晶体缺陷上海交大材料科学基础市公开课一等奖百校联赛获奖课件.pptx

文档仅供参考，如有不当之处，请联系改正。理想金属理想金属实际金属材料中，因为原子（分子或离实际金属材料中，因为原子（分子或离子）热运动、晶体形成条件、加工过程、子）热运动、晶体形成条件、加工过程、杂质等原因影响，使得实际晶体中原子杂质等原因影响，使得实际晶体中原子排列不再规则、完整，存在各种偏离理排列不再规则、完整，存在各种偏离理想结构情况想结构情况BCCFCCHCP规则排列规则排列晶体缺点晶体缺点defectsorimperfections晶体缺点对晶体性能、扩散、相变等有主要影响晶体缺点对晶体性能、扩散、相变等有主要影响1第1页文档仅供参考，如有不当之处，请联系改正。第三章第三章晶体缺点晶体缺点CrystalDefectsorImperfections2第2页文档仅供参考，如有不当之处，请联系改正。实际金属材料几乎都是实际金属材料几乎都是多晶体，多晶体，即由许多彼此方位即由许多彼此方位不一样、外形不规则小晶体（不一样、外形不规则小晶体（单晶体单晶体）组成，这些）组成，这些小晶体称为小晶体称为晶粒晶粒grains。纯铁组织纯铁组织晶粒示意图晶粒示意图3第3页文档仅供参考，如有不当之处，请联系改正。单晶体和多晶体单晶体和多晶体区分区分单晶体单晶体：是指在整个晶体内部原子都按照周期性规则排列。：是指在整个晶体内部原子都按照周期性规则排列。单晶体单晶体4第4页文档仅供参考，如有不当之处，请联系改正。沿晶断口沿晶断口铅锭宏观组织铅锭宏观组织变形金属晶粒尺寸约变形金属晶粒尺寸约1100 m，铸造金属可达几个，铸造金属可达几个mm。多晶体：多晶体：是指在晶体内每个局部区域里原子按周期性规则排列，是指在晶体内每个局部区域里原子按周期性规则排列，但不一样局部区域之间原子排列方向并不相同，所以多晶体也但不一样局部区域之间原子排列方向并不相同，所以多晶体也可看成由许多取向不一样小单晶体（晶粒）组成。可看成由许多取向不一样小单晶体（晶粒）组成。5第5页文档仅供参考，如有不当之处，请联系改正。缺点分类：缺点分类：依据缺点几何特征依据缺点几何特征点缺点（点缺点（Point defects）：）：最简单晶体缺点，在结点上或邻近微观区最简单晶体缺点，在结点上或邻近微观区域内偏离晶体结构正常排列。在空间三维方向上尺寸都很小，约为一个、域内偏离晶体结构正常排列。在空间三维方向上尺寸都很小，约为一个、几个原子间距，又称几个原子间距，又称零维缺点零维缺点。包含。包含空位空位vacancies、间隙原子、间隙原子interstitial atoms、杂质、杂质impurities、溶质原子、溶质原子solutes等。等。线缺点（线缺点（Linear defects）：）：在一个方向上缺点扩展很大，其它两个方在一个方向上缺点扩展很大，其它两个方向上尺寸很小，也称为向上尺寸很小，也称为一维缺点一维缺点。主要为。主要为位错位错dislocations。面缺点（面缺点（Planar defects）：）：在两个方向上缺点扩展很大，其它一个方在两个方向上缺点扩展很大，其它一个方向上尺寸很小，也称为向上尺寸很小，也称为二维缺点二维缺点。包含。包含晶界晶界grain boundaries、相界、相界phase boundaries、孪晶界、孪晶界twin boundaries、堆垛层错、堆垛层错stacking faults等。等。6第6页文档仅供参考，如有不当之处，请联系改正。3.1 点缺点点缺点Point defects指空间三维尺寸都很小缺点。指空间三维尺寸都很小缺点。7第7页文档仅供参考，如有不当之处，请联系改正。1.Formationsofpointdefects晶体中点阵结点上原子以其平衡位置为中心作晶体中点阵结点上原子以其平衡位置为中心作热振动热振动，当振，当振动能足够大时，将克服周围原子制约，跳离原来位置，使得动能足够大时，将克服周围原子制约，跳离原来位置，使得点阵中形成空结点，称为点阵中形成空结点，称为空位空位vacanciesvacancies空位产生后，其周围原子相互间作用力失去平衡，因而它们朝空空位产生后，其周围原子相互间作用力失去平衡，因而它们朝空位方向稍有移动，形成一个包括几个原子间距范围位方向稍有移动，形成一个包括几个原子间距范围弹性畸变区弹性畸变区，即即晶格畸变晶格畸变。A.