1、9/15/2018 1:04:39 PM,1,晶 体 缺 陷,9/15/2018 1:04:39 PM,2,本章要求掌握的主要内容,一.需掌握的概念和术语 1、点缺陷、Schottky空位、Frankel空位、间隙原子、置换原子 2、线缺陷、刃型位错、螺型位错、混合型位错、柏氏矢量、位错运动、滑移、(双)交滑移、多滑移、攀移、交割、割价、扭折、塞积；位错应力场、应变能、线张力、作用在位错上的力、位错密度、位错源、位错生成、位错增殖、位错分解与合成、位错反应、全位错、不全位错、堆垛层错 3、面缺陷、表面、界面、界面能、晶界、相界 4、关于位错的应力场、位错的应变能、线张力等可作为一般了解 5、晶
2、界的特性(大、小角度晶界)、孪晶界、相界的类型,9/15/2018 1:04:39 PM,3,本章要求掌握的主要内容,二.本章重点及难点 1、点缺陷的平衡浓度公式 2、位错类型的判断及其特征、柏氏矢量 的特征 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、位错的应变能、线张力等可作为一般了解 5、晶界的特性(大、小角度晶界)、孪晶界、相界的类型,4,概 述,点缺陷（point defect）：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，又称零维缺陷，包括空位、间隙原子、杂质和溶质原子。线缺陷（line defect）：特征是在两
3、个方向上尺寸很小,另外一个方面上很大，又称一维缺陷，如各类位错。面缺陷（planar defect）：特征是在一个方面上尺寸很小,另外两个方面上很大，又称二维缺陷，包括表面、晶界、亚晶界、相界、孪晶界等。,晶体中的缺陷原子排列偏离完整性的区域. 前面章节都是就理想状态的完整晶体而言，即晶体中所有的原子都在各自的平衡位置，处于能量最低状态。然而在实际晶体中原子的排列不可能这样规则和完整，而是或多或少地存在离开理想的区域，出现不完整性。正如我们日常生活中见到玉米棒上玉米粒的分布。通常把这种偏离完整性的区域称为晶体缺陷（crystal defect; crystalline imperfection
4、)。,9/15/2018 1:04:39 PM,5,3.1 点缺陷, 包括空位、间隙原子、杂质或溶质原子,1. 形成,局部点阵畸变,原子热振动,克服约束，迁移到新的位置,空位、间隙原子,9/15/2018 1:04:39 PM,6,肖脱基(Schottky)缺陷原子迁移到表面仅形成空位 弗兰克(Franke)缺陷原子迁移到间隙中形成空位-间隙对 杂质或溶质原子间隙式（小原子）或置换式（大原子）,2. 分类,9/15/2018 1:04:39 PM,7,点缺陷类型1,9/15/2018 1:04:39 PM,8,点缺陷类型2,9/15/2018 1:04:39 PM,9,3. 点缺陷的平衡浓度,
5、Ne 平衡空位数 N 原子总数 Ev 每增加一个空位的能量变化 k 玻尔兹曼常数 T 绝对温度,其中：A由振动熵决定的系数，取110，通常取1。T-C,空位形成能(vacancy formation energy):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。 迁移能(migration energy) ：通过热力学分析，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，这个浓度称为该温度下晶体中点缺陷的平衡浓度(equilibrium consistence)。经热力学推导：,9/15/2018 1:04:39 PM,10,Ev对C
6、的影响,形成空位能Ev 增加，点缺陷的平衡浓度降低,9/15/2018 1:04:39 PM,11,4. 点缺陷的运动,点缺陷的运动方式：(1) 空位运动。(2) 间隙原子迁移。(3) 空位和间隙原子相遇，两缺陷同时消失。(4) 逸出晶体到表面，或移到晶界，点缺陷消失。,9/15/2018 1:04:39 PM,12,5. 点缺陷对晶体性能的影响,点缺陷引起晶格畸变（distortion of lattice）,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 如使金属的电阻R、体积V 、密度 等；(2)力学性能 采用高温急冷(如淬火 quenching),大量
7、的冷变形（cold working）,高能粒子辐照（radiation）等方法可获得过饱和点缺陷，如使S提高；(3)影响固态相变,化学热处理（chemical heat treatment）等。,9/15/2018 1:04:39 PM,13,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. 它的产生方式有三种: 淬火(quenching)冷加工(cold working)辐照(radiation)淬火:高温时晶体中的空位浓度很高，经过淬火后，空位来不及通过扩散达到平衡浓度，在低温下仍保持了较高的空位浓度.
