郑大材料科学基础ch3晶体缺陷.pptx

第三章第三章第三章第三章 晶体缺陷晶体缺陷晶体缺陷晶体缺陷授课 朱世杰2024/3/24 周日1本章内容本章内容概述概述点缺陷点缺陷线缺陷线缺陷面缺陷面缺陷第三章第三章第三章第三章 晶体缺陷晶体缺陷晶体缺陷晶体缺陷授课 朱世杰2024/3/24 周日2本章要求掌握的主要内容本章要求掌握的主要内容一一.需掌握的概念和术语需掌握的概念和术语1 1、点点缺缺陷陷、SchottkySchottky空空位位、FrankelFrankel空空位位、间间隙隙原原子子、置置换换原子原子2 2、线线缺缺陷陷、刃刃型型位位错错、螺螺型型位位错错、混混合合型型位位错错、柏柏氏氏矢矢量量、位位错错运运动动、滑滑移移、(双双)交交滑滑移移、多多滑滑移移、攀攀移移、交交割割、割割价价、扭扭折折、塞塞积积；位位错错应应力力场场、应应变变能能、线线张张力力、作作用用在在位位错错上上的的力力、位位错错密密度度、位位错错源源、位位错错生生成成、位位错错增增殖殖、位位错错分分解解与合成、位错反应、全位错、不全位错、堆垛层错与合成、位错反应、全位错、不全位错、堆垛层错3 3、面缺陷、表面、界面、界面能、晶界、相界、面缺陷、表面、界面、界面能、晶界、相界4 4、关关于于位位错错的的应应力力场场、位位错错的的应应变变能能、线线张张力力等等可可作作为为一一般了解般了解5 5、晶界的特性、晶界的特性(大、小角度晶界大、小角度晶界)、孪晶界、相界的类型、孪晶界、相界的类型第三章第三章第三章第三章 晶体缺陷晶体缺陷晶体缺陷晶体缺陷授课 朱世杰2024/3/24 周日3二二二二.本章重点及难点本章重点及难点本章重点及难点本章重点及难点1 1、点缺陷的平衡浓度公式点缺陷的平衡浓度公式点缺陷的平衡浓度公式点缺陷的平衡浓度公式 2 2 2 2、位错类型的判断及其特征、柏氏矢量、位错类型的判断及其特征、柏氏矢量、位错类型的判断及其特征、柏氏矢量、位错类型的判断及其特征、柏氏矢量 的特征，的特征，的特征，的特征，3 3 3 3、位位位位错错错错源源源源、位位位位错错错错的的的的增增增增殖殖殖殖(F-RF-RF-RF-R源源源源、双双双双交交交交滑滑滑滑移移移移机机机机制制制制等等等等)和和和和运运运运动、交割动、交割动、交割动、交割 4 4 4 4、关关关关于于于于位位位位错错错错的的的的应应应应力力力力场场场场、位位位位错错错错的的的的应应应应变变变变能能能能、线线线线张张张张力力力力等等等等可可可可作作作作为为为为一般了解一般了解一般了解一般了解 5 5 5 5、晶界的特性、晶界的特性、晶界的特性、晶界的特性(大、小角度晶界大、小角度晶界大、小角度晶界大、小角度晶界)、孪晶界、相界的类型、孪晶界、相界的类型、孪晶界、相界的类型、孪晶界、相界的类型第三章第三章第三章第三章 晶体缺陷晶体缺陷晶体缺陷晶体缺陷授课 朱世杰2024/3/24 周日4概概 述述前前面面章章节节都都是是就就理理想想状状态态的的完完整整晶晶体体而而言言，即即晶晶体体中中所所有有的的原原子子都都在在各各自自的的平平衡衡位位置置，处处于于能能量量最最低低状状态态。然然而而在在实实际际晶晶体体中中原原子子的的排排列列不不可可能能这这样样规规则则和和完完整整，而而是是或或多多或或少少地地存存在在离离开开理理想想的的区区域域，出出现现不不完完整整性性。正正如如我我们们日日常常生生活活中中见见到到玉玉米米棒棒上上玉玉米米粒粒的的分分布布。通通常常把把这这种种偏偏离离完完整整性性的的区区域域称称为为晶晶体体缺缺陷陷(crystaldefect,crystallineimperfection)。位错实验观测位错实验观测(dislocation.mpg)图图为为透透射射电电子子显显微微镜镜下下观观察察到到不不 锈锈 钢钢 316L(00Cr17Ni14Mo2)316L(00Cr17Ni14Mo2)的位错线与位错缠结的位错线与位错缠结第三章第三章第三章第三章 晶体缺陷晶体缺陷晶体缺陷晶体缺陷授课 朱世杰2024/3/24 周日5完美晶体完美晶体：即组成晶体的所有原子或离子都排列在晶格：即组成晶体的所有原子或离子都排列在晶格中它们自己的位置上，没有晶格空位，也没有间隙原子或离中它们自己的位置上，没有晶格空位，也没有间隙原子或离子。晶格中的原子或离子都是化学分子式中的原子或离子，子。晶格中的原子或离子都是化学分子式中的原子或离子，没有外来的杂质；晶体的原子之比符合化学计量比。