第3章点缺陷、位错的基本类型和特征_材料科学基础.
点线面缺陷
密度的变化： 简单地考虑肖脱基空位。 密度的变化： 简单地考虑肖脱基空位。空位的形 使得体积增加，由此而将引起密度的减小。 成，使得体积增加，由此而将引起密度的减小。
过饱和点缺陷（如淬火空位，辐照， 过饱和点缺陷（如淬火空位，辐照，塑性变形产生的大 量间隙原子-空位对）还可以提高金属屈服强度。 量间隙原子-空位第 三 节 原 子 的 不 规 则 排 列
(14)
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1.3.2.1 位错的基本类型 (2)螺型位错：左螺型位错、右螺型位错 螺型位错： 螺型位错 左螺型位错、 螺位错具有如下的几何特征： (1)螺位错线与其滑移矢量d平行，故纯螺位错只能是 直线。 (2)根据螺旋面的不同，螺位错可分左和右两种，当 螺旋面为右手螺旋时，为右螺位错，反之为左螺位错。 (3)螺位错没有多余原子面，它周围只引起切应变而 无体应变。
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刃型位错的几何特征： 刃型位错的几何特征： (1)位错线与其滑移矢量 垂直，刃型位错可以为任意形 位错线与其滑移矢量d垂直 位错线与其滑移矢量 垂直，刃型位错可以为任意形 状的曲线。 状的曲线。 (2)有多余半原子面。 有多余半原子面。 有多余半原子面 习惯上， 习惯上，把多余半原子面在滑移面以上的位错称为 正刃型位错，用符号“ 表示，反之为负刃型位错， 正刃型位错，用符号“┻”表示，反之为负刃型位错， 表示。 用“┳”表示。刃型位错周围的点阵畸变关于半原子 面左右对称。 面左右对称。
(19)
P 11 12 13Q
O 8 9 10
76 5
4
P 12 13 Q 11
N 3 2 1 M
§1.3.2 线缺陷
第 三 节 原 子 的 不 规 则 排 列 1.3.2.2 柏氏矢量 （1）确定方法 ） a 在位错周围沿着 点阵结点形成 右螺旋的封闭 回路。（柏氏 回路） 回路） b 在理想晶体中按 同样顺序作同 样大小的 样大小 的 回路 。 c 在理想晶体中从 终点到起点的 矢量即为柏氏 矢量。 矢量。 1 2 3 1 2 3 4 4 3 2 1 2 1 1 1
点缺陷
问题：点缺陷的种类有哪些。
举例说明他们的产生原因和产生方式。
详述几个点缺陷与金属强度之间的相互关系及数学模型。
一：点缺陷的含义：点缺陷的特征是三个方向上的尺寸都很小，相当于原子的尺寸。
常见的点缺陷有三种：空位、间隙原子、置换原子。
如图1所示：1.1空位在任何温度下，金属晶体中的原子都是以其平衡位置为中心不间断的进行热振动。
原子的振幅大小与温度有关，温度越高，振幅越大。
在一定温度下，每个原子的振动能量并不完全相同，在某一瞬间，某些原子的能量可能高些，其振幅就要大些，另一些原子的能量低些振幅就小些。
对于某一个原子来说，这一瞬间能量高些下一瞬间能量可能低些，这种现象叫做能量起伏。
在某一温度的某一瞬间总有一些原子具有足够高的能量克服周围原子对他的约束，脱离开平衡位置迁移到别处，于是原来的位置上出现了空节点就叫做空位。
脱离平衡位置大概有三个去处：一个是迁移到警惕的表面上，这样所产生的空位叫做肖脱基空位；二是迁移到晶格的间隙中，所产生的空位叫做弗兰克空位；三是迁移到其他空位处，这样虽不产生新的空位，但是可以使空位变化位置。
如图2所示。
图2 肖脱基空位和弗兰克空位空位是一种热平衡缺陷，即在一定温度下空位有一定的平衡浓度。
温度升高则原子的振动能量提高，振幅增大，从而使脱离其平衡位置往别处迁移的原子增多，空位浓度提高。
温度降低空位浓度减小。
如图3所示空位移动。
一方面周围原子可以跟空位互换，使空位移动一个原子间距。
另一方面空位迁移至晶体表面或者与间隙原子相遇而消失，但其他位置又会有空位形成。
图3 空位运动空位浓度是极小的，形成肖脱基空位所需能量比弗兰克空位要小得多，所以在固态金属中主要形成肖脱基。
空位的存在，其周围原子失去了一个紧邻的原子而使相互间的作用失去平衡，因而他们朝空位方向稍有移动，偏离其平衡位置，这就在空位周围出现一个涉及几个原子间距范围的弹性畸变区，简称晶格畸变。
1.2间隙原子处于晶格间隙中的原子就是间隙原子。
第3章晶体缺陷
• An interstitial defect is formed when an extra atom is inserted into the crystal structure at a normally unoccupied position. • Interstitial atoms, although much smaller than the atoms located at the lattice points, are still larger than the interstitial sites that they occupy, consequently, the surrounding crystal region is compressed and distorted.