8、冷加工:金属在室温下进行压力加工时，由于位错交割所形成的割阶发生攀移，从而使金属晶体内空位浓度增加.辐照:当金属受到高能粒子（中子、质子、氘核(dao,氢的同位素之一，用于热核反应。旧称重氢)、粒子、电子等）辐照时，晶体中的原子将被击出，挤入晶格间隙中，由于被击出的原子具有很高的能量，因此还有可能发生连锁作用，在晶体中形成大量的空位和间隙原子.,6.过饱和点缺陷(supersaturated point defect),9/15/2018 1:04:39 PM,14,3.2 线缺陷,现象:晶体作刚性滑移所需的临界切应力值（1540MPa）与实际滑移测定的值（1MPa）相差巨大.疑问:理想晶体模
9、型及其滑移方式. ?位错存在位错理论是上个世纪材料科学最杰出的成就之一。,按照理想晶体的模型，晶体在滑移时，滑移面上各个原子在切应力作用下，同时克服相邻滑移面上原子的作用力前进一个原子间距，完成这一过程所需的切应力就相当于晶体的理论剪切屈服强度，这是一个很大的数值，如 Cu单晶体。,9/15/2018 1:04:39 PM,15,位错逐排依次运动塑变,原子面整体滑移塑变,理论强度远大于实测值,探求新理论位错理论,计算强度值 实测值,位错（dislocation）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
10、间距.,位错理论是上个世纪材料科学最杰出的成就之一。,9/15/2018 1:04:39 PM,16,图3-01 透射电子显微镜下观察到不锈钢316L (00Cr17Ni14Mo2)的位错线与位错缠结（照片由西南交通大学何国求教授提供）,9/15/2018 1:04:39 PM,17,(a),(b),挤压态Mg-0.6Zr合金显微组织TEM像,挤压态Mg-0.6Zr合金显微组织TEM像 Fig. TEM morphology of extruding Mg-0.6Zr alloy (a) 位错缠结网；(b) 位错胞壁,9/15/2018 1:04:39 PM,18,刃型位错（edge disl
11、ocation） 螺型位错（screw dislocation）混合位错（mixed dislocation）,1. 位错基本类型,9/15/2018 1:04:39 PM,19,1) 刃位错,刃型位错线：多余半原子面与滑移面的交线。,9/15/2018 1:04:39 PM,20,刃型位错特征： 刃型位错有一个额外的（多余）半原子面。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。判断用右手定则：食指指向位错线方向，中指指向柏氏矢量方向，拇指指向多余半原子面方向。 刃型位错是直线、折线或曲线。它与滑移方向、柏氏矢量垂直。 滑移面必须是同时包含有位错线和滑移矢量的平面。位错线与
12、滑移矢量互相垂直,它们构成平面只有一个。 晶体中存在刃位错后,位错周围的点阵发生弹性畸变,既有正应变,也有负应变。点阵畸变相对于多余半原子面是左右对称的，其程度随距位错线距离增大而减小。就正刃型位错而言,上方受压,下方受拉。 在位错线周围的畸变区每个原子具有较大的平均能量。畸变区是一个狭长的管道。,9/15/2018 1:04:39 PM,21,晶体局部滑移造成的刃型位错,9/15/2018 1:04:39 PM,22,原子面部分错动一个原子间距,螺位错,不吻合过渡区,纯剪切应力区,2) 螺位错,6,1,2,5,4,3,7,8,9/15/2018 1:04:39 PM,23,(2)中：左、右旋
