11.线缺陷、刃型位错
位错的基本类型
2014年3月10日11时1分
刘志勇 14949732@
吉 首 大 学 物 理 与 机 电 工 程 学 院 JiShou University
柏氏矢量b的物理意义
• 位错是滑移区和未滑移区的边界
• 畸变是由滑移面上局部滑移引起的，滑移区上滑移的大小和方向与位 错线上原子畸变特征一致
• 4）柏氏矢量的另一个重要意义是指出了位错滑移后，晶体 上、下部分产生相对位移的方向和大小，即滑移矢量
刘志勇 14949732@
吉 首 大 学 物 理 与 机 电 工 程 学 院 JiShou University
柏氏矢量的确定方法
1）人为假定位错线方向
一般是从纸背向纸面或由上向下为位错线正向 2）用右手螺旋法则来确定柏格斯回路的旋转方向 使位错线的正向与右螺旋的正向一致 3）将含有位错的实际晶体和理想的完整晶体相比较 在实际晶体中作柏氏回路，在完整晶体中按相同的路线和 步法作回路，路线终点指向起点的矢量，即“柏氏矢量”
每一段位错线均可分解为刃型和 螺型两个分量
混合位错原子组态
2014年3月10日11时1分
刘志勇 14949732@
吉 首 大 学 物 理 与 机 电 工 程 学 院 JiShou University
混合位错
每一段位错线均可分解为刃型和螺型两个分量
2014年3月10日11时1分
刘志勇 14949732@
•
•
刃型位错滑移区的滑移方向正好垂直于位错线，滑移量为一个原子间距
螺型位错滑移方向平行于位错线，滑移量也是一个原子间距，和柏氏矢量 完全一致
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确定刃型位错的右手法则2014年3月Fra bibliotek0日11时1分
线缺陷和面缺陷
线缺陷和面缺陷在材料科学和工程中，缺陷是指材料在制造、加工或使用过程中出现的各种不规则形态。
这些缺陷可能影响材料的性能，如强度、电导率、热导率等。
根据存在的范围，缺陷可以分为线缺陷、面缺陷和体缺陷。
以下是关于线缺陷和面缺陷的详细解释。
一、线缺陷线缺陷是指沿着材料某一特定方向（通常是晶体结构中的某一方向）分布的缺陷。
这种缺陷可以在晶体内任何位置出现，影响材料的力学、电学和热学性能。
常见的线缺陷包括位错和层错。
1.位错位错是指晶体中某处的原子或离子偏离了正常的晶格位置，形成了一个“线状”的缺陷。
位错是金属材料中最常见的一种缺陷，它对材料的强度、硬度、塑性和韧性等力学性能都有重要影响。
根据形成机制，位错可以分为刃型位错、螺型位错和混合位错等。
2.层错层错是指晶体中相邻的两个原子平面之间出现的错位。
它通常发生在两个不同原子面的交界处，对材料的力学和电学性能有很大影响。
层错的形成与材料中的温度、压力和杂质等因素有关。
二、面缺陷面缺陷是指分布在材料表面或近表面的缺陷。
这类缺陷对材料性能的影响主要表现在表面效应和界面效应上。
常见的面缺陷包括晶界、相界和表面粗糙等。
1.晶界晶界是指多晶体材料中相邻晶粒之间的界面。
由于不同晶粒的晶体取向不同，晶界处会产生一定的应力集中。
晶界对材料的力学性能、电学性能和热学性能都有一定影响。
为了提高材料性能，可以通过优化晶粒尺寸和分布来减少晶界数量。
2.相界相界是指多相材料中不同相之间的界面。
相界处的原子结构和化学成分往往与主体材料不同，导致其性能具有各向异性。
相界对材料的力学性能、电学性能和热学性能都有重要影响。
优化相界结构可以提高材料的综合性能。
3.表面粗糙表面粗糙是指材料表面或近表面的微观不平整性。
它可能是由于加工过程中冷却速度不均匀、材料氧化等原因导致的。
