位错-晶体缺陷
晶体缺陷-位错的基本类型与特征
混合位错
总结词
混合位错是一种同时具有刃型和螺旋型 特征的晶体缺陷，其特征是晶体中某处 的原子既发生了平移又发生了螺旋式的 位移。
VS
详细描述
混合位错是刃型位错和螺旋位错的组合体 ，其原子位移同时包含了平移和螺旋式的 位移。混合位错通常出现在晶体的复杂区 域，如晶界、相界等。由于混合位错同时 具有刃型和螺旋型位错的特征，其对晶体 的性能影响也较为复杂，需要进行深入研 究。
滑移与攀移
在切应力作用下，位错能够沿滑移面整列移动，称为滑移； 而垂直于滑移面方向的移动称为攀移。这两种运动方式是 位错在塑性变形中的重要表现。
应变梯度与几何必须位错
当材料的局部区域发生不均匀变形时，会产生应变梯度， 进而促使位错的形成和运动，以协调这种不均匀变形。
位错与材料疲劳断裂
01
疲劳裂纹的萌生与扩展
强化机制
加工硬化
在塑性变形过程中，位错的运动和交 互作用导致材料逐渐变硬，即加工硬 化。这是金属材料常用的强化手段。
通过引入位错，可以增加材料的内应 力，从而提高其屈服强度。这种强化 机制称为位错强化。
位错与材料塑性变形
塑性变形机制
位错在受力时能够运动，从而改变材料的形状。这种运动 机制是金属等材料发生塑性变形的内在原因。
在循环载荷作用下，位错容易在材料的应力集中区域（如晶界、相界或
表面）聚集，形成位错塞积群，进而导致疲劳裂纹的萌生。裂纹的扩展
通常沿特定晶体学平面进行。
02
影响疲劳性能的因素
位错的运动和交互作用对疲劳裂纹的萌生和扩展具有重要影响，进而影
响材料的疲劳性能。例如，材料的抗疲劳性能可以通过引入阻碍位错运
动的合金元素来改善。
晶体缺陷的分类
半导体缺陷类型
半导体缺陷类型
半导体缺陷类型主要包括以下几种：
1.位错：位错是晶体材料中常见的缺陷，它会导致材料的力学性能和电学性能受到影响。
2.杂质条纹：杂质条纹是半导体材料中常见的缺陷，它是由杂质原子在晶体中形成的周期性排列。
3.凹坑：凹坑是晶体表面上的一种缺陷，它通常是由于表面重构或离子注入引起的。
4.空洞：空洞是晶体中一种常见的缺陷，它通常是由于热处理或离子注入过程中引起的。
5.孪晶：孪晶是晶体中一种特殊的缺陷，它是由两个或多个晶体部分以特定的方式排列而形成的。
6.嵌晶：嵌晶是另一种晶体缺陷，它通常是由于杂质原子或结构单元在晶体中形成的。
7.化学抛光：化学抛光是一种通过化学反应来改善晶体表面的方法，但它有时会导致表面缺陷的产生。
8.多晶：多晶是一种特殊的晶体结构，它由多个取向不同的晶粒组成，这使得它的物理和化学性质不同于单晶。
以上只是半导体缺陷的一部分类型，具体类型和产生原因可能会因材料种类和制造过程的不同而有所差异。
晶体缺陷-位错运动
contents
目录
• 位错概念 • 位错运动 • 位错与材料性能 • 位错研究的意义与展望
01
位错概念
位错的定义
位错是晶体中原子排列的一种“缺 陷”，表现为一个或多个原子在晶体 中的位置发生了偏差。
位错的存在会导致晶体局部的原子排 列出现异常，破坏了晶体原有的周期 性结构。
塑性变形
位错是晶体中塑性变形的主要机 制，当外力作用在晶体上时，位 错会沿滑移面移动，导致晶体发 生塑性变形。
强度与硬度
位错的存在会阻碍裂纹的扩展， 从而提高材料的强度和硬度。
位错对扩散的影响
扩散路径
位错可以作为扩散的快速通道，影响原子沿位错线的扩散速 度。
扩散激活能
某些情况下，位错的存在可能会降低扩散所需的激活能。
位错的类型
01
02
03
刃型位错
由晶体中一个原子层上的 原子位移形成，表现为一 个多余的半原子面。