13、分别用左(右)法则来判断：拇指指向螺旋前进的方向，而其余四指代表旋转方向，凡符合右手法则的称为右螺旋型位错，凡符合左手法则的称为左螺旋位错。二者是有本质区别的，无论将晶体如何放置,也不会改变其左、右的性质。(5)中：错位线周围的应力场呈轴对称分布,螺型位错的特点： 教材P86的 (1)(6)点,补充：,24,25,9/15/2018 1:04:39 PM,26,晶体局部滑移造成的螺型位错,9/15/2018 1:04:39 PM,27,3) 混合位错,刃型位错分量 螺型位错分量,9/15/2018 1:04:39 PM,28,9/15/2018 1:04:39 PM,29,2. 柏氏矢量反映位
14、错区畸变的方向与程度,刃型位错柏氏矢量的求法 （1） 包含位错线做一封闭回路 柏氏回路 （2） 将同样的回路置于完整晶体中 不能闭合 （3） 补一矢量（终点指向起点）使回路闭合 柏氏矢量,9/15/2018 1:04:39 PM,30,刃位错的柏氏回路,9/15/2018 1:04:39 PM,31,螺位错柏氏矢量的求法 （1） 包含位错线做一封闭回路 柏氏回路 （2） 将同样的回路置于完整晶体中 不能闭合 （3） 补一矢量（终点指向起点）使回路闭合 柏氏矢量,9/15/2018 1:04:39 PM,32,螺型位错的柏氏回路示意图,9/15/2018 1:04:39 PM,33,2）柏氏矢量
15、特性,柏氏矢量是一个反映位错性质以及由位错引起的晶格畸变大小的物理量.(1) 用柏氏矢量可以表示位错区域晶格畸变总量的大小。柏氏矢量可表示位错性质和取向,即晶体滑移方向。 柏氏矢量越大,位错周围晶体畸变越严重。(2) 柏氏矢量具有守恒性。即一条位错线的柏氏矢量恒定不变。(3) 柏氏矢量的唯一性。即一根位错线具有唯一的柏氏矢量。(4) 柏氏矢量守恒定律。 位错分解 位错交于一点(5) 位错的连续性:可以形成位错环、连接于其他位错、终止于 晶界或露头于表面,但不能中断于晶体内.(6) 可用柏氏矢量判断位错类型 刃型位错: ebe，右手法则判断正负;螺型位错:sbs，同向右旋,反向左旋(7) 柏氏矢
16、量表示晶体滑移方向和大小.大小|b|，方向为柏氏矢量方向。(8) 刃型位错滑移面为与柏氏矢量所构成的平面,只有一个；螺型位错滑移面不定,多个。(9) 柏氏矢量可以定义为:位错为柏氏矢量不为0的晶体缺陷.,9/15/2018 1:04:39 PM,34,3）柏氏矢量表示法,对于立方晶系 a = b = c,模,例1：,柏氏矢量的表示方法与晶向指数相似，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.如：,立方晶系中 b=（a/n）uvw ，其大小为位错强度，用模表示 ，模的大小表示该晶向上原子间的距离。 六方晶系中: b=（a/n）uvtw,9/15/2018 1:04:40 PM,35,例
17、2：,例3：,9/15/2018 1:04:40 PM,36,4）三种位错柏氏矢量的特点,刃位错,垂直,主要是正应力,螺位错,平行,纯剪应力,混合位错,一定角度,复杂,9/15/2018 1:04:40 PM,37,5）位错正、负（左、右）的确定,刃位错： 有晶体图时用右手法则中指b方向，食指位错线方向，拇指：上正下负 无晶体图时用旋转法b顺时针方向转90，与位错线方向：顺正逆负,人为规定位错线方向,正负均为相对而言，位错线方向改变，正负随之改变。,9/15/2018 1:04:40 PM,38,螺位错： 有晶体图时与螺纹判断方法一致左手左螺，右手右螺 无晶体图时用旋转法b与位错线方向：顺右逆
18、左,9/15/2018 1:04:40 PM,39,3. 位错密度,单位体积晶体中所有位错线的总长度,穿过单位截面积的位错线数目（穿过单位面积的位错线根数，将位错简化为直线）,cm/cm3,1/cm2,9/15/2018 1:04:40 PM,40,4. 位错运动,基本形式:滑移（slip）和攀移（climb）, 还有交割（cross/interaction）和扭折（kink）,位错的滑移(slipping of disloction):位错在滑移面上的运动。滑移面即位错线和柏氏矢量构成的平面。任何类型的位错均可进行滑移.(1) 刃位错的滑移过程（教材图3.12）b、b、滑移方向 、滑移方向b