表面粗糙会影响材料的表面能、润湿性、涂层附着力和摩擦学性能等。
通过表面处理技术（如抛光、喷砂等）可以改善表面粗糙度，提高材料的性能。
第五章 晶体缺陷
维纳斯“无臂”之美更深入人心
晶体缺陷赋予材料丰富内容
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。 缺陷对材料性能的影响
5.1晶体结构缺陷的类型
分类方式：
几何形态：点缺陷、线缺陷、面缺陷等 形成原因：热缺陷、杂质缺陷、非化学计量缺
所示。
线缺陷的产生及运动与材料的韧性、脆 性密切相关。
(a)
(b)
图3-2
(a) 刃位错
(b)螺位错
3.面缺陷
面缺陷又称为二维缺陷，是指在二维方 向上偏离理想晶体中的周期性、规则性排 列而产生的缺陷，即缺陷尺寸在二维方向 上延伸，在第三维方向上很小。如晶界、 表面、堆积层错、镶嵌结构等。
面缺陷的取向及分布与材料的断裂韧性 有关。
点缺陷与材料的电学性质、光学性质、材 料的高温动力学过程等有关。
(a)空位
(b)杂质质点
(c)间隙质点
图3-1 晶体中的点缺陷
2.线缺陷（一维缺陷）
指在一维方向上偏离理想晶体中的周
期性、规则性排列所产生的缺陷，即缺陷
尺寸在一维方向较长，另外二维方向上很
短。如各种位错（dislocation），如图3-2
注意：只有刃型位错才能发生攀移；滑移不涉及原子扩散， 而攀移必须借助原子扩散；外加应力对攀移起促进作用， 压（拉）促进正（负）攀移；高温影响位错的攀移
5.4 表面与界面
面缺陷的特征： 面缺陷类型： 表面(surface) 内界面(interface)：晶界、亚晶界、孪晶界、 相界、层错
5.4.1 外 表 面
1. 位错的滑移
位错的滑移(slipping of disloction): 任何类型的位错均可进行滑移：位错沿着 滑移面的移动
材料科学基础笔记1
第一章原子结构与键合此章主要掌握概念1.金属键（1）典型金属原子结构的特点是其最外层电子数很少，极易挣脱原子核的束缚而成为自由电子，并在整个晶体内运动,及弥漫于金属正离子组成的晶格之中而形成电子云。
这种由金属中的自由电子与金属正离子相互作用所构成的键合为金属键。
（2）绝大多数金属均以金属键方式结合，它的基本特点是电子的共有化，而且无方向性,无饱和性.（3）金属一般具有良好的到点和导热，以及良好的延展性的原因：自由电子的存在。
2.离子键大多数盐类、碱类和金属氧化物主要以离子键的方式结合，靠静电引力结合在一起。
3。
共价键共价键是由两个或多个电负性相差不大的原子通过共用电子对而形成的化学键。
共价键又分为非极性键和极性键两种.有方向性和饱和性。
4．范德瓦耳斯力是借助这种微弱的、瞬时的电偶极矩的感应作用，将原来具有稳定的原子结构的原子或分子结合为一体的键合，没有方向性和饱和性.5．氢键氢键是一种极性分子键，存在于HF、H2O、NF3等分子间，它的键能介于化学键与范德瓦耳斯力之间。
第二章固体结构重点:晶面指数和晶向指数、配位数以及致密度等一些概念、合金相结构的几种类型、间隙固溶体和间隙化合物和间隙相的异同点.主要是简答题按照原子或分子排列的特征可将固态物质分为两大类：晶体和非晶体.1.晶体结构的基本特征是，原子或分子或离子在三维空间呈周期性重复排列，即存在长程有序。
（各向异性）2.空间点阵：阵点在空间呈周期性规则排列，并具有完全相同的周围环境，这种由它们在三维空间规则排列的阵列称为空间点阵。
（概念题）3.晶格:为了便于描述空间点阵的图形，可用许多平行的直线将所有阵点连接起来，构成了一个三维几何架子。
（概念题)4。
晶胞:可在点阵中取出一个具有代表性的基本单元，作为点阵的组成单元。
（概念题)5。
