空位与位错
空位与位错
位错产生的机制
位错是晶体中结构缺陷或失序引起的晶格位移。
它可以通过以下几种机制产生：
1.移位机制：当晶体在应力作用下发生变形时，晶格会出现位错线或位错面，从而导致原子位置发生位移。
这是最常见的位错产生机制，可分为边界位错、螺旋位错和混合位错等不同类型。
2.弥散机制：在某些条件下，原子可以通过晶格间的空位、间隙等进行扩散和迁移，从而引起位错的形成。
这主要发生在高温或其他非平衡条件下。
3.特殊条件下的位错引入：在一些特殊条件下，如材料的激发、气氛或外场的影响等，位错可以被引入晶体中，例如辐射损伤、塑性变形等。
4.生长缺陷引起的位错：在晶体的生长和形成过程中，由于晶格的失序、扩散速率不均等因素，可能会产生位错。
总体而言，位错产生是晶体为了适应外界应力或内部缺陷而发生的晶格变形，引发了晶体内部的局部结构变化，进而改变了材料的性质和行为。
位错的产生和影响在材料科学与工程中具有重要意义，对材料的强度、塑性、热力学性能等方面有着重要影响。
位错弹性性质
b ds 2 T sin d 2
ds rd
sin d 22
T Gb 2 ( 弯曲位错 2Βιβλιοθήκη Gb 2r0 .5)
位错弹性性质
5.位错的应力场及与其他缺陷的交互作用
位错的应力场 刃位错上面的原子处于压应力状态，为压应力场; 刃位
错下面的原子处于张应力状态，为张应力场;垂直于位错 线的任一截面上应力分量均相同。
的现象，柯氏气团的形成对位错有钉扎作用，是固溶强化 的原因之一。
位错与空位的交互作用 导致位错攀。高温下十分重要 位错弹性性质
位错与位错的交互作用
f=τb ，f=σb （刃位错）。
同号相互排斥，异号相互吸引。(达到能量最低状态。)
位错弹性性质
§3.2 .4 位错的生成与增殖
一、位错的生成
晶体中的位错来源主要可有以下几种。 （一）晶体生长过程中产生位错。其主要来源有：
位错弹性性质
弗兰克不全位错
弗兰克不全位错的形成：在完整晶
与抽出型层错联系的不全位错通常称负弗兰克不全位错；
体中局部抽出或插入一层原子所形 成。（只能攀移，不能滑移。）
而与插入型层错相联系的不全位错称为正弗兰克不全位错； 弗兰克位错属纯刃型位错。
位错弹性性质
图 正弗兰克不全位错的形成
位错弹性性质
图 负弗兰克不全位错的形成
位错弹性性质
（2）刃位错的应力场
图 刃位错周围的应力场
位错弹性性质
刃位错的应力场的特点： 同时存在正应力分量与切应力分量，而且各应力分量的大 小与G和b成正比，与r成反比。 各应力分量都是ｘ，ｙ的函数，而与ｚ无关。这表明在平 行与位错的直线上，任一点的应力均相同。 在滑移面上，没有正应力，只有切应力，而且切应力τxy 达 到极大值。 正刃型位错的位错滑移面上侧为压应力，滑移面下侧为拉 应力。 x＝±y时，σyy，τxy均为零，说明在直角坐标的两条对角线 处，只有σxx。
材料科学基础试题及答案
第一章 原子排列与晶体结构1. fcc 结构的密排方向是 ，密排面是 ，密排面的堆垛顺序是 ，致密度为 ，配位数是 ,晶胞中原子数为 ，把原子视为刚性球时，原子的半径r 与点阵常数a 的关系是 ；bcc 结构的密排方向是 ，密排面是 ,致密度为 ,配位数是 ,晶胞中原子数为 ，原子的半径r 与点阵常数a 的关系是 ；hcp 结构的密排方向是 ，密排面是 ，密排面的堆垛顺序是 ，致密度为 ，配位数是 ,，晶胞中原子数为 ，原子的半径r 与点阵常数a的关系是 。
2. Al 的点阵常数为0.4049nm ，其结构原子体积是 ，每个晶胞中八面体间隙数为 ，四面体间隙数为 。
3. 纯铁冷却时在912ε 发生同素异晶转变是从 结构转变为 结构，配位数 ，致密度降低 ，晶体体积 ，原子半径发生 。
4. 在面心立方晶胞中画出）（211晶面和]211[晶向，指出﹤110﹥中位于（111）平面上的方向。
在hcp 晶胞的（0001）面上标出）（0121晶面和]0121[晶向。
