1、第三章第三章 晶体缺陷晶体缺陷NaCl型型立方立方ZnS型型知识回顾知识回顾CaF2型型CaTiO3型型 理想晶体：质点严格按照空间点阵排列。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。实际晶体：存在着各种各样的结构的不完整性。晶体中质点不按理想的晶体结构的点阵排晶体中质点不按理想的晶体结构的点阵排列，偏离了理想结构的规律周期排列列，偏离了理想结构的规律周期排列.晶体缺陷晶体缺陷:按照晶体缺陷的几何特征：按照晶体缺陷的几何特征：1 1、点缺陷：零维缺陷、点缺陷：零维缺陷 空位、间隙原子空位、间隙原子2 2、线缺陷：一维缺陷、线缺陷：一维缺陷 位错位错3 3、面
2、缺陷：二维缺陷、面缺陷：二维缺陷 晶界、相界、孪晶界晶界、相界、孪晶界3 3 晶体缺陷晶体缺陷1 1、排除缺陷排除缺陷2 2、引入缺陷，掺杂改性引入缺陷，掺杂改性CrCr3+3+:Al:Al2 2O O3 3 掺杂氯化银掺杂氯化银(AgCl)AgCl)的的ZnSZnS晶体，在阴极射线激发下，放出晶体，在阴极射线激发下，放出波长为波长为450450nmnm的荧光，可做彩色电视荧光屏中的蓝色荧光粉。的荧光，可做彩色电视荧光屏中的蓝色荧光粉。晶体缺陷对晶体的性能，特别是对那些结构敏感性能，晶体缺陷对晶体的性能，特别是对那些结构敏感性能，如屈服强度、断裂强度、塑性、电阻率、磁导率等有很大如屈服强度、断
3、裂强度、塑性、电阻率、磁导率等有很大影响。另外晶体缺陷还与扩散、相变、塑性变形、再结晶、影响。另外晶体缺陷还与扩散、相变、塑性变形、再结晶、氧化、烧结等有密切关系。氧化、烧结等有密切关系。3 3 晶体缺陷晶体缺陷1.定义与特征定义与特征2.点缺陷类型点缺陷类型3.热缺陷的浓度热缺陷的浓度4.点缺陷与材料行为点缺陷与材料行为3.1 3.1 点缺陷点缺陷5.点缺陷反应方程式点缺陷反应方程式3.1 3.1 点缺陷点缺陷在结点上或邻近的微观区域内偏离晶体结构正常排列的一种缺陷。在结点上或邻近的微观区域内偏离晶体结构正常排列的一种缺陷。1.定义定义特征特征三维方向上的尺寸都很小，缺陷的尺寸处在三维方向上
4、的尺寸都很小，缺陷的尺寸处在12个原子大小的级别，个原子大小的级别，又称零维缺陷。又称零维缺陷。空位：空位：在晶格结点位置应有原子的在晶格结点位置应有原子的地方空缺，这种缺陷称为地方空缺，这种缺陷称为“空位空位”。间隙原子间隙原子：在晶格非结点位置，往：在晶格非结点位置，往往是晶格的间隙，出现了多余的原往是晶格的间隙，出现了多余的原子。子。2.2.点缺陷类型点缺陷类型由于原子热振动而产生的缺陷由于原子热振动而产生的缺陷热缺陷热缺陷：本征缺陷本征缺陷由外加杂质的引入所产生的缺陷由外加杂质的引入所产生的缺陷组成缺陷组成缺陷杂质缺陷杂质缺陷：温度升高时，热缺陷浓度增加温度升高时，热缺陷浓度增加若杂质
5、的含量在固溶体的溶解度范围内，则杂质缺陷的浓度与温度无关。若杂质的含量在固溶体的溶解度范围内，则杂质缺陷的浓度与温度无关。组成上偏离化学中的定比定律所形成的缺陷。组成上偏离化学中的定比定律所形成的缺陷。由基质晶体与介质中的某些组分发生交换而产生。由基质晶体与介质中的某些组分发生交换而产生。非化学计量结非化学计量结构缺陷构缺陷：其化学组成随周围气氛的性质及其分压大小而变化。其化学组成随周围气氛的性质及其分压大小而变化。根据产生缺陷的原因来划分根据产生缺陷的原因来划分3.1 3.1 点缺陷点缺陷 在晶格内原子热振动时，一在晶格内原子热振动时，一些能量足够大的原子离开平衡些能量足够大的原子离开平衡位
6、置；位置；进入晶格点的间隙位置，变进入晶格点的间隙位置，变成间隙原子；成间隙原子；而在原来的位置上形成一个而在原来的位置上形成一个空位。空位。弗伦克尔缺陷弗伦克尔缺陷（a a）弗仑克尔缺陷的形成）弗仑克尔缺陷的形成（空位与间隙质点成对出现）（空位与间隙质点成对出现）体积不变体积不变3.1 3.1 点缺陷点缺陷 正常格点上的原子，热起伏过正常格点上的原子，热起伏过程中获得能量离开平衡位置；程中获得能量离开平衡位置；跳跃到晶体的表面，在原正常跳跃到晶体的表面，在原正常格点上留下空位。格点上留下空位。肖特基缺陷肖特基缺陷（b b）单质中的肖特基缺陷的形成）单质中的肖特基缺陷的形成体积增加体积增加正负
