材料科学基础第4章晶体缺陷.

235
375-460 26
345
410-510 22
375 26
屈强比
0.56
0.6
0.75
第2节
线缺陷（位错）
一、位错模型的提出
① 背景：完整晶体塑性变形（刚性滑移的
模型）→金属晶体的理论强度→理论强度比实 测强度高出几个数量级→晶体缺陷的设想（位 错滑移模型）→计算出的晶体强度与实测值基 本相符。
1947年柯垂耳（A.H.Cottrell）
利用溶质原子与位错的交互作用 解释了低碳钢的屈服现象
1950年弗兰克（Frank）与瑞德
（Read）同时提出了位错增殖机 制F-R位错源。
50年代以后，用透射电镜直接观
测到晶体中位错的存在、运动、 增殖等。
不锈钢中的位错线
认为位错在切应力作用下发生运
动，依靠位错的逐渐传递完成了 滑移过程。
由于位错的移动只需邻近原子作
很小距离的弹性偏移就能实现， 所以滑移所需的临界切应力大为 减小。
滑移是借助位错运动实现的。
多 脚 虫 的 爬 行
刃位错的运动
1934年柏格斯（Burgers）提出
用柏氏矢量来表征位错的特性的 重要意义，同时引入螺旋位错；
值的点缺陷。
它们将显著影响材料的性能。
3）晶格畸变
点缺陷破坏了原子的平衡状态， 使晶格发生扭曲，称晶格畸变。
空位
间隙原子
大置换原子
从而使强度、硬度提高，塑性、 韧性下降。
小置换原子
空位和间隙原子引起的晶格畸变
4）产生

结晶、淬火、辐射、冷加工。
5）运动
点缺陷并非固定不动，而是处在
其周围原子的振动频率的改变→组 态熵和振动熵的改变→晶体熵值 ↑→晶体的热力学稳定性→晶体的 热力学稳定性↓；
热力学分析表明，在任何温度下，
晶体最稳定的状态是含有一定浓度 点缺陷的态。
空位在T温度时的平衡浓度为:
C A exp(N A / Ev / kNAT ) A exp(Qf / RT )
第4章 晶体缺陷
重点：固溶强化、加工硬化和
细晶强化。
难点：晶体缺陷与性能的关系 学习方法：
应用位错理论解释强化机制
一、缺陷的含义：
通常把晶体点阵结构中周期性势场的畸
变称为晶体的结构缺陷。 理想晶体：质点严格按照空间点阵排列。 实际晶体：存在着各种各样的结构的不 完整性。
研究缺陷的意义：由于缺陷的存在，才 使晶体表现出各种各样的性质，使材料加 工、使用过程中的各种性能得以有效控制 和改变，使材料性能的改善和复合材料的 制备得以实现。 因此，了解缺陷的形成及其运动规律，对 材料工艺过程的控制，对材料性能的改善， 对于新型材料的设计、研究与开发具有重 要意义。（举例）
b. 间隙原子：挤 进晶格间隙中的 原子。
体心立方的四面体和八面体间隙
c. 置换原子

取代原来原 子位置的外 来原子称置 换原子。
3使振幅增大到一定限度时，就可 能克服周围原子对它的制约作用， 跳离其原来的位置，使点阵中形成 空结点，称为空位。
特别是对塑性变形、扩散、相
变和强度等起着决定性作用。
二、分类
根据晶体缺陷的几何形态 大小可分为三类： 点缺陷 线缺陷 面缺陷
第1节
1、定义
点缺陷
是在空间三维方向上的尺寸都很
小，约为几个原子间距，又称零 维缺陷。
2、分类
空位、间隙原子和置换原子。
a.
空位：晶格中 某些缺排原子的 空结点。
式中，Qf=NAEv为形成1摩尔空位所需作的功， 单位为J/mol；
R=kN为气体常数(8.31J/mol) 。
例如：
Cu晶体
在500℃时平衡空位的浓度 -6 为1.4×10 (很低)，而在每立 23 方米的铜晶体存在1.2×10 个 空位(数量很多)。
间隙原子的平衡浓度C
为:
n C A exp( E v / kT ) N
② 应用：晶体的屈服强度、加工硬化、合
金强化、相变强化、脆性断裂、蠕变。
理论剪切屈服强度（τm）>>实际
剪切屈服强度（τn）
例、铜单晶体τm=
3000MPa，
而τn= 1~10MPa。
二、滑移现象:
二、位错运动滑移模型
1934年泰勒（G.
I. Taylor）、 奥朗依（M. Polanyi）和奥罗万 （E. Orowan）三人几乎同时提出 晶体中位错的概念：
不断改变位置的运动状态：
① 换位迁移；
② 空位与间隙
原子相遇消
失（复合）。
6）对材料行为的影响
（1）促使原子扩散：空位可作为 原子运动的周转站，热处理的理 论基础； （2）电阻明显增加：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。
（3）晶体密度下降，体积膨胀
（4）材料的强度提高（固溶强化），
弗仑克耳缺陷：
原子离开平衡位置进入间隙，形成等量 的空位和间隙原子。
肖特基缺陷：
只形成空位不形成间隙原子。（构成新 的晶面）。
在一定条件下，晶体表面上的原子也可能
跑到晶体内部的间隙位置形成间隙原子。
4）点缺陷的平衡浓度
点缺陷→点阵畸变→内能↑→晶体
的热力学稳定性↓；
点缺陷→原子排列的混乱程度↑→
式中，N′为间隙位置总数； n 为间隙原子数； △E′v为形成一个间隙原子所需的能量。
∵间隙原子的形成能 △E′v较大（约为空位
的3～4倍），∴在同一温度下，晶体中的平衡 浓度C原间隙子< < C空位。
因此，在通常情况下，相对于空位，间隙原
子可以忽略不计。
点缺陷是热力学稳定缺陷。 过饱和点缺陷：数目超过平衡
但脆性显著增加：
空位移动到位错处可造成刃位错的攀
移；间隙原子的存在会增加位错的运 动阻力。
钢号
C % Mn % 屈服强度 MPa 抗拉强度 MPa δ（%）
Q235 （A3）
0.12-0.2
15Mn
0.12-0.19
Q345 （16Mn）
0.12-0.2
0.35-0.6
0.7-1.00
225
1.2-1.6
离开平衡位置的原子有三个去处：
一是迁移到晶体表面或内表面的正常结
点位置上，而使晶体内部留下空位，称 为肖脱基（Schottky）空位；
二是挤人点阵的间隙位置，而在晶体中
同时形成数目相等的空位和间隙原子， 则称为弗兰克尔（Frenkel）缺陷；
三是跑到其他空位中，使空位消失或使
空位移位。