬化阶段 随的增大而减小 不均匀的交叉滑移带 8
三、交滑移（cross slip）
交滑移和双滑移不一样 • 双滑移是两个滑移系统的Schmid因子同时满足，同时发
生滑移 • 交滑移是因为一个滑移系统受到阻碍，而转到另一个滑
移系统中滑移，两个滑移系统具有相同的滑移方向。 • 交滑移时会出现曲折或波纹状的滑移带
压缩
形变带
晶体在发生滑移时要发生转动，但是在晶体内部的 某些区域，由于杂质和缺陷的存在，阻碍了晶体的转动， 在这些区域内的转角小于远离这些杂质和缺陷的区域。 位向不同的区域就会产生位向差，在显微镜下因衬度不 同而产生的形貌，叫形变带。
（Surface morphology） 一、滑移线（slip line）
由滑移引起的表面台阶，是滑移面与样品表面的交线。
衬度(contrast)不同，因而在显微镜下可看到台阶。
1
二、滑移带（slip bands）
由许多相邻的滑移线组成滑移带。
滑移带
2
3
4
三、形变带（deformation bands）
交滑移系统： (ī11)[110] & (1ī1)[110]
9
FCC
多选题 多晶和单晶的应变硬化曲线分别由什么表示：
A 都用- 曲线 B 都用-曲线 C - 曲线， -曲线 Ddening rate or coefficient of hardening） d/d
7
二、单晶体的硬化曲线
（－曲线）
问题：为什么不用－曲线来 讨论单晶体的硬化行为呢？
阶段 特点
d/d
形貌
第一阶段 易滑移阶段
很小
均匀细小的滑移线
第二阶段 线性硬化阶段 为一恒定的最大值 不均匀粗大的滑移带
第三阶段 抛物线硬化阶段 随的增大而减小 不均匀的交叉滑移带 8
三、交滑移（cross slip）
交滑移和双滑移不一样 • 双滑移是两个滑移系统的Schmid因子同时满足，同时发
生滑移 • 交滑移是因为一个滑移系统受到阻碍，而转到另一个滑
移系统中滑移，两个滑移系统具有相同的滑移方向。 • 交滑移时会出现曲折或波纹状的滑移带
压缩
形变带
晶体在发生滑移时要发生转动，但是在晶体内部的 某些区域，由于杂质和缺陷的存在，阻碍了晶体的转动， 在这些区域内的转角小于远离这些杂质和缺陷的区域。 位向不同的区域就会产生位向差，在显微镜下因衬度不 同而产生的形貌，叫形变带。
材料科学基础第三章答案
第三章答案3-2略。
3-2试述位错的基本类型及其特点。
解：位错主要有两种：刃型位错和螺型位错。
刃型位错特点：滑移方向与位错线垂直，符号⊥，有多余半片原子面。
螺型位错特点：滑移方向与位错线平行，与位错线垂直的面不是平面，呈螺施状，称螺型位错。
3-3非化学计量化合物有何特点？为什么非化学计量化合物都是n型或p型半导体材料？解：非化学计量化合物的特点：非化学计量化合物产生及缺陷浓度与气氛性质、压力有关；可以看作是高价化合物与低价化合物的固溶体；缺陷浓度与温度有关，这点可以从平衡常数看出；非化学计量化合物都是半导体。
由于负离子缺位和间隙正离子使金属离子过剩产生金属离子过剩（n型）半导体，正离子缺位和间隙负离子使负离子过剩产生负离子过剩（p型）半导体。
3-4影响置换型固溶体和间隙型固溶体形成的因素有哪些？解：影响形成置换型固溶体影响因素：（1）离子尺寸：15%规律：1.（R1-R2）/R1>15%不连续。
2.<15%连续。
3.>40%不能形成固熔体。
（2）离子价：电价相同，形成连续固熔体。
（3）晶体结构因素：基质，杂质结构相同，形成连续固熔体。
（4）场强因素。
（5）电负性：差值小，形成固熔体。
差值大形成化合物。
影响形成间隙型固溶体影响因素：（1）杂质质点大小：即添加的原子愈小，易形成固溶体，反之亦然。
（2）晶体（基质）结构：离子尺寸是与晶体结构的关系密切相关的，在一定程度上来说，结构中间隙的大小起了决定性的作用。
一般晶体中空隙愈大，结构愈疏松，易形成固溶体。
（3）电价因素：外来杂质原子进人间隙时，必然引起晶体结构中电价的不平衡，这时可以通过生成空位，产生部分取代或离子的价态变化来保持电价平衡。
3-5试分析形成固溶体后对晶体性质的影响。