7、离子空位同时产生正负离子空位同时产生3.1 3.1 点缺陷点缺陷一般规律：一般规律：在离子晶体中正负离子半径相差不大时，容易形成肖在离子晶体中正负离子半径相差不大时，容易形成肖特基缺陷，晶体中的缺陷以肖特基缺陷为主；特基缺陷，晶体中的缺陷以肖特基缺陷为主；当正负离子半径相差很大时，容易产生弗仑克尔缺陷，当正负离子半径相差很大时，容易产生弗仑克尔缺陷，晶体中的缺陷以弗仑克尔缺陷为主。晶体中的缺陷以弗仑克尔缺陷为主。3.1 3.1 点缺陷点缺陷3.热缺陷浓度热缺陷浓度热激发热激发晶体中质点由于获得较大热运动能量而脱离平衡位置的过程晶体中质点由于获得较大热运动能量而脱离平衡位置的过程激活能激活能热激
8、发所需要的最小能量热激发所需要的最小能量 晶体中大多数质点所具有的热运动能量都不足以克服周围质点的作用力晶体中大多数质点所具有的热运动能量都不足以克服周围质点的作用力而脱离平衡位置，只是由于能量起伏，少数热运动能量大于激活能的质点而脱离平衡位置，只是由于能量起伏，少数热运动能量大于激活能的质点才能脱离平衡位置，形成热缺陷。才能脱离平衡位置，形成热缺陷。温度升高、激活能低，热缺陷浓度越大。温度升高、激活能低，热缺陷浓度越大。3.1 3.1 点缺陷点缺陷平衡浓度平衡浓度实例实例CuCu晶体的空位形成能晶体的空位形成能v v为为0.9ev/atom0.9ev/atom，或，或1.441.441010
9、19-19J/atomJ/atom，材料常数材料常数A A取作取作1 1，玻尔兹曼常数，玻尔兹曼常数k k1.381.381010-23-23J/K,J/K,计算：计算：1)1)在在500500下，每立方米下，每立方米CuCu中的空位数目；中的空位数目；2)5002)500下的平衡空位浓度。下的平衡空位浓度。3.1 3.1 点缺陷点缺陷解：首先确定解：首先确定1m3体积内体积内Cu原子的总数（已知原子的总数（已知Cu的摩尔质量的摩尔质量Mcu63.54g/mol，500 下下Cu的密度的密度CuCu8.968.9610106 6(g/m(g/m3 3)1)1)空位数目空位数目2)2)计算空位
10、浓度计算空位浓度即在即在500 时，每时，每10106 6个原子中才有个原子中才有1.41.4个空位。个空位。3.1 3.1 点缺陷点缺陷 晶体中的点缺陷处于不断的运动状态当空位周围原子的热振动能超过激活能晶体中的点缺陷处于不断的运动状态当空位周围原子的热振动能超过激活能时，就可能脱离原来结点位置而跳跃到空位。正是靠这一机制，空位发生不断的迁时，就可能脱离原来结点位置而跳跃到空位。正是靠这一机制，空位发生不断的迁移，同时伴随原子的反向迁移。移，同时伴随原子的反向迁移。点缺陷（空位）的运动点缺陷（空位）的运动3.1 3.1 点缺陷点缺陷4.点缺陷的运动与材料行为点缺陷的运动与材料行为空位、间隙原
11、子的迁移空位、间隙原子的迁移空位与间隙原子的复合空位与间隙原子的复合原子的自扩散原子的自扩散3.1 3.1 点缺陷点缺陷原因：原因：无论那种点缺陷的存在，都会使其附近的原子稍微偏离原结点无论那种点缺陷的存在，都会使其附近的原子稍微偏离原结点位置才能平衡，即造成小区域的晶格畸变。位置才能平衡，即造成小区域的晶格畸变。1.1.提高材料的电阻提高材料的电阻：定向流动的电子在点缺陷处受到非平衡力：定向流动的电子在点缺陷处受到非平衡力(陷阱陷阱)，增加了阻力，加速运动提高局部温度增加了阻力，加速运动提高局部温度(发热发热)。2.2.加快原子的扩散迁移加快原子的扩散迁移 空位可作为原子运动的周转站。空位可
12、作为原子运动的周转站。3.3.形成其他晶体缺陷：形成其他晶体缺陷：过饱和的空位可集中形成内部的空洞，集中一片过饱和的空位可集中形成内部的空洞，集中一片的塌陷形成位错。的塌陷形成位错。4.4.改变材料的力学性能改变材料的力学性能：空位移动到位错处可造成刃位错的攀移，间隙：空位移动到位错处可造成刃位错的攀移，间隙原子和异类原子的存在会增加位错的运动阻力。强度提高，塑性下降。原子和异类原子的存在会增加位错的运动阻力。强度提高，塑性下降。点缺陷与材料行为点缺陷与材料行为5.点缺陷反应方程式点缺陷反应方程式 Kroger-VinkKroger-Vink符号符号缺陷种类缺陷种类缺陷有效电荷缺陷有效电荷缺陷