螺旋型位错
由多个原子层上的原子连 续位移形成，表现为螺旋 状的原子排列。
混合型位错
同时包含刃型和螺旋型位 错的特点，通常为一个刃 型位错与一个螺旋型位错 的组合。
位错的形成与存在
位错的形成
位错的运动
在晶体生长、加工或受到外力作用时， 原子排列可能会发生偏差，从而形成 位错。
性和耐腐蚀性。
半导体材料
在半导体材料中，位错对电子传 输和器件性能有重要影响，研究 位错有助于提高半导体器件的稳
定性和可靠性。
功能材料
在功能材料中，位错的运动和相 互作用对材料的物理性能（如热 学、电学和磁学性能）有重要影 响，通过位错研究可以优化功能
材料的性能和应用。
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晶体缺陷-位错作用增殖与实际位错
第五节 位错与晶体缺陷间的交互作用
Interactions between dislocations and crystal defects
一、位错间的交互作用 1.一对平行刃位错的交互作用
2.一对平行螺位错的交互作用
3.一对平行刃位错和螺位错的交互作用
4.混合位错间的交互作用 5.非平行位错间的交互作用
1.3 ×10-6
层错能-----产生单位面积的层错所需能量. 层错是一种晶体缺陷，破坏了晶体排列的周
期性，引起能量升高。 层错能（高/低）-----（难/易）产生层错？
57
F：堆垛层错
不锈钢中的扩展位错
变形Cu-Al合金
58
扩展位错的平衡宽度：
d=Gb1b2/2
扩展位错的平衡宽度与层错能成反比： 层错能低（不锈钢，－黄铜）：宽的扩展位错
m、n处为异号位 错相消，产生一 位错环， 内部DD′段还存 在。动画
Si单晶中的F-R源
位错绕过动画 动画-位错切过
（二）双交滑移增殖机制 （动画）
交滑移：螺位错在某一滑移面的滑移受阻时，位错离开 原滑移面到与其相交的其他滑移面继续滑移。
双交滑移：已交滑移的螺位错再一次交滑移到 与原滑移面平行的滑移面继续滑移。
fcc中：2个全位错合并为1个全位错。
(3) 位错重组：bcc中:
第六节 位错的增殖、塞积与交割 一、位错的增殖
Frank-Read源增殖机制 双交滑移增殖机制
小结
二、位错的塞积
三、位错的交割
2. 割阶和扭折使位错线长度增加，能量增加, 成为位错运动的阻碍。
1. 两位错交割，会产生台阶，自身柏氏矢量b不变， 2. 台阶大小取决于另一位错的b值。
常见的晶体缺陷
常见的晶体缺陷
晶体是由原子或分子按照一定规律排列组成的固体物质，而晶体缺陷是指在晶体结构中出现的缺陷或不完美的区域。
晶体缺陷可以是自然形成的，也可以是在制备或处理过程中产生的。
常见的晶体缺陷有以下几种：
1. 位错：指晶体中原子或分子的错位或扭曲现象，是一种线性缺陷。
位错可以分为边缘位错和螺旋位错两种，它们的存在会导致晶体的弹性性质发生变化。
2. 点缺陷：指晶体中某些原子或分子的缺失或替代，是一种点状缺陷。
点缺陷包括空位、附加原子、缺失原子和间隙原子等。
3. 晶界：指晶体中不同晶粒之间的交界面。
由于晶界的存在，晶体中的原子排列方式和性质会发生变化，对材料的力学性能和电学性能等都有很大影响。
4. 色心：指晶体中某些原子或分子的缺失或替代，导致能量带结构的改变。
颜色的形成就是由于色心的存在导致。
5. 位隙：指晶体结构中一些原子或分子的位置被其他原子或分子占据，从而形成的空隙。
位隙也会影响晶体的物理性质。
以上就是常见的晶体缺陷，它们的存在会对晶体的性质和应用产生影响。