没有外来的杂质；晶体的原子之比符合化学计量比。实际晶体实际晶体：与理想晶体有一些差异。如：处于晶体表面：与理想晶体有一些差异。如：处于晶体表面的原子或离子与体内的差异；晶体在形成时，常常是许多部的原子或离子与体内的差异；晶体在形成时，常常是许多部位同时成核生长，结果形成的不是单晶而是许多细小晶粒按位同时成核生长，结果形成的不是单晶而是许多细小晶粒按不规则排列组合起来的多晶体；在外界因素的作用下，原子不规则排列组合起来的多晶体；在外界因素的作用下，原子或离子脱离平衡位置和杂质原子的引入等。或离子脱离平衡位置和杂质原子的引入等。晶体缺陷的存在，破坏了完美晶体的有序性，引起晶体晶体缺陷的存在，破坏了完美晶体的有序性，引起晶体内能内能U和熵和熵S增加。增加。第三章第三章第三章第三章 晶体缺陷晶体缺陷晶体缺陷晶体缺陷授课 朱世杰2024/3/24 周日6完整不一定精彩完整不一定精彩 缺憾也是一种美缺憾也是一种美!第三章第三章第三章第三章 晶体缺陷晶体缺陷晶体缺陷晶体缺陷授课 朱世杰2024/3/24 周日7晶晶晶晶体体体体缺缺缺缺陷陷陷陷（CrystalCrystaldefectdefect）通通常常把把晶晶体体点点阵阵结构中周期性势场的畸变称为晶体的结构缺陷。结构中周期性势场的畸变称为晶体的结构缺陷。晶晶体体缺缺陷陷对对于于晶晶体体结结构构来来说说规规则则完完整整排排列列是是主主要要的的,而非完整性是次要的。而非完整性是次要的。对对一一些些对对结结构构敏敏感感性性能能来来说说，起起主主要要作作用用的的是是晶晶体的不完整性体的不完整性,而完整性是次要的；而完整性是次要的；一些相变、扩散变形等都与晶体缺陷有关。一些相变、扩散变形等都与晶体缺陷有关。第三章第三章第三章第三章 晶体缺陷晶体缺陷晶体缺陷晶体缺陷授课 朱世杰2024/3/24 周日8晶体结构缺陷的类型及特征晶体结构缺陷的类型及特征缺陷的缺陷的类型类型点缺陷点缺陷(pointdefect)(pointdefect)线缺陷线缺陷(linedefect)(linedefect)面缺陷面缺陷(planardefect)(planardefect)其特点是在三维方向上的尺寸都很小，缺陷的尺寸处在一或几个原子大小的级别，又称零维缺陷，例如空位，间隙原子和杂质原子等。其特点是仅在一维方向上的尺寸较大，而另外二维方向上的尺寸都很小，也称一维缺陷，通常是指各类位错。其特点是仅在二维方向上的尺寸较大，而另外一维方向上的尺寸很小，故也称二维缺陷，例如晶体表面、晶界、亚晶界、孪晶界、亚晶界、孪晶界和相界面等。第三章第三章第三章第三章 晶体缺陷晶体缺陷晶体缺陷晶体缺陷授课 朱世杰2024/3/24 周日93.1点缺陷点缺陷第三章第三章第三章第三章 晶体缺陷晶体缺陷晶体缺陷晶体缺陷授课 朱世杰2024/3/24 周日103.1.13.1.1点缺陷的形成及类型点缺陷的形成及类型点缺陷的形成及类型点缺陷的形成及类型 点缺陷点缺陷点缺陷点缺陷(pointdefect)(pointdefect)是在晶体晶格结点上或邻是在晶体晶格结点上或邻近区域偏离其正常结构的近区域偏离其正常结构的一种缺陷，它是最简单的一种缺陷，它是最简单的晶体缺陷，晶体缺陷，在三维空间各在三维空间各个方向上尺寸都很小，范个方向上尺寸都很小，范围约为一个或几个原子尺围约为一个或几个原子尺度度。第三章第三章第三章第三章 晶体缺陷晶体缺陷晶体缺陷晶体缺陷授课 朱世杰2024/3/24 周日11 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)(1)形成形成形成形成SchottkySchottky空位：空位：空位：空位：迁移到表面或内表面留下的空位。迁移到表面或内表面留下的空位。(2)(2)形成形成形成形成FrankelyFrankely缺陷：缺陷：缺陷：缺陷：挤入点阵间隙而形成的空位，并出挤入点阵间隙而形成的空位，并出现间隙原子。现间隙原子。(3)(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。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。点缺陷的类型有哪些？点缺陷的类型有哪些？点缺陷的类型有哪些？点缺陷的类型有哪些？