金属材料结构缺陷基本理论
金属材料中的位错与塑性
金属材料中的位错与塑性金属作为一种重要的结构材料，在人类历史上一直扮演着至关重要的角色。
无论是建筑工程、交通运输、电子设备还是航空航天等领域，金属材料都无处不在。
然而，即使已经经过千锤百炼的金属材料也有各种各样的缺陷，其中最基本的就是位错。
位错是指晶格中出现的原子排列偏差，是导致金属材料塑性变形的重要因素之一。
本文将首先介绍位错的概念和形成机制，然后阐述位错对金属材料的影响，最后探讨位错与塑性之间的关系。
一、位错的概念和形成机制位错是指晶格中出现的原子排列偏差，又叫错位。
在一个完美的晶体中，原子应该排列得十分整齐，且紧密地接触着周围的原子。
但在生产过程中，晶体中常常会出现原子排列偏差。
这种偏差是由于某个原子因为某种原因不能成功转移到它应该位置的一个空位上而形成的。
这个空位就叫做间隙。
假设在一个晶体中有一个间隙，它就会产生一个插入位错，也就是原子从原本应该占据的位置插入到另一处，正是在这里难以容纳该原子从而生成了间隙。
另一种常见的位错是滑移位错，它是由于晶体中某个晶面上的原子出现晶面上的原子应该移动的方向与晶面的平面不一致导致的。
二、位错对金属材料的影响位错是金属材料内部的缺陷，在原子尺度上影响着金属整体的性质和行为。
最常见的位错类型是线位错，它会导致晶体中某个晶面上的原子整体向另一个方向移动一定的距离，由于原子之间的相互作用力，线位错处会形成应力场，形成某个区域所受到的应力明显大于另一些区域。
这种不均匀性是位错对材料影响的主要体现。
同时，由于位错的存在，晶体中局部就有更多的间隙，增加了材料的形变难度。
如果一根线位错遇到另一根线位错，则它们就会互相阻挡并产生绕过的效果，这种效果被称为康普顿效应。
另外，位错还容易在行进过程中被附着的杂质粒子卡住，从而对整个材料产生不良影响。
因此，位错对材料的强度、韧性、延展性以及其它机械性能影响很大。
三、位错与塑性之间的关系在处理金属拥有自己的机械特性时，重要的一条涉及塑性。
金属材料中的晶格缺陷
金属材料中的晶格缺陷金属材料是人类社会中不可或缺的一部分，广泛应用于工业生产、机械制造、建筑和装饰等方面。
而与金属材料相关的一个重要的概念便是晶格缺陷。
晶格缺陷指的是晶体结构中的原子或离子位置出现偏差或缺陷，这些缺陷会对材料的物理特性、力学性能、耐久性等造成不同程度的影响。
晶格缺陷分为点缺陷、线缺陷和面缺陷三种类型。
1. 点缺陷点缺陷是指晶体结构中某一点处原子或离子数目或种类与理想晶体结构出现偏差的缺陷。
其中最常见的点缺陷包括空位缺陷、插入缺陷和替代缺陷。
（1）空位缺陷空位缺陷是指晶体结构中某一点处由于原子或离子缺失而产生的缺陷。
空位缺陷对金属材料的物理特性和力学性能等影响较小，但是会影响金属材料的机械强度和耐久性。
例如，在均匀延展过程中，空位缺陷是一种激活位点，可以促进原子扩散，从而使金属材料失去稳定性。
（2）插入缺陷插入缺陷是指晶格结构中外来原子或离子插入到晶格中，从而打破原有的晶格结构，产生的缺陷。
插入缺陷会对金属材料的物理特性、力学性能等产生影响。
（3）替代缺陷替代缺陷是指在晶格结构中，某些原子或离子被其他原子或离子所替代所引起缺陷。
替代缺陷会对金属材料的物理特性、力学性能等产生影响。
2. 线缺陷线缺陷是指晶体结构中某一条直线或曲线处原子或离子数目或种类出现偏差的缺陷，包括位错、螺旋位错和混合位错等。
（1）位错位错是指在晶体结构中，处于某一平面上方和下方原子排列有偏差，从而形成的一个线状缺陷。
位错在金属材料中广泛存在，其对金属材料的力学性能、塑性变形和强度影响较大。
（2）螺旋位错螺旋位错是指位错沿晶体中某一个平面上旋转而形成的一种位错。
螺旋位错会对晶体的物理特性、力学性能等产生重要影响。
（3）混合位错混合位错是指通过位错的组合形成新位错的缺陷，混合位错是位错的一种重要类型。
3. 面缺陷面缺陷是指晶体结构中某一平面内的原子或离子数目或种类与理想晶体结构出现偏差的缺陷，面缺陷的种类较多。