在材料科学和工程领域中，对晶体缺陷的研究和控制具有重要的意义。
- 1 -。
Chapter 3-1 晶体缺陷-点缺陷、位错
杂质（异类）原子
定义： 任何纯金属中都或多或少会存在杂质, 即其它
元素, 这些原子称杂质（异类）原子
热缺陷： 热起伏促使原子脱离点阵位置而形成的点缺陷。 热缺陷的两种基本形式
弗伦克尔缺陷
肖特基缺陷
热缺陷示意图
弗兰克尔缺陷
肖特基缺陷
化合物离子晶体中的两种点缺陷
金属晶体：弗兰克尔缺陷比肖特基缺陷少得多 离子晶体：结构配位数低-弗兰克尔缺陷较常见
ρ理论
=
n理论 NA
V
M
=
4 6.022 1023
26.98
4.049 10-8 3
g
cm 3 = 2. 6997g
cm 3
空位数 cm3
ρ ρ theoretical
observed
NA
M 4.620 10 20 cm 3 Al
例5 MgO晶体的肖特基缺陷生成能为84KJ/mol，计算该晶体 1000K和1500K的缺陷浓度
平移对称性的示意图
平移对称性的破坏
②分类
点缺陷（零维缺陷）--原子尺度的偏离.
按
例：空位、间隙原子、杂质原子等
缺
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
CV ,1000
n N
exp( ΔGS RT
)
exp(
84000 8.3145 1000
) 4.096 10-5
CV ,1500
n N
ρ
( 单位晶胞原子数n )( 55.847g / mol ) ( 2.866 108 cm )3 ( 6.02 1023 / mol )
晶体缺陷-位错概念
b矢量的表示法 矢量的表示法
以晶轴为坐标系，用晶向指数来表示： 体心：b=a/2[111] 一般立方晶系：b=a/n<uvw> 矢量大小：
a 2 2 b= u + v + w2 n
柏氏矢量特征
1）柏氏矢量与回路起点选择无关，也与柏氏回路的具体路径， 大小无关 2)对一条位错线而言，其伯氏矢量是固定不变的，此即位错的 伯氏矢量的守恒性。 推论： a.一条位错线只有一个伯氏矢量。 b.如果几条位错线在晶体内部相交（交点称为节点），则指 向节点的各位错的伯氏矢量之和，必然等于离开节点的各位 错的伯氏矢量之和 。如有几根位错线的方向均指向或离开节 点，则这些位错线的柏氏矢量之和值为零
确定半原子面的右手定则
半原子面： 半原子面：拇指
B方向：中指 方向： 方向
位错线正方向： 位错线正方向：食指
刃型位错---刃位错结构示意图 刃位错结构示意图
基本点如下：
位错线：晶体中已滑移区与未滑移区的边界
正、负刃位错
位错宽度，2~5个原子间距 位错是一管道 额外（多余）半原子面 滑移矢量 滑移面 刃位错不一定是直线， 可为纯刃型位错环
位错的引入： 位错的引入：晶体使得强度和理论强度相差
几个数量级
与位错相关的形变的特点：（1）方向性，晶 体在固定的晶面和晶向滑移。（2） 形变的不 均匀性和不连续性。（3） 形变滑移的传播性。 （4) 滑移具有临界切应力。（5）温度对临界 切应力有影响。 位错的特性： （1） 位错由晶体结构本身确定。（2） 具有结 构敏感性。（3) 能解释形变的传播性。（4） 位错的易动含有位错的总长度
ρV = L / V
单位：长度单位-2
定义2：单位面积上截过的位错数目 ρ s 当所有位错线相互平行并且都垂直于表面时：
第3章点缺陷、位错的基本类型和特征_材料科学基础
缺
陷
陷，如Fe1－xO、Zn1+xO等晶体中的缺陷。
特点：其化学组成随周围气氛的性质及其分压大
小而变化。是一种半导体材料。