空位空位vacancies空位空位晶格中一些缺排晶格中一些缺排原子空结点原子空结点8第8页文档仅供参考，如有不当之处，请联系改正。Classificationsofvacancies迁移到晶体表面或内表面正常结点位置，使晶体内部留下迁移到晶体表面或内表面正常结点位置，使晶体内部留下空位。空位。挤入间隙位置，在晶体中形成数目相等空位和间隙原子。挤入间隙位置，在晶体中形成数目相等空位和间隙原子。离开平衡位置原子离开平衡位置原子:还能够跑到其它空位中，使空位消失或者空位移位。还能够跑到其它空位中，使空位消失或者空位移位。肖脱基（肖脱基（Schottky）缺点）缺点弗兰克尔（弗兰克尔（Frenkel）缺点）缺点9第9页文档仅供参考，如有不当之处，请联系改正。B.间隙原子间隙原子interstitialatoms间隙原子间隙原子挤进晶格间隙中原子，能挤进晶格间隙中原子，能够是基体金属原子，也能够是基体金属原子，也能够是外来原子。够是外来原子。间隙原子间隙原子一样会使周围点阵产生一样会使周围点阵产生弹性畸变弹性畸变，而且畸，而且畸变程度要比空位引发变程度要比空位引发畸变大畸变大多，所以，多，所以，形成能大形成能大，在晶体中在晶体中浓度很低浓度很低。10第10页文档仅供参考，如有不当之处，请联系改正。小置换原子小置换原子大置换原子大置换原子取代原来原子位取代原来原子位置外来原子置外来原子C.置换原子置换原子substitutionalatoms11第11页文档仅供参考，如有不当之处，请联系改正。点缺点破坏了原子平衡状态，使晶格发生扭曲，称点缺点破坏了原子平衡状态，使晶格发生扭曲，称晶格畸变晶格畸变。从而使强度、硬度提升，塑性、韧性下降；电阻从而使强度、硬度提升，塑性、韧性下降；电阻升高，密度减小等。升高，密度减小等。点缺点对晶体性能影响点缺点对晶体性能影响12第12页文档仅供参考，如有不当之处，请联系改正。因为热起伏促使原子脱离点阵位置而形成点缺点称为因为热起伏促使原子脱离点阵位置而形成点缺点称为热平衡缺点（热平衡缺点（thermalequilibriumdefects），这是），这是晶体内原子热运动晶体内原子热运动内部条件内部条件决定。决定。另外，可经过改变另外，可经过改变外部条件外部条件形成点缺点，包含高温淬形成点缺点，包含高温淬火、冷变形加工、高能粒子辐照等，这时点缺点浓度火、冷变形加工、高能粒子辐照等，这时点缺点浓度超出了平衡浓度，称为超出了平衡浓度，称为过饱和点缺点过饱和点缺点(supersaturatedpointdefects)。13第13页文档仅供参考，如有不当之处，请联系改正。点缺点存在点缺点存在造成点阵畸变，造成点阵畸变，系统内能升高，系统内能升高，降低晶体热力学稳定性降低晶体热力学稳定性增大原子排列混乱程度，并改变周围原子振动频率，增大原子排列混乱程度，并改变周围原子振动频率，系系统组态熵和振动熵升高，统组态熵和振动熵升高，增加晶体热力学稳定性增加晶体热力学稳定性Contradictory!2.点缺点平衡浓度点缺点平衡浓度在一定温度下含有一定平衡浓度在一定温度下含有一定平衡浓度14第14页文档仅供参考，如有不当之处，请联系改正。恒温下，系统自由能恒温下，系统自由能其中其中U为内能，为内能，S为总熵值（包含组态熵为总熵值（包含组态熵Sc和振动熵和振动熵Sf），），T为绝对温度为绝对温度设由设由N个原子组成晶体中含有个原子组成晶体中含有n个空位，形成一个空位个空位，形成一个空位所需能量为所需能量为Ev，当含有，当含有n个空位时，其内能增加为个空位时，其内能增加为U=n*Ev，组态熵改变为，组态熵改变为Sc，振动熵改变为，振动熵改变为n*Sf，自由能改变为自由能改变为点缺点平衡浓度点缺点平衡浓度15第15页文档仅供参考，如有不当之处，请联系改正。平衡时自由能最小，即对平衡时自由能最小，即对T求导，即求导，即则空位在则空位在T温度时温度时空位平衡浓度空位平衡浓度C为：为：其中，其中，k为波尔兹曼常数（为波尔兹曼常数（1.38x10-23J/K或或8.62x10-5eV/K)类似地，类似地，间隙原子平衡浓度间隙原子平衡浓度C：16第16页文档仅供参考，如有不当之处，请联系改正。