19、，单一滑移面。(2) 螺型位错的滑移过程（教材图3.13）b、b 、滑移方向 、滑移方向 b ，非单一滑移面。可发生交滑移。(3) 混合位错的滑移过程（教材图3.14）沿位错线各点的法线方向在滑移面上扩展，滑动方向垂直于位错线方向。但滑动方向与柏氏矢量有夹角。,9/15/2018 1:04:40 PM,41,1）滑移 （1）刃位错的滑移,9/15/2018 1:04:40 PM,42,a） 位错逐排依次前进，实现两原子面的相对滑移； b） 滑移量=柏氏矢量的模； c） 外力 / b，位错线 ，位错线运动方向/ d） 一定时，正、负位错运动方向相反，但最终滑移效果相同； e) 滑移面唯一。,9/
20、15/2018 1:04:40 PM,43,（2）螺位错的滑移,9/15/2018 1:04:40 PM,44,右螺位错,左螺位错,a） 位错逐排依次滑移，实现原子面的滑移； b） 滑移量=柏氏矢量的模； c） / b，位错线/ ，位错线运动方向 ； d） 一定时，左、右螺位错位错运动方向相反，但最终滑移效果相同； e） 滑移面不唯一。,9/15/2018 1:04:40 PM,45,正刃,负刃,左螺,右螺,（3）混合位错的滑移,沿位错线各点的法线方向在滑移面上扩展，滑动方向垂直于位错线方向。但滑动方向与柏氏矢量有夹角。,9/15/2018 1:04:40 PM,46,位错滑移特征比较,9/1
21、5/2018 1:04:40 PM,47,2）攀移(climbing of disloction),（1）攀移方式,原子扩散离开（到）位错线半原子面缩短（伸长）正（负）攀移,空位扩散离开（到）位错线 半原子面伸长（缩短）负（正）攀移,位错的攀移:在垂直于滑移面方向上运动. 攀移的实质:刃位错多余半原子面的扩大和缩小. 刃位错的攀移过程:正攀移,向上运动；负攀移, 向下运动 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.,9/15/2018 1:04:40 PM,48,（2）特点,a） 刃位错垂
22、直于滑移面运动非守恒运动 b） 属扩散过程需热激活高温易出现,（3）作用,刃位错运动在原滑移面上运动受阻攀移新滑移面滑移继续,注意：攀移只能是刃位错才能发生,说明： 攀移不是塑性变形的主要机制可避开障碍物便于滑移 结论： 攀移能力影响滑移进行进一步影响塑变能力,9/15/2018 1:04:40 PM,49,3）交滑移,（1）方式,对于螺型位错，由于所有包含位错线的晶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，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。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。,9/15/20
23、18 1:04:40 PM,50,（2）特点,（3）作用,原滑移面上运动受阻交滑移新滑移面滑移继续,注意：交滑移只能是螺位错才能发生,说明：交滑移不是塑变的主要机制可避开障碍物便于滑移 结论：交滑移能力影响滑移进行进一步影响塑变能力,交滑移仍在滑移面滑移守恒运动,9/15/2018 1:04:40 PM,51,攀移与交滑移比较,攀移：,只能刃位错,非守恒运动 （原子扩散 或外力作用 或温度作用）,避开障碍物的方式,交滑移：,只能螺位错,守恒运动 （无原子扩散）,9/15/2018 1:04:40 PM,52,4）位错间的交互作用与位错塞积,（1）相互平行的位错之间的交互作用,同号位错相斥,体系
