材料科学基础第3 4章小结及习题课讲解

第三章 晶体缺陷
晶体缺陷分类及特征 （几何形态、相对于晶体的尺寸、影响范围） ：
1. 点缺陷：特征是三维空间的各个方面上尺寸都很小，尺寸
范围约为一个或几个原子尺度，包括 空位、间隙原子 、杂质 和溶质原子。
2. 线缺陷：特征是在两个方向上尺寸很小，另外一个方面上
很大，如各类位错。
3. 面缺陷：特征是在一个方向上尺寸很小 ,另外两个方向上
3.2 位 错
? 位错是一种线缺陷，它是晶体中某处一列或若干列原子发 生了有规律错排现象；错排区是细长的管状畸变区，长度 可达几百至几万个原子间距，宽仅几个原子间。
3.2.1 位错的基本类型和特征 3.2.2 柏氏矢量 3.2.3 位错的运动 3.2.5 位错的生成和增殖 3.2.6 实际晶体结构中的错位
3.2.1 位错的基本类型和特征
位错的类型： 刃型位错 螺型位错 混合位错
1. 刃型位错
（1）刃型位错的产生 完整晶体滑移的理论剪切强度要远高于实际晶体滑移的对
应强度，从而促进了位错理论的产生和发展。
（2） 刃型位错的定义 晶体中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。
刃型位错
螺型位错
(1)有一个额外半原子面;
(1) 无额外半原子面;
(2) 位错线是一个具有一定宽度的 (2) 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 细长的晶格畸变管道，其中只有切
变，又有切应变;
应变，而无正应变;
(3)位错线与晶体滑移的方向垂直， (3) 位错线与滑移方向平行 ，位错 即位错线运动的方向垂直于位错线。线运动的方向与位错线垂直。
很大，包括表面、晶界、亚晶界、相界、孪晶界等。
3.1.2 点缺陷的产生
? 平衡点缺陷及其浓度
点缺陷都是由于原子的热运动产生的，它们的产生和 存在使体系的自由能发生一定的变化。
在绝对零度以上的任何温度，晶体中最稳定的状态是含有 一定浓度的点缺陷的状态。
平衡点缺陷数目： C = n/N = exp （△Sf/k）exp（－△Ev/kT ）
实质:刃位错多余半原子面的扩大和缩小。 只有刃 型位错才能发生攀移
? 交割（cross/interaction）和扭折（kink）
3. 位错的增殖
增殖方式有多种；增殖位错的地方称为位错源。在塑性较 好的晶体中以滑移方式进行。
位错的增殖模型： ①L 型位错滑移增殖 ②弗兰克-瑞德(Frank-Read) 源增殖 ③双交滑移增殖模型 ④位错攀移增殖模型
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。
两种位错特征的比较
= Aexp（－△Ev/kT ）
C与T、Ev之间呈指数关系，T上升、C升高。
? 过饱和点缺陷的产生
在点缺陷的平衡浓度下晶体的自由能最低，系统最 稳定。当在一定的温度下，晶体中点缺陷的数目明显超 过其平衡浓度时，这些点缺陷称为过饱和点缺陷，通常 有三种方式产生： 淬火(quenching) 冷加工(cold working) 辐照(radiation)
刃型分量be 螺型分量bs
用矢量图解法表示位错:数量积、向量积等
5. 柏氏矢量表示法:
与晶向指数相似，只不过晶向指数没有“大小”的概 念，而柏氏矢量必须在晶向指数的基础上把矢量的模也表 示出来，因此柏氏矢量的大小和方向要用它在各个晶轴上 的分量，即点阵矢量a，b和c来表示。
立方晶系中 b=（a/n）[uvw，] 其大小成为位错强度，用模
3.混合位错
(1) 混合位错定义： 晶体中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。
(2) 混合位错特征: 混合位错可分为刃型分量和螺型分量，它们分别具有
刃位错和螺位错的特征。 刃:ξ⊥b ; 螺: ξ∥b ;
位错环是一种典型的混合位错。
3.用柏氏矢量判断位错类型
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。
2.螺型位错
(1)螺型位错定义
晶体中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。
(2)螺型位错的特点 ① 无额外的半原子面，原子错排程轴对称，分右旋和左旋
表示 ，模的大小表示该晶向上原子间的距离。
b ? a u2 ? v2 ? w2 n
六方晶系中: b=（a/n）[uvtw]
同一晶体中，柏氏矢量愈大，表明该位错导致点阵畸变愈 严重，它所在处的能量也愈高。
3.2.3 位错的运动
基本形式 :滑移和攀移
? 滑移（slip）:三种位错的滑移过程 ? 攀移（climb）：在垂直于滑移面方向上运动，
用柏氏矢量判断位错类型:
? (1) 刃型位错 ξe⊥be
右手法则 :食指指向位错线方向，中指指向柏氏矢量 方向，拇指指向代表多余半面子面位向，向上为正， 向下为负。
? (2) 螺型位错 ξs∥bs
正向（方向相同）为右螺旋位错，负向（方向相反） 为左螺旋位错。 ? (3) 混合位错 柏氏矢量与位错线方向成夹角φ
3.1.3 点缺陷对结构和性能的影响
? 点缺陷引起 晶格畸变， 能量升高，结构不稳定，易发 生转变。
? 点缺陷的存在会引起性能的变化： (1)物理性质 、如比热容、电阻率、扩散系数、介电常 数等； (2)力学性能： 采用高获得过饱和点缺陷，如使 σS提 高； (3)影响固态相变，化学热处理等。
（3）刃型位错标记 正刃型位错 用“⊥” 表示，负刃型位错 用“┬” 表示；其
正负只是相对而言。
（4）刃型位错特征： 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；