13、位置缺陷位置以以MgOMgO离子晶体为例离子晶体为例3.1 3.1 点缺陷点缺陷NaClNaCl形成肖特基缺陷形成肖特基缺陷NaClNaCl形形成成肖肖特特基基缺缺陷陷时时，NaNa+和和ClCl-离离子子迁迁移移到到表表面面新新位位置置上上，在在晶晶体体内内部部留下空位留下空位以以零零零零O O O O（naughtnaught）代表无缺陷状态，则：）代表无缺陷状态，则：3.1 3.1 点缺陷点缺陷AgBrAgBr形成弗仑克尔缺陷形成弗仑克尔缺陷其其中中半半径径小小的的AgAg+离离子子进进入入晶晶格格间间隙隙，在其格点上留下空位在其格点上留下空位正常格点离子未被占据的间隙位置正常格点离子未
14、被占据的间隙位置=间隙离子空位间隙离子空位3.1 3.1 点缺陷点缺陷3.1 3.1 点缺陷点缺陷杂质（组成）缺陷反应方程式杂质（组成）缺陷反应方程式杂质杂质产生的各种缺陷产生的各种缺陷基质基质 杂质进入基质晶体时，一般遵循杂质的正负离子分别进杂质进入基质晶体时，一般遵循杂质的正负离子分别进入基质的正负离子位置的原则，这样基质晶体的晶格畸变入基质的正负离子位置的原则，这样基质晶体的晶格畸变小，缺陷容易形成。小，缺陷容易形成。在不等价替换时，会产生间隙质点或空位。在不等价替换时，会产生间隙质点或空位。CaClCaCl2 2加入加入KClKCl中中以阳离子为基准，缺陷反应方程式为：以阳离子为基准，
15、缺陷反应方程式为：以阴离子为基准，缺陷反应方程式为：以阴离子为基准，缺陷反应方程式为：示例示例3.1 3.1 点缺陷点缺陷1.定义与特征定义与特征2.点缺陷类型点缺陷类型3.热缺陷的浓度热缺陷的浓度4.点缺陷与材料行为点缺陷与材料行为3.1 3.1 点缺陷点缺陷5.点缺陷反应方程式点缺陷反应方程式主要内容l介绍位错理论的发展历程l位错三大类型的结构与特征1、刃型位错：结构、特点2、螺型位错：结构、特点3、混合位错l重点与难点重点与难点 位错的基本类型与特征位错的基本类型与特征l重要概念：重要概念：1.1.刃位错刃位错2.2.螺型位错螺型位错3.3.混合位错混合位错3.2 位错（Dislocat
16、ions）回顾回顾晶体缺陷的分类：晶体缺陷的分类：(1)(1)点缺陷点缺陷(Point defects)-0(Point defects)-0维维 空位空位(Vacancy)(Vacancy)：肖脱基空位：肖脱基空位(Schottky Vacancy)(Schottky Vacancy)弗兰克尔缺陷弗兰克尔缺陷(Frenkel defect)(Frenkel defect)肖脱基空位 弗兰克尔空位 间隙原子间隙原子(Interstitial atoms)杂质或溶质原子杂质或溶质原子(Impurity or solute)(2)线缺陷(Linear defects)-1维 位错(Dislocat
17、ion)(3)面缺陷-2维 晶界(Grain boundary)相界(Phase boundary)孪晶界(Twin boundary)堆垛层错(Stacking faults)3.1 点缺陷点缺陷3.1.1 点缺陷的形成3.1.2 点缺陷的平衡浓度 空位的平衡浓度 （1）空位形成能迁移能迁移熵3.1.3 点缺陷的运动 点缺陷的迁移频率 （2）3.2 位错（Dislocations）1.1.线缺陷线缺陷(linear defects)(linear defects)：在三维空间的一个方向上的尺寸很大在三维空间的一个方向上的尺寸很大(晶粒数量级晶粒数量级)，另外两个方向上的尺寸很小，另外两个方向
18、上的尺寸很小(原子尺寸大小原子尺寸大小)的晶体缺的晶体缺陷。陷。晶体的线缺陷表现为各种类型的位错晶体的线缺陷表现为各种类型的位错。2.2.意义：意义：（1 1）对材料的力学行为如塑性变形、强度、断裂等起对材料的力学行为如塑性变形、强度、断裂等起着决定性的作用，着决定性的作用，（2 2）对材料的扩散过程有较大影响。）对材料的扩散过程有较大影响。（3 3）对材料的固态相变过程有较大影响。）对材料的固态相变过程有较大影响。（4 4）对材料的功能性（光、电、声、磁和热学性）、催）对材料的功能性（光、电、声、磁和热学性）、催化和表面性质等。化和表面性质等。3.位错理论的提出l位错的位错的“发明发明”也许
19、是材料科学历史上最为令人惊叹的也许是材料科学历史上最为令人惊叹的人间奇迹，说明一旦一个新概念产生，就将有力地推动科人间奇迹，说明一旦一个新概念产生，就将有力地推动科学的发展学的发展Robert W.Cahnl最初位错并非被最初位错并非被“发现发现”。这源于一个巨大的矛盾，即。这源于一个巨大的矛盾，即 ：（1 1）由由第一原理计算的塑性变形所需的应力远大于实第一原理计算的塑性变形所需的应力远大于实际能够观察到的晶体强度际能够观察到的晶体强度。（2 2）材料受到塑性变形后，会逐渐变硬，即产生所谓）材料受到塑性变形后，会逐渐变硬，即产生所谓加工硬化加工硬化现象。现象。l位错位错的概念最早是在研究晶体