5. 求]111[和]120[两晶向所决定的晶面。
6 在铅的（100）平面上，1mm 2有多少原子？已知铅为fcc 面心立方结构，其原子半径R=0.175×10-6mm 。
第二章 合金相结构一、 填空1） 随着溶质浓度的增大，单相固溶体合金的强度 ，塑性 ，导电性 ，形成间隙固溶体时，固溶体的点阵常数 。
2） 影响置换固溶体溶解度大小的主要因素是（1） ；（2） ；（3） ；（4） 和环境因素。
3） 置换式固溶体的不均匀性主要表现为 和 。
4） 按照溶质原子进入溶剂点阵的位置区分，固溶体可分为 和 。
5） 无序固溶体转变为有序固溶体时，合金性能变化的一般规律是强度和硬度 ，塑性 ，导电性 。
6）间隙固溶体是 ，间隙化合物是 。
二、 问答1、 分析氢，氮，碳，硼在α-Fe 和γ-Fe 中形成固溶体的类型，进入点阵中的位置和固溶度大小。
已知元素的原子半径如下：氢：0.046nm ，氮：0.071nm ，碳：0.077nm ，硼：0.091nm ，α-Fe ：0.124nm ，γ-Fe ：0.126nm 。
02.空位与位错
位错对材料的力学行为如塑性变形、强度、断裂等起着 决定性的作用，对材料的扩散、相变过程有较大影响。
材料科学基础
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第2章 空位与位错 --位错 理想晶体的理论剪切强度与实际晶体的剪切强度 位错的概念最早是在研究晶体滑移过程时提出来的。 晶体的塑性变形的主要方式是切应力作用下的滑移。
锌 单 晶 拉 伸 时 外 形 变 化
第2章 空位与位错
工学院材料系
材料科学基础
材料科学基础
工学院材料系
1
原子结合形成宏观的工程材料，表现出工程性能 材料微观结构影响、决定材料性能 金 刚 石
C原子
同素异构材料
石 墨
足球烯 C60
材料 结构 基本 知识
固体 材料 微观 结构
非晶材料 准晶材料 晶体材料 规则排列 如金属材料
无规则排列
如塑料等
3.点缺陷－外来原子
外来原子尺寸或化学电负性等与基体原子不一样，为晶体的点缺陷。 外来原子尺寸与基体原子相当， 会臵换晶格中某些结点。
外来原子的尺寸很小，可能挤 入晶格间隙。
外来原子的引入导致周围晶格 的畸变。
材料科学基础
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第2章 空位与位错 --点缺陷
二、点缺陷的热力学分析
1.点缺陷的平衡浓度
根据热力学，点缺陷形成后引起晶体的亥姆霍兹自由能（ΔA） 的变化为： ΔA=ΔU-T•ΔS
内能项增量ΔU为:ΔU =n•u
式中 n:点缺陷个数；u:一个点缺陷引起的内能增量，即点缺陷的 形成能。 点缺陷增加导致体系内能增加
熵增先随晶体中点缺陷的增加而快速增加，点缺陷继续增加 熵增变化逐渐变缓。
材料科学基础
材料科学基础
难点
位错模型 位错的应力场 不全位错的原子模型
第六章 空位与位错
第六章 空位与位错一、 名词解释空位平衡浓度，位错，柏氏回路，P-N 力，扩展位错，堆垛层错，弗兰克-瑞德位错源， 奥罗万机制，科垂耳气团，面角位错，铃木气团，多边形化二、 问答1 fcc 晶体中，层错能的高低对层错的形成、扩展位错的宽度和扩展位错运动有何影响？层错能对金属材料冷、热加工行为的影响如何？2. 在铝单晶体中（fcc 结构），1） 位错反应]101[2a →]112[6a ]+]121[6a 能否进行？写出反应后扩展位错宽度的表达式和式中各符号的含义；若反应前的]101[2a 是刃位错，则反应后的扩展位错能进行何种运动？能在哪个晶面上进行运动？若反应前的]101[2a 是螺位错，则反应后的扩展位错能进行何种运动？2） 若（1，1，1）面上有一位错]110[2a b =，与）（111面上的位错]011[2a b =发生反应，如图6－1。
写出位错反应方程式，说明新位错的性质，是否可动。
