晶体缺陷与固态相变复习资料

1晶体缺陷：晶体中原子排列的不规则性及不完整性。2晶体缺陷的种类：点缺陷、线缺陷、面缺陷。

3点缺陷: 缺陷尺寸在三维方向上都很小且与原子尺寸相当的缺陷

4导致晶体缺陷产生的原因①结晶时的生长条件②原子在晶体内部的热振动③加工过程④辐射。

5对于弗伦克尔缺陷，间隙原子和空格点是成对产生，晶体的体积不发生改变；而肖特基缺陷使晶体体积增加。

6空位的最终结果，运动会引起自扩散：使得空位消失或是聚集形成空位片。

7离开平衡位置的原子去处：表面、间隙、其他空位8点缺陷的存在使晶体熵值增大，稳定性增加；但造成点阵畸变，使稳定性减弱。

1点缺陷的类型：空位、间隙原子、异类原子。

2点缺陷与扩散的关系：空位、间隙原子自扩散异类原子弥扩散

3点缺陷对性能的影响：点缺陷的存在，使得金属的电阻增加，体积膨胀，密度减小，使离子晶体的导电性改善。过饱和点缺陷，如淬火空位、辐照缺陷，还可以提高金属的屈服强度。

4过饱和点缺陷的方法：辐照、高温淬火、加工变形0线缺陷在两个方向上尺寸很小，另外一个方向上延伸较长，也称为一维缺陷，如各类位错。

1 位错：位错是晶体排列的一种特殊组态，晶体中沿某一原子面及某一原子方向发生了某种有规律的错排现象；从位错的几何结构来看，位错是已滑移区与未滑移区在滑移面上的交界线，称为位错线；从伯氏矢量角度来看，位错是伯氏矢量不为零的晶体缺陷。2位错的三种基本类型：刃型位错、螺型位错和混合位错。