ExamplePlease calculate the equilibrium number of vacancies per cubic meter for copper（Cu）at 1000oC.The energy for vacancy formation（Ev）is 0.9 eV/atom;the atomic weight（MCu）and density（）(at 1000oC)for copper are 63.5 g/mol and 8.4 g/cm3,respectively.Solution:依据空位平衡浓度公式依据空位平衡浓度公式C=n/N=Aexp(-Ev/kT)每立方米铜中空位数（每立方米铜中空位数（1000oC即即1273K）为）为n=Nexp(-Ev/kT)=2.2x1025vacancies/m3其中其中k为为Boltzmansconstant（1.38x10-23J/K或或8.62x10-5eV/K)(按按A=1考虑）考虑）17第17页文档仅供参考，如有不当之处，请联系改正。普通，晶体中普通，晶体中间隙原子间隙原子形成能比形成能比空位空位形成能大形成能大3-4倍倍，间隙原子量，间隙原子量与空位相比能够忽略。与空位相比能够忽略。比如，比如，Cu空位形成能为空位形成能为1.7*10-19J，间隙原子形成能为，间隙原子形成能为4.8*10-19J，在，在1273K时，空位平衡浓度时，空位平衡浓度C10-4，间隙原子，间隙原子C10-14，C/C1010。所以间隙原子可忽略不计。所以间隙原子可忽略不计。1eV100kJ/mol18第18页文档仅供参考，如有不当之处，请联系改正。3.点缺点运动点缺点运动 必定性：必定性：在一定温度下，点缺点数目（浓度）一定，并处在一定温度下，点缺点数目（浓度）一定，并处于不停运动过程中，是一个动态平衡。于不停运动过程中，是一个动态平衡。迁移：迁移：晶格上原子因为热运动，跳入空位中，形成另一个晶格上原子因为热运动，跳入空位中，形成另一个空位，原来空位消失。这一过程能够看作空位移动，即空位空位，原来空位消失。这一过程能够看作空位移动，即空位迁移。一样，间隙原子可从一个位置移动到另一个位置，形迁移。一样，间隙原子可从一个位置移动到另一个位置，形成间隙原子迁移。成间隙原子迁移。复合：复合：间隙原子落入空位，使二者都消失。因为要求一定间隙原子落入空位，使二者都消失。因为要求一定温度下点缺点平衡浓度保持一定，所以，又会产生新间隙原温度下点缺点平衡浓度保持一定，所以，又会产生新间隙原子、空位。子、空位。19第19页文档仅供参考，如有不当之处，请联系改正。点缺点运动产生影响：点缺点运动产生影响：晶体中原子正是因为晶体中原子正是因为空位和间隙原子不停产生和复合空位和间隙原子不停产生和复合，才不停地，才不停地由一处向另一处作无规则布朗运动，这就是晶体中原子由一处向另一处作无规则布朗运动，这就是晶体中原子自扩散自扩散。它是固态相变、表面化学热处理、蠕变、烧结基础。它是固态相变、表面化学热处理、蠕变、烧结基础。晶体性能改变：晶体性能改变：体积、光学、磁性、导电性等改变。体积、光学、磁性、导电性等改变。如体积膨胀、密度降低等如体积膨胀、密度降低等20第20页文档仅供参考，如有不当之处，请联系改正。3.2 线缺点线缺点Linear defects晶体中位错晶体中位错dislocations当晶格中一部分晶体相对于另一部分晶体发生局部滑移时，当晶格中一部分晶体相对于另一部分晶体发生局部滑移时，滑移面上滑移区与未滑移区交界限称作滑移面上滑移区与未滑移区交界限称作位错位错。21第21页文档仅供参考，如有不当之处，请联系改正。位错位错Dislocations 线缺点线缺点就是各种类型位错。它是就是各种类型位错。它是指晶体中原子发生了有规律错排现指晶体中原子发生了有规律错排现象。象。其特点是原子发生错排范围只在其特点是原子发生错排范围只在一维方向一维方向上很大，是一个直径为上很大，是一个直径为 3 35 5个原子间距，长数百个原子个原子间距，长数百个原子间距以上管状原子畸变区。间距以上管状原子畸变区。位错是一个极为主要晶体缺点，位错是一个极为主要晶体缺点，对对金属强度金属强度、塑性变形塑性变形、扩散扩散和和相相变变等有显著影响。等有显著影响。位错包含两种基本类型：位错包含两种基本类型：刃型位刃型位错和错和 螺型位错螺型位错Dislocations in Titanium alloyTEM51450 x22第22页文档仅供参考，如有不当之处，请联系改正。