3） 写出（111）与（111）两个滑移面上两全位错所分解为肖克莱不全位错的两个反应式。
4） 如果两扩展位错运动，当它们在两个滑移面交线AB 相遇时，两领先不全位错为[]1126a 和]121[6a ，两领先位错能否发生反应，若能，求新位错柏氏矢量；分析新形成位错为何种类型位错，能否自由滑移，对加工硬化有何作用。
图6－13 螺旋位错的能量公式为02ln 4r R Gb E S π=。
若金属材料亚晶尺寸为R=10-3~10-4cm ，r 0约为10-8cm ，铜的G ＝4×106N/cm 2，b ＝2.5×10－8cm 。
（1）试估算Es（2）估算Cu 中长度为1个柏氏矢量的螺型位错割阶的能量。
4 平衡空位浓度与温度有何关系？高温淬火对低温扩散速度有何影响？5 已知Al 的空位形成能为0.76eV ，问从27ε 升温到627ε 时空位浓度增加多少倍（取系数A=1）6 在一个刃型位错附近放置另一个与之平行同号的另一个刃型位错，其位置如图6－2所示1，2，3，问它们在滑移面上受力方向如何？7、位错对金属材料有何影响？第六章空位与位错一、名词解释空位平衡浓度：金属晶体中，空位是热力学稳定的晶体缺陷，在一定的空位下对应一定的空位浓度，通常用金属晶体中空位总数与结点总数的比值来表示。
金属学与热处理课后习题答案第七章
第七章金属及合金的回复和再结晶7-1 用冷拔铜丝线制作导线，冷拔之后应如何如理，为什么？答：应采取回复退火（去应力退火）处理：即将冷变形金属加热到再结晶温度以下某一温度，并保温足够时间，然后缓慢冷却到室温的热处理工艺。
原因：铜丝冷拔属于再结晶温度以下的冷变形加工，冷塑性变形会使铜丝产生加工硬化和残留内应力，该残留内应力的存在容易导致铜丝在使用过程中断裂。
因此，应当采用去应力退火使冷拔铜丝在基本上保持加工硬化的条件下降低其内应力（主要是第一类内应力），改善其塑性和韧性，提高其在使用过程的安全性。
7-2 一块厚纯金属板经冷弯并再结晶退火后，试画出截面上的显微组织示意图。
答：解答此题就是画出金属冷变形后晶粒回复、再结晶和晶粒长大过程示意图（可参考教材P195，图7-1）7-3 已知W、Fe、Cu的熔点分别为3399℃、1538℃和1083℃，试估算其再结晶温度。
答：再结晶温度：通常把经过严重冷变形（变形度在70%以上）的金属，在约1h的保温时间内能够完成超过95%再结晶转变量的温度作为再结晶温度。
1、金属的最低再结晶温度与其熔点之间存在一经验关系式：T再≈δTm，对于工业纯金属来说：δ值为0.35-0.4，取0.4计算。
2、应当指出，为了消除冷塑性变形加工硬化现象，再结晶退火温度通常要比其最低再结晶温度高出100-200℃。
如上所述取T再=0.4Tm，可得：W再=3399×0.4=1359.6℃Fe再=1538×0.4=615.2℃Cu再=1083×0.4=433.2℃7-4 说明以下概念的本质区别：1、一次再结晶和二次在结晶。
2、再结晶时晶核长大和再结晶后的晶粒长大。
答：1、一次再结晶和二次在结晶。
定义一次再结晶：冷变形后的金属加热到一定温度，保温足够时间后，在原来的变形组织中产生了无畸变的新的等轴晶粒，位错密度显著下降，性能发生显著变化恢复到冷变形前的水平，称为（一次）再结晶。
晶体缺陷类型
晶体缺陷类型晶体缺陷是指晶体中存在的原子或离子排列不规则或异常的现象。
晶体缺陷可以分为点缺陷、线缺陷和面缺陷三种类型。
一、点缺陷点缺陷是晶体中原子或离子位置的局部不规则，主要包括空位、间隙原子和杂质原子。
1. 空位空位是指晶体中原子或离子在其晶体格点上的位置空缺。
晶体中的空位可以通过热处理、辐射或化学反应形成。
空位的存在会降低晶体的密度和电子迁移率，影响材料的性能。
2. 间隙原子间隙原子是指晶体中原子或离子占据晶体格点之间的空隙位置。
间隙原子的存在会导致晶体的畸变和疏松，影响材料的机械性能和导电性能。
3. 杂质原子杂质原子是指晶体中非本原子或离子替代晶体中的原子或离子。
杂质原子的存在会改变晶体的导电性、光学性质和热稳定性。
