《材料成型金属学》教学资料：第一章位错理论基础

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→位错密度增加→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
Each lattice site
(1.38 x 10 -23 J/atom K) (8.62 x 10-5 eV/at om K)
is a potential
vacancy site
空位迁移
Self Diffusion via Vacancy Mechanism
空位
空位
晶体中空位的迁移是通过空位与它周围原子交换来实现的。
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。
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。
（1） 点缺陷 point defects
空位 vacancy 间隙原子 interstitial atom 杂质原子 impurity atom
单晶体中的点缺陷
Extra atom
Missing atom
Foreign atom
Extra atom
Schematic illustration of types of defects in a single-crystal lattice: self-interstitial, vacancy, interstitial, and substitutional.
• Equilibrium concentration varies with temperature!
No. of defects
Formation energy
n N
= Aexp-kQT
No. of potential
Temperature
defect sites.Fra Baidu bibliotekBoltzmann's constant
点缺陷的类型 ：
1) 空位 在晶格结点位置应有原子的 地方空缺，这种缺陷称为“空位”。
2) 间隙原子 在晶格非结点位置，往 往是晶格的间隙，出现了多余的原 子。它们可能是同类原子，也可能 是异类原子。
3) 异类原子 在一种类型的原子组成 的晶格中，不同种类的原子替换原 有的原子占有其应有的位置。
空位平衡浓度
值相差千倍以上的问题，提出位错理论。
理想晶体的临界切应力
b
A
μ
B0 Q
b
G τm = 2π
理想晶体塑性变形模型是通过晶体的整体滑移来实现的。它把滑移面两侧 的晶体看作是刚性体，在切应力的作用下它们产生相对移动。理想晶体的临界 切应力比实际晶体的大数千倍。
位错运动
逐步滑移是通过晶体内位错一步一步移动来实现的， 位错移动一个原子间距，需要克服的位垒比理想晶体作 整体滑移时原子克服的位垒要小的多。
错的攀移，间隙原子和异类原子的存在会增加位错的 运动阻力,使强度提高，塑性下降。
（2）线缺陷 line defect
刃型位错 Edge dislocation 螺型位错 Screw dislocation 混合位错 Mixed dislocation
位错概念的引入
1934年 Taylor/Orowan/Polanyi 为解释实测的晶体临界切应力值与理论计算
效果：1) 提高材料的电阻 定向流动的电子在点缺陷处受到非
平衡力(陷阱)，增加了阻力，加速运动提高局部温度。 2) 加快原子的扩散迁移 空位可作为原子运动的周转站。 3) 形成其他晶体缺陷 过饱和的空位可集中形成内部的
空洞，集中一片的塌陷形成位错。 4) 改变材料的力学性能 空位移动到位错处可造成刃位
grain boundaries
Two-dimensional Defects
May increase the mechanical strength of materials at room temperature
Increase ductility of materials with a ultrafine or even nano-grain structure
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
（3） 面缺陷
小角度晶界 low angle grain boundary 大角度晶界 high angle grain boundary 相界面 interphase boundary
晶界与相界
晶体内点阵相同而取向不同的两个晶粒之间的相 邻边界称为晶界。
晶体中两不同固相之间的界面称为相界。
理想晶体原子 面堆积
含有刃型位错晶 体原子面堆积
含有螺型位错晶 体原子面堆积
晶体中位错的几何特征
刃型位错的原子模型
将上半部分晶体向左移动一个原子间距，再按原子的结合方式 连接起来，相当于插入半个原子面，这就是刃型位错。
“重合位置点阵”模型
相界面
共格界面 半共格界面 非共格界面
（a）共格界面；（b）部分共格界面；（c）非共格界面
应用 applications
广泛用于金属材料科学的各个领域
金属的屈服、加工硬化、断裂等力学性能 物理性能（电阻、电磁性能） 扩散、相变 其他结构敏感性性质
1.2 位错的原子模型和柏氏矢量