选取晶胞的原则：a.选取的平行六面体应反映出点阵的最高对称性。
b.平行六面体内的棱和角相等的数目应最多。
c。
当平行六面体的棱边夹角存在直角时，直角数目应最多。
材料科学基础第三章晶体缺陷
够的能量而跳入空位，并占据这个平衡位置，这时在这个原 子的原来位置上，就形成一个空位。这一过程可以看作是空 位向邻近结点的迁移。
在运动过程中，当间隙原子与一个空位相遇时，它将落入
这个空位，而使两者都消失，这一过程称为复合，或湮没。
（a）原来位置；
（b）中间位置；
（c）迁移后位置
图 空位从位置A迁移到B
2 Ar a 3 N A 8.57 (3.294108 )3 6.0231023 x 1 2 Ar 2 92.91 7.1766103 106 7.1766103 7176 .6(个） 所以， 106 个Nb中有7176 .6个空位。
a NA
作业：
二.本章重点及难点 1、点缺陷的形成与平衡浓度 2、位错类型的判断及其特征、伯氏矢量的特征和物理意义 3、位错源、位错的增殖(F-R源、双交滑移机制等)和运动、 交割
4、关于位错的应力场可作为一般了解
5、晶界的特性(大、小角度晶界)、孪晶界、相界的类型
维纳斯“无臂” 之美更深入人心
处处留心皆学问
2.点缺陷的形成（本征缺陷的形成）
点缺陷形成最重要的环节是原子的振动 原子的热振动
（以一定的频率和振幅作振动）
原子被束缚在它的平衡位置上，但原子却在做着挣脱
束缚的努力
点缺陷形成的驱动力：温度、离子轰击、冷加工
在外界驱动力作用下，哪个原子能够挣脱束缚，脱离
平衡位置是不确定的，宏观上说这是一种几率分布
刃型位错的特点：
1).刃型位错有一个额外的半原子面。其实正、负之分只具 相对意义而无本质的区别。 2).刃型位错线可理解为晶体中已滑移区与未滑移区的边界 线。它不一定是直线，也可以是折线或曲线，但它必与滑移 方向相垂直，也垂直于滑移矢量。
工程材料名词解释
过冷度：理论结晶温度T0与开始结晶温度Tn之差。
非自发形核：依附于杂质而生成的晶核变质处理：在液体金属中加入孕育剂或变质剂以细化晶粒和改善组织铁素体：碳在a-Fe中的见习固溶体珠光体：铁素体与渗碳体的共析混合物滑移：在晶体切应力作用下，晶体的一部分沿一定晶面上的一定方向相对于另一部分发生滑动加工硬化：金属发生塑性变形时随形变量增大金属的强度，硬度提高。
韧性，塑性明显降低。
再结晶：变形后的金属在较高温度加热时对其组织性能影响恢复到原来软化状态的过程。
滑移系：一个滑移面与其上一个滑移方向组成本质晶粒度：钢加热到930℃±10℃，保温8h，冷却后测得的晶粒度球化退火：使钢中碳化物球状化的处理工艺马氏体：碳在α—Fe中饱和固溶体淬透性：钢淬火时形成马氏体的能力淬硬性：钢淬火后能够达到的最大硬度调制处理：淬火加高温回火回火稳定性：淬火钢在回火时，抵抗强度、硬度下降的能力称为回火稳定性二次硬化：硬度不是随回火温度升高而降低，而是达到某一温度反而增大并在另一更高温度达到峰值回火脆性：在250℃~400℃和450℃~650℃两个温度区间回火后，钢的冲击韧性明显下降致密度:晶胞中所包含的原子所占有的体积与该晶胞体积之比晶体的向异性:不同晶面和晶向上原子排列的方式和密度不同，它们之间的结合力大小也不相同，因而金属晶体不同方向上的性能不同刃型位错:晶体的一部分相对于另一部分出现一个多余的半原子面固溶体:合金组元通过溶解形成一种成分和性能均匀的、且结构与组元之一相同的固相固溶强化:晶格畸变增大位错运动的阻力，使金属滑移变得困难，从而提高合金的强度和硬度。