常见的杂质原子有掺杂剂、杂质原子和缺陷聚集体。
二、线缺陷线缺陷是晶体中原子或离子排列沿着一条线或曲线出现的不规则现象，主要包括位错和螺旋线缺陷。
1. 位错位错是晶体中原子或离子排列的一种不规则现象，可以看作是晶体中某一面上原子排列与理想晶体的对应面上的原子排列不匹配。
位错的存在会导致晶体的畸变和塑性变形，影响材料的力学性能。
2. 螺旋线缺陷螺旋线缺陷是晶体中原子或离子排列呈螺旋状的一种不规则现象。
螺旋线缺陷的存在会导致晶体的扭曲和磁性变化，影响材料的磁学性能。
三、面缺陷面缺陷是晶体中原子或离子排列在一定平面上不规则的现象，主要包括晶界和堆垛层错。
1. 晶界晶界是晶体中两个晶粒之间的交界面，是晶体中最常见的面缺陷。
晶界的存在会影响晶体的力学性能、导电性能和晶体的稳定性。
2. 堆垛层错堆垛层错是晶体中原子或离子排列在某一平面上的堆垛出现错误的现象。
堆垛层错的存在会导致晶体的畸变和位错密度增加，影响材料的机械性能和热稳定性。
总结：晶体缺陷是晶体中存在的原子或离子排列不规则或异常的现象。
根据缺陷的不同类型，晶体缺陷可以分为点缺陷、线缺陷和面缺陷。
点缺陷主要包括空位、间隙原子和杂质原子，线缺陷主要包括位错和螺旋线缺陷，面缺陷主要包括晶界和堆垛层错。
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位错的萌生与增殖 萌生：①液态金属凝固时出现点阵错排，形成位错； ②过饱和空位凝聚后坍塌形成位错； ③晶体内部某些界面如第二相质点、晶界和微裂纹附近，出现应力集中，促使该 局部区域发生塑性变形，产生位错. 晶体中位错的增殖：F-R源增殖机制（弗兰克-瑞德源） F-R机制的基点是通过位错的一端或两端被固定在滑移面上的一段位错线的运动来阐明 位错的增值机制. F-R位错源开动的所需要的分切应力包括（1）滑移的晶格阻力，即派-纳力 （2）位错弯曲的切应力：克服位错线的张力所需要的切应力：τ =Gb/(2R) a.位错处于直线，即R=∞，此时切应力最小； b.位错弯成半圆，R=L/2，τ =Gb/L，切应力最大； 临界切应力τ c=Gb/L，L为位错线长. 在塑性变形的过程中，会产生越来越多的位错， 它们之间如果发生交截，就会使可动位错越来越短， 对开动位错源所需要的临界分切应力就越来越高， 这也是加工硬化的原因之一. 实际晶体中的位错组态：不全位错、堆垛层错、扩展位错 根据柏氏矢量的不同，可以把位错分为以下几种形式: ①柏氏矢量恰好等于单位点阵矢量的称为单位位错； ②柏氏矢量恰好等于单位点阵矢量整数倍的称为全位错； ③柏氏矢量不等于单位点阵矢量或其整数倍的称为不全位错或部分位错 层错：是指在密排晶体结构中的整层密排面上的原子发生了错排，这是实际晶体在滑移 过程中所造成的一种缺陷.可分为“抽出型层错”和“插入型层错” 一个插入型层错相当于两个抽出型层错，在面心立方晶体中的层错可以看成是嵌入了 薄层密排六方结构；同理密排六方的层错可以看做嵌入了面心立方薄层. 层错是一种晶格缺陷，引起能量上升，通常把单位面积层错产生所需要的能量称为层错能 原子仅发生错排，产生很少的畸变，层错能越小，出现层错的几率越大. 面心立方、不锈钢和α-黄铜，可以见到大量层错，铝则看不到. 不全位错：晶体中往往只在局部区域出现层错，而不贯穿整个晶体，于是在层错区与完整 晶体的交界处就会出现不全位错.有肖克莱不全位错和弗兰克不全位错. 肖克莱不全位错:可以再具有堆垛层错的(111）面滑移，属于可动位错，其滑移引起层错 的扩大或者缩小，但不能进行攀移. 弗兰克不全位错:柏氏矢量与层错面和位错线垂直，是纯刃型位错，由于柏氏矢量与位错线 所构成的平面不在{111}滑移面上，所以不能滑移，只能借助原子扩散进行攀移. 