解：影响有：（1）稳定晶格，阻止某些晶型转变的发生；（2）活化晶格，形成固溶体后，晶格结构有一定畸变，处于高能量的活化状态，有利于进行化学反应；（3）固溶强化，溶质原子的溶入，使固溶体的强度、硬度升高；（4）形成固溶体后对材料物理性质的影响：固溶体的电学、热学、磁学等物理性质也随成分而连续变化，但一般都不是线性关系。
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▪ 点缺陷引起晶格畸变,能量升高，结构不稳定，易发生转
变。 点缺陷的存在会引起性能的变化：
(1)物理性质、如R、V、ρ 等； (2)力学性能：采用高温急冷(如淬火 ,大量的冷变形）,高 能粒子辐照等方法可获得过饱和点缺陷，如使σS提高； (3)影响固态相变,化学热处理等。
第材料科学基础第3章
3.2 位错
3、面缺陷、表面、界面、界面能、晶界、相界
4、关于位错的应力场、位错的应变能、线张力等可 作为一般了解
5、晶界的特性(大、小角度晶界)、孪晶界、相界的 类型
第材料科学基础第3章
6、点缺陷的平衡浓度公式 7、位错类型的判断及其特征、柏氏矢量 的特征， 8、位错源、位错的增殖(F-R源、双交滑移机制等)和运
对离子晶体，和纯金属相比，点缺陷形成能 都很大，故一般离子晶体中，在平衡状态下存 在的点缺陷浓度是极小的。
第材料科学基础第3章
△Ev对C的影响
金属
种类
Pb
Al
Mg
Au
Cu
Pt
W
△Ev ×
10-8J
0.08
0.12
0.14
0.15
0.17
0.24
0.56
C
9.2× 2.8× 1.5× 3.6× 2.0× 7.8× 5.7×
（4）外来杂质原子：
（5）置换原子(substitutional atom) ：
第材料科学基础第3章
点缺陷类型1
第材料科学基础第3章
点缺陷类型2
第材料科学基础第3章
3.1.2 点缺陷的平衡浓度
晶体中点缺陷的存在一方面造成点阵畸变，使晶体的内 能升高，降低了晶体的热力学稳定性，另一方面由于 增大了原子排列的混乱程度，并改变了其周围原子的 振动频率，引起组态熵和振动熵的改变，使晶体熵值 增大，增加了晶体的热力学稳定性。这两个相互矛盾 的因素使得晶体中的点缺陷在一定的温度下有一定的 平衡浓度。这个浓度称为该温度下晶体中点缺陷的平 衡浓度。经热力学推导：
第三章 晶体缺陷
第材料科学基础第3章
本章要求掌握的主要内容
1、点缺陷、Schottky空位、Frankel空位、间隙原 子、置换原子
2、线缺陷、刃型位错、螺型位错、混合型位错、柏 氏矢量、位错运动、滑移、(双)交滑移、多滑移、 攀移、交割、割价、扭折、塞积；位错应力场、应 变能、线张力、作用在位错上的力、位错密度、位 错源、位错生成、位错增殖、位错分解与合成、位 错反应、全位错、不全位错、堆垛层错
位错的起源： 刚性相对滑动模型：
τm = G/30 纯铁：G ≈ 100GPa 纯铁的理论临界切应力：约3000MPa 纯铁的实际屈服强度：~ 10MPa 1934年 Taylor、Orowan、Polanyi提出位错模型， 滑移是通过称为位错的运动而进行的 1950年代 位错模型为试验所验证 现在，位错是晶体的性能研究中最重要的概念。
C = n/N = Aexp（－△Ev/kT）
C与T、Ev之间呈指数关系。T上升、C升高。
第材料科学基础第3章
在一般的晶体中间隙原子的形成能△E′v较大 （约为空位形成能△Ev的3～4倍）。因此，在 同一温度下，晶体中间隙原子的平衡浓度C要比 空位的平衡浓度C′低得多。因此，在通常情况 下，相对于空位，间隙原子可以忽略不计；但 是在高能粒子辐照后，产生大量的弗兰克尔缺 陷，间隙原子数就不能忽略了。
⑤、在位错线周围的畸变区每个原子具有较大的 平均能量。畸变区是一个狭长的管道。
第材料科学基础第3章
刃型位错立体示意图
第材料科学基础第3章
刃型位错的分类
第材料科学基础第3章
晶体局部滑移造成的刃型位错
第材料科学基础第3章
2.螺型位6
10-8
10-9
10-10 10-11 10-16 10-36
第材料科学基础第3章
3.1.3 点缺陷的运动
▪ 点缺陷的运动方式：