4. 其它原因，如电荷缺陷，辐照缺陷等
6
第
三
3.1 点缺陷
章
1. 基本概念：如果在任何方向上缺陷区的尺寸
晶
体
都远小于晶体或晶粒的线度，因而可以忽略
缺
不计，那么这种缺陷就叫做点缺陷。 点缺陷
T 100K 300K 500K 700K 900K 1000K n/N 10-57 10-19 10-11 10-8.1 10-6.3 10-5.7
14
3.1
点 4. 点缺陷的产生
缺
陷 ➢ 平衡点缺陷：热振动中的能力起伏。 ➢ 过饱和点缺陷：外来作用，如高温淬火、辐 照、冷加工等。
15
3.1
点 5. 点缺陷的运动：迁移、复合－浓度降低；聚集
需的能量，叫空位移动能Em。自扩散激活能 相当于空位形成能与移动能的总和。
17
3.1
6. 点缺陷与材料行为
点
缺 （1）结构变化：晶格畸变（如空位引起晶格收
陷
缩，间隙原子引起晶格膨胀，置换原子可引
起收缩或膨胀。）；形成其他晶体缺陷（如
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。）
（2）性能变化：物理性能：如电阻率增大，密 度减小。力学性能：屈服强度提高（间隙原 子和异类原子的存在会增加位错的运动阻 力。）加快原子的扩散迁移
位错运动导致晶体滑移的方向；该矢量的模|b|表示
了畸变的程度，即位错强度。
② 柏氏矢量的守恒性：柏氏矢量与回路起点及其具体途 径无关。一根不分岔的位错线，不论其形状如何变化 （直线、曲折线或闭合的环状），也不管位错线上各 处的位错类型是否相同，其各部位的柏氏矢量都相同； 而且当位错在晶体中运动或者改变方向时，其柏氏矢 量不变，即一根位错线具有唯一的柏氏矢量。
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位错——晶体缺陷作业
S1105051 张玉珠
2.论述一种强化机制在金属组织设计中的应用，举例说明。
固溶强化是融入固溶体中的溶质原子造成晶格畸变，晶格畸变增大了位错运动的阻力，使滑移难以进行，从而使合金固溶体的强度与硬度增加产生强化。
包含溶质原子的相就能对材料起到强化作用。
一般对固溶强化考虑尺寸效应、模量效应和短程有序（SRO）的作用。
为有效地评价动能穿甲弹材料和提高其性能，以真空处理和锻造退火两种状态下的钨合金动态拉伸性能为判据，采用固溶强化的方法，通过添加稀土元素La，Ce强化93WNiFe合金性能。
合金在不同的应变率下，其工程应力—应变曲线随应变率的增加而上升，上屈服点显著上升，延伸率却下降。
结果表明在93WNiFe合金中添加稀土元素La，Ce可提高弹用钨合金的动态性能。
在高应变率（σs>102）时合金添加La，Ce的真空态强度和塑性高于不添加的，经过锻造后，则合金动态强度比不添加的高出60% ~ 150%，这种性能正好与弹体设计要求的前硬后韧相吻合。
添加La，Ce改善性能的途径是：W颗粒和粘结相的固熔强化，W颗粒细化，W—M界面净化W—W界面相对量减少，粘结相W溶解度的减小和游离氢的减少。
3.论述位错与晶界或晶面的交互作用，举例说明。
晶界与位错的交互作用形式分为晶界塞积位错、晶界发出位错和晶界吸收位错。
高纯铝在范性形变初期晶界与位错的交互作用：
在一般情况下，点阵位错以及晶界位错的柏氏矢量并非与晶界面平行，因此点阵位错沿晶界的分解或运动均需要提供一攀移分量，这就是温度对晶界与位错交互作用机制影响的关键。
在低温形变中，被晶界捕获的点阵位错很难进行攀移。