பைடு நூலகம்
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离开平衡位置的原子有三个去处: 离开平衡位置的原子有三个去处: (1)形成Schottky空位（vacancy） (1)形成 形成Schottky空位 vacancy） 空位（ (2)形成Frankely缺陷 (2)形成 形成Frankely缺陷 (3)跑到其它空位上使空位消失或移位。 (3)跑到其它空位上使空位消失或移位 跑到其它空位上使空位消失或移位。 点缺陷的类型： 点缺陷的类型： （1）空位 间隙原子（异类）（ ）（interstital （2）间隙原子（异类）（interstital atom) 自间隙原子(同类) self（3）自间隙原子(同类) （self- interstital atom ） 外来杂质原子： （4）外来杂质原子： 置换原子( atom) （5）置换原子(substitutional atom) ：
Crystal Defects
材料科学基础基本概念和名词解释
晶体缺陷单晶体：是指在整个晶体内部原子都按照周期性的规则排列。
多晶体：是指在晶体内每个局部区域里原子按周期性的规则排列，但不同局部区域之间原子的排列方向并不相同，因此多晶体也可看成由许多取向不同的小单晶体（晶粒）组成点缺陷（Point defects）：最简单的晶体缺陷，在结点上或邻近的微观区域内偏离晶体结构的正常排列。
在空间三维方向上的尺寸都很小，约为一个、几个原子间距，又称零维缺陷。
包括空位vacancies、间隙原子interstitial atoms、杂质impurities、溶质原子solutes 等。
线缺陷（Linear defects）：在一个方向上的缺陷扩展很大，其它两个方向上尺寸很小，也称为一维缺陷。
主要为位错dislocations。
面缺陷（Planar defects）：在两个方向上的缺陷扩展很大，其它一个方向上尺寸很小，也称为二维缺陷。
包括晶界grain boundaries、相界phase boundaries、孪晶界twin boundaries、堆垛层错stacking faults等。
晶体中点阵结点上的原子以其平衡位置为中心作热振动，当振动能足够大时，将克服周围原子的制约，跳离原来的位置，使得点阵中形成空结点，称为空位vacancies肖脱基（Schottky）空位：迁移到晶体表面或内表面的正常结点位置，使晶体内部留下空位。
弗兰克尔（Frenkel）缺陷：挤入间隙位置，在晶体中形成数目相等的空位和间隙原子。
晶格畸变：点缺陷破坏了原子的平衡状态，使晶格发生扭曲，称晶格畸变。
从而使强度、硬度提高，塑性、韧性下降；电阻升高，密度减小等。
热平衡缺陷：由于热起伏促使原子脱离点阵位置而形成的点缺陷称为热平衡缺陷（thermal equilibrium defects），这是晶体内原子的热运动的内部条件决定的。
过饱和的点缺陷：通过改变外部条件形成点缺陷，包括高温淬火、冷变形加工、高能粒子辐照等，这时的点缺陷浓度超过了平衡浓度，称为过饱和的点缺陷(supersaturated point defects) 。
2010032第三章 晶体缺陷运动 (五)
讨 论 和 练 习
位错的滑移特征
位错 类型 刃型 位错 螺型 位错 混合 位错 柏氏 矢量 ⊥位错线 ∥位错线 成角度 位错线 运动方向 晶体滑移 切应力 滑移面 方向 方向 数目 与b一致 唯一 确定 与b一致 多个 与b一致 ⊥位错线本身 与b一致 ⊥位错线本身 与b一致 ⊥位错线本身 与b一致
交滑移
对于螺型位错，由于所有包含位错线的晶 对于螺型位错， 面都可以成为它的滑移面， 面都可以成为它的滑移面，因此当某一螺 型位错在原滑移面上运动受阻时， 型位错在原滑移面上运动受阻时，有可能 从原滑移面转移到与之相交的另一滑移面 上继续滑移，这一过程称为交滑移。 上继续滑移，这一过程称为交滑移。如果 交滑移后的位错再转回和原滑移面平行的 双交滑移。 滑移面上继续运动，则称为双交滑移 滑移面上继续运动，则称为双交滑移。动 画演示的就是螺型位错双交滑移及其增殖 模型的情形。 模型的情形。