位错（位错（Dislocation）理论发展）理论发展起源：塑性变形起源：塑性变形(plasticdeformation)滑移滑移(slip)滑移线滑移线最初模型：最初模型：“刚性相对滑动模型刚性相对滑动模型”计算临界切应力计算临界切应力 m=G/30（G切变模量）切变模量）纯纯Fe切变模量约为：切变模量约为：100GPa纯纯Fe理论临界切应力：约理论临界切应力：约3000MPa纯纯Fe实际屈服强度：实际屈服强度：110MPa1934年年Taylor、Orowan、Polanyi提出提出“位错模型位错模型”，滑移是经过称为位错运动而进行滑移是经过称为位错运动而进行1950年代后年代后位错模型为试验所验证位错模型为试验所验证现在，位错是晶体性能研究中现在，位错是晶体性能研究中最主要概念最主要概念被广泛用来研究固态相变、晶体光、电、声、磁、热力学，表面及催化等被广泛用来研究固态相变、晶体光、电、声、磁、热力学，表面及催化等相差相差3-4个数量级个数量级23第23页文档仅供参考，如有不当之处，请联系改正。3.2.1.位错基本类型和特征位错基本类型和特征刃型位错刃型位错edgedislocation螺型位错螺型位错screwdislocation位错是原子排列一个特殊组态。位错是原子排列一个特殊组态。依据几何结构依据几何结构混合位错混合位错mixeddislocation24第24页文档仅供参考，如有不当之处，请联系改正。A.刃型位错刃型位错edgedislocation刃型位错：当一个完整晶体某晶面以上某处多出半个原子面，刃型位错：当一个完整晶体某晶面以上某处多出半个原子面，该晶面象刀刃一样切入晶体，这个多出原子面边缘就是该晶面象刀刃一样切入晶体，这个多出原子面边缘就是刃型刃型位错位错。半原子面在滑移面以上称正位错，用半原子面在滑移面以上称正位错，用“”表示。表示。半原子面在滑移面以下称负位错，用半原子面在滑移面以下称负位错，用“”表示。表示。刃型位错刃型位错25第25页文档仅供参考，如有不当之处，请联系改正。刃型位错特点：刃型位错特点：A.若额外半原子面位于晶体上半部，则此处位错线称为若额外半原子面位于晶体上半部，则此处位错线称为正刃型位正刃型位错（错（），反之，则称为，反之，则称为负刃型位错（负刃型位错（）。二者没有本质区分。二者没有本质区分。B.B.刃型位错线能够了解为刃型位错线能够了解为已滑移区已滑移区和和未滑移区未滑移区分界限，它分界限，它不一定不一定是直线是直线；26第26页文档仅供参考，如有不当之处，请联系改正。C.C.滑移面滑移面是同时包含位错线和滑移是同时包含位错线和滑移 矢量平面，刃型位错位错线和滑矢量平面，刃型位错位错线和滑移矢量相互垂直，一个刃型位错所组成移矢量相互垂直，一个刃型位错所组成滑移面只有一个滑移面只有一个；D.D.位错存在使得位错周围点阵发生弹性畸变，即有切应变，又有正位错存在使得位错周围点阵发生弹性畸变，即有切应变，又有正应变。对正刃型位错而言，应变。对正刃型位错而言，位错线上、下部临近范围内原子受到位错线上、下部临近范围内原子受到压压应力、拉应力应力、拉应力,离位错线较远处原子排列恢复正常。离位错线较远处原子排列恢复正常。E.在位错线周围畸变区内，每个原子含有较大平均能量。这个区域在位错线周围畸变区内，每个原子含有较大平均能量。这个区域只有几个原子间距宽，是狭长管道，所以刃型位错是线缺点。只有几个原子间距宽，是狭长管道，所以刃型位错是线缺点。27第27页文档仅供参考，如有不当之处，请联系改正。电子显微镜下位错透射电镜下钛合金中位错线透射电镜下钛合金中位错线(黑线黑线)高分辨率电镜下刃位错（白高分辨率电镜下刃位错（白高分辨率电镜下刃位错（白高分辨率电镜下刃位错（白点为原子）点为原子）点为原子）点为原子）28第28页文档仅供参考，如有不当之处，请联系改正。点缺点点缺点空位空位间隙原子间隙原子置换原子置换原子在一定温度下含有一定平衡在一定温度下含有一定平衡浓度浓度C=n/N=e-Ev/kT刃型位错刃型位错螺型位错螺型位错点缺点运动：自扩散！点缺点运动：自扩散！线缺点线缺点位错位错2nd29第29页文档仅供参考，如有不当之处，请联系改正。刃型位错特点：刃型位错特点：A.若额外半原子面位于晶体上半部，则称为若额外半原子面位于晶体上半部，则称为正刃型位错（正刃型位错（），反之，为，反之，为负刃型位错（负刃型位错（）。二者没有本质区分。二者没有本质区分。B.B.刃型位错线刃型位错线不一定是直线不一定是直线；C.C.一个刃型位错所组成一个刃型位错所组成滑移面只有一个，因为滑移面只有一个，因为刃型位错线与滑刃型位错线与滑移矢量垂直；移矢量垂直；D.D.