它们与柏氏矢量的关系：刃型位错：柏氏矢量与位错线垂直。螺型位错：柏氏矢量与位错线平行。

混合位错：柏氏矢量与位错线既不平行也不垂直，而

是与位错线相交成任意角度。

伯氏矢量的守恒性：伯氏矢量与回路起点及其具体途

径无关。

一根位错线不能终止于晶体内部，而只能中止在晶体

的表面或晶界上。若它终止于晶体内部，则形成位错

环或者三维位错网络。

3位错的运动形式或方式有哪些？

位错的基本运动形式是滑移，此外，刃型位错还有攀

移，螺型位错还有交滑移。

刃型位错在垂直于滑移面方向的运动称为攀移。

对于螺型位错，由于所有包含位错线的晶面都可成为

其滑移面，因此，当某一螺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

移面上去继续滑移，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滑移面上继续

运动，则称为双交滑移。

4扭折、割阶的定义；割阶对位错运动有什么影响？

一个运动的位错线，特别是在受到阻碍的情况下，有

可能通过其中一部分线段（n个原子间距）首先进行

滑移。若由此形成的曲折线段就在位错的滑移面上

时，称为扭折；若该曲折线段垂直于位错的滑移面时，

则称为割阶。

刃型位错的割阶部分仍为刃型位错，而扭折部分则为

螺型位错;螺型位错中的扭折和割阶线段，由于均与

伯氏矢量垂直，故均属于刃型位错。

扭折与原位错线在同一滑移面上，可随主位错线一道

运动，几乎不产生阻力，而且扭折在线张力作用下易

于消失。但割阶则与原位错线不在同一滑移面，故除

非割阶产生攀移，否则割阶就不能随主位错线一道运

动，成为位错运动的障碍，通常称此为割阶硬化。

带割阶位错的运动，按割阶高度的不同，又可分为三

种情况：①割阶高度只有1~2个原子间距，螺型位错

可以把割阶拖着走，在割阶后面留下一排点缺陷；②

割阶高度约在20nm以上，它们可以各自独立的在各

自的滑移面上滑移，并以割阶为轴，在滑移面上旋转；

③割阶高度介于上述两种情况之间时，位错不可能拖

着割阶运动，割阶之间的位错线弯曲而在其后形成位

错环。

5不全位错的柏氏矢量的特点如下：

1) 不全位错的四周不完全是完整的结构，有一部分

有层错；2) 不全位错的柏氏回路必须从层错开始，

回路最后还要穿过层错；3) 不全位错的柏氏矢量不

是完整的最短点阵矢量；4) 不全位错的矢量也有守

恒性。

6单位位错：柏氏矢量恰好等于单位点阵矢量的位错。

不全位错：柏氏矢量不等于单位点阵矢量或其整数倍

的位错。

扩展位错：通常把一个全位错分解为两个不全位错，

中间夹着一个堆垛层错的整个位错组态称为扩展位

错。

7层错与不全位错的关系

若堆垛层错不是发生在晶体的整个原子面上而是只

是部分区域存在，则在层错与完整晶体的交界处就存

①当层错存在时，层错与完整晶体的边界为肖克利不

全位错

②与抽出型层错联系的不全位错通常称为负弗兰克

不全位错，而与插入型联系的则称为正弗兰克不全位

错。弗兰克不全位错又称为不滑动位错或固定位错。

8扩散与位错

①如果扩散元素沿位错管道迁移，所需要的激活能较

小，所以扩散速率较高。②在高温下，位错对晶体的

总扩散的贡献并不大，只有在较低温度下才能显示出

其重要性。③冷变形会增加金属材料的界面和位错密度，也会加速扩散过程的进行。

9第二相粒子与位错的关系：绕过机制，切过机制绕过机制：位错绕过不易形变粒子，粒子对位错的斥力足够大，运动位错线在粒子前受阻、弯曲。随外加切应力增加，留下位错环，其余位错继续滑移。通常称为奥罗万机制。

切过机制：短程交互作用和长程交互作用。

通常将第二相粒子强化分为沉淀强化与弥散强化两类。

10汤普森四面体（点、线、面）

如果以α，β，γ，δ分别代表与 A ，B ，C ，D 点相对面的中心，把4个面以三角形ABC 为底展开，得图3.40(c) 。由图中可见:

(1) 四面体的4个面即为4个可能的滑移

面:面。

(2) 四面体的6个棱边代表12个晶向，即为面心立方晶体中全位错12 个可能的柏氏矢量。

(3) 每个面的顶点与其中心的连线代表24个

型的滑移矢量，它们相当于面心立方晶体中可能的24 个肖克莱不全位错的柏氏矢量。(4）4个顶点到它所对的三角形中点的连线代表8个

111

3

型的滑移矢最，它们相当于面心立方晶体中可

能有的8个弗兰克不全位错的柏氏矢量。

(5) 4个面中心相连即αβ，αγ，αδ，βγ，βδ，

γδ为

110

6

是压杆位错的一种。

11罗麦-柯索尔位错（位错方向）

罗麦位错

：，即

位错方向[110]

柯垂尔位错：

在（111）面上：

在面上

，即位错方向

[110]

两扩展位错在各自的滑移面上相向移动，当每个扩展

位错中的一个不全位错达到滑移面的交截线时，就会

通过位错反应生成新的先导位错（亦为不全位错），

这个新位错是纯刃型的，其伯氏矢量位于

（001）面上，其滑移面是（001），但fcc的滑移面

应是{111}，因此，这个位错是固定位错，又称压杆

位错，这种形成于两个{111}面之间的面角上，由三

个不全位错和两片层错所构成的位错组态称为

“Lomer-Cottrell位错"，也称为面角位错。

12位错增殖的5种机制：F-R位错源、双交滑移、单

边F-R位错源、刃型位错线部分攀移、空位片塌陷

13位错密度与强度关系（图）

1）由上图可得随着缺陷数目的增加，金属的强度下

降。原因是缺陷破坏了原子间结合力，从宏观上看，

即随缺陷数目增加，强度下降。

2）随着缺陷数目的增加，金属的强度增加。原因是

位错交割缠结，使位错运动的阻力增加，强度增加。

由此可见，强化金属的方向有两个：一是制备无

缺陷的理想晶体，其强度最高，但实际上很难；另一

种是制备缺陷数目多的晶体，例如：纳米晶体，非晶

态晶体等。

1基本概念与类型，对性能的影响

面缺陷，其特征是在一个方向上尺寸很小，另外两个

方向上扩展很大，也称为二维缺陷。

类型：外表面和内界面。外表面：固体材料与气体或

液体的分界面。内界面：晶界、亚晶界、孪晶界、层

错和相界面等。

晶界：属于同一固相但位向不同的晶粒之间的界面。

根据位向差θ的大小不同可将晶界分为两类：（1）小

角度晶界——相邻晶粒的位向差小于10°晶界，亚

晶界均属小角度晶界，一般小于2°；（2）大角度晶

界——相邻晶粒的位向差大于10°晶界，多晶体中90％以上的晶界属于此类。

亚晶界：位向稍有差异的相邻亚晶粒间的界面。

孪晶界：两个晶体（或一个晶体的两部分）沿一个公共晶面构成镜面对称的位向关系，这两个晶体就称为"孪晶"，此公共晶面就称孪晶面；孪晶界可分为两类：共格孪晶界和非共格孪晶界。