金属化合物:合金组元相互作用形成的晶格类型和特性完全不同于任一组元的新相组织:金属材料磨光和抛光在显微镜下观察到的内部微观形貌组织组成物:由于形成条件不同，合金中各相构成的晶粒将以不同的数量、形状、大小和分布等相组合，并在显微镜下可区分的部分，称为组织组成物。
材料科学基础名词解释
原子结构与结合键 + 材料的结构1、第一电离能气态原子失去一个电子成为气态一价正离子所需要的最低能量称为第一电离能。
2、第二电离能气态A+再失去一个电子成为气态二价正离子所需要的最低能量称为第二电离能。
3、结合键原子间的结合力，主要表现为原子间的吸引力和排斥力的合力结果。
4、离子键通过两个或多个原子失去或获得电子而成为离子后形成，本质上可以归结为静电吸引作用，主要存在于晶体化合物中。
5、共价键由两个或多个电负性相差不大的原子共用电子对所形成的化学键，有方向性、饱和性。
6、金属键金属正离子和自由电子之间的相互作用所构成的结合力，无方向性、饱和性7、范德华键由瞬间偶极矩和诱导偶极矩产生的分子间引力所构成的物理键，属于分子间作用力，无方向性和饱和性。
8、氢键已经与电负性很强的原子形成共价键的氢原子与另一分子中电负性很强的原子之间的作用力，具有方向性和饱和性。
9、晶体指内部质点(原子、分子或离子)在三维空间按周期性重复排列的固体，即晶体是具有格子构造的固体。
10、晶胞能充分反映晶体的晶体结构特征的最小体积单位（平行六面体）。
11、阵胞在三维方向上两两平行且相等的六面体，是空间点阵中的体积单元。
12、晶格原子在晶体中排列规律的空间格架。
13、空间点阵由一系列在三维空间按周期性排列的几何点称为一个空间点阵。
空间点阵四要素：阵点、阵列、阵面、阵胞)14、晶族依据晶体中高次轴（n>2）的数目，将晶体分为低级（无高次轴），中级（一个高次轴）和高级（多于一个高次轴）晶族。
15、空间群晶体结构中所有对称要素的组合所构成的对称群，晶体微观结构中共存在230种空间群。
16、晶面/晶向在晶体内部构造中，由物质质点所组成的平面/穿过物质质点所组成的直线方向。
17、晶带所有相交于某一直线或平行于此直线的所有晶面的组合(此直线称为晶带轴)。
18、晶面间距一组平行晶面中，最近邻的两个晶面间距称为晶面间距。
晶面间距越大，晶面上原子排列的密度越大，反之越小。
晶体中的点缺陷与线缺陷 )刃型位错和螺型位错
只有几个原子间距的线 缺陷
只有几个原子间距的线 缺陷
材料物理化学
刃型位错
螺型位错
与柏格斯矢量 的位置关系 柏格斯矢量 与刃性位错 柏格斯矢量 与螺型位错
线垂直
线平行
位错分类
刃性位错有正负之分
螺形位错分为左旋和右 旋
位错是否引起晶体畸变和形 引起晶体畸变和形成应 引起晶体畸变和形成应
成应力场
力场，且离位错线越远， 力场，且离位错线越远，
晶格畸变越小
晶格畸变越小
位错类型
4、（a）在 MgO 晶体中，肖特基缺陷的生成能为 6ev，计算在 25℃和 1600℃时 热缺陷的浓度。 （b）如果 MgO 晶体中，含有百万分之一 mol 的 Al2O3 杂质， 则在 1600℃时，MgO 晶体中是热缺陷占优势还是杂质缺陷占优势？说明原因。
材ห้องสมุดไป่ตู้物理化学
湖南工学院
解：（a）根据热缺陷浓度公式：
解：非化学计量氧化物 TiO2-x，其晶格缺陷属于负离子缺位而使金属离子 过剩的类型。 （a）缺陷反应式为：2Ti Ti?/FONT> O2↑→2 + +3OO
OO→ +2e′+ O2↑
材料物理化学
湖南工学院
（b）缺陷浓度表达式：[ V ]
10、试比较刃型位错和螺型位错的异同点。 解：刃型位错和螺型位错的异同点见下表所示。 刃型位错和螺型位错的异同点
2Fe Fe+ O2(g)→2Fe + V +OO
O2(g)→OO + V +2h 按质量作用定律，平衡常数