金属材料中的晶格缺陷是一种普遍存在的现象，晶格缺陷的产生会影响到金属材料的物理特性、力学性能、耐久性等方面。
金属表面主要缺陷定义
金属表面主要缺陷定义：模具痕：折弯等模具成型过程中在结构件表面产生的压痕、轻微凹坑等。
磨擦痕：加工过程中板材在机床台面运动过程中产生的轻微划痕，无凹入感。
运动部件摩擦痕：螺丝，旋转轴等运动部件在运动过程中和基体产生的痕迹。
焊渣：指电镀、氧化前，金属焊接时飞溅到焊缝位置以外区域的、牢固粘附在基材表面的金属点状颗粒。
烧伤：拉丝处理时因操作不当、造成零件表面过热而留下的烧蚀痕迹。
凹坑：由于基体材料缺陷、或在加工过程中操作不当等原因而在材料表面留下的小坑状痕迹。
抛光区：对基材上的腐蚀、划伤、焊接区、铆接区等部位进行机械打磨抛光后表现出的局高光泽、光亮区域及焊接的背面所呈现出的打磨痕迹。
镀前划伤：指电镀或氧化之前的基体材料上的划伤痕迹，手摸有明显的凹入感。
镀后划伤：指电镀之后因操作不当等人为造成的表面划伤痕迹。
基材花斑：电镀或氧化前因基体材料腐蚀、材料中的杂质或者材料微孔等原因所造成的、与周围材质表面不同光泽或粗糙度的斑块状花纹外观。
镀层起泡：电镀不良、或因基材原因而出现的镀层鼓起甚至脱落现象。
露白：镀锌彩色钝化膜因磨擦而被去除、露出锌层，或因缝隙截留溶液导致的无钝化膜现象，呈现为区别于周围彩色的白色。
黑点：镀锌彩色钝化膜上因初期腐蚀变化而出现的零星分散的小黑点。
雾状：镀铬、镀镍表面上的模糊、不清晰、不光亮的现象。
水印：电镀或氧化后因清洗水未及时干燥或干燥不彻底所形成的斑纹、印迹。
挂具印：电镀或者氧化时挂具和结构件接触部位局部无镀层或者膜层的现象。
指印：镀层表面的指纹等缺陷。
水纹：压铸件成形时，熔体流动产生的可见条纹。
缩水：因材料、工艺等原因使压铸件表面出现凹陷的收缩现象。
砂眼：压铸件表面的疏松针孔。
披锋：压铸件上浇口残留物取掉后的毛刺。
局部无铬层：指镀铬表面因电镀工艺的局限而在凹槽内、深孔内、折弯内角等低电位区出现铬层未电镀上的现象腐蚀：因各种原因所导致的表面金属生锈、氧化现象。
修补：因膜层损伤、轻微腐蚀等原因而用涂料所作的局部遮盖处理。
材料的结构缺陷
C. 混合位错 (Mixed dislocation)
混合位错：一种更为普遍的位错形式，其滑移矢量既不平行也 不垂直于位错线，而与位错线相交成任意角度。可看作是刃型 位错和螺型位错的混合形式。
螺型位错
刃型位错
混合位错的特点：
混合位错线是一条曲线；
在 A 处，位错线与滑移矢量
平行，故为螺型位错；
在一定温度下具有一定的平衡浓度
4.1.1 空位的平衡浓度
设在1个含有N个阵点的晶体点阵中引进n个空位，则体 系的自由能变化为
G E TS
令：形成一个空位所需能量为 ΔEv，当含有 n个空位时， 其内能增加为 ΔE=nΔE v，振动熵的改变为nΔS v，体系结构 熵（或称组态熵、排列熵）的改变为ΔSc，则自由能的变化 为
螺型位错的特点：
A.螺型位错无额外半原子面，原子错排呈轴对称。 B.根据位错线附近呈螺旋形排列的原子的旋转方向不同，可分 为右旋和左旋螺型位错。
螺型位错的特点： C.螺型位错的位错线与滑移矢量平行， 因此一定是直线；位错线的移动方向与 晶体滑移方向互相垂直。 D.纯螺型位错的滑移面不是唯一的；凡 包含位错线的平面都可作为滑移面；一 般，滑移通常在原子密排面上进行，故 也有限。 E.螺型位错周围的点阵发生弹性畸变，只有平行于位错线的 切应变，无正应变，故不会引起体积膨胀和收缩。 F.螺型位错周围的点阵畸变随离位错线距离的增加而急剧减 少，故也是几个原子宽度的线缺陷。
金属学与热处理
Metallography & Heat Treatment
第4章 金属材料结构缺陷
主讲人：潘尧坤
知识回顾：单晶体和多晶体的区别
单晶体：在整个晶体内部原子都按照一定规律周期性规则排列。
金属材料的结构与缺陷