第三章第三章第三章第三章 晶体缺陷晶体缺陷晶体缺陷晶体缺陷授课 朱世杰2024/3/24 周日12FrankelyFrankely缺陷缺陷缺陷缺陷：在晶格内原子或离子热在晶格内原子或离子热振动时，一些能量足够大的原子离开平振动时，一些能量足够大的原子离开平衡位置后，衡位置后，进入晶格点的间隙进入晶格点的间隙位置，变位置，变成间隙原子，而在原来的位置上成间隙原子，而在原来的位置上形成一形成一个空位个空位。那么晶体中将存在等浓度的晶。那么晶体中将存在等浓度的晶格空位和填隙原子，这种空位格空位和填隙原子，这种空位-间隙原间隙原子对称为子对称为Frankely缺陷缺陷。SchottkySchottky空位空位空位空位：如果正常格点上的原子：如果正常格点上的原子或离子，热起伏过程中获得能量离开平或离子，热起伏过程中获得能量离开平衡位置，跳跃到晶体的表面，在原正常衡位置，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。Frankely缺陷缺陷Schottky空位空位第三章第三章第三章第三章 晶体缺陷晶体缺陷晶体缺陷晶体缺陷授课 朱世杰2024/3/24 周日13点缺陷的类型点缺陷的类型点缺陷的类型点缺陷的类型：(1)置换原子置换原子(substitutional atom)：占据在原来基体原子平衡位置上的异：占据在原来基体原子平衡位置上的异类原子类原子。(2)空位空位(vacancy)：在晶格结点位置：在晶格结点位置未被占据的原子位置未被占据的原子位置。(3)间隙原子间隙原子(interstital atom）晶格晶格正常节点的的间隙中多余的原子。它们正常节点的的间隙中多余的原子。它们可能是同类原子，也可能是异类原子。可能是同类原子，也可能是异类原子。(4)杂质杂质原子原子：外来原子进入晶格，就：外来原子进入晶格，就成为晶体中的杂质。成为晶体中的杂质。异类间隙原子异类间隙原子：原子半径很小的外来原子，外来杂质原子。：原子半径很小的外来原子，外来杂质原子。自间隙原子自间隙原子(self-interstital atom)(同类同类)：形成弗兰克尔空位时：形成弗兰克尔空位时出现的间隙原子出现的间隙原子。第三章第三章第三章第三章 晶体缺陷晶体缺陷晶体缺陷晶体缺陷授课 朱世杰2024/3/24 周日14高分子晶体中的点缺陷高分子晶体中的点缺陷：（：（1）分子链上的异常键结合；）分子链上的异常键结合；（2）分子链位置发生交换；（）分子链位置发生交换；（3）分子链向相对方向折叠。）分子链向相对方向折叠。离子晶体中的点缺陷离子晶体中的点缺陷：（1）Schottky缺陷：一个正负离子缺陷：一个正负离子空位对。（空位对。（2）Frenkel缺陷：一个空位间隙离子对。缺陷：一个空位间隙离子对。离子晶体点缺陷类型离子晶体点缺陷类型离子晶体点缺陷类型离子晶体点缺陷类型第三章第三章第三章第三章 晶体缺陷晶体缺陷晶体缺陷晶体缺陷授课 朱世杰2024/3/24 周日153.1.23.1.2点缺陷的平衡浓度点缺陷的平衡浓度点缺陷的平衡浓度点缺陷的平衡浓度点点缺缺陷陷是是热热力力学学稳稳定定的的缺缺陷陷：点点缺缺陷陷与与线线、面面缺缺陷陷的的区区别别之之一一是是后后者者为为热热力力学学不不稳稳定定的的缺缺陷陷而而在在一一定定温温度度下下，晶晶体体中有一定平衡数量的空位和间隙原子，其数量可近似算出。中有一定平衡数量的空位和间隙原子，其数量可近似算出。空位形成空位形成时系统自由能的变化：时系统自由能的变化：F=U-TS U为内能，为内能，S为系统熵（包括振动熵为系统熵（包括振动熵SV和排列熵和排列熵SC）空空位位的的引引入入，一一方方面面由由于于弹弹性性畸畸变变使使晶晶体体内内能能增增加加；另另一一方方面面又又使使晶晶体体中中混混乱乱度度增增加加，使使熵熵增增加加。而而熵熵的的变变化化包包括括两部分两部分：空位改变它周围原子的振动引起振动熵，空位改变它周围原子的振动引起振动熵，SV.空空位位在在晶晶体体点点阵阵中中的的排排列列可可有有许许多多不不同同的的几几何何组组态态，使排列熵使排列熵SC增加。增加。第三章第三章第三章第三章 晶体缺陷晶体缺陷晶体缺陷晶体缺陷授课 朱世杰2024/3/24 周日16空位-体系能量曲线第三章第三章第三章第三章 晶体缺陷晶体缺陷晶体缺陷晶体缺陷授课 朱世杰2024/3/24 周日17内内能能(Internalenergy)变变化化U。