24、能量下降,（a）同号位错：,9/15/2018 1:04:40 PM,53,异号位错相吸,（b）异号位错：,体系能量下降,异号位错合并，抵消或 b 减小,9/15/2018 1:04:40 PM,54,（2）相互垂直的位错之间的交互作用, 形成大小、方向等于对方 b 的割阶或扭折（jog and kink）割阶：不在原滑移面上的拐折。曲折段垂直于位错的滑移面。扭折：曲折段在位错的滑移面上。在原滑移面上的拐折，不稳定，易消失，不影响滑移。 注：刃型位错的割阶仍为刃型位错,扭折为螺型位错。螺型位错的割阶和扭折均为刃型位错。刃型位错的扭折是一可动螺位错,割阶也是一可动的刃位错。螺型位错的扭折是可动的
25、刃型位错,割阶是不可动的刃型位错。, 位错交割,9/15/2018 1:04:40 PM,55,几种典型的位错交割交割后要遵循柏氏矢量的一些特征。 两柏氏矢量相互垂直的刃型位错交割：PP为割阶, b2 PP, PP大小和方向取决于b1，为刃型位错。 两柏氏矢量相互平行的刃型位错交割： PP为扭折， b2 / PP，QQ 为扭折， b1 / QQ， PP 和QQ 都是螺位错。 两柏氏矢量相互垂直的刃型位错和螺型位错交割：PP为割阶, b1 PP, PP大小和方向取决于b2，为刃型位错。QQ为扭折， b2 QQ， QQ大小和方向取决于b1，为刃型位错。 两柏氏矢量相互垂直的螺型位错交割：MM和NN
26、均为刃型割阶。,9/15/2018 1:04:40 PM,56,结论： 运动位错交割后,可以产生扭折或割阶,其大小和方向取决与另一位错的柏氏矢量,其方向平行,大小为其模,但具原位错的柏氏矢量。如果另一位错的柏氏矢量与该位错线平行,则交割后该位错线不出现曲折。 所有割阶都是刃位错,而扭折可以是刃位错,也可以是螺位错。交割后曲折段的方向取决与位错相对滑移过后引起晶体的相对位移情况。相对位移可通过右手定则来判断。 扭折与原位错在同一滑面上,可随主位错线一起运动,几乎不产生阻力,且扭折在线张力作用下易与消失。割阶与原位错线在同一滑移面上,除攀移外割阶一般不能随主位错一起运动,成为位错运动的障碍。,9/
27、15/2018 1:04:40 PM,57,两柏氏矢量相互平行的刃位错相互交截,两柏氏矢量平行的刃型位错交割： PP为扭折， b2 / PP QQ 为扭折， b1 / QQ， PP 和QQ 都是螺位错。,9/15/2018 1:04:40 PM,58,两柏氏矢量相互垂直的刃位错相互交截,两柏氏矢量相互垂直的刃型位错交割：PP为割阶, b2 PP, PP大小和方向取决于b1，为刃型位错。,9/15/2018 1:04:40 PM,59,刃位错、螺位错相互交截,两柏氏矢量相互垂直的刃型位错和螺型位错交割：PP为割阶, b1 PP, PP大小和方向取决于b2，为刃型位错。QQ为扭折， b2 QQ，
28、QQ大小和方向取决于b1，为刃型位错。,9/15/2018 1:04:40 PM,60,割阶对螺位错的钉扎,9/15/2018 1:04:40 PM,61,一对扭折的侧向展开,9/15/2018 1:04:40 PM,62,（3）位错塞积位错与面缺陷的交互作用,9/15/2018 1:04:40 PM,63,位错滑移,障碍物,位错塞积,前端应力高度集中,交滑移、攀移,越过障碍物继续滑移,应力松弛,破裂,障碍物另侧塑变,9/15/2018 1:04:40 PM,64,5. 位错的力学性质（本部分掌握概念，了解）,1）位错应力场与应变能,（1）应力分量与应变分量,完全弹性体，服从虎克定律 各向同性