20、滑移晶体滑移过程中提出来的。3.位错理论的提出 如果金属晶体受外加载荷或力外加载荷或力的作用，位错运动并穿过晶体，那么将引起一个永久性的形状变化，即：塑性变形。其结果是在晶体表面出现了明显的滑移痕迹-我们称之为滑移线滑移线。图片来自与网络p镁合金AM60表面经过抛光腐刻后,在疲劳裂纹扩展过程中沿裂纹周围产生的位错滑移线形貌。R.Zeng et al./International Journal of Fatigue 32(2010)411419变形镁合金AM60疲劳裂纹扩展过程中位错组态的变化R.Zeng et al./International Journal of Fatigue 32(2
21、010)411419位错理论的提出l1907年，沃尔特拉（年，沃尔特拉（Volterra）解决了一类弹性体中的）解决了一类弹性体中的内应力不连续的弹性问题，把它称为位错。内应力不连续的弹性问题，把它称为位错。l1926年，弗兰克尔发现理论晶体模型刚性切变强度与与年，弗兰克尔发现理论晶体模型刚性切变强度与与实测临界切应力的巨大差异。实测临界切应力的巨大差异。理论计算值理论计算值G/30；而实际屈服强度比理论值低而实际屈服强度比理论值低34个数量级。个数量级。位错理论的提出l 1934年，波朗依（Michael Polanyi,1891-1976）、泰勒(Geoffrey Taylor,1886-
22、1975)、奥罗万(Egon Orowan,1902-1989)几乎在同时获得了相同的结果，这一年发表的论文提出位错了的模型提出位错了的模型。特别是泰勒明确地把沃尔特拉位错引入晶体。（a）Orowan描绘的刃位错（b）Taylor描绘的刃位错图片来源：杨柯译，走进材料科学，化学工业出版社，2008p位错理论认为，晶体实际滑移过程并不是滑移面两位错理论认为，晶体实际滑移过程并不是滑移面两边的所有原子都同时做整体刚性滑动，而是通过在边的所有原子都同时做整体刚性滑动，而是通过在晶体存在的称为位错的线缺陷来进行，位错在较低晶体存在的称为位错的线缺陷来进行，位错在较低应力作用下就开始移动，使滑移区逐渐扩
23、大，直至应力作用下就开始移动，使滑移区逐渐扩大，直至整个滑移面上的原子都先后发生相对位移。整个滑移面上的原子都先后发生相对位移。l Taylor确定应变储存能储存于晶体缺陷处，以弹性畸变确定应变储存能储存于晶体缺陷处，以弹性畸变能的形式存在。能的形式存在。l Orowan对他所观察到对他所观察到Zn晶体受到应力变形时，这种变晶体受到应力变形时，这种变形是不连续的，而是以不连续跳跃的方式进行。推定每形是不连续的，而是以不连续跳跃的方式进行。推定每一次形变一次形变“跳跃跳跃”必定来源于晶体缺陷的运动。必定来源于晶体缺陷的运动。为什么三个人同时发表论文？为什么三个人同时发表论文？l Polanyi的
24、论文完成比Orowan 早几个月，但那时已与Orowan定期接触，了解他的想法，自愿等待一段时间，以便同时提交论文，并约定在同一期德文物理杂志（Zeitschrift Fuer Physik）并排发表。lPolanyi后来放弃了晶体塑性研究，成为哲学家；l Taylor在单晶和多晶力学分析方面以及加工硬化方面做了大量工作。lOrowan坚持位错研究，在位错运动与其它位错的交互作用以及晶体内部粒子对运动位错阻碍晶体内部粒子对运动位错阻碍的理论分析方面，提出了许多有重大影响的新思想。图片来源：(http:/ atmosphere）l1947年，肖克莱（年，肖克莱（Shockley）描绘了面心立方形
25、成扩展）描绘了面心立方形成扩展位错的过程。位错的过程。l1950年，弗兰克（年，弗兰克（Frank）和瑞德（）和瑞德（Read）同时提出位错）同时提出位错增殖机制。增殖机制。l1953年，奈（年，奈（Nye）和）和1954年比尔拜（年比尔拜（Bilby）以及以后的）以及以后的克朗尼（克朗尼（Kroener）提出无限小位错模型。）提出无限小位错模型。左图来源：杨柯译，走进材料科学，化学工业出版社，2008此图来自网络Frankl1950年，Frank预测了晶体表面的螺旋生长，并被印度物理学者Ajit Ram Verma用普通光学显微镜成功地观察到第一条螺旋线。论文发表在Nature。l同时紧邻的