位错存在使得位错周围点阵发生弹性畸变，即有切应变，位错存在使得位错周围点阵发生弹性畸变，即有切应变，又有正应变。又有正应变。E.位错线周围畸变区只有几个原子间距宽，是狭长管道，故线位错线周围畸变区只有几个原子间距宽，是狭长管道，故线缺点。缺点。30第30页文档仅供参考，如有不当之处，请联系改正。B.螺型位错螺型位错screwdislocation螺型位错：螺型位错：位错附近原子是按位错附近原子是按螺旋螺旋形形排列。排列。位错线位错线（bbbb）：已滑移区和未滑已滑移区和未滑移区移区分界限分界限。畸变区畸变区（aabbaabb）：约几个原子约几个原子间距宽、上下层原子位置不相吻合间距宽、上下层原子位置不相吻合过渡区，原子正常排列遭破坏过渡区，原子正常排列遭破坏。螺螺型位错也是型位错也是线缺点线缺点。bbaa 31第31页文档仅供参考，如有不当之处，请联系改正。螺型位错特点：螺型位错特点：A.A.螺型位错无额外半原子面，螺型位错无额外半原子面，原子错排呈原子错排呈轴对称轴对称；B.B.依据位错线附近呈螺旋形排依据位错线附近呈螺旋形排列原子旋转方向不一样，可分为列原子旋转方向不一样，可分为右旋右旋和和左旋左旋螺型位错；螺型位错；32第32页文档仅供参考，如有不当之处，请联系改正。C.C.螺型位错螺型位错位错线位错线与与滑移矢量滑移矢量平行，所以一平行，所以一定是直线；位错线定是直线；位错线移动方向移动方向与晶体与晶体滑移方向滑移方向相互垂直；相互垂直；D.D.纯螺型位错纯螺型位错滑移面不是唯一滑移面不是唯一；凡包含位错；凡包含位错线平面都可作为滑移面；普通，位错在原子线平面都可作为滑移面；普通，位错在原子密排面上进行；密排面上进行；E.E.螺型位错周围点阵发生弹性畸变，只有平螺型位错周围点阵发生弹性畸变，只有平行于位错线行于位错线切应变切应变，无正应变，所以不会引，无正应变，所以不会引发体积膨胀和收缩。发体积膨胀和收缩。F.F.螺型位错周围点阵畸变随离位错线距离增螺型位错周围点阵畸变随离位错线距离增加而急剧降低，故也是几个原子宽度线缺点。加而急剧降低，故也是几个原子宽度线缺点。螺型位错特点：螺型位错特点：33第33页文档仅供参考，如有不当之处，请联系改正。C.混合位错混合位错mixeddislocation刃型位错刃型位错螺型位错螺型位错混合位错：混合位错：一个更为普遍位错形式，其滑移矢量既一个更为普遍位错形式，其滑移矢量既不平行不平行也也不不垂直垂直于位错线，而与位错线相交成于位错线，而与位错线相交成任意角度任意角度。可看作是。可看作是刃型位刃型位错和螺型位错混合形式。错和螺型位错混合形式。34第34页文档仅供参考，如有不当之处，请联系改正。A.混合位错线是一条曲线；混合位错线是一条曲线；B.位错线不能终止于晶体内部，位错线不能终止于晶体内部，而只能露头于晶体表面（晶界）；而只能露头于晶体表面（晶界）；C.位错线若终止于晶体内部，则位错线若终止于晶体内部，则必与其它位错线相连接，或形成必与其它位错线相连接，或形成封闭位错环。封闭位错环。混合位错特点：混合位错特点：35第35页文档仅供参考，如有不当之处，请联系改正。位错环位错环EdgeEdgeScrewScrew36第36页文档仅供参考，如有不当之处，请联系改正。3.2.2.伯氏矢量伯氏矢量Burgersvector柏氏矢量柏氏矢量b:用于表征不用于表征不一样类型一样类型位错特征位错特征一个物一个物理参量，是决理参量，是决定晶格偏离定晶格偏离方向与大小方向与大小向量向量，可揭示，可揭示位错本质，是位错本质，是1939年柏年柏格斯格斯(J.M.Burgers）提）提出采取出采取柏氏回路柏氏回路来定义。来定义。37第37页文档仅供参考，如有不当之处，请联系改正。1.伯氏矢量确定：伯氏回路1 1）选定位错线）选定位错线正向，正向，通常选出纸面方向为正通常选出纸面方向为正2 2）在）在实际晶体实际晶体中，从任一原子出发，围绕位错以一定部数作一右旋中，从任一原子出发，围绕位错以一定部数作一右旋闭合回闭合回路，称为伯氏回路路，称为伯氏回路；选取时要避开严重位错畸变区选取时要避开严重位错畸变区 3)3)在在完整晶体完整晶体中按一样方法和部数作对应回路，该回路不闭合，由中按一样方法和部数作对应回路，该回路不闭合，由终点终点向向起点起点引引 一矢量一矢量b b，使该回路闭合。矢量，使该回路闭合。矢量b b就是该位错就是该位错柏氏矢量柏氏矢量。