➢晶带定理： 在立方晶系中，若晶面（hkl）的晶带轴 是[uvw]，则必有 hu+kv+lw=0 反之亦然。
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晶带定理的应用：
根据两不平行晶面的指数（h1 k1 l1）， （h2 k2 l2） 可以求出它们所在晶带的晶带轴[uvw]。
➢u=k1l2 - k2l1 ➢v=l1h2 - l2h1 ➢w=h1k2 - h2k1
一定变化范围 ➢金属键 ➢硬度高脆性大 ➢有色金属中的弥散强化相
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➢间隙相与间隙化合物
➢过渡金属与H,B,C,N等形成 ➢不是固溶体
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➢间隙相
➢Rx/Rm<0.59时形成的结构简单的金属化合 物
➢成分可表现为一定范围 ➢极高的硬度和熔点 ➢硬质合金、高速钢的强化相
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➢间隙化合物
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2. 晶胞 ➢晶胞：构成点阵的最基本单元。 ➢晶胞选择的依据：——反映点阵的规律
➢ 反映点阵对称性。 ➢ 平衡六面体内各角与棱尽量相等。 ➢ 棱之间尽量为直角。 ➢ 晶胞体积最小。
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晶胞的选择 晶胞参数
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3. 晶胞参数：
➢ 晶格常数 ａ、ｂ、ｃ ➢ 晶轴间角 α、β、γ
4. 七个晶系与十四种Bravis点阵
➢Rx/Rm>0.59，结 构较复杂
➢过渡金属的碳化物 ➢比间隙相略低的熔
点和硬度 ➢钢中弥散强化相
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➢中间相的性能与应用
➢硬度高，熔点高 ➢可作弥散强化相 ➢提高合金的强度、硬度、耐磨性、耐热性 ➢用于耐热合金、硬质合金、有色合金、钢
的强化
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➢良好的合金组织是什么样的？
➢性能要求：强度高，有适中的塑性和韧性 ➢组织：基体——固溶体
金属材料常见缺陷
铸造制品主要缺陷有偏析、气孔、缩孔与缩松、夹杂、裂纹、冷隔及其他缺陷。
1偏析偏析——在铸件中出现化学成分不均匀的现象。
偏析使铸件的性能不均匀，严重时会造成废品。
偏析可分为两大类：微观偏析和宏观偏析。
晶内偏析(又称枝晶偏析)——是指晶粒内各部分化学成分不均匀的现象，是微观偏析的一种。
凡形成固溶体的合金在结晶过程中，只有在非常缓慢的冷却条件下，使原子充分扩散，才能获得化学成分均匀的晶粒。
在实际铸造条件下，合金的凝固速度较快，原子来不及充分扩散，这样按树枝状方式长大的晶粒内部，其化学成分必然不均匀。
为消除晶内偏析，可把铸件重新加热到高温，并经长时间保温，使原子充分扩散。
这种热处理方法称为扩散退火。
密度偏析(旧称比重偏析)——是指铸件上、下部分化学成分不均匀的现象，是宏观偏析的一种。
当组成合金元素的密度相差悬殊时，待铸件完全凝固后，密度小的元素大都集中在上部，密度大的元素则较多地集中在下部。
为防止密度偏析，在浇注时应充分搅拌或加速金属液冷却，使不同密度的元素来不及分离。
宏观偏析有很多种，除密度偏析之外，还有正偏析、逆偏析、V形偏析和带状偏析等。
偏析金相组织见图1：图1边部灰色处为反偏析区2气孔金属在凝固过程中，气体的溶解度急剧降低，在戮度很大的固态金属中难以逸出而滞留于熔体内形成气孔。