26、论文是比利时的Severin Amelinckx。l右图为碳化硅晶体上生长的一条螺旋线，起始于一个螺型位错图片来源：杨柯译，走进材料科学，化学工业出版社，2008l1956年，门特（Menter）直接在电镜观察了铂钛青花晶体中位错的存在，同年，赫希（Hirsch）等应用相衬法在TEM中直接观察到了晶体中的位错。图片来源：杨柯译，走进材料科学，化学工业出版社，2008相似性-孪晶瀑布lMg-Li合金挤压后时效处理产生孪晶片TEM图图片来源：http:/ 青岛崂山石-人民英雄纪念碑的原石（300吨）搬运采用滚木运输图片来自网络http:/ types and characteristics of
27、dislocationsl位错是晶体原子排列的一种特殊组态。l根据几何结构，分类为：1.刃型位错(Edge dislocation)2.螺型位错(Screw dislocation)3.混合位错(Mixed dislocation)一、位错的基本类型和特征一、位错的基本类型和特征Basic types and characteristics of dislocations1.刃型位错（edge dislocation）立体模型平面图lEFGH插入晶体中使ABCD面上下部分产生了原子位置的错排-这就是刃型位错。l半排原子面-EFGH；滑移面-ABCD；位错线-EF形似性切面包 切肉位错的基本类型
28、和特征2）刃型位错结构的特点有一个额外的半原子面 正刃型位错 负刃型位错 刃型位错线已滑移区与未滑移区的边界线；不一定是直线，可以是折线或曲线；必与滑移方向相垂直，也垂直于滑移矢量。滑移面必定是同时包含有位错线和滑移矢量的平面滑移面必定是同时包含有位错线和滑移矢量的平面,滑移面滑移面唯一；唯一；位错周围点阵发生弹性畸变位错周围点阵发生弹性畸变正应变正应变+切应变；切应变；正刃型位错正刃型位错 滑移面上方点阵压应力滑移面上方点阵压应力/下方拉应力；下方拉应力；负刃型位错负刃型位错 滑移面上方点阵拉应力滑移面上方点阵拉应力/下方压应力下方压应力位错周围畸变区每个原子具有较大的能量。畸变区只有几个位
29、错周围畸变区每个原子具有较大的能量。畸变区只有几个原子间距宽原子间距宽-线缺陷。线缺陷。位错的基本类型和特征2.螺型位错（Screw dislocation）位错线位错线切应力滑移面1）螺型位错的产生螺型位错的产生位错线位错线/滑移方向滑移方向相似性相似性Spiral stair 旋梯 DNA 双螺旋结构晶体螺旋生长与晶体螺旋生长与DNADNA双螺旋结构的关系双螺旋结构的关系?lFrank预测了晶体表面的螺型生长，并被试验证实，这预测了晶体表面的螺型生长，并被试验证实，这件事情对现代生命科学产生了一个间接和重大的影响。件事情对现代生命科学产生了一个间接和重大的影响。l1953年，年，J.D.W
30、aston和和F.H.C.Crick确立了确立了DNA 分子分子的双螺旋结构，的双螺旋结构，揭示了遗传信息及其复制规律。揭示了遗传信息及其复制规律。l著作著作双螺旋结构：双螺旋结构：DNA结构发现的个人说明结构发现的个人说明 (The Double Helix:A Personel Account of the Discovery of the Structure of DNA)(Waston,1986)l作者谈到与作者谈到与Crick争论烟草嵌合病毒（争论烟草嵌合病毒（TMV TMV）具有螺型）具有螺型结构，受到法拉第学会讨论会论文集有关晶体生长理论结构，受到法拉第学会讨论会论文集有关晶体生
31、长理论的启发，肯定了的启发，肯定了DNA双螺旋结构。双螺旋结构。pWaston写道：写道：“那时我的情绪已十分消沉，后来我突然产那时我的情绪已十分消沉，后来我突然产生了一个奇思妙想，为什么这些亚单元应当具有螺旋式排生了一个奇思妙想，为什么这些亚单元应当具有螺旋式排列。列。p晚饭后，我无事可做，顺手读了一本法拉第学会讨论会论晚饭后，我无事可做，顺手读了一本法拉第学会讨论会论文集文集金属的结构金属的结构（他记错了，实际上应当是（他记错了，实际上应当是晶体的生晶体的生长长，它含有理论工作者，它含有理论工作者Frank关于晶体如何生长的一个关于晶体如何生长的一个巧妙理论。巧妙理论。p他们经过合理计算后