伯氏回路伯氏回路MNOPQMNOPQNOPQMb垂直于位错线垂直于位错线b38第38页文档仅供参考，如有不当之处，请联系改正。MNOPQMNOPQbb平行于位错线平行于位错线39第39页文档仅供参考，如有不当之处，请联系改正。混合位错混合位错 判断位错正负判断位错正负 位位错错线线柏柏氏氏矢矢量量刃刃型型正正负负右手法则右手法则直角坐标直角坐标 bb刃型位错刃型位错 bb右右左左螺型位错螺型位错bs=bcos b=bsin 正正 负负40第40页文档仅供参考，如有不当之处，请联系改正。2伯氏矢量特征伯氏矢量特征1)1)物理量：物理量：是一个反应位错周围点阵是一个反应位错周围点阵畸变总积累畸变总积累物理量。物理量。位错是柏氏矢量不为零晶体缺点。位错是柏氏矢量不为零晶体缺点。矢量方向：矢量方向：表示位错性质与取向，是位错运动造成表示位错性质与取向，是位错运动造成晶体滑移方向晶体滑移方向；矢量模矢量模 bb：表示该位错畸变程度（或称表示该位错畸变程度（或称位错强度位错强度），也可表），也可表示该位错造成晶体示该位错造成晶体滑移大小滑移大小；模平方模平方bb2 2 ：位错位错畸变能畸变能与模平方大小成正比；与模平方大小成正比；2)2)守恒性：守恒性：柏氏矢量与柏氏矢量与回路起点回路起点及详细及详细路径无关路径无关；3)3)唯一性：唯一性：一根不分叉一根不分叉位错线位错线含有含有唯一柏氏矢量唯一柏氏矢量，与位错类型、，与位错类型、形状、是否运动无关；形状、是否运动无关；4 4）矢量计算：矢量计算：柏氏矢量可分解、求和，满足矢量运算柏氏矢量可分解、求和，满足矢量运算5)5)位错连续性：位错连续性：位错不能中止于晶体内部，但能够形成一个位错不能中止于晶体内部，但能够形成一个封闭位错环封闭位错环，或连接于或连接于晶界晶界、位错、位错结点结点，或终于，或终于表面表面。41第41页文档仅供参考，如有不当之处，请联系改正。1.假如几条位错线在晶体内部相交（交点称为节点），则指向节点各假如几条位错线在晶体内部相交（交点称为节点），则指向节点各位错伯氏矢量之和，必定等于离开节点各位错伯氏矢量之和位错伯氏矢量之和，必定等于离开节点各位错伯氏矢量之和。2.若各位错方向都指向节点或者离开节点，则伯氏矢量之和恒为若各位错方向都指向节点或者离开节点，则伯氏矢量之和恒为0。42第42页文档仅供参考，如有不当之处，请联系改正。3伯氏矢量表示法伯氏矢量表示法柏氏矢量表示与柏氏矢量表示与晶向指数晶向指数uvw相同相同，但需要在晶向指数基础上，但需要在晶向指数基础上把把矢量模矢量模也表示出来，也表示出来，在立方晶系中，柏氏矢量可表示为：在立方晶系中，柏氏矢量可表示为：（n为正整为正整数）数）位错强度：位错强度：假如位错假如位错b是位错是位错b1、b2之之矢量和矢量和，且：且：则：则：同一晶体中，柏氏矢量越大，该位错点阵畸变越严重，其能量越高。同一晶体中，柏氏矢量越大，该位错点阵畸变越严重，其能量越高。能量较高位错趋于能量较高位错趋于分解为多个能量较低位错，分解为多个能量较低位错，使系统自由能降低。使系统自由能降低。假如假如bb1+b2；则则 b 2 b1 2+b2 243第43页文档仅供参考，如有不当之处，请联系改正。ExampleA dislocation loop ABCD in the slipping plane with Burgers vector b is produced by an applied stress t.Please determine the types of the dislocation loop.AB:AB:右螺型；右螺型；BCBC：正刃型；：正刃型；CDCD：左螺型；：左螺型；DADA：负刃型：负刃型ABCDb xyzo44第44页文档仅供参考，如有不当之处，请联系改正。3.2.3.位错运动位错运动位错运动是位错主要性质之一，它与晶体力学性能如强度、塑位错运动是位错主要性质之一，它与晶体力学性能如强度、塑性、断裂等亲密相关。性、断裂等亲密相关。晶体宏观塑性变形是经过位错来实现。晶体宏观塑性变形是经过位错来实现。滑移滑移（slip）攀移（攀移（climb）位错运动方式位错运动方式45第45页文档仅供参考，如有不当之处，请联系改正。1位错滑移位错滑移slipping位错滑移（位错滑移（守恒运动守恒运动）：）：在外加切应力作用下，在外加切应力作用下，位错中心附近原子沿柏氏矢量位错中心附近原子沿柏氏矢量b b方向在滑移面上不方向在滑移面上不停作少许位移（小于一个原子间距）而逐步实现。