n个个内内能能为为u的的点点缺缺陷陷使使系系统内能增加总量为统内能增加总量为:UnEv空空位位形形成成能能(vacancyformationenergy):形形成成一一个个空空位位时时引起系统能量的增加，记为引起系统能量的增加，记为Ev TS与与组组态态熵熵变变化化有有关关：点点缺缺陷陷的的存存在在使使体体系系混混乱乱程程度度增大，大大增加了系统的熵值。增大，大大增加了系统的熵值。通通过过热热力力学学分分析析，在在绝绝对对零零度度以以上上的的任任何何温温度度，晶晶体体中中最最稳稳定定的的状状态态是是含含有有一一定定浓浓度度的的点点缺缺陷陷的的状状态态，这这个个浓浓度度称称为为 该该 温温 度度 下下 晶晶 体体 中中 点点点点 缺缺缺缺 陷陷陷陷 的的的的 平平平平 衡衡衡衡 浓浓浓浓 度度度度(equilibriumconsistence)。经热力学推导：经热力学推导：C=n/N=exp(SC=n/N=exp(Sf f/k)exp(/k)exp(Ev/kT)Ev/kT)=Aexp(=Aexp(Ev/kT)Ev/kT)C与与T、Ev之间呈指数关系之间呈指数关系(下页表）。下页表）。T上升、上升、C升高升高。第三章第三章第三章第三章 晶体缺陷晶体缺陷晶体缺陷晶体缺陷授课 朱世杰2024/3/24 周日18EvEvEvEv对对对对C C C C的影响的影响的影响的影响金属种类金属种类PbAlMgAuCuPtWEv10-8J0.080.120.140.150.170.240.56C9.210-62.810-81.510-93.610-102.010-117.810-165.710-36由公式可得由公式可得：晶晶体体中中空空位位在在热热力力学学上上是是稳稳定定的的，一一定定温温度度T对对应应一一平平衡衡浓度浓度C。C与与T呈指数关系，温度升高，空位浓度增大。呈指数关系，温度升高，空位浓度增大。空位形成能空位形成能EV大，空位浓度小。大，空位浓度小。第三章第三章第三章第三章 晶体缺陷晶体缺陷晶体缺陷晶体缺陷授课 朱世杰2024/3/24 周日193.1.3 3.1.3 点缺陷的运动点缺陷的运动 点缺陷的运动方式点缺陷的运动方式:(1)(1)空位运动空位运动;空空位位缺缺陷陷的的运运动动实实质质上上是是原原子子的的迁迁移移过过程程，它它构构成成了了晶晶体体中原子传输的基础。中原子传输的基础。(2)(2)间隙原子迁移间隙原子迁移;(3)(3)空空位位和和间间隙隙原原子子相相遇遇，两两缺缺陷陷同同时时消消失失，称称为为点点点点缺缺缺缺陷陷陷陷的复合的复合的复合的复合 ;(4)(4)逸出晶体到表面，或移到晶界，点缺陷消失逸出晶体到表面，或移到晶界，点缺陷消失。第三章第三章第三章第三章 晶体缺陷晶体缺陷晶体缺陷晶体缺陷授课 朱世杰2024/3/24 周日203.1.4点缺陷对结构和性能的影响点缺陷对结构和性能的影响 无无论论那那种种点点缺缺陷陷的的存存在在，都都会会使使其其附附近近的的原原子子稍稍微微偏偏离离原原结结 点点 位位 置置 才才 能能 平平 衡衡，即即 引引 起起 晶晶晶晶 格格格格 畸畸畸畸 变变变变(distortion(distortion of of lattice),lattice),能量升高，结构不稳定，易发生转变。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：点缺陷的存在会引起性能的变化：(1)(1)物理性质、如物理性质、如R R、V V、等；等；(2)(2)力力学学性性能能：采采用用高高温温急急冷冷(如如淬淬火火 quenching),quenching),大大量量的的冷冷变变形形(cold(cold working),working),高高能能粒粒子子辐辐照照(radiation)(radiation)等等方方法法可可获获得得过饱和点缺陷，如使过饱和点缺陷，如使S S提高；提高；(3)(3)影响固态相变影响固态相变,化学热处理化学热处理(chemical heattreatment)(chemical heattreatment)等等第三章第三章第三章第三章 晶体缺陷晶体缺陷晶体缺陷晶体缺陷授课 朱世杰2024/3/24 周日21本节小节空位的类型空位的类型空位的平衡浓度及其公式空位的平衡浓度及其公式第三章第三章第三章第三章 晶体缺陷晶体缺陷晶体缺陷晶体缺陷授课 朱世杰2024/3/24 周日223.2 位位 错错 第三章第三章第三章第三章 晶体缺陷晶体缺陷晶体缺陷晶体缺陷授课 朱世杰2024/3/24 周日23 位位位位 错错错错（dislocationdislocation）是是一一种种线线缺缺陷陷,它它是是晶晶体体中中某某处处一一列列或或若若干干列列原原子子发发生生了了有有规规律律错错排排现现象象；错错排排区区是是细细长长的的管管状状畸畸变变区区,长长度度可可达达几几百百至至几几万万个个原原子子间间距距,宽宽仅仅几几个个原原子子间间距距。