与缩孔缩松的形态不同，气孔一般呈圆形、椭圆形或长条形，单个或成串状分布，内壁光滑。
孔内常见气体有H2、CO、H2O、CO2等。
按气孔在铸锭中出现的位置分为内部气孔、皮下气孔和表面气孔。
气孔的存在减少了铸锭的有效体积和密度，经加工后虽可被压缩变形，但难以焊合，结果造成产品的起皮、起泡、针眼、裂纹等缺陷。
气孔形态金相组织见图2：图2浇铸时由模底和模壁产生的气体来不及逸出而沿结晶方向形成气孔3缩孔与缩松金属在凝固过程中，发生体积收缩，熔体不能及时补充，而在最后凝固的地方出现收缩孔洞，称为缩孔或缩松。
容积大而集中的缩孔称为集中缩孔，细小而分散的缩孔称为缩松，其中出现在晶界和枝晶间借助于显微镜观察的缩松称为显微缩松。
金属材料的晶体缺陷与塑性变形
金属材料的晶体缺陷与塑性变形金属材料是我们日常生活中使用最广泛的材料之一，它们具有出色的强度、导电性和耐腐蚀性能。
然而，这些材料中经常会出现各种各样的晶体缺陷，比如空位、过垫、位错等。
这些缺陷对于材料的力学性能和物理性质会产生深远影响，尤其是对于金属材料的塑性变形来说，晶体缺陷更是至关重要的因素。
1. 晶体缺陷的分类晶体缺陷是指晶体中由于各种因素导致的结构上的缺陷或变异。
从不同角度来进行分类，晶体缺陷可以分为以下类型：1.1 点缺陷点缺陷是指晶体中的空位、过垫和杂质原子等点状缺陷。
其中空位是最常见的一种点缺陷，其可以影响晶体的热力学性质，例如分子扩散、热导率和蒸发等。
1.2 线缺陷线缺陷是指晶体中的位错和螺旋线等。
位错是晶体中空间中某些原子排列错误的位置，随着应力的作用，位错可以在晶体中移动，导致晶体的塑性变形。
螺旋线则是由于晶体的外在形状而形成的缺陷，对于晶体的磁学性能有一定的影响。
1.3 面缺陷面缺陷是指而晶体中的晶粒边界和晶体表面等面状缺陷。
晶粒边界是不同晶粒之间的界面，晶体形成时会存在不同的晶粒之间的排列错误，从而形成晶粒边界。
晶粒边界有利于调整晶体中不同晶粒的方向和结构，从而达到材料强度和硬度之间的平衡。
2. 晶体缺陷与塑性变形晶体缺陷在材料的机械性能中起着至关重要的作用，其中最重要的是晶体缺陷与塑性变形之间的关系。
塑性变形是指材料结构的变形过程中一个结构单元从一种能量状态变为另一种，通常是由于位错的滑移或形成使受力部分发生塑性变形。
塑性变形取决于材料的塑性机制，即材料中塑性形变所依赖的机制，和材料的内部结构。
晶体缺陷会影响材料内部的塑性机制和材料的内在结构，从而影响材料的强度、韧性和延展性等力学性质。
2.1 种类与数量晶体缺陷的种类和数量是影响材料塑性变形的关键因素。
通常情况下，材料中的晶体缺陷越多越多样化，材料的塑性变形就越容易发生。
例如，在晶体中形成许多杂质原子可以增加位错的丰度，从而使材料的塑性发生改变。
金属材料与热处理材料的结构晶体结构和缺陷
影响金属结晶后晶粒大小的因素
成核率：晶核产生的速度，以每单位时间在单位体积液体中所 产生的晶核数目来表示
长大率：指晶体生长的线速度 影响成核率N和长大速率G最主要的因素：结晶时的过冷度和
液体中的不熔杂质。 过冷度的影响
结晶时的冷却速度愈大，其过冷度也愈大，结晶后金属的晶粒 便愈细小。
液体中不熔杂质的影响：可显著加速晶核的形成，使金属的 晶粒细化，
24. α-Fe和γ-Fe都是面心晶格。( )
选择题 :
25. 下列那种物质是非晶体。( )
a. 松香 b. 石蜡
c. 水晶
26. 下列那种金属是体心立方晶格。(
a.a-Fe
b. 钼
c. 铜
27.下列那种金属是面心立方晶格。(
a. 铬
b. 铝
c. 镍
d. 普通玻璃 ) d. 钨
) d.γ-Fe
淮阴工学院机械工程系
第二章 金属的晶体结构与结晶
第一节 金属的晶体的结构 晶体与非晶体
晶体：原子（或分子）按一定的几何规律作周期性 地排列
非晶体：这些质点是无规则地堆积在一起，如普通 玻璃、松香、石蜡等
晶体与非晶体在性能上也有区别，晶体具有固 定的熔点，且在不同方向上具有不同的性能， 即表现出晶体的各向异性