位错反应：位错之间的相互转化称为位错反应，其结果降低体系自由能，满足条件： ①几何条件：∑b前=∑b后，反应前后位错在三维方向上的分矢量和必须相等； ②能量条件：∑b2前>∑b2后，位错反应后，应变能必须降低，这是反应的驱动力； 扩展位错：如果层错两端都终止在晶体内部，即一个层错的两端与两个不全位错相连，像 这样的两个不全位错之间夹有一个层错的位错组态层位扩展位错. 其表达式为： 扩展位错的宽度与金属的比层错能γ 成反比，γ 大，则不宜形成扩展位错，金属的层错能 的大小及扩展位错宽度对塑性变形的过程及材料强化起重要作用 位错的束集：所谓束集就是扩展位错所形成的两个不全位错重新合并为一个单位位错的 过程。面心立方晶体的交滑移可形成位错束集. 在金属中，层错能越低，层错宽度就越大，就越不容易产生束集，越难产生交滑移.热激活 有助于束集的实现，升高温度可以促进扩展位错的交滑移.(一个滑移面到另外一个滑移面)
位错与晶体之间的相互作用： （1）位错与溶质原子的相互作用 以正刃型位错为例：位错下方受到拉应力，原子较大的置换型溶质原子和间隙原子 位于位错滑移面下方（即晶格受拉区）可以降低位错应变能；同样，原子半径较小 的间隙型溶质原子位于滑移面上方（即晶格受压区）也可以降低位错的应变能， 从而使体系处于较低的能量状态，具有更高的稳定性. 通常把溶质原子与位错交互作用后，在位错周围偏聚的现象称为科垂耳气团 ，这 种气团对位错有钉扎作用，产生固溶强化效应，高温下会消失，失去强化效. （2）位错与空位的交互总用 空位通常会被吸引到刃型位错的压缩区，降低位错的应变能，使位错发生攀移. ①过饱和空位可以形成空位盘，空位盘坍塌之后可以形成刃型位错环，该位错环 的滑移面是一个环柱面，柏氏矢量垂直于环面，在该位错环的平面上位错只能 攀移，这种位错称为“棱柱位错”. ②a.平行的相邻的滑移面上存在异号刃型位错，当其移动到一块而互毁之后就会 产生一串空位； ？b见两螺型位错的交截作用？ （3）位错之间的相互作用 A.两根平行的螺型位错间的交互作用：同号相斥，排斥力随距离的增大而减小； 异号相吸，直至异号位错互毁； B.两根平行的刃型位错间的交互作用：同号相斥，异号相吸； 如果一系列同号刃型位错在垂直于滑移面的方向排列起来，那么上方位错的拉 力场和下方位错的压力场相互重叠而降低体系的总能量，这是刃型位错稳定的排 列方式，又称为位错墙 . C.位错的交截：通常把位错的相互切割的过程称为位错交截.位错交截后位错发生 弯折，生成位错折线，如果折线位于滑移面上，称为扭折，如果折线垂直于 滑移面，则称为割阶. ①两刃型位错的交截 a.两柏氏矢量相互平行的两个刃型位错交截，出现两个小台阶，分别平行于两个 柏氏矢量，是螺型位错，处于原位错滑移面上，是扭折，台阶高度为对方 的柏氏矢量大小； b.两柏氏矢量相互垂直的两个刃型位错交截，出现两个小台阶、分别平行于两个 柏氏矢量，是刃型位错、产生割阶、台阶高度为对方柏氏矢量大小. ②两柏氏矢量相互垂直的刃型位错与螺型位错交截：产生两个小台阶，刃型位错 的小台阶为刃型割阶，可随原位错一起滑移，滑移面与原滑移面垂直；螺型位错 的小台阶为扭折，是刃型位错；两个台阶的大小为相互的柏氏矢量的大小. ③两相互垂直的螺型位错的交截：产生两个刃型割阶（加工硬化的原因？） a.割阶长度足够小（1-2个原子），割阶可以通过攀移与主位错一起运动，并在 割阶后面留下一连串空位 b.割阶较大，主位错不可能拖着割阶运动，在外力作用下发生弯曲，最终留下一个 长的位错环，长位错环可以分解为小的位错环. （4）位错的塞积：切应力的作用下，位错源所产生的大量位错沿滑移面运动时， 如果遇上障碍物（如固定位错、杂质粒子、晶界）领先位错就会在障碍物前被 阻止，后续位错被堵塞起来，形成位错的塞积 塞积群特点：①被塞积的位错是同号刃型位错，相互排斥；②整个位错塞积群对 位错源有一个反作用力，塞积的数目越多，反作用力越大；③整个塞积群挤在 障碍物处，障碍物受很大压力，当这个压力大于一定值时，障碍物就会被“冲垮” 意味着晶体开始变形 τ =nτ 0障碍物所受的分切应力为外界分切应力的n倍，n表示塞积位错的数目.