第三讲实际金属的晶体结构

第三讲实际金属的晶体结构

第三节实际金属的晶体结构

一、主要内容：

晶体缺陷的概念，研究晶体缺陷的意义，晶体缺陷的种类

点缺陷的概念、种类，点缺陷产生的原因，晶格畸变的概念，间隙原子，置换原子，晶格空位，

线缺陷的概念，线缺陷的种类，刃型位错、螺型位错的特征，正刃型位错、负刃型位错，左螺型位错、右螺型位错，混合型位错，位错周围的应力场，位错周围的晶格畸变，柏氏矢量的概念，柏氏矢量的确定、表示方法，用柏氏矢量判断位错的类型，位错密度，位错在晶体中的特性。

面缺陷的种类，晶体表面，晶界，小角度晶界，大角度晶界，亚晶界，堆垛层错，相界，晶界的特性。

二、要点：

缺陷的概念及缺陷的种类。

三、方法说明;

晶体内部的缺陷确实存在，晶体内部的缺陷对金属的性能有很大的影响甚至起着决定性的作用。应该了解晶界与相界的区别，晶界的特性。

重点概念：是晶格畸变，间隙原子，置换原子，位错，亚结构。

难点：是螺型位错，用模型讲述会更清楚。

授课内容：

一、点缺陷

点缺陷的类型及特点：

金属晶体中常见的点缺陷有：空位、间隙原子、置换原子等。

晶体中位于晶格结点上的原子并非静止不动的，而是以其平衡位置为中心作热运动。当某一瞬间，某个原子具有足够大的能量，克服周围原子对它的制约，跳出其所在的位置，使晶格中形成空结点，称空位。挤入间隙的原子叫间隙原子；

占据在原来晶格结点的异类原子叫置换原子。

1、空位

空位是一种热平衡缺陷,即在一定温度下,空位有一定的平衡浓度。空位在晶体中的位置不是固定不变的,而是不断运动变化的。空位是由原子脱离其平衡位置而形成的，脱离平衡位置的原子大致有三个去处：

(1)迁移到晶体表面上,这样所产生的空位叫肖脱基空位；

(2)迁移到晶格的间隙中,这样所形成的空位叫弗兰克尔空位；

(3)迁移到其他空位处,这样虽然不产生新的空位,但可以使空位变换位置。

晶格畸变：由于空位的存在。其周围原子失去了一个近邻原子而使相互间的作用失去平衡，因而它们朝空位方向稍有移动，偏离其平衡位置，就会在空位周围出现一个涉及几个原子间距范围的弹性畸变区，叫晶格畸变。

2、间隙原子

处于晶格间隙中的原子即为间隙原子。在形成弗兰克尔空位的同时,也形成一个间隙原子，另外溶质原子挤入溶剂的晶格间隙中后，也称为间隙原子,他们都会造成严重的晶体畸变。间隙原子也是一种热平衡缺陷，在一定温度下有一平衡浓度，对于异类间隙原子来说，常将这一平衡浓度称为固溶度或溶解度。

3、置换原子

占据在原来基体原子平衡位置上的异类原子称为置换原子。由于原子大小的区别也会造成晶格畸变，置换原子在一定温度下也有一个平衡浓度值，一般称之为固溶度或溶解度，通常它比间隙原子的固溶度要大的多。

二、线缺陷

线缺陷的类型及特点：

线缺陷有刃型位错，螺型位错和混合型位错

1、刃型位错的定义：晶体中已滑移区与未滑移区的边界线（即位错线）若垂直于滑移方向，则会存在一多余半排原子面，它象一把刀刃插入晶体中，使此处上下两部分晶体产生原子错排，这种晶体缺陷称为刃型位错。多余半排原子面在滑移面上方的称正刃型位错，记为“┻”；相反，半排原子面在滑移面下方的称负刃型位错，记为“┳”。