32、都得到一个与实际观察相矛盾的答他们经过合理计算后，都得到一个与实际观察相矛盾的答案，即晶体不可能以所观察到的速度生长。案，即晶体不可能以所观察到的速度生长。p然而，然而，FrankFrank看到，如果晶体并看到，如果晶体并非以寻常的方式生长非以寻常的方式生长，则，则这一悖论就消失了。这一悖论就消失了。p这种新的生长方式就是表面含有位错，其导致表面永久地这种新的生长方式就是表面含有位错，其导致表面永久地存在一个存在一个连接角连接角，这样新的分子可以不断地黏结在这个连，这样新的分子可以不断地黏结在这个连接角上。接角上。p几天后，我产生了一个新的想法，即每个几天后，我产生了一个新的想法，即每个TM
33、VTMV颗粒应当被颗粒应当被看成一个微小的生长晶体，与晶体一样，它们具有连接角，看成一个微小的生长晶体，与晶体一样，它们具有连接角，最重要的是产生连接角最简单的方式就是亚单元螺旋排列。最重要的是产生连接角最简单的方式就是亚单元螺旋排列。这个想法如此简单，所以它一定也是正确的）这个想法如此简单，所以它一定也是正确的）”资料来源：杨柯译，走进材料科学，化学工业出版社，2008位错的基本类型和特征2）螺型位错的特点：螺型位错的特点：无额外半原子面无额外半原子面，原子错排呈轴对称；右旋和左旋螺型位错；螺型位错线与滑移矢量平行，必是直线，且位错线位错线的移动方向与滑移方向垂直的移动方向与滑移方向垂直；纯
34、螺型位错的滑移面不是唯一不是唯一的；凡是包含螺型位错线的平面都可以作为滑移面。弹性畸变，只有切应变切应变无正应变；点阵畸变随离位错线距离的增加而急剧减少。位错的基本类型和特征3.混合位错混合位错滑移矢量既不垂直于位错线也不平行于位错线一条曲线位错线位错线b位错线位错线b位错的基本类型和特征位错的性质：位错的性质：（1）形状：不一定是直线，位错及其畸变区是一条管道。（2）是已滑移区和未滑移区的边界。（3）一根位错线不能中断于晶体内部。可在表面露头，或终止于晶界和相界，若它终止于晶体内部，则必与与其它位错线相连接，或在晶体内部自行封闭成位错环。位错晶界本节小结 本堂课主要介绍了位错理论的发展历程、
35、位错三大类型的结构与特征表1 刃位错和螺位错比较项目项目刃位错刃位错螺位错螺位错分类分类左右左右左右左右额外半原子面额外半原子面有有无无位错线位错线直线、折线、曲线直线、折线、曲线直线直线位错线与柏氏矢量位错线与柏氏矢量垂直垂直平行平行滑移面滑移面唯一唯一不唯一不唯一弹性畸变弹性畸变正应变和切应变正应变和切应变切应变切应变畸变能畸变能大大小小本节主要内容l柏氏矢量柏氏矢量1.1.柏氏矢量的确定柏氏矢量的确定2.2.柏氏矢量的特性柏氏矢量的特性3.3.柏氏矢量的表示法柏氏矢量的表示法l位错的运动位错的运动1.1.位错的滑移位错的滑移2.2.位错的攀移位错的攀移3.3.运动位错的交割运动位错的交割
36、上节内容回顾1、位错概念形成的发展历程2、刃型位错、螺型位错和混合位错的结构、特点二、柏氏矢量如何表征不同类型位错的特征?柏格斯提出了采用柏氏回路来定义位错，并借助一个规定的矢量(柏氏矢量)可揭示位错的本质.1.1.柏氏矢量的确定柏氏矢量的确定1）选定位错线的正向（规定出纸面的方向为位错线的）选定位错线的正向（规定出纸面的方向为位错线的正向）；正向）；2）在实际晶体中，从任一原子）在实际晶体中，从任一原子M出发，围绕位错（避出发，围绕位错（避开严重畸变区）以一定的步数作一右旋开严重畸变区）以一定的步数作一右旋闭合回路闭合回路；3）在完整晶体中按同样的方向和步数作相同的回路，）在完整晶体中按同样
37、的方向和步数作相同的回路，回路不封闭回路不封闭，由终点由终点Q向起点向起点M引一矢量引一矢量b，使该回路闭，使该回路闭合合，b即为实际晶体中位错的即为实际晶体中位错的柏氏矢量柏氏矢量。(a)实际晶体的伯氏回路 (b)完整晶体的相应回路PONQMNOPMQb刃型位错特征：伯氏矢量与位错线垂直！刃型位错特征：伯氏矢量与位错线垂直！位错线位错线螺型位错柏氏矢量的确定螺型位错柏氏矢量的确定：采用与刃型位错同样的方法：采用与刃型位错同样的方法：b b与位错线正向平行与位错线正向平行-右螺旋位错右螺旋位错b b与位错线反向平行与位错线反向平行-左螺旋位错左螺旋位错螺型位错特征：伯氏矢量与位错线平行！螺型位