如右图是位错的一种。如右图是位错的一种。特特点点:在在一一维维方方向向的的尺尺寸寸较较长长，另另外外二二维维方方向向上上尺尺寸寸很很小小，从从宏宏观观看看缺缺陷陷是是线线状状的的。从从微微观观角角度度看看，位错是管状的。位错是管状的。第三章第三章第三章第三章 晶体缺陷晶体缺陷晶体缺陷晶体缺陷授课 朱世杰2024/3/24 周日24完完整整晶晶体体滑滑移移和和实实际际晶晶体体滑滑移移：完完整整晶晶体体滑滑移移的的理理论论剪剪切切强强度度要要远远高高于于实实际际晶晶体体滑滑移移的的对对应应强强度度，实实验验上上所所测测得得的的临临界界切切应应力力远远小小于于计计算算值值。理理论论值值大大了了约约100010000倍倍。从从而而促促进进了位错理论的产生和发展。了位错理论的产生和发展。Orowan把把晶晶体体的的滑滑移移过过程程比比喻为喻为蠕虫的运动蠕虫的运动。位位位位错错错错理理理理论论论论是是上上世世纪纪材材料料科科学学最最杰出成就之一。杰出成就之一。第三章第三章第三章第三章 晶体缺陷晶体缺陷晶体缺陷晶体缺陷授课 朱世杰2024/3/24 周日25理想晶体的滑移模型和刃型位错的滑移过程第三章第三章第三章第三章 晶体缺陷晶体缺陷晶体缺陷晶体缺陷授课 朱世杰2024/3/24 周日26晶体的理论切应力与实验值的比较（单位：晶体的理论切应力与实验值的比较（单位：晶体的理论切应力与实验值的比较（单位：晶体的理论切应力与实验值的比较（单位：MPaMPa）金属金属理论切应力理论切应力实验值实验值切变模量切变模量Al38300.78624400Ag39800.37225000Cu64800.49040700-Fe110002.7568950Mg26300.39316400第三章第三章第三章第三章 晶体缺陷晶体缺陷晶体缺陷晶体缺陷授课 朱世杰2024/3/24 周日273.2.1位错的基本类型和特征位错的基本类型和特征 位错的类型：刃型位错（位错的类型：刃型位错（edge dislocationedge dislocation）螺型位错（螺型位错（screw dislocationscrew dislocation）混合位错（混合位错（mixed dislocationmixed dislocation）可分解为刃型位错）可分解为刃型位错分量和螺型位错分量分量和螺型位错分量 刃型位错与螺型位错第三章第三章第三章第三章 晶体缺陷晶体缺陷晶体缺陷晶体缺陷授课 朱世杰2024/3/24 周日281.刃型位错刃型位错(1)刃型位错刃型位错(edge dislocation)的产生的产生第三章第三章第三章第三章 晶体缺陷晶体缺陷晶体缺陷晶体缺陷授课 朱世杰2024/3/24 周日29(2)刃型位错的定义和立体图示刃型位错的定义和立体图示在在某某一一水水平平面面以以上上多多出出了了垂垂直直方方向向的的原原子子面面，犹犹如如插插入入的的刀刀刃刃一一样样，称称为为刃刃型型位位错错线线。位位错错线线附附近近区区域域发发生生了了原原子错排，因此称为子错排，因此称为“刃型位错刃型位错”。刃刃型型位位错错线线：多多余余半半原原子子面面与与滑滑移移面的交线。面的交线。(链接链接)晶体局部滑移造成的刃型位错晶体局部滑移造成的刃型位错晶体局部滑移造成的刃型位错晶体局部滑移造成的刃型位错第三章第三章第三章第三章 晶体缺陷晶体缺陷晶体缺陷晶体缺陷授课 朱世杰2024/3/24 周日30 （3 3）刃型位错特征：）刃型位错特征：刃刃型型位位错错有有一一个个额额外外的的（多多余余）半半原原子子面面。正正刃刃型型位位错错用用“”表表示示，负负刃刃型型位位错错用用“”表表示示；其其正正负负只只是是相相对对而而言。言。判判断断用用右右手手定定则则：食食指指指指向向位位错错线线方方向向，中中指指指指向向柏柏氏氏矢矢量方向，量方向，拇指拇指指向多余半原子面方向。指向多余半原子面方向。第三章第三章第三章第三章 晶体缺陷晶体缺陷晶体缺陷晶体缺陷授课 朱世杰2024/3/24 周日31刃刃型型位位错错线线为为晶晶体体中中已已滑滑移移区区与与未未滑滑移移区区的的边边界界线线。