2、刃型位错的结构特征

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；

5）位错畸变区只有几个原子间距，是狭长的管道，故是线缺陷。

3、螺型位错的定义

晶体中已滑移区与未滑移区的边界线（即位错线）若平行于滑移方向，则在该处附近原子平面已扭曲为螺旋面，即位错线附近的原子是按螺旋形式排列的，这种晶体缺陷称为螺型位错。根据原子旋转方向的不同,螺型位错可分为左螺型和右螺型位错,通常用拇指代表螺旋前进方向，其余四指代表螺旋方向，符合右手法则的称右螺旋位错；符合左手法则的称为左螺旋位错。

4、螺型位错的结构特征

1）无额外的半原子面，原子错排程轴对称，分右旋和左旋螺型位错；

2）一定是直线，与滑移矢量平行，位错线移动方向与晶体滑移方向垂直；

3）滑移面不是唯一的，包含螺型位错线的平面都可以作为它的滑移面；

4）位错周围点阵也发生弹性畸变，但只有平行于位错线的切应变而无正应变，即不引起体积的膨胀和收缩；

5）位错畸变区也是几个原子间距宽度，同样是线位错。

5、刃型位错与螺形位错的不同

(1)螺形位错没有额外半原子面；刃形位错有一个额外半原子面。

(2)螺形位错线是一个具有一定宽度的细长的晶格畸变管道,其中只有切应变,而无正应变；刃形位错线是一个具有一定宽度的细长晶格畸变管道,其中既有正应变,又有切应变。

(3)位错线与滑移方向平行,位错线运动的方向与位错线垂直；位错线与晶体滑移的方向垂直,即位错线运动的方向垂直于位错线

6、混合型位错

晶体中已滑移区与未滑移区的边界线（即位错线）既不平行也不垂直于滑移方向，即滑移矢量与位错线成任意角度，这种晶体缺陷称为混合型位错。混合型位错可分解为刃型位错分量和螺型位错分量，它们分别具有刃型位错和螺型位错的特征。

位错的易动性

晶体中位错处的原子处于高能不稳定状态，因此在切应力作用下原子很容易移动。含有位错晶体的滑移过程实质上是位错的运动过程，此过程中原子实际的位移距离远小于原子间距，这种滑移要比两个相邻原子面整体相对移动（即刚性滑移）容易得多。

7、柏氏矢量

用来描述位错区域原子的畸变特征（包括畸变发生在什么晶向以及畸变有多大）的物理参量，称为柏氏矢量。它是一个矢量，1939年由柏格斯（J.M.Burgers）率先提出。

柏氏矢量的确定

柏氏矢量可通过柏氏回路来确定。在含有位错的实际晶体中作一个包含位错发生畸变的回路，然后将这同样大小的回路置于理想晶体中，此时回路将不能封闭，需引一个额外的矢量b连接回路，才能使回路闭合，这个矢量b就是实际晶体中位错的柏氏矢量。

1）右手法则

刃型位错的柏氏矢量与位错线垂直，其正负可用右手法则确定，如图所示。（通常先人为地规定位错线的方向，然后用右手食指表示位错线的方向，中指表示柏氏矢量的方向，当拇指向上是为正刃型位错，向下时为负刃型位错。）

螺型位错的柏氏矢量与位错线平行，且规定柏氏矢量与位错线正向平行的为右旋；反向平行的为左旋。

8、柏氏矢量的特征

1）用柏氏矢量可判断位错的类型。柏氏矢量与位错线垂直者为刃型位错，平行者为螺型位错，既不垂直又不平行者为混合位错。

2）柏氏矢量反映位错区域点阵畸变总累积的大小。柏氏矢量越大，位错周围晶体畸变越严重。

3）用柏氏矢量可以表示晶体滑移的方向和大小。位错运动导致晶体滑移时，滑移量大小即柏氏矢量b，滑移方向即为柏氏矢量的方向。

4）一条位错线具有唯一的柏氏矢量。它与柏氏回路的大小和回路在位错线上的位置无关，位错在晶体中运动或改变方向时，其柏氏矢量不变。

5）若位错可分解，则分解后各分位错的柏氏矢量之和等于原位错的柏氏矢量。

6）位错可定义为柏氏矢量不为零的晶体缺陷，它具有连续性，不能中断于晶体内部。其存在形态可形成一个闭合的位错环，或连接于其他位错，或终止在晶界，或露头于晶体表面。

三、面缺陷

晶体中面缺陷的类型与特点