38、错特征：伯氏矢量与位错线平行！位错线位错线2.柏氏矢量与位错类型的关系：l 刃型位错：柏氏矢量与位错线相互垂直。(依方向关系可分正、负刃型位错)l 螺型位错 柏氏矢量与位错线相互平行。(依方向关系可分左、右螺型位错)l 混合位错 柏氏矢量与位错线的夹角非0或90度。（1 1）位错周围的所有原子，都不同程度地偏离其平衡位置。）位错周围的所有原子，都不同程度地偏离其平衡位置。伯氏矢量的物理意义伯氏矢量的物理意义：反映位错周围点阵畸变总累积的物理量；反映位错周围点阵畸变总累积的物理量；矢量的方向表示位错的性质与位错的取向；矢量的方向表示位错的性质与位错的取向；矢量的模矢量的模|b|b|表示畸变的程度
39、称为位错的强度。表示畸变的程度，称为位错的强度。位错也可定义为位错也可定义为柏氏矢量不为零的晶体缺陷柏氏矢量不为零的晶体缺陷。3.3.柏氏矢量的特性柏氏矢量的特性(2)(2)柏氏矢量具有守恒性柏氏矢量具有守恒性.在确定柏氏矢量时，只规定了柏氏回路必须在好在确定柏氏矢量时，只规定了柏氏回路必须在好区内选取，而对其形状、大小区内选取，而对其形状、大小/和位置并没有作任何和位置并没有作任何限制。即：柏氏矢量与回路起点和具体路径无关。限制。即：柏氏矢量与回路起点和具体路径无关。（3 3）一根位错线具有唯一的柏氏矢量一根位错线具有唯一的柏氏矢量 一根不分叉的位错线，不论形状、位错类型如何变一根不分叉的
40、位错线，不论形状、位错类型如何变化，其各部分柏氏矢量都相同；且位错运动时或改变化，其各部分柏氏矢量都相同；且位错运动时或改变方向时，其柏氏矢量不变。方向时，其柏氏矢量不变。柏氏矢量（4 4），即：指向结点的各位错线的柏氏矢量之，即：指向结点的各位错线的柏氏矢量之和应等于离开结点的各位错线的柏氏矢量之和；和应等于离开结点的各位错线的柏氏矢量之和；（5 5）位错具有连续性）位错具有连续性位错在晶体中的存在形态：位错在晶体中的存在形态：l闭合的位错环；闭合的位错环；l连接于其它位错；连接于其它位错；l终止在晶界；终止在晶界；l露头于晶体表面露头于晶体表面但不能中断于晶体内部但不能中断于晶体内部4.柏
41、氏矢量的表示法l大小和方向可用点阵矢量a、b、c表示l立方晶系：，n为正整数l如果柏氏矢量b为柏氏矢量b1和b2之和，则按矢量加法法则有l柏氏矢量的大小或模，称为位错的强度：三、位错的运动位错最重要的性质之一是它可在晶体中运动。位错最重要的性质之一是它可在晶体中运动。晶体的宏观塑性变形是通过位错运动来实现的。晶体的宏观塑性变形是通过位错运动来实现的。晶体的力学性能如强度、塑性和断裂都与位错的运动晶体的力学性能如强度、塑性和断裂都与位错的运动有关。有关。位错基本运动方式：位错基本运动方式：滑移滑移攀移攀移1.位错的滑移守恒运动位错的滑移是在外加切应力的作用下，通过位错中心附近位错的滑移是在外加切
42、应力的作用下，通过位错中心附近的原子沿伯氏矢量方向走滑移面上不断做少量的位移（小的原子沿伯氏矢量方向走滑移面上不断做少量的位移（小于一个原子间距）而逐步实现的。于一个原子间距）而逐步实现的。弹性变形出现位错位错迁移晶体形状改变，但未断裂并仍保留原始晶体结构待变形晶体切应力切应力位错位错台阶台阶相似性-铺地毯与床单位错的易动性位错的易动性原子的微小移动导致晶体产生一个原子一个原子间距的位移间距的位移。多个位错的运动导致晶体的宏观变形。例如：地毯的挪动、蛇的爬行等。图片来源：W.D.Callister,Jr.,Fundamentals of Materials Science and Engine
43、ering,化学工业出版，2004相似性-毛虫的爬行与位错运动图片来源：W.D.Callister,Jr.,Fundamentals of Materials Science and Engineering,化学工业出版，20041）刃型位错的滑移位错的运动在外加切应力切应力的作用下发生；位错移动的方向和位错线垂直垂直；运动位错扫过的区域晶体的两部分发生了柏氏矢量大小的相对运动（滑移滑移）；位错移出晶体表面将在晶体的表面上产生柏氏矢量大小的台阶台阶。刃型位错的滑移刃型位错滑移导致晶体塑性变形的过程 2）螺型位错的滑移：螺型位错的滑移螺位错也是在外加切应力的作用下发生运动；螺位错也是在外加切应力
44、的作用下发生运动；位错移动的方向总是和位错线垂直；位错移动的方向总是和位错线垂直；运动位错扫过的区域晶体的两部分发生了柏氏矢量大运动位错扫过的区域晶体的两部分发生了柏氏矢量大小的相对运动（滑移）；小的相对运动（滑移）；位错移过部分在表面留下部分台阶，全部移出晶体的位错移过部分在表面留下部分台阶，全部移出晶体的表面上产生柏氏矢量大小的完整台阶。表面上产生柏氏矢量大小的完整台阶。刃、螺型位错滑移的比较刃、螺型位错滑移的比较因为位错线和柏氏矢量平行，所以螺型位错可以有多个滑移面，螺型位错无论在那个方向移动都是滑移。交滑移、双交滑移晶体两部分的相对移动量决定于柏氏矢量的大小和方向，与位错线的移动方向无