29、 连续介质，可以用连续函数表示,对位错线周围r0以内部分不适用畸变严重，不符合上述基本假设,9/15/2018 1:04:40 PM,65,（a）单元体应力分量,正应力：xx，yy，zz切应力：xy = yx， xz = zx， yz = zy,xy作用面垂直于x，方向为y,9/15/2018 1:04:40 PM,66,（b）单元体应变分量,正应变：xx，yy，zz 切应变：xy = yx，xz = zx,9/15/2018 1:04:40 PM,67,（c）柱坐标下分量,正应力：zz，rr， 切应力：z=z，zr=rz，r=r,与直角坐标的关系：,9/15/2018 1:04:40 PM,
30、68,（2）位错应力场,（a）螺位错应力场,模型建立：,结果：,说明：,仅有z方向的切应力，无正应力。 切应力与无关，随r增大而减小。 化为直角坐标时，仅存在与z有关的切应力。,厚壁圆桶沿径向切开沿z方向错动b 胶合,9/15/2018 1:04:40 PM,69,（b）刃位错应力场,模型建立：,结果：,说明：,既有正应力，也有切应力。 与z轴有关的切应力均为零。,厚壁圆桶沿径向切开沿x轴错动|b|胶合,9/15/2018 1:04:40 PM,70,（3）位错应变能,单位长度螺位错应变能：,单位长度刃位错应变能：,单位长度混合位错应变能：,其中：,9/15/2018 1:04:40 PM,7
31、1,（a）比较,wE wS,（b）一般公式,其中：为几何因素系数，约0.51.0,9/15/2018 1:04:40 PM,72,（c）小结,位错点阵畸变应变能,bw位错能量越稳定,9/15/2018 1:04:40 PM,73,（d）螺位错应变能公式的推导,柱坐标下单位体积应变能为：,对于螺位错仅有z不为零,故，对体积为V（长为L）的螺位错有,9/15/2018 1:04:40 PM,74,即：,积分,得：,9/15/2018 1:04:40 PM,75,2）作用在位错线上的力与位错线张力,（1）作用在位错线上的力,9/15/2018 1:04:40 PM,76,（a）公式推导,外力使长为l
32、的位错移动了ds， 作功dw1,假想有一力F作用于位错上，则F 作功dw2,有,单位长度位错线上的力：,9/15/2018 1:04:40 PM,77,（b）说明,Fd，FdbFd位错线，指向未滑移区Fd为假象力，其方向与不一定一致。（如螺位错Fd）,9/15/2018 1:04:40 PM,78,（2）位错线张力T,位错受力,弯曲,伸长,线张力,位错变直,能量,能量,（a）线张力的概念,（b）作用,使位错变直降低位错能量相当于物质弹性称之为位错弹性性质类似于液体的表面张力。,9/15/2018 1:04:40 PM,79,（c）公式,C 曲线形状因子,9/15/2018 1:04:40 PM
33、,80,（d）实例 两端固定位错在下弯曲的问题,使位错弯曲，即rT使位错变直，即r,当二者平衡时,9/15/2018 1:04:40 PM,81,重要公式,位错应变能,单位长度位错线上的力,位错线张力,9/15/2018 1:04:40 PM,82,6. 位错的增殖,1）问题的提出：,位错数量减少,位错划出晶体 位错相互抵消,一定温度,位错数量一定 （热力学平衡条件）,变形,变形,位错数量,增殖机制,猜想：,实际：,9/15/2018 1:04:40 PM,83,弯曲,卷曲,分裂增殖,变直,2）弗兰克-瑞德源（F-R源）,（a）增殖过程,9/15/2018 1:04:40 PM,84,（b）F
34、R源开动的最小应力,FR源开动条件： 推动力（外力） 位错运动点阵摩擦力和障碍物阻力,当外力作用在两端不能自由运动的位错上时，位错将发生弯曲。 由位错线张力与外力平衡关系：,即，弯曲半径r与外力成反比。,当位错弯曲成半圆时，r最小， 最大。,9/15/2018 1:04:40 PM,85,3）其它增殖方式,（1）螺位错的双交滑移增殖,9/15/2018 1:04:40 PM,86,（ 2）L型位错源,9/15/2018 1:04:40 PM,87,7. 实际晶体中的位错,由简单立方，深化到面心立方、体心立方和密排六方晶体中的位错。,1）全位错与不全位错,（1）实际晶体中的位错类型,简单立方：,