(1) 空位运动。 (2) 间隙原子迁移。 (3) 空位和间隙原子相遇，两缺陷同时消失。 (4) 逸出晶体到表面，或移到晶界，点缺陷消失。
3.1.4 点缺陷对结构和性能的影响
第材料科学基础第3章
③、滑移面必须是同时包含有位错线和滑移矢量 的平面。位错线与滑移矢量互相垂直,它们构成 平面只有一个。
④、晶体中存在刃位错后,位错周围的点阵发生弹 性畸变,既有正应变,也有负应变。点阵畸变相 对于多余半原子面是左右对称的，其程度随距 位错线距离增大而减小。就正刃型位错而言,上 方受压,下方受拉。
第材料科学基础第3章
3.2.1位错的基本类型和特征 1. 刃型位错
（1）刃型位错的产生 完整晶体滑移的理论剪切强度要远高于实际晶体滑移的对应 强度，从而促进了位错理论的产生和发展。
（2） 刃型位错图示： 刃型位错线：多余半原子面与滑移面的交线。
（3）刃型位错特征： ① 刃型位错有一个额外的（多余）半原子面。正刃型位错用 “⊥”表示，负刃型位错用“┬”表示；其正负只是相对而言。 判断用右手定则：食指指向位错线方向，中指指向柏氏矢量 方向，拇指指向多余半原子面方向。 ② 刃型位错是直线、折线或曲线。它与滑移方向、柏氏矢量 垂直。
第材料科学基础第3章
3.1 点 缺 陷
3.1.1点缺陷的形成及类型
离开平衡位置的原子有三个去处:
(1)形成Schottky空位 (2)形成Frankely缺陷 (3)跑到其它空位上使空位消失或移位。
点缺陷的类型：
（1）空位
（2）间隙原子（异类）（interstital atom）： （3）自间隙原子(同类) （self- interstital atom ）
动、交割 9、关于位错的应力场、位错的应变能、线张力等可作为
一般了解 10、晶界的特性(大、小角度晶界)、孪晶界、相界的类
型
第材料科学基础第3章
概述
在实际晶体中，由于原子（或离子、分子）的 热运动，以及晶体的形成条件、冷热加工过程 和其他辐射、杂质等因素的影响，实际晶体中 原子的排列不可能那样规则、完整，常存在各 种偏离理想结构的情况，即晶体缺陷。晶体缺 陷对晶体的性能，特别是对那些结构敏感的性 能，如屈服强度、断裂强度、塑性、电阻率、 磁导率等有很大影响。另外晶体缺陷还与扩散、 相变、塑性变形、再结晶、氧化、烧结等有密 切关系。因此，研究晶体缺陷具有重要的理论 与实际意义。
变。 点缺陷的存在会引起性能的变化：
(1)物理性质、如R、V、ρ 等； (2)力学性能：采用高温急冷(如淬火 ,大量的冷变形）,高 能粒子辐照等方法可获得过饱和点缺陷，如使σS提高； (3)影响固态相变,化学热处理等。
第材料科学基础第3章
3.2 位错
3、面缺陷、表面、界面、界面能、晶界、相界
4、关于位错的应力场、位错的应变能、线张力等可 作为一般了解
5、晶界的特性(大、小角度晶界)、孪晶界、相界的 类型
第材料科学基础第3章
6、点缺陷的平衡浓度公式 7、位错类型的判断及其特征、柏氏矢量 的特征， 8、位错源、位错的增殖(F-R源、双交滑移机制等)和运
对离子晶体，和纯金属相比，点缺陷形成能 都很大，故一般离子晶体中，在平衡状态下存 在的点缺陷浓度是极小的。
第材料科学基础第3章
△Ev对C的影响
金属
种类
Pb
Al
Mg
Au
Cu
Pt
W
△Ev ×
10-8J
0.08
0.12
0.14
0.15
0.17
0.24
0.56
C
9.2× 2.8× 1.5× 3.6× 2.0× 7.8× 5.7×
（4）外来杂质原子：
（5）置换原子(substitutional atom) ：
第材料科学基础第3章
点缺陷类型1
第材料科学基础第3章
点缺陷类型2
第材料科学基础第3章
3.1.2 点缺陷的平衡浓度
晶体中点缺陷的存在一方面造成点阵畸变，使晶体的内 能升高，降低了晶体的热力学稳定性，另一方面由于 增大了原子排列的混乱程度，并改变了其周围原子的 振动频率，引起组态熵和振动熵的改变，使晶体熵值 增大，增加了晶体的热力学稳定性。这两个相互矛盾 的因素使得晶体中的点缺陷在一定的温度下有一定的 平衡浓度。这个浓度称为该温度下晶体中点缺陷的平 衡浓度。经热力学推导：
第三章 晶体缺陷
第材料科学基础第3章