刃刃型型位位错错线线不不一一定定是是直直线线，可可以以是是直直线线、折折线线或或曲曲线线。刃刃型型位位错错线线与与晶晶体体移移动动方方向向、柏柏氏氏矢矢量量垂垂直直。但但它它必必与与滑移方向相垂直，也垂直于滑移矢量。滑移方向相垂直，也垂直于滑移矢量。不同形状的刃型位错第三章第三章第三章第三章 晶体缺陷晶体缺陷晶体缺陷晶体缺陷授课 朱世杰2024/3/24 周日32 滑滑移移面面必必须须是是同同时时包包含含有有位位错错线线和和滑滑移移矢矢量量的的平平面面。由于位错线与滑移矢量互相垂直由于位错线与滑移矢量互相垂直,它们构成平面它们构成平面只有一个只有一个。晶晶体体中中存存在在刃刃位位错错后后,位位错错周周围围的的点点阵阵发发生生弹弹性性畸畸变变,既既有有正正应应变变,也也有有负负应应变变。点点阵阵畸畸变变相相对对于于多多余余半半原原子子面面是是左左右右对对称称的的，其其程程度度随随距距位位错错线线距距离离增增大大而而减减小小。就就正正刃刃型型位位错错而而言言，上上方方晶晶体体含含有有多多余余半半原原子子面面受受压压，原原子子间间距距小小于于正正常常点点阵阵常常数数；下下方方晶晶体体不不含含有有多多余余半半原原子子面面受受拉拉，原原子子间间距距大于正常点阵常数大于正常点阵常数。负刃型位错与此相反。负刃型位错与此相反。在在位位错错线线周周围围的的畸畸变变区区每每个个原原子子具具有有较较大大的的平平均均能能量量。但但该该区区只只有有几几个个原原子子间间距距宽宽，畸畸变变区区是是一一个个狭狭长长的的管管道道。位位错错在在晶晶体体中中引引起起的的畸畸变变在在位位错错线线中中心心处处最最大大，随随着着离离位位错错中中心距离的增大，晶体的畸变逐渐减小。心距离的增大，晶体的畸变逐渐减小。第三章第三章第三章第三章 晶体缺陷晶体缺陷晶体缺陷晶体缺陷授课 朱世杰2024/3/24 周日332.2.螺型位错螺型位错 (1)(1)螺型位错的形成螺型位错的形成:第三章第三章第三章第三章 晶体缺陷晶体缺陷晶体缺陷晶体缺陷授课 朱世杰2024/3/24 周日34螺型位错示意图第三章第三章第三章第三章 晶体缺陷晶体缺陷晶体缺陷晶体缺陷授课 朱世杰2024/3/24 周日352.2.螺型位错螺型位错 (1)(1)螺型位错的形成螺型位错的形成:(2)(2)螺型位错螺型位错的图示的图示 晶晶体体中中已已滑滑移移区区与与未未滑滑移移区区的的边边界界线线（即即位位错错线线）若若平平行行于于滑滑移移方方向向，则则在在该该处处附附近近原原子子平平面面已已扭扭曲曲为为螺螺旋旋面面，即即位位错错线线附附近近的的原原子子是是按按螺螺旋旋形形式式排排列列的的，这这种种晶晶 体体 缺缺 陷陷 称称 为为 螺螺 型型 位位 错错（screw dislocationscrew dislocation）。）。第三章第三章第三章第三章 晶体缺陷晶体缺陷晶体缺陷晶体缺陷授课 朱世杰2024/3/24 周日36(3)3)螺型位错的特点螺型位错的特点：螺型位错无额外的半原子面，原子错排成轴对称。螺型位错无额外的半原子面，原子错排成轴对称。根据螺旋前进方向可以人为定义根据螺旋前进方向可以人为定义右旋螺型位错右旋螺型位错和和左左旋螺型位错旋螺型位错；左、右旋分别用；左、右旋分别用左左(右右)法则法则来判断：拇指指来判断：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。无论将晶体如何放置都不会改变其左、右的性质。旋位错。无论将晶体如何放置都不会改变其左、右的性质。螺旋位错线与其滑移矢量平行，故螺旋位错线与其滑移矢量平行，故纯螺位错只能是纯螺位错只能是直线直线。且与。且与位错线移动方向与晶体滑移方向垂直位错线移动方向与晶体滑移方向垂直。第三章第三章第三章第三章 晶体缺陷晶体缺陷晶体缺陷晶体缺陷授课 朱世杰2024/3/24 周日37晶体局部滑移造成螺型位错晶体局部滑移造成螺型位错 纯螺位错的滑移面不是唯一的纯螺位错的滑移面不是唯一的，凡包含螺型位错线的平面，凡包含螺型位错线的平面都可以作为它的滑移面；但实际上，滑移通常是在那些原子密排都可以作为它的滑移面；但实际上，滑移通常是在那些原子密排面上进行。面上进行。螺旋位错线位错周围点阵也发生弹性畸变，但只有平行于螺旋位错线位错周围点阵也发生弹性畸变，但只有平行于位错线的切应变而无正应变，即不引起体积的膨胀和收缩；且在位错线的切应变而无正应变，即不引起体积的膨胀和收缩；且在垂直于位错线的平面投影上，看不到原子的位移，看不出缺陷。