35、b点阵矢量,只有全位错,实际晶体：,b, = ,点阵矢量,b点阵矢量整数倍, 全位错,其中b点阵矢量,单位位错,b点阵矢量整数倍,不全位错,其中b 点阵矢量,部分位错,9/15/2018 1:04:40 PM,88,9/15/2018 1:04:40 PM,89,（2）形成单位位错的条件,结构条件： 柏氏矢量为两原子平衡位置连线,能量条件： b越小，位错能量越小，稳定性越高,柏氏矢量最短点阵矢量,bcc：,fcc：,hcp：,9/15/2018 1:04:40 PM,90,2）堆垛层错,（1）形成,密排堆垛次序有误,层错,面缺陷,9/15/2018 1:04:40 PM,91,复习：fcc、b
36、cc、hcp的堆垛次序,9/15/2018 1:04:40 PM,92,fcc晶体的层错类型：,抽出型：,插入型：,（2）特点,畸变很小，但仍有畸变能。 材料的层错能越低，层错数量越多。,9/15/2018 1:04:40 PM,93,3）不全位错（以面心立方为例）,局部区域层错,边界,b不等于点阵矢量,不全位错,9/15/2018 1:04:40 PM,94,肖克莱位错：柏氏矢量在滑移面上可以滑移位错运动相当于层错面的扩大或缩小肖克莱位错类型刃位错、螺位错、混合位错位错线、柏氏矢量、滑移面共面肖克莱位错线为平面曲线,9/15/2018 1:04:40 PM,95,弗兰克位错：柏氏矢量垂直于滑
37、移面不可滑移，只能攀移位错运动相当于层错面的扩大或缩小弗兰克位错类型纯刃位错可以是空间曲线,9/15/2018 1:04:40 PM,96,8. 位错反应, 位错的合并与分解,几何条件：,能量条件：,反应前后柏氏矢量和相等（方向、大小）,反应后能量降低,判断方法：,几何条件判断方法：求反应前后各个位错柏氏矢量的矢量和,能量条件判断方法：,求反应前后各位错 |b|2 的和,9/15/2018 1:04:40 PM,97,例：,几何条件：,即：,能量条件：,满足几何条件和能量条件，反应可以发生（自发进行）,即：,9/15/2018 1:04:40 PM,98,例：,几何条件：,即：,能量条件：,满
38、足几何条件和能量条件，反应可以发生（自发进行）,即：,9/15/2018 1:04:40 PM,99,三、面缺陷,晶 界,孪晶界,相 界,小角度晶界,大角度晶界,9/15/2018 1:04:40 PM,100,1. 小角度晶界,1) 类型,（1）对称倾侧晶界,相邻晶粒各转/2,同号刃位错平行排列,（2）不对称倾侧晶界,相互垂直的两组刃位错垂直排列,9/15/2018 1:04:40 PM,101,（3）扭转晶界,两组螺位错构成,9/15/2018 1:04:40 PM,102,2) 小角度晶界特点,10 由位错构成 位错密度 位向差晶格畸变晶界能,位错密度 决定位向差与晶界能 位错类型与排列
39、方式 决定小角晶界的类型,注：,9/15/2018 1:04:40 PM,103,2. 大角度晶界,10以上，一般在3040,重合点阵模型 重合点阵+台阶模型 重合点阵+台阶+小角晶界模型,大角度晶界（high angle grain boundaries ）为原子呈不规则排列的一过渡层。大多数晶粒之间的晶界都属于大角度晶界。 重合位置点阵（coincidence site lattice）模型：在大角度晶界结构中将存在一定数量重合点阵原子。,9/15/2018 1:04:40 PM,104,大角度晶界,9/15/2018 1:04:40 PM,105,1）孪晶界 孪晶是指两个晶体(或一个晶体