本章要求掌握的主要内容
1、点缺陷、Schottky空位、Frankel空位、间隙原 子、置换原子
2、线缺陷、刃型位错、螺型位错、混合型位错、柏 氏矢量、位错运动、滑移、(双)交滑移、多滑移、 攀移、交割、割价、扭折、塞积；位错应力场、应 变能、线张力、作用在位错上的力、位错密度、位 错源、位错生成、位错增殖、位错分解与合成、位 错反应、全位错、不全位错、堆垛层错
位错的起源： 刚性相对滑动模型：
τm = G/30 纯铁：G ≈ 100GPa 纯铁的理论临界切应力：约3000MPa 纯铁的实际屈服强度：~ 10MPa 1934年 Taylor、Orowan、Polanyi提出位错模型， 滑移是通过称为位错的运动而进行的 1950年代 位错模型为试验所验证 现在，位错是晶体的性能研究中最重要的概念。
C = n/N = Aexp（－△Ev/kT）
C与T、Ev之间呈指数关系。T上升、C升高。
第材料科学基础第3章
在一般的晶体中间隙原子的形成能△E′v较大 （约为空位形成能△Ev的3～4倍）。因此，在 同一温度下，晶体中间隙原子的平衡浓度C要比 空位的平衡浓度C′低得多。因此，在通常情况 下，相对于空位，间隙原子可以忽略不计；但 是在高能粒子辐照后，产生大量的弗兰克尔缺 陷，间隙原子数就不能忽略了。
⑤、在位错线周围的畸变区每个原子具有较大的 平均能量。畸变区是一个狭长的管道。
第材料科学基础第3章
刃型位错立体示意图
第材料科学基础第3章
刃型位错的分类
第材料科学基础第3章
晶体局部滑移造成的刃型位错
第材料科学基础第3章
2.螺型位6
10-8
10-9
10-10 10-11 10-16 10-36
第材料科学基础第3章
3.1.3 点缺陷的运动
▪ 点缺陷的运动方式：
(1) 空位运动。 (2) 间隙原子迁移。 (3) 空位和间隙原子相遇，两缺陷同时消失。 (4) 逸出晶体到表面，或移到晶界，点缺陷消失。
3.1.4 点缺陷对结构和性能的影响
第材料科学基础第3章
③、滑移面必须是同时包含有位错线和滑移矢量 的平面。位错线与滑移矢量互相垂直,它们构成 平面只有一个。
④、晶体中存在刃位错后,位错周围的点阵发生弹 性畸变,既有正应变,也有负应变。点阵畸变相 对于多余半原子面是左右对称的，其程度随距 位错线距离增大而减小。就正刃型位错而言,上 方受压,下方受拉。
第材料科学基础第3章
3.2.1位错的基本类型和特征 1. 刃型位错
（1）刃型位错的产生 完整晶体滑移的理论剪切强度要远高于实际晶体滑移的对应 强度，从而促进了位错理论的产生和发展。
（2） 刃型位错图示： 刃型位错线：多余半原子面与滑移面的交线。
（3）刃型位错特征： ① 刃型位错有一个额外的（多余）半原子面。正刃型位错用 “⊥”表示，负刃型位错用“┬”表示；其正负只是相对而言。 判断用右手定则：食指指向位错线方向，中指指向柏氏矢量 方向，拇指指向多余半原子面方向。 ② 刃型位错是直线、折线或曲线。它与滑移方向、柏氏矢量 垂直。
第材料科学基础第3章
3.1 点 缺 陷
3.1.1点缺陷的形成及类型
离开平衡位置的原子有三个去处:
(1)形成Schottky空位 (2)形成Frankely缺陷 (3)跑到其它空位上使空位消失或移位。
点缺陷的类型：
（1）空位
（2）间隙原子（异类）（interstital atom）： （3）自间隙原子(同类) （self- interstital atom ）
动、交割 9、关于位错的应力场、位错的应变能、线张力等可作为
一般了解 10、晶界的特性(大、小角度晶界)、孪晶界、相界的类
型
第材料科学基础第3章
概述
在实际晶体中，由于原子（或离子、分子）的 热运动，以及晶体的形成条件、冷热加工过程 和其他辐射、杂质等因素的影响，实际晶体中 原子的排列不可能那样规则、完整，常存在各 种偏离理想结构的情况，即晶体缺陷。晶体缺 陷对晶体的性能，特别是对那些结构敏感的性 能，如屈服强度、断裂强度、塑性、电阻率、 磁导率等有很大影响。另外晶体缺陷还与扩散、 相变、塑性变形、再结晶、氧化、烧结等有密 切关系。因此，研究晶体缺陷具有重要的理论 与实际意义。