位错的攀移 刃型位错还可以在垂直滑移面的方向上运动 即发生攀移 攀移。 即发生攀移。攀移的实质是多余半原子面的伸长 或缩短。 或缩短。
(a)正攀移
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
刃型位错的攀移 (b)原始位置
(c)负攀移
小技巧： 小技巧：判断位错运动方向
判断位错运动后, 判断位错运动后,它扫过的两 侧的位移方向： 侧的位移方向：根据位错线的正 向和伯氏矢量以及位错运动方向 来确定位错扫过的两侧滑动的方 可用右手定则判断： 右手定则判断 向。可用右手定则判断：食指指 向位错线正方向， 向位错线正方向，中指指向位错 运动方向， 运动方向，拇指指向沿柏氏矢量 方向位移的那一侧的晶体。 方向位移的那一侧的晶体。
（2）几种典型的位错交割
交割后要遵循伯氏矢量的一些特征。 交割后要遵循伯氏矢量的一些特征。 两伯氏矢量相互垂直的刃型位错交割（ 20a ① 两伯氏矢量相互垂直的刃型位错交割 （ 图 3.20a ） ： PP′ PP′大小和方向取决于b PP′为割阶, b2 ⊥ PP′, PP′大小和方向取决于b1，为刃型位 PP′为割阶, 错。 两伯氏矢量相互平行的刃型位错交割（ 20b ② 两伯氏矢量相互平行的刃型位错交割（图3.20b） ： PP′为扭折， b2 ⊥ PP′，QQ ′为扭折， b1 ⊥ QQ′， PP′ PP′为扭折， PP′ 为扭折， QQ′ PP′ 都是螺位错。 和QQ ′都是螺位错。 两伯氏矢量相互垂直的刃型位错和螺型位错交割（ ③ 两伯氏矢量相互垂直的刃型位错和螺型位错交割（图 MM′ MM′ 3.21）：MM′为割阶, b1 ⊥ MM′, MM′大小和方向取决于 21） MM′为割阶, b2，为刃型位错。NN′为扭折， b2 ⊥ NN′， NN′大小和方 为刃型位错。NN′为扭折， NN′ NN′ 向取决于b 为刃型位错。 向取决于b1，为刃型位错。 两伯氏矢量相互垂直的螺型位错交割（ 22） ④ 两伯氏矢量相互垂直的螺型位错交割 （ 图 3.22 ） ： MM′ NN′均为刃型割阶。 MM′和NN′均为刃型割阶。
福州大学材料科学基础课件-第三章 位错金属的塑性变形
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实际只有5个变量是独立的。至少应有5个独立 的滑移系才能协调多晶体的塑性变形。
3. 晶粒大小的影响 多晶体的强度随其晶粒细化而提高。满足 霍尔-佩奇(Hall-Petch)关系。
是与材料有关的两个常数。 d：多晶体中各晶粒的平均直径。
0, k
§4 塑性变形对金属组织与性能的影响
一、显微组织的变化
· 单相固溶体合金塑性
变形的特点
2．应变时效
将低碳钢试样拉伸到 产生少量预塑性变形 后卸载，然后重新加 载，试样不发生屈服 现象，但若产生一定 量的塑性变形后卸载， 在室温停留几天或在 低温（如150℃）时 效几小时后再进行拉 伸，此时屈服点现象 重新出现，并且上屈 服点升高，这种现象 即应变时效
§2
单晶体的塑性变形
金属变形的主要方式：滑移、孪生、扭折 一、滑移 （一）滑移线与滑移带
（二）滑称系 晶体的滑移是沿着一定的晶面发生的，此组晶 面称为滑移面，滑移还沿着滑移面上一定的晶向 进行，称为滑移方向。 每一个滑移面和此面上的一个滑移方向合起来 叫做一个滑移系。 FCC： 滑移面｛111｝，滑移方向<110> BCC： 低温｛112｝ 室温｛110｝，高温｛123｝， 而滑移方向都是<111> 滑移面为(0001)，滑移方向为<11 2 0>
· 1．聚合型两相合金的塑性变形 （1）如果两个相都具有塑性，则合金的变形决定于两 相的体积分数。 等应变理论：假定塑性变形过程中两相应变相等。 合金产生一定应变的平均流变应力 σ a = f 1 σ 1 + f2 σ 2 ： 其中：f1、f2为两个相的体积分数 f1+f2=1 σ1、σ2为两个相在此应变时的流变应力 等应力理论：假定塑性变形过程中两相应力相同。 对合金施加一定应力时，平均应变εa= f 1ε1+f 2ε2 其中：f1、f2为两个相的体积分数 ε 1,ε2为此应力下两相的应变
第3章 晶体缺陷1.