晶体和非晶体在一定条件下可以互相转化
7.在同一晶格的不同晶面和晶向上原子排列的疏密程度不同, 原子 间的结合力也就不同,从而在不同的晶面和晶向上显示不同的性能, 这就是晶体具有( )。
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8. 晶 体 內 部 其 晶 格 向 位 是 完 全 一 致 的 则 这 种 晶 体 为 ( ) 。 9.小晶体的外形呈不规则的颗粒状称( )
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• 热跃迁几率：将点缺陷看作微观粒子，处在 热能谷中，从热涨落获得足够的能量越过势 垒进入B。在势阱A中有n个无交互作用的粒 子。P=B处粒子的流量/A中粒子的总数
• 点缺陷的形成能和迁移能
• 金属的空位迁移能略低于空位形成能；间隙 原子的迁移能比间隙原子的形成能小很多，且 比空位迁移能大。
空位邻近原子群向空位所在地移动，形成一个 由几个原子组成的松驰集团，好象局部的熔 化区(特别在高温)
﹡间隙原子:在点阵间隙位置挤进一个
同类原子,该原子称为间隙原子.
a,体心组态
b,挤列组态占据n个原子位置
c,对分间隙组态 b
A’
B’
A’-B’对分，四方畸变方向沿<100>，能量稍比球对称低
• 晶体结构－－规则的完整排列是主要的，非完 整的则是次要的。
• 晶体力学性能－－晶体的非完整性、完整性处 于次要地位
﹡理论屈服强度
设想变形时原子按扑克式滑移，即：
τ
τ
τ
τ
a
τ
τ
a
r a / a 1 Gr=
22
=G/2
实际观察到 的位错图片
矛盾之一：
• 可见原子由一个平衡位置滑到下一个平 衡位置需要G/2的应力，而在通常受力 条件下，是难达到的，即晶体难于滑动 。
周围原子离开它们的平衡位置,造成晶格畸变,而
使晶体总自由能降低.在无表面应力的均匀的各向 同性弹性体中引入一个强度为C有膨胀中心时,体 积变化△υ 为
4cr r 3(1 ) /(1 )
式中σ 为泊松(Poisson)比，r为常数，大多数金属 r=1.5
﹡点缺陷周围的形成能：
形成一个点缺陷内能的增加。 ☻空位形成能：从晶体内部取出一个原子(
离子)放到晶体表面所需要的能量 ☻间隙原子形成能：从晶体表面取出一个
原子，挤进间隙位置所需要的能量。 • 可用实验法测定也要计算
主要包括正离子与负离子间的静电 互作用能和价电子的平均动能。
﹡点缺陷周围的迁移能：
• 定义：点缺陷可往晶体中运动，运动中必须 经过能量的最高点(即鞍点)，点缺陷超过鞍 点所需能量为点缺陷的迁移能。
• 尽管结构缺陷占的分额很少，但对性能 产生根本的影响，起着关键作用。 牵一发而动全身!敏感因素!-----缺陷
1.2. 点缺陷的形成方式
• 晶体中的点缺陷包括空位、间隙原子、 杂质或溶质原子(置换、间隙)，以及它们 组成的复杂缺陷。
• 空位在点缺陷中有极重要地位，一方面 普遍存在，另一方面是因为浓度较高， 对材料性质有重大影响。如扩散、蠕变 等过程。
• C=A.exp(-NoEo/KN0T)=A.exp(-Qf/RT) • Qf=N0E0,为形成空位的激活能，即形成一摩尔
空常位数所，需其要值的为功8.，31单J/m位o为l.KJ/,mAo=le,Rxp=(kSN00/k,为)由气振体 动熵决定的系数，1～10
﹡点缺陷周围的畸变：
往晶体中引入一个空位，所造成的净体积膨胀,要 小于一个原子体积,往晶体中引入 一个空位间隙 原子,所造成的体积膨胀也小于一个原子体积它们
第二章 晶体的缺 陷
我国晶体缺陷研究的先驱—冯瑞
基本内容
• 第一节 点缺陷 • 第二节 位错的基本性质 • 第三节 位错弹性性质 • 第四节 位错受力 • 第五节 位错运动与增殖 • 第六节 位错的塞积 • 第七节 实际金属晶体中的位错 • 第八节 金属晶体中的界面
第一节 点缺陷
• 1.1. 引言 • 1.2.