停作少许位移（小于一个原子间距）而逐步实现。46第46页文档仅供参考，如有不当之处，请联系改正。刃位错运动刃位错运动螺位错运动螺位错运动混合位错混合位错运动运动47第47页文档仅供参考，如有不当之处，请联系改正。A刃型位错滑移刃型位错滑移多多 脚脚 虫虫 爬爬 行行Take much less energy!48第48页文档仅供参考，如有不当之处，请联系改正。B螺型位错滑移螺型位错滑移原始位置原始位置位错向左移动位错向左移动一个原子间距一个原子间距49第49页文档仅供参考，如有不当之处，请联系改正。abfedc位错线位错线交滑移：交滑移：因为螺型位错可有因为螺型位错可有多个滑移面，螺型位错在原多个滑移面，螺型位错在原滑移面上运动受阻时，可转滑移面上运动受阻时，可转移到与之相交另一个滑移面移到与之相交另一个滑移面上继续滑移。上继续滑移。假如交滑移后位错再转回到和原假如交滑移后位错再转回到和原滑移面平行滑移面上继续运动，滑移面平行滑移面上继续运动，则称为则称为双交滑移双交滑移。50第50页文档仅供参考，如有不当之处，请联系改正。C混合位错滑移混合位错滑移分解为刃型和螺型位错进行解析分解为刃型和螺型位错进行解析51第51页文档仅供参考，如有不当之处，请联系改正。位错滑移特点位错滑移特点1)1)刃型位错滑移刃型位错滑移切应力切应力方向与方向与位错线位错线垂直，而螺型位错滑移垂直，而螺型位错滑移切切应力方向应力方向与与位错线位错线平行；平行；2)2)不论刃型位错还是螺型位错，不论刃型位错还是螺型位错，位错运动方向位错运动方向总是与总是与位错线位错线垂垂直；直；（伯氏矢量方向代表晶体滑移方向）（伯氏矢量方向代表晶体滑移方向）3)3)刃型位错引发晶体刃型位错引发晶体滑移方向滑移方向与与位错运动方向位错运动方向一致，而螺型位一致，而螺型位错引发晶体错引发晶体滑移方向滑移方向与与位错运动方向位错运动方向垂直；垂直；4)4)位错滑移位错滑移切应力切应力方向与方向与柏氏矢量柏氏矢量一致；位错滑移后，滑移面一致；位错滑移后，滑移面两侧晶体两侧晶体相对位移相对位移与与柏氏矢量柏氏矢量一致。一致。5)5)对螺型位错，假如在原滑移面上运动受阻时，有可能转移到对螺型位错，假如在原滑移面上运动受阻时，有可能转移到与之相交另一滑移面上继续滑移，这与之相交另一滑移面上继续滑移，这称为称为交滑移交滑移 (双交滑移）双交滑移）52第52页文档仅供参考，如有不当之处，请联系改正。类型类型柏氏矢量柏氏矢量b切应力切应力方向方向位错线运位错线运动方向动方向晶体滑晶体滑移方向移方向晶体滑移大晶体滑移大小与小与b关系关系滑移面滑移面个数个数刃刃螺螺混合混合垂直位错线垂直位错线平行位错线平行位错线有夹角有夹角与与b一致一致与与b一致一致与与b一致一致垂直位错线垂直位错线垂直位错线垂直位错线垂直位错线垂直位错线与与b一致一致与与b一致一致与与b一致一致相等相等相等相等相等相等唯一唯一多个多个53第53页文档仅供参考，如有不当之处，请联系改正。2位错攀移位错攀移climbing刃型位错刃型位错正攀移正攀移负攀移负攀移只适合于刃型位错只适合于刃型位错位错攀移（位错攀移（非守恒运动非守恒运动）：）：刃型位错在垂直于滑移面方向刃型位错在垂直于滑移面方向上运动，主要是经过原子或空位扩散来实现（滑移过程基上运动，主要是经过原子或空位扩散来实现（滑移过程基本不包括原子扩散）。本不包括原子扩散）。正攀移：正攀移：多出原子面向上运动；反多出原子面向上运动；反之称为之称为负攀移负攀移。螺型位错不发生攀移运动。螺型位错不发生攀移运动。54第54页文档仅供参考，如有不当之处，请联系改正。（a）正攀移（半原子）正攀移（半原子面缩短）面缩短）(b)未攀移未攀移（c）负攀移（半）负攀移（半原子面伸长）原子面伸长）因为攀移伴伴随位错线附近原子增加或降低，即有物质迁移，所以需因为攀移伴伴随位错线附近原子增加或降低，即有物质迁移，所以需要扩散才能进行。位错攀移需要热激活，比滑移所需能量要大。要扩散才能进行。位错攀移需要热激活，比滑移所需能量要大。对大多数材料，在室温下极难进行攀移，高温下轻易。对大多数材料，在室温下极难进行攀移，高温下轻易。另外晶体中过饱和点缺点存在利于攀移进行。另外晶体中过饱和点缺点存在利于攀移进行。55第55页文档仅供参考，如有不当之处，请联系改正。