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间隙原子：使其周围原子偏离平 衡位置，造成晶格胀大而产生晶 格畸变。
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3、置换原子
那些占据原基体原子平衡位置的异类原子称为置换原子。 置换原子半径常与原基体原子不同，故会造成晶格畸变。
a）半径较小的置换原子
b）半径较大的置换原子
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空位和间隙原子的形成与温度密切相关。 一般，随着温度的升高，空位或间隙原子的数目也
增多。
因此，点缺陷又称为热缺陷。 晶体中的点缺陷，并非都是由原子的热运动产生的。 冷变形加工、高能粒子(如α粒子、高速电子、中 子)轰击(辐照)等也可产生点缺陷。
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4、热平衡缺陷：
热力学分析表明，在高于0K的任何温度下，晶体最
稳定的状态并不是完整晶体，而是含有一定浓度的
点缺陷状态，即在该浓度情况下，自由能最低。此
(3) 当温度升高时，在某个很窄的温度区间，会发生明显的结 构相变，因而它是一种亚稳相。
3
分类：非晶态合金、非晶态半导体材料、非晶态超 导体、非晶态高分子材料、非晶态玻璃。
第二章 作业
4
1、Ni的晶体结构为面心立方结构，其原子半径为
r=0.1243 nm，求Ni的晶格常数a和密度ρ ？
2 、 MgO 具有 NaCl 型结构， Mg2+ 的离子半径为
在某瞬间，有些原子能量大到 足以克服周围原子的束缚，就 可能脱离其原平衡位置而迁移 到别处。结果，在原位置上出 现空结点，称为空位。
离开平衡位置的原子可有两个去处：
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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
（1）迁移到晶体表面，在原位置只形成空位，不形成间隙 原子，此空位称为肖特基缺陷（Schottky defect）（图a）；
材料科学基础位错课后答案
材料科学基础位错课后答案一、解释以下基本概念肖脱基空位：晶体中某结点上的原子空缺了，则称为空位。
脱位原子进入其他空位或者迁移至晶界或表面而形成的空位称为肖脱基空位弗兰克耳空位：晶体中的原子挤入结点的空隙形成间隙原子，原来的结点位置空缺产生一个空位，一对点缺陷（空位和间隙原子）称为弗兰克耳（Frenkel ）缺陷。
刃型位错：晶体内有一原子平面中断于晶体内部，这个原子平面中断处的边沿及其周围区域是一个刃型位错。
螺型位错：沿某一晶面切一刀缝，贯穿于晶体右侧至BC 处，在晶体的右侧上部施加一切应力τ，使右端上下两部分晶体相对滑移一个原子间距，BC 线左边晶体未发生滑移，出现已滑移区与未滑移区的边界BC 。
从俯视角度看，在滑移区上下两层原子发生了错动，晶体点阵畸变最严重的区域内的两层原子平面变成螺旋面，畸变区的尺寸与长度相比小得多，在畸变区范围内称为螺型位错混合位错：位错线与滑移矢量两者方向夹角呈任意角度，位错线上任一点的滑移矢量相同。
柏氏矢量：位错是线性的点阵畸变，表征位错线的性质、位错强度、滑移矢量、表示位错区院子的畸变特征，包括畸变位置和畸变程度的矢量就称为柏氏矢量。
位错密度：单位体积内位错线的总长度ρυ=L/υ ；单位面积位错露头数ρs =N/s位错的滑移：切应力作用下，位错线沿着位错线与柏氏矢量确定的唯一平面滑移, 位错线移动至晶体表面时位错消失，形成一个原子间距的滑移台阶，大小相当于一个柏氏矢量的值. 位错的攀移: 刃型位错垂直于滑移面方向的运动, 攀移的本质是刃型位错的半原子面向上或向下运动，于是位错线亦向上或向下运动。
弗兰克—瑞德源：两个结点被钉扎的位错线段在外力的作用下不断弯曲弓出后，互相邻近的位错线抵消后产生新位错，原被钉扎错位线段恢复到原状，不断重复产生新位错的，这个不断产生新位错、被钉扎的位错线即为弗兰克-瑞德位错源。
派—纳力：周期点阵中移动单个位错时，克服位错移动阻力所需的临界切应力 单位位错：b 等于单位点阵矢量的称为“单位位错”。