40、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(twin)”，此公共晶面就称孪晶面 。 两晶粒沿公共晶面形成镜面对称关系。孪晶分类：共格孪晶面（coherent twin boundary）：非共格孪晶面(non-coherent twin boundary）：孪晶的形成常常与晶体中的堆垛层错有密切关系，高不易形成孪晶。fcc结构 孪晶面为111 bcc结构 孪晶面为112 。依照形成原因不同分为：变形孪晶、生长孪晶、退火孪晶,3孪晶界与相界,9/15/2018 1:04:40 PM,106,9/15/2018 1:04:40 PM,107,2）相界 相邻两相之间的界面
41、 3）孪晶界(相界)分类 孪晶界(相界)点阵完全重合共格界面（coherent phase boundary ）：特征：界面两侧的保持一定的位向关系，沿界面两相具有相同或近似的原子排列，两相在界面上原子匹配得好，界面上能量高。理想的完全共格界面只有在孪晶面（界）。,9/15/2018 1:04:40 PM,108,孪晶界(相界)点阵基本重合部分共格+位错半共格界面（semi-coherent phase boundary )特征：沿相界面每隔一定距离产生一个刃型位错，除刃型位错线上的原子外，其余原子都是共格的。所以半共格界面是由共格区和非共格区相间组成。半共格界面上的位错间距取决于相界处两相匹
42、配晶面的错配度（）： （）/，和分别表示相界面两侧的相和相的点阵常数。 孪晶界(相界)点阵完全不重合非共格界面（noncoherent phase boundary）特征：原子不规则排列的薄层为两相的过渡层。,9/15/2018 1:04:40 PM,109,具有完善共格关系的界面,9/15/2018 1:04:40 PM,110,具有弹性畸变的共格界面,9/15/2018 1:04:40 PM,111,半共格界面,9/15/2018 1:04:41 PM,112,非共格界面,9/15/2018 1:04:41 PM,113,亚晶界：属于同一固相但位向不同的晶粒之间的界面称为晶界(grain
43、boundary)；每个晶粒有时又由若干个位向稍有差异的亚晶粒所组成，相邻亚晶粒间的界面称为亚晶界(sub-grain boundary)。亚晶界属于小角度晶界，为各种亚结构的交界，大小和尺寸与热加工条件有关。,9/15/2018 1:04:41 PM,114,4晶界能,晶界能量与 有关： = 0(Aln) ，式中0 = Gb/4(1) 大角度晶界能量与无关，基本上为一恒定值,0.251.0J/ 在平衡状态时，三叉晶界的各面角均趋与稳定状态，此时1 = 2 = 3 = 120。,晶界能：形成单位面时，系统的自由能变化。J/。 表现形式：界面张力,9/15/2018 1:04:41 PM,115
44、,现在，我们在高纯度的CBr4中掺入少量的红色油脂作为杂质成分，观察掺入少量杂质后CBr4在平面内的生长形态将会有什么变化。 从下面的视频可见，虽然还未出现枝晶，但是，生长的前锋已经明显出现了分叉现象。源自中国数字科技馆 晶体材料,9/15/2018 1:04:41 PM,116,现在，我们在高纯度的CBr4中掺入少量的红色油脂作为杂质成分，观察掺入少量杂质后CBr4在平面内的生长形态将会有什么变化。 从下面的视频可见，虽然还未出现枝晶，但是，生长的晶体分成格子状前进。,9/15/2018 1:04:41 PM,117,现在，我们增加在高纯度的CBr4中掺的红色油脂杂质成分的含量，使其达到1，观察此时CBr4在平面内的生长形态将会有什么变化。 从下面的视频可见，随着晶体的生长，出现了明显的枝晶，特别是后期。,9/15/2018 1:04:41 PM,118,现在，我们再增加高纯度的CBr4中掺入的红色油脂杂质成分的含量，观察此时CBr4在平面内的生长形态将会有什么变化。 从下面的视频可见，此时出现了很多的枝晶，而且发育得较好。以上实验说明，杂质对于枝晶生长有明显得影响。,
