實(shí)際金屬的晶體缺陷課件

材料科學(xué)基礎(chǔ)第三節(jié)實(shí)際金屬的晶體結(jié)構(gòu)材料科學(xué)基礎(chǔ)第三節(jié)實(shí)際金屬的晶體結(jié)構(gòu)1圖對(duì)稱平移性1.3實(shí)際金屬的晶體結(jié)構(gòu)圖對(duì)稱平移性1.3實(shí)際金屬的晶體結(jié)構(gòu)2晶體結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是長(zhǎng)程有序。結(jié)構(gòu)基元或者構(gòu)成物體的粒子(原子、離子或分子等)完全按照空間點(diǎn)陣規(guī)則排列的晶體叫理想晶體。在實(shí)際晶體中，粒子的排列不可能這樣規(guī)則和完整，而是或多或少地存在著偏離理想結(jié)構(gòu)的區(qū)域，出現(xiàn)了不完整性。把實(shí)際晶體中偏離理想點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的區(qū)域稱為晶體缺陷。實(shí)際晶體中雖然有晶體缺陷存在，但偏離平衡位置很大的粒子數(shù)目是很少的，從總的來(lái)看，其結(jié)構(gòu)仍可以認(rèn)為是接近完整的。根據(jù)幾何形態(tài)特征，可以把晶體缺陷分為三類：點(diǎn)缺陷、線缺陷和面缺陷。1.3實(shí)際金屬的晶體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是長(zhǎng)程有序。結(jié)構(gòu)基元或者構(gòu)成物體的粒子(原子、3點(diǎn)缺陷的定義點(diǎn)缺陷：在三維方向上尺寸都很小（遠(yuǎn)小于晶體或晶粒的線度）的缺陷。1.點(diǎn)缺陷的類型金屬中常見的基本點(diǎn)缺陷有空位、間隙原子和置換原子?？瘴唬嚎瘴痪褪俏幢徽紦?jù)的原子位置；間隙原子：間隙原子可以是晶體中正常原子離位產(chǎn)生，也可以是外來(lái)雜質(zhì)原子；§1.3.1.1點(diǎn)缺陷的類型及形成1.3.1點(diǎn)缺陷點(diǎn)缺陷的定義§1.3.1.1點(diǎn)缺陷的類型及形成1.3.14置換原子：位于晶體點(diǎn)陣位置的異類原子。1.3.1點(diǎn)缺陷置換原子：位于晶體點(diǎn)陣位置的異類原子。1.3.1點(diǎn)缺陷52.點(diǎn)缺陷的形成原子相互作用的兩種作用力：(1)原子間的吸引力；(2)原子間的斥力

點(diǎn)缺陷形成最重要的環(huán)節(jié)是原子的振動(dòng)

原子的熱振動(dòng)（以一定的頻率和振幅作振動(dòng)）原子被束縛在它的平衡位置上，但原子卻在做著掙脫束縛的努力點(diǎn)缺陷形成的驅(qū)動(dòng)力：溫度、離子轟擊、冷加工

在外界驅(qū)動(dòng)力作用下，哪個(gè)原子能夠掙脫束縛，脫離平衡位置是不確定的，宏觀上說(shuō)這是一種幾率分布1.3.1點(diǎn)缺陷2.點(diǎn)缺陷的形成1.3.1點(diǎn)缺陷6空位的兩種類型：離位原子遷移到晶體的表面上，這樣形成的空位通常稱為肖脫基缺陷；可遷移到晶體點(diǎn)陣的間隙中，這樣的空位稱弗蘭克爾缺陷。圖晶體中的點(diǎn)缺陷(a)肖脫基空位