对于特殊位向的大角晶界，被捕获的点阵位错虽可分解为数个晶界位错，或与预先存在的晶界位错网络发生Suzuki反应但分解产物以及反应产物亦难以通过攀移而松弛，在任意大角晶界中，点阵位错由于得不到充分的热激活很难产生核心宽化，同时也难以沿晶界作整体攀移运动。
结果被晶界捕获的位错将对随后而至的位错作用一长程斥力或直接发生短程反应，造成位错在晶界前的塞积。
对于小应变范性形变，这种晶界塞积所导致的应力集中将对形变硬化产生重要贡献。
随着形变温度的升高，一方面由晶内进人晶界的点阵位错的可动性增加，使得部分位错有可能在热激活及外应力场的作用下，通过分解松弛、核心宽化，以及沿晶界运动而与异号位错相抵消等方式对形变回复产生贡献。
另一方面，温度的升高可能有助于激活晶界台阶而向晶内发射位错同时在晶界附近的应力集中区激活更多的次级滑移，结果在松弛一部分应力的同时增加了晶内位错之间交互作用的机会。
当形变温度提高到一定程度后，进人晶界的点阵位错借助充分的热激活，通过不同的机制而被晶界迅速吸收。
7.论述如何在强化的同时，提高韧性
对于钢材料，采用细晶强化的方式，提高强度的同时，其塑性韧性也相对提高。
这是因为钢晶粒细化后，晶界增多，而晶界上的原子排列不规则，杂质和缺陷多，能量较高，阻碍位错的通过，即阻碍塑性变形，就实现了高强度。
晶粒越细，在一定体积内的晶粒数目多，则在同样塑性变形量下，变形分散在更多的晶
粒内进行，变形较均匀，且每个晶粒中塞积的位错少，因应力集中引起的开裂机会较少，有可能在断裂之前承受较大的变形量，既表现出较高的塑性。
细晶粒金属中，裂纹不易萌生（应力集中少），也不宜传播（晶界曲折多），因而在断裂过程中吸收了更多能量，表现出较高的韧性。
调质处理也是一个使工件获得良好综合力学性能的方式，高强度调质在工件淬火后进行500℃~600℃的高温回火，使工件能够在获得较高塑性、韧性的同时显著提高硬度和强度。
红尘紫陌，有轰轰烈烈的昨日，也有平淡如水的今天。
在生活平平仄仄的韵脚中，一直都泛着故事的清香，我看到每一寸的光阴都落在我的宣纸上，跌进每一个方方正正的小楷里，沉香、迷醉。
秋光静好，窗外阳光和细微的风都好，我也尚好。
不去向秋寒暄，只愿坐在十月的门扉，写一阙清丽的小诗，送给秋天；在一杯香茗里欣然，读一抹秋意阑珊，依着深秋，细嗅桂花的香馥，赏她们的淡定从容地绽放。
听风穿过幽幽长廊，在平淡简约的人生中，把日子过成云卷云舒，行云流水的模样，过成一幅画，一首诗。
有你，有我，有爱，有暖，就好。
在安静恬淡的时光里，勾勒我们最美的今天和明天。
醉一帘秋之幽梦，写一行小字，念一个远方，痴一生眷恋。
一记流年，一寸相思。
不许海誓山盟，只许你在，我就在。
你是我前世今生的爱，是刻在心头的一枚朱砂。
任由尘世千般云烟散尽，任由风沙凝固成沙漠的墙，你依然是我生命的风景。
人生苦短，且行且珍惜。
十月如诗，就让我独醉其中吧！行走红尘，做最简单的自己。
简单让人快乐，快乐的人，都是因为简单。
心豁达，坦然，不存勾心斗角。
从容面对人生，做最好的自己，巧笑嫣然，你若盛开，蝴蝶自来。
那就做一朵花吧！优雅绽放，优雅凋落，不带忧伤，只记美好。
这个秋日，一切都很美，阳光浅浅，云舞苍穹，闲风淡淡。
捡拾一片薄如蝉翼的枯叶，写着季节流转的故事，沉淀着岁月的风华。
安静的享受生命途径上的一山一水。
执笔挥墨，耕耘爱的世界，轻声吟唱岁月安好，把一缕缕醉人的情怀，婉约成小字里的风月千里，泅成指尖上的浪漫和馨香。
静立于秋光潋滟里，赏碧水云天，携来闲云几片，柔风几缕，缝进岁月的香囊里，将唯美雅致收藏，醉卧美好时光。
秋，是静美的，是收获的，是满载希望而归的季节。
秋只因叶落，葳蕤消，花残瘦影，不免总给人一种无边萧瑟。