垂直于位错线的平面投影上，看不到原子的位移，看不出缺陷。螺位错周围只引起切应变而无体应变。错位线周围的应力场呈轴螺位错周围只引起切应变而无体应变。错位线周围的应力场呈轴对称分布。对称分布。位错畸变区也是几个原子位错畸变区也是几个原子间距宽度，同样是线缺陷。间距宽度，同样是线缺陷。第三章第三章第三章第三章 晶体缺陷晶体缺陷晶体缺陷晶体缺陷授课 朱世杰2024/3/24 周日38晶体局部滑移造成螺型位错晶体局部滑移造成螺型位错 如果有一条螺型位错线在晶体表面露头，在露头处的如果有一条螺型位错线在晶体表面露头，在露头处的晶面上必然形成一个台阶，这个台阶不会因覆盖了一层晶面上必然形成一个台阶，这个台阶不会因覆盖了一层原子而消失，它将永远存在。原子而消失，它将永远存在。这样螺位错露头处就是晶体生长的择优点，使之能在这样螺位错露头处就是晶体生长的择优点，使之能在过饱和度不高（过饱和度不高（1%1%，根据理论计算应高达，根据理论计算应高达50%50%）的晶体蒸）的晶体蒸气压或溶液中连续不断地生长。气压或溶液中连续不断地生长。第三章第三章第三章第三章 晶体缺陷晶体缺陷晶体缺陷晶体缺陷授课 朱世杰2024/3/24 周日39螺型位错螺型位错螺型位错螺型位错和和和和刃型位错刃型位错刃型位错刃型位错的结构特征对比的结构特征对比的结构特征对比的结构特征对比 p无额外的半原子面，原子错无额外的半原子面，原子错排呈轴对称，分右旋和左旋排呈轴对称，分右旋和左旋螺型位错；螺型位错；p一定是直线，与滑移矢量平一定是直线，与滑移矢量平行，位错线移动方向与晶体行，位错线移动方向与晶体滑移方向垂直；滑移方向垂直；p滑移面不是唯一的，包含螺滑移面不是唯一的，包含螺型位错线的平面都可以作为型位错线的平面都可以作为它的滑移面；它的滑移面；p位错周围点阵也发生弹性畸位错周围点阵也发生弹性畸变，但只有平行于位错线的变，但只有平行于位错线的切应变而无正应变，即不引切应变而无正应变，即不引起体积的膨胀和收缩；起体积的膨胀和收缩；p位错畸变区位错畸变区也是几个原子间也是几个原子间距宽度，同样是线位错。距宽度，同样是线位错。刃形位错有一个额外半原子刃形位错有一个额外半原子面面;刃形位错线是一个具有一定刃形位错线是一个具有一定宽度的细长晶格畸变管道宽度的细长晶格畸变管道,其中既有正应变其中既有正应变,又有切应又有切应变变;位错线与晶体滑移的方向垂位错线与晶体滑移的方向垂直直,即位错线运动的方向垂即位错线运动的方向垂直于位错线直于位错线第三章第三章第三章第三章 晶体缺陷晶体缺陷晶体缺陷晶体缺陷授课 朱世杰2024/3/24 周日403.混合位错混合位错(1)(1)混合位错混合位错（mixed dislocationmixed dislocation）的图示的图示 晶晶体体中中已已滑滑移移区区与与未未滑滑移移区区的的边边界界线线（即即位位错错线线）既既不不平平行行也也不不垂垂直直于于滑滑移移方方向向，即即滑滑移移矢矢量量与与位位错错线线成成任任意意角度，这种晶体缺陷称为混合型位错。角度，这种晶体缺陷称为混合型位错。晶体局部滑移形成混合位错晶体局部滑移形成混合位错第三章第三章第三章第三章 晶体缺陷晶体缺陷晶体缺陷晶体缺陷授课 朱世杰2024/3/24 周日41 位错环位错环位错环位错环(dislocation loopdislocation loop)是一种典型的混合位错。是一种典型的混合位错。是一种典型的混合位错。是一种典型的混合位错。(2)混合位错特征混合位错特征:混合位混合位错可分为刃型分量和螺型分量，错可分为刃型分量和螺型分量，它们分别具有刃位错和螺位错它们分别具有刃位错和螺位错的特征。的特征。刃刃:b;螺螺:b;混合位错的原子组态第三章第三章第三章第三章 晶体缺陷晶体缺陷晶体缺陷晶体缺陷授课 朱世杰2024/3/24 周日424.4.位错的易动性位错的易动性 晶体中位错处的原子处于高能不太稳定状态，因此在切晶体中位错处的原子处于高能不太稳定状态，因此在切应力作用下原子很容易移动。含有位错晶体的滑移过程实应力作用下原子很容易移动。含有位错晶体的滑移过程实质上是位错的运动过程，此过程质上是位错的运动过程，此过程中原子实际的位移距离远中原子实际的位移距离远小于原子间距小于原子间距，这种滑移要比两个相邻原子面整体相对移，这种滑移要比两个相邻原子面整体相对移动（即刚性滑移）容易得多。动（即刚性滑移）容易得多。