相界：具有不同结构的两相之间的分界面；相界面可分为共格相界、半共格相界和非共格相界三种类型。2．晶界的位错结构

（1）小角度晶界的结构：

①对称倾斜晶界：晶界两侧晶体互相倾斜的结果，相邻两晶粒间的位向差θ角很小，晶界可看成是由一列平行的刃型位错所构成；

②不对称倾斜晶界：倾斜晶界的界面绕x轴转了一角度φ，两晶粒之间的位向差仍为θ角，由两组柏氏矢量相互垂直的刃位错交错排列而构成；

③扭转晶界：两部分晶体绕某一轴在一个共同的晶面上相对扭转一个θ角所构成，由互相交叉的螺型位错网络所组成；

倾斜晶界：转轴在晶界内；扭转晶界：转轴垂直于晶界。

（2）大角度晶界的结构

多晶体材料中各晶粒之间的晶界通常为大角度晶界；分界面由不规则的台阶组成。

面缺陷对性能的影响：（晶界的特性）

1.晶界处点阵畸变大，存在着晶界能。

2.晶界处原子排列不规则，在常温下晶界的存在会对位错的运动起阻碍作用，宏观表现为晶界较晶内具有较高的强度和硬度。

3.晶界处原子偏离平衡位置，具有较高的动能，

并且晶界处存在较多的缺陷，故晶界处原子

的扩散速度比在晶内快的多。

4.相变过程中，由于晶界能量较高且原子活动

能力较大，所以新相易于在晶界处优先形核。

5.由于成分偏析和内附现象，故在加热过程中，

会出现“过热”现象。

6.由于晶界能量较高、原子处于不稳定状态，

故晶界的腐蚀速度较快。

1固态相变的特点？

（1）固态相变阻力大

（2）新相-母相界面上原子的排列易保持一定的匹配

（3）新相和母相之间存在一定的晶体学位相关系

（4）为了维持共格，新相往往在母相的一定晶面上

开始形成。

（5）母相中晶体缺陷对新相形核起促进作用

（6）易出现过渡相

（1）相界面：按结构特点可分为共格界面、半

共格界面(部分共格界面)和非共格界面三类；

（2）位向关系，它们常以低指数的、原子密度

大而又彼此匹配较好的晶面互相平行；

（3）惯习面，固态相变时，新相往往在母相的

一定结晶面上开始形成的晶面；

（4）应变能，在固态相变过程中，新、旧两相

的比容不同，并且由于母相是固体，新相形成时的体

积变化将受到周围母相的约束，不能自由胀缩而产生

应变，使系统额外地增加的能量；

（5）晶体缺陷的影响，如晶界、位错和空位；

（6）原子的扩散，有许多固态相变，新、旧两

相的成分不同，相变必须通过某些组元的扩散才能进

行。在这种情况下，扩散就成为相变的控制因素。但

是，固态金属中原子的扩散速度远低于液态的原子，

如液态金属中扩散系数可达10-70cm2/sec，而固态中

仅约10-7~10-8 cm2/天，两者之间要相差几个数量级。

因此原子的扩散速度对固态相变有很重要的影响。

2固态相变类型：不同分类方式、不同类型

按热力学分类方式分类，分为一级相变和二级相变；

按相变时能否获得符合状态图的平衡组织进行分类，

可分为平衡转变和不平衡转变；按相变过程中形核和

长大的特点，可将固态相变分为扩散型相变、半扩散

型相变和非扩散型相变。

（1）按热力学分类：一级相变和二级相变

一级相变：是指相变时新、旧两相的化学位相等，

但化学位的一级偏微商不等的相变，在一级相变发生

时，熵S和体积V将发生不连续变化，即一级相变

有相变潜热和体积改变；

二级相变，是指相变时新、旧两相化学位相等，一级

偏微商也相等，但二级偏微商不等的相变，即在二级

相变时，无相变潜热和体积改变，只有热容C p、压

缩系数K和热膨胀系数 的不连续变化。

（2）按原子迁移情况或相变中形核长大特点分类：

分为扩散型相变和无扩散型相变两大类。

a）扩散型相变的特点是在相变过程中原子进行扩散，

如纯金属的同素异构转变、固溶体中的多形性转变、

脱溶转变、共析转变、调幅分解和有序化转变等。

b）无扩散相变有：在低温进行的纯金属( 如锆、钛、

锂、钴)同素异构转变，一些合金(如Fe-C、Fe-Ni、

Cu-Al等等)中的马氏体转变。

（3）按相变后能否获得平衡组织分类：平衡相变和

不平衡相变。

3．沉淀、调幅分解的基本概念：

沉淀：从过饱和固溶体中析出第二相或形成溶质原子

富集的亚稳区等过渡相的过程称为沉淀，或称脱溶。

沉淀类型：沉淀形式可分为连续沉淀和不连续沉淀

两类。连续沉淀又分为均匀沉淀和局部沉淀，而不连

续沉淀则总是局部沉淀。

调幅分解：又称增幅分解或拐点分解，指过饱和固熔体在一定温度下分解成结构相同、成分不同的两个相的过程，其特点是调幅分解时不需要形核过程和调幅分解的速度很快。

4．时效过程：（Al-4.5%Cu合金）

a过饱和固溶体→GP(1)区→GP(2)区(θ'')→中间相θ'→稳定相θ。

5．马氏体相变特点：

（1）马氏体相变具有无扩散性

（2）马氏体转变时表面出现浮凸现象，即马氏体转变是共格切变式转变

（3）马氏体往往沿奥氏体的一定晶面形成

（4）马氏体转变前后，新相与母相之间有一定的晶体学位相关系

（5）马氏体高速长大

（6）马氏体转变是在M s～M f温度范围内的连续降温中形成

（7）马氏体转变不完全，存在残余奥氏体