晶体中的自扩散是不依赖浓度梯度的扩散现象 ，它是由扩散原子的热运动而引起的原子迁移 ，实质上是空位在晶体中的迁移，因此，自扩 散的激活能就等于空位的形成能加上空位的迁 移能。
退火时，空位向空位壑迁移，引起空位的 湮没，位错、晶界、相界、自由表面均是 空位壑。某温度T所需要退火时间t为：
ln(t1/t2)=U[1/T2-1/T1]/K
第二节 位错的基本性质
2.1.位错概念的引入 2.2.位错的类型 2.3.位错的强度—柏氏矢量 2.4.位错的基本性质 2.5.柏氏矢量的基本性质 2.6.位错能量的表示 2.7.位错密度
2.1.位错概念的引入
﹡位错概念引入及位错观察
• 30年代，在研究晶体滑移时，发现理论屈服强 度和实际强度间有巨大差异，为了解释这种差 异，人们设想晶体中存在某种缺陷。形变就在 这局部缺陷处发生。
1.3. 空位及间隙原子的几何 组态
﹡空位：从晶体正常点阵位置上抽去一
个原子，失去了原子的位置就是空位。
a,肖脱基空位(Schottky),离位原子迁移 到表面或晶界而留下空位
b,弗仑克尔空位(Френкель)，离位原子 挤入晶体的间隙位置后而留下空位
b
c
a e
a空位，b空位对，c三空位及空位四面体
夫伦克耳对：一个原子从它点阵位置脱出后 间隙到点阵的其它位置上形成间隙原子与点 阵位置的空位，一起组成夫伦克耳对。
1.4. 点缺陷的热力学 ﹡点缺陷热力学：晶体中点缺陷的存在一方面
造成点阵畸变，使晶体内能升高，增加了晶 体热力学不稳定性，另一方面增大了原子排 列的混乱程度，改变了周围原子的振动频率 。使熵值增大使晶体稳定。矛盾因素使晶体 点缺陷在一定温度下有一定平衡数目。
• 间隙原子：在高能辐照条件下有可察觉 的数量
引入可观浓度点缺陷的方法
• 热平衡或从高温淬火 • 多种条件下的范性形变 • 受控偏高理想配比成份 • 以核粒子辐照损伤晶体 • 借蒸发在冷衬底上沉积薄膜 • 冶金过程中的应力迫使原子偏离结构位置
原子产生后，其周围产生弹性畸变，而且间隙原子的畸变比空位要大得多
• 而实际上，τ＝（10－3～ 10－4）G。
矛盾之二：
• 设想原子滑移时的切应力是周期性变化 ，并假定为刚性球。X很小时为弹性变 形，sin2πx/a=2πx/a.
1.1. 引言
• 晶体中的原子排列具有微区不规则性和不完 整性即缺陷。
• 点缺陷----空位、间隙原子与杂质原子等 • 线缺陷----位错 • 面缺陷----晶界、孪晶界与相界
缺陷在影响晶体的什么？
• 晶体缺陷对结构敏感性能，强度、塑性 、电阻等具有很大的影响，而且与相变 、扩散、塑性变形、再结晶及氧化、烧 结等许多物理冶金问题密切相关。