（视频（视频dislocation motiondislocation motion）位错位错在外力作用下的运动过程。因此实际在外力作用下的运动过程。因此实际晶体滑移晶体滑移所需要的临所需要的临界切应力便远远小于刚性滑移，即晶体的实际强度比理论界切应力便远远小于刚性滑移，即晶体的实际强度比理论强度低得多。强度低得多。多个位错的运动导致晶体的宏观变形。多个位错的运动导致晶体的宏观变形。第三章第三章第三章第三章 晶体缺陷晶体缺陷晶体缺陷晶体缺陷授课 朱世杰2024/3/24 周日433.2.2 柏氏矢量柏氏矢量用用来来描描述述位位错错区区域域原原子子的的畸畸变变特特征征（包包括括畸畸变变发发生生在在什什么么晶晶向向以以及及畸畸变变有有多多大大）的的物物理理参参量量，称称为为柏柏柏柏氏氏氏氏矢矢矢矢量量量量(Burgers(Burgers vector)vector)。在在实实际际晶晶体体中中，假假定定有有一一位位错错，在在位位错错周周围围的的“好好”区区内内围围绕绕位位错错线线作作一一任任意意大小的闭合回路，即称为大小的闭合回路，即称为柏氏回路柏氏回路柏氏回路柏氏回路。回回回回路路路路的的的的方方方方向向向向人人人人为为为为的的的的用用用用右右右右手手手手螺螺螺螺旋旋旋旋法法法法则则则则来来来来定定定定义义义义，回回路路的的起起点点是是任任取取的的，即即：规规定定位位错错线线指指出出屏屏幕幕(纸纸面面)为为正正，我我们们用用右右手手的的拇拇指指指指向向位位错错的的正正向向，其其余余四四指指的的指向就是柏氏回路的方向。指向就是柏氏回路的方向。第三章第三章第三章第三章 晶体缺陷晶体缺陷晶体缺陷晶体缺陷授课 朱世杰2024/3/24 周日44 1.1.1.1.柏氏矢量柏氏矢量柏氏矢量柏氏矢量(Burgers vector)的确定的确定的确定的确定：选选定定位位错错线线的的正正方方向向()。一一般般选选定定出出纸纸面面的的方方向向为为位错线的正向位错线的正向。在在实实际际晶晶体体中中避避开开严严重重畸畸变变区区作作柏柏氏氏回回路路(Burgers(Burgers circuit)circuit)，即在位错周围沿着点阵结点形成封闭回路。，即在位错周围沿着点阵结点形成封闭回路。在在完完整整晶晶体体中中按按(2)(2)中中相相同同方方向向和和步步数数作作同同样样大大小小的的回回路路。回回路路不不封封闭闭，由由终终点点向向起起点点作作矢矢量量即即为为柏柏氏氏矢量矢量。第三章第三章第三章第三章 晶体缺陷晶体缺陷晶体缺陷晶体缺陷授课 朱世杰2024/3/24 周日45(1)(1)(1)(1)刃位错的柏氏回路刃位错的柏氏回路刃位错的柏氏回路刃位错的柏氏回路第三章第三章第三章第三章 晶体缺陷晶体缺陷晶体缺陷晶体缺陷授课 朱世杰2024/3/24 周日46(2)(2)(2)(2)螺型位错的柏氏回路螺型位错的柏氏回路螺型位错的柏氏回路螺型位错的柏氏回路第三章第三章第三章第三章 晶体缺陷晶体缺陷晶体缺陷晶体缺陷授课 朱世杰2024/3/24 周日472.2.用柏氏矢量判断位错类型用柏氏矢量判断位错类型(1)(1)(1)(1)用柏氏矢量判断位错类型用柏氏矢量判断位错类型用柏氏矢量判断位错类型用柏氏矢量判断位错类型:(1)(1)(1)(1)刃型位错刃型位错刃型位错刃型位错 ebeebeebeebe 右右右右手手手手法法法法则则则则:食食食食指指指指指指指指向向向向位位位位错错错错线线线线方方方方向向向向，中中中中指指指指指指指指向向向向柏柏柏柏氏氏氏氏矢矢矢矢量量量量方方方方向向向向，拇指拇指拇指拇指指向代表多余半面子面位向，向上为正，向下为负。指向代表多余半面子面位向，向上为正，向下为负。指向代表多余半面子面位向，向上为正，向下为负。指向代表多余半面子面位向，向上为正，向下为负。(2)(2)(2)(2)螺型位错螺型位错螺型位错螺型位错 sbssbssbssbs 正正正正向向向向（方方方方向向向向相相相相同同同同）为为为为右右右右螺螺螺螺旋旋旋旋位位位位错错错错，负负负负向向向向（方方方方向向向向相相相相反反反反）为为为为左左左左螺旋位错螺旋位错螺旋位错螺旋位错。(3)(3)(3)(3)混合位错混合位错混合位错混合位错 柏氏矢量与位错线方向成夹角柏氏矢量与位错线方向成夹角柏氏矢量与位错线方向成夹角柏氏矢量与位错线方向成夹角 刃型分量刃型分量刃型分量刃型分量bebebebe和螺型分量和螺型分量和螺型分量和螺型分量bsbsbsbs第三章第三章第三章第三章 晶体缺陷晶体缺陷晶体缺陷晶体缺陷授