3运动位错交割运动位错交割crossingofdislocations位错在某一滑移面上运动时，对穿过滑移面其它位错位错在某一滑移面上运动时，对穿过滑移面其它位错（林位错）（林位错）交割。包含交割。包含扭折（扭折（kinkkink）和割阶（）和割阶（jogjog）。扭折扭折：位错交割形成波折线段在位错滑移面上时，称为位错交割形成波折线段在位错滑移面上时，称为扭折扭折。割阶割阶：若该波折线段垂直于位错滑移面时，称为若该波折线段垂直于位错滑移面时，称为割阶割阶。bacddcba刃型位错刃型位错螺型位错螺型位错56第56页文档仅供参考，如有不当之处，请联系改正。位错交割时，会发生相互作用，对材料位错交割时，会发生相互作用，对材料强化、点缺点强化、点缺点产生产生有主要意义。有主要意义。刃型位错刃型位错割阶割阶部分仍为刃型位错（垂直于部分仍为刃型位错（垂直于b b），而），而扭折扭折部分部分则为螺型位错（平行于则为螺型位错（平行于b b）；）；（由柏氏矢量与位错线取向关系（由柏氏矢量与位错线取向关系确定）确定）螺型位错螺型位错割阶割阶和和扭折扭折部分均为刃型位错；部分均为刃型位错；因为都垂直于因为都垂直于b b 位错位错攀移攀移能够了解为能够了解为割阶割阶沿位错线逐步推移。沿位错线逐步推移。bacddcba刃型位错刃型位错螺型位错螺型位错57第57页文档仅供参考，如有不当之处，请联系改正。柏氏矢量相互平行柏氏矢量相互平行例：两根相互垂直刃型位错交割例：两根相互垂直刃型位错交割柏氏矢量相互垂直柏氏矢量相互垂直割阶割阶刃型位错刃型位错扭折扭折螺型位错螺型位错58第58页文档仅供参考，如有不当之处，请联系改正。位错交割特点位错交割特点1)1)运动位错交割后，在位错线上可能产生运动位错交割后，在位错线上可能产生一个扭折一个扭折或或割阶割阶，含有含有原位错线柏氏矢量原位错线柏氏矢量2)2)全部全部割阶割阶都是都是刃型刃型位错，而位错，而扭折扭折能够是能够是刃型刃型也可是也可是螺型螺型。3)3)扭折扭折与原位错线在同一滑移面上，可随位错线一道运动，与原位错线在同一滑移面上，可随位错线一道运动，几乎几乎不产生阻力不产生阻力，且在线张力作用下易于消失；，且在线张力作用下易于消失；4 4）割阶割阶与原位错不在同一滑移面上，只能经过攀移运动，所与原位错不在同一滑移面上，只能经过攀移运动，所以割阶是位错运动障碍以割阶是位错运动障碍-割阶硬化割阶硬化 59第59页文档仅供参考，如有不当之处，请联系改正。5)5)带割阶位错运动，按割阶高度不一样分为：带割阶位错运动，按割阶高度不一样分为：小割阶小割阶 （割阶高度为（割阶高度为1-21-2个原子间距，遗留点缺点）、个原子间距，遗留点缺点）、中等割阶（遗留位错偶、符号相异）、中等割阶（遗留位错偶、符号相异）、大割阶大割阶 （割阶高度约为（割阶高度约为20nm20nm，位错环），位错环）60第60页文档仅供参考，如有不当之处，请联系改正。位错位错3.2.4位错弹性性质位错弹性性质能量、作用力、缺点相互作用等能量、作用力、缺点相互作用等点阵畸变、弹性应力场点阵畸变、弹性应力场61第61页文档仅供参考，如有不当之处，请联系改正。定量计算应力场是非常困难，常采取定量计算应力场是非常困难，常采取弹性连续介质模型弹性连续介质模型假设：假设：1 1、晶体是完全弹性体，服从胡克定律；晶体是完全弹性体，服从胡克定律；2 2、晶体是各向同性；晶体是各向同性；3 3、晶体是由连续介质组成，无空隙存在；晶体是由连续介质组成，无空隙存在；不足：不足：只适合用于位错中心（严重点阵畸变区）以外区域只适合用于位错中心（严重点阵畸变区）以外区域1位错应力场位错应力场Stressfieldofdislocation压应力压应力拉应力拉应力刃型位错周围刃型位错周围应力区域应力区域62第62页文档仅供参考，如有不当之处，请联系改正。6 6个应力分量：个应力分量：3 3个正应力、个正应力、3 3个切应力个切应力6 6个应变分量：个应变分量：3 3个正应变、个正应变、3 3个切应变个切应变第一个下标代表作用面外法线方向，第第一个下标代表作用面外法线方向，第二个代表应力方向二个代表应力方向63第63页文档仅供参考，如有不当之处，请联系改正。r1 1）螺型位错应力场）螺型位错应力场模型：模型：构想有一各向同性空心圆柱体，将其沿构想有一各向同性空心圆柱体，将其沿xzxz面切开，使两个切开面面切开，使两个切开面沿沿z z方向做相对位移，相当于形成一个柏氏矢量为方向做相对位移，相当于形成一个柏氏矢量为b