45、关。1.交滑移交滑移 螺型位错从一个滑移面转移到与之相交的另一滑移面的滑移。2.双交滑移双交滑移 交滑移后的位错再转回和原滑移面上继续运动。3）混合位错的滑移4）位错环的滑移在一个滑移面上存在一位错环。l前后为刃位错，在切应力的作用下，后部的半原子面在上方向后移动；前部的半原子面在下方，向前运动。l左右为螺位错，但螺旋方向相反，左边向左，右边向右运动；l其他为混合位错，均向外运动。l如果外加切应力相反，位错环将缩小，最后消失。l位错的运动都将使扫过的区间两边的原子层发生柏氏矢量大小的相对滑动。2.位错的攀移l概念：刃型位错在垂直于滑移面方向上的运动。正攀移多余半原子面向上运动负攀移多余半原子面
46、向下运动l切应力对刃位错的攀移是无效的切应力对刃位错的攀移是无效的;l正应力的存在有助于攀移正应力的存在有助于攀移(压应力有助正攀移，拉应力压应力有助正攀移，拉应力有助负攀移有助负攀移)，但对攀移的总体作用甚小。，但对攀移的总体作用甚小。l位错攀移时要吸收或是放出点缺陷，如果位错和其相邻位错攀移时要吸收或是放出点缺陷，如果位错和其相邻的点缺陷能保持平衡，那么位错的攀移是由扩散过程所的点缺陷能保持平衡，那么位错的攀移是由扩散过程所控制的。控制的。2.位错的攀移非守恒运动非守恒运动：攀移伴随着位错线附件原攀移伴随着位错线附件原子的增减，即有物质的迁移，需要原子子的增减，即有物质的迁移，需要原子的扩
47、散，需要的扩散，需要热激活热激活，室温下很难进行，室温下很难进行，需要较高温度下实现。需要较高温度下实现。如塑性变形高温回复时，刃位错发生攀如塑性变形高温回复时，刃位错发生攀移，移，沿垂直于滑移面方向排列并具有一沿垂直于滑移面方向排列并具有一定取向差的位错墙（小角度亚晶界），定取向差的位错墙（小角度亚晶界），形成形成多边化结构多边化结构（polygonization）。）。将在第将在第5 5章讨论。章讨论。图片来源于网络2.位错的攀移位错墙和多边化结构3.运动位错的交割1 1）割阶与扭折割阶与扭折位错运动过程中形成曲折线段位错运动过程中形成曲折线段.若曲折线段若曲折线段在位错的滑移面在位错的滑
48、移面上成为上成为扭折扭折；若曲折线段若曲折线段垂直垂直于位错的滑移面则称为于位错的滑移面则称为割阶割阶。割阶割阶刃型刃型 割阶割阶刃型位错刃型位错 螺型位错螺型位错 刃型刃型 扭折扭折螺型螺型 扭折扭折图片来源：冯端、师昌绪、刘治国.材料科学导论-融贯的论述,化学工业出版，2004SiSi单晶平台、台阶及扭折单晶平台、台阶及扭折STMSTM形貌形貌图片来源：冯端、师昌绪、刘治国.材料科学导论-融贯的论述,化学工业出版，20042）几种典型的位错交割两个柏氏矢量互相垂直的刃型位错交割割阶PP：柏氏矢量为b2，刃型位错 大小和方向取决于b1两个柏氏矢量互相平行的刃型位错交割形成扭折：螺型位错图片来
49、源：冯端、师昌绪、刘治国.材料科学导论-融贯的论述,化学工业出版，2004两个柏氏矢量垂直的刃位错和螺位错的交割刃位错AB上：形成割阶PP，大小等于|b2|且方向平行于b2，柏氏矢量b1螺位错CD上：形成扭折QQ，大小等于|b1|且方向平行于b1，柏氏矢量b2运动位错的交割运动位错的交割两个柏氏矢量相互垂直的两螺型位错的交割AB上：形成割阶PP，大小等于|b2|且方向平行于b2，柏氏矢量b1CD上：形成割阶QQ，大小等于|b1|且方向平行于b1，柏氏矢量b2小结a.位错交割后，每根位错线都可能产生一扭折和割阶，其大小和方向取决于另一位错的柏氏矢量，但具有原位错线的柏氏矢量；b.所有割阶都是刃型
50、位错，而扭折可以是刃型也可以是螺型；c.扭折可随主位错线运动，几乎无阻力，在线张力下易消失，割阶不能随主位错线运动，成为运动的障碍割阶硬化。3）带割阶位错的运动按割阶高度割阶高度为12个原子间距：外力足够大，可一起运动，割阶后面留下一排点缺陷。割阶高度约为20nm 两位错相互作用小，在各自的滑移面以割阶为轴旋转。割阶高度介于前两者之间 割阶之间的位错线弯曲，在身后留下一对位错偶，位错偶断开形成位错环。带割阶位错的运动图图 螺型位错中不同高螺型位错中不同高度割阶的行为度割阶的行为（a）小割阶被拖着一）小割阶被拖着一起走，后面留下一串起走，后面留下一串点缺陷；点缺陷；（b）非常大的割阶）非常大的割