K=
由此可得[V ]﹠ PO 1/6 即：铁空位的浓度和氧分压的 1/6 次方成正比，故当周围分压增大时，铁空位浓 度增加，晶体质量减小，则 Fe1-xO 的密度也将减小。 （b）非化学计量化合物 Zn1+xO，由于正离子填隙，使金属离子过剩：
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二，线缺陷
线缺陷和位错的概念：
晶体中的线缺陷就是各种类型的位错，它是在晶体某处有一列或若千列原子发生了有规律的错排现象，使长度达几百至几万个原子问距、宽约几个原子间距范围内的原子离开其平衡位置，发生了有规律的错动。
虽然位错有多种类型但其中最简单最基本的类型有两种：
一种是刃型位错，另一种是螺型位错。
位错是一种极为重要的晶体缺陷
它对于金属的强度、断裂和塑性变形等起着决定性的作用
这里主要介绍位错的基本类型和一些基本概念，关于位错的运动、位错的增殖和交割等内容将在第六章中讲述
()一刃型位错
刃型位错的模型如图1-3所示
1.设有一简单立方晶体，某一原子面在品体内部中断，这个原子平面中断处的边缘就
是一个刃型位错，
2.犹如用一把锋利的钢刀将晶体上半部分切开，沿切口硬插入一额外半原子面一样
3.将刃口处的原子列称之为刃型位错线
刃型位错有正负之分
若额外半原子面位于晶体的上半部，则此处的位错线称为正刃型位错，以符号"丄"表示。
反之，若额外半原子面位于晶体的下半部，则称为负刃型位错，以符号"丁"表示。
实际上，这种正负之分并无本质上的区别，只是为了表示两者的相对位，便于以后讨论而已。
刃型位错的形成原因分析：
1.事实上，晶体中的位错并不是由于外加额外半原子而造成的，它的形成可能由于多
种原因。
2.例如晶体在塑性变形时，由于局部区域的晶体发生滑移即可形成位错，如图1-35所
示。
局部区域的品体发生滑移即可形成位错如图1.35所示
设想在晶体右上角施加一切应力，促使右上部晶体中的原子沿着滑移面ABCD自右至左移动一个原子间距，由于此吋晶体左上角的原子尚未滑移，于是在晶体内部就出现了已滑移区和未滑移区的边界，在边界附近，原子排列的规则性遭到了破坏，此边界线EF 就相当于图1.33中额外半原子面的边缘，其结构恰好是一个正刃型位错。
因此可以把位错理解为品体中已滑移区和未滑移区的边界
从图1.34b可以看出在位错线周围一个有限区域内
1.原子离开了原来的平衡位置即发生了晶格畸变
2.并且在额外半原子面左右两边的畸变是对称的
3.就好像通过额外半原子面对周围原子施加一弹性应力，这些原子就产生一定的弹性
应变一样
4.所以可以把位错线周围的晶格畸变区看成是存在着一个弹性应力场
5.就正刃型位错而言，滑移面上边的原子显得拥挤，原子间距变小，晶格受到压应力；
晶格下边的原子则显得稀疏，原子间距变大，晶格受到拉应力，而在滑移面上，晶格受到的是切应力。
刃型位错不同位置畸变程度：
在位错中心，即额外半原子面的边缘处，晶格畸变最大，随着距位错中心距离的增加，畸变程度逐渐减小。
位错的宽度和位错线的长度：
1.通常把晶格畸变程度大于其正常原子间距1/4的区域称为位错宽度，其值约为3~5个
原子间距。
2.位错线的长度很长，一般为数百到数万个原于间距
位错称为线缺陷
相形之下，位错宽度显得非常小，所以把位错看成是线缺陷
但事实上位错是一条具有一定宽度的细长管道
刃型位错的特征：
1.刃型位错有一额外半原子而,
2.位错线是一个具有一定长度的细长晶格畸变管道，其中既有正应变，又有切应变。
对于正刃型位错，滑移面之上品格受到压应力，滑移而之下为拉应力。
负刃型位错与此相反
3.位错线与晶体滑移的方向相垂直，即位错线运动的方向垂直于位错线。