(b)弗蘭克爾空位1.3.1點(diǎn)缺陷空位的兩種類型：圖晶體中的點(diǎn)缺陷(a)肖脫基空位71.點(diǎn)缺陷的運(yùn)動(dòng)點(diǎn)缺陷并非固定不動(dòng)，而是處在不斷改變位置的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中?？瘴恢車脑?，由于熱振動(dòng)能量的起伏，有可能獲得足夠的能量而跳入空位，并占據(jù)這個(gè)平衡位置，這時(shí)在這個(gè)原子的原來(lái)位置上，就形成一個(gè)空位。這一過(guò)程可以看作是空位向鄰近結(jié)點(diǎn)的遷移。在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，當(dāng)間隙原子與一個(gè)空位相遇時(shí)，它將落入這個(gè)空位，而使兩者都消失，這一過(guò)程稱為復(fù)合，或湮沒(méi)。§1.3.1.2點(diǎn)缺陷的運(yùn)動(dòng)及平衡濃度1.3.1點(diǎn)缺陷1.點(diǎn)缺陷的運(yùn)動(dòng)§1.3.1.2點(diǎn)缺陷的運(yùn)動(dòng)及平衡濃度1.8（a）原來(lái)位置；（b）中間位置；（c）遷移后位置圖空位從位置A遷移到B1.3.1點(diǎn)缺陷（a）原來(lái)位置；（b）中間位置；（c92.點(diǎn)缺陷的平衡濃度晶體中點(diǎn)缺陷的存在，一方面造成點(diǎn)陣畸變，使晶體的內(nèi)能升高，增大了晶體的熱力學(xué)不穩(wěn)定性；另一方面，由于增大了原子排列的混亂程度，并改變了其周圍原子的振動(dòng)頻率，又使晶體的熵值增大。熵值越大，晶體便越穩(wěn)定。由于存在著這兩個(gè)互為矛盾的因素，晶體中的點(diǎn)缺陷在一定溫度下有一定的平衡數(shù)目，這時(shí)點(diǎn)缺陷的濃度就稱為它們?cè)谠摐囟认碌臒崃W(xué)平衡濃度。在一定溫度下有一定的熱力學(xué)平衡濃度，這是點(diǎn)缺陷區(qū)別于其它類型晶體缺陷的重要特點(diǎn)。1.3.1點(diǎn)缺陷2.點(diǎn)缺陷的平衡濃度1.3.1點(diǎn)缺陷10§1.3.1.3點(diǎn)缺陷對(duì)性能的影響點(diǎn)缺陷的存在使晶體體積膨脹，密度減小。點(diǎn)缺陷引起電阻的增加，這是由于晶體中存在點(diǎn)缺陷時(shí)，對(duì)傳導(dǎo)電子產(chǎn)生了附加的電子散射，使電阻增大。空位對(duì)金屬的許多過(guò)程有著影響，特別是對(duì)高溫下進(jìn)行的過(guò)程起著重要的作用。金屬的擴(kuò)散、高溫塑性變形的斷裂、退火、沉淀、表面化學(xué)熱處理、表面氧化、燒結(jié)等過(guò)程都與空位的存在和運(yùn)動(dòng)有著密切的聯(lián)系。

過(guò)飽和點(diǎn)缺陷（如淬火空位、輻照缺陷）還提高了金屬的屈服強(qiáng)度。1.3.1點(diǎn)缺陷§1.3.1.3點(diǎn)缺陷對(duì)性能的影響點(diǎn)缺陷的存在使晶體體積膨111.3.2線缺陷線缺陷就是在兩個(gè)方向上尺寸很小，在一個(gè)方向上尺寸很大的缺陷。線缺陷是各種類型的位錯(cuò)。位錯(cuò)是晶體內(nèi)部一種有規(guī)律的管狀畸變區(qū)。原子發(fā)生錯(cuò)排的范圍，在一個(gè)方向上尺寸較大，而另外兩個(gè)方向上尺寸較小，是一個(gè)直徑為3~5個(gè)原子間距，長(zhǎng)幾百到幾萬(wàn)個(gè)原子間距的管狀原子畸變區(qū)。最簡(jiǎn)單的位錯(cuò)是刃型位錯(cuò)和螺型位錯(cuò)。1.3.2線缺陷線缺陷就是在兩個(gè)方向上尺寸很小，在一個(gè)方向121.3.2線缺陷§1.3.2.1位錯(cuò)的基本概念1.位錯(cuò)學(xué)說(shuō)的產(chǎn)生1926年弗蘭克爾利用理想晶體的模型估算了理論切變強(qiáng)度，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相比相差3~4個(gè)數(shù)量級(jí)。1934年泰勒，波朗依和奧羅萬(wàn)三人幾乎同時(shí)提出晶體中位錯(cuò)的概念。

泰勒把位錯(cuò)與晶體塑變的滑移聯(lián)系起來(lái)，認(rèn)為位錯(cuò)在切應(yīng)力作用下發(fā)生運(yùn)動(dòng)，依靠位錯(cuò)的逐步傳遞完成了滑移。與剛性滑移不同，位錯(cuò)的移動(dòng)只需鄰近原子作很小距離的彈性偏移就能實(shí)現(xiàn)，而晶體其他區(qū)域的原子仍處在正常位置，因此滑移所需的臨界切應(yīng)力大為減小。1.3.2線缺陷§1.3.2.1位錯(cuò)的基本概念1.位錯(cuò)學(xué)131939年柏格斯提出用柏氏矢量來(lái)表征位錯(cuò)的特性，同時(shí)引入螺型位錯(cuò)。1947年柯垂耳利用溶質(zhì)原子與位錯(cuò)的交互作用解釋了低碳鋼的屈服現(xiàn)象。1950年弗蘭克與瑞德同時(shí)提出了位錯(cuò)增殖機(jī)制F—R位錯(cuò)源。50年代后，透射電鏡直接觀測(cè)到了晶體中位錯(cuò)的存在、運(yùn)動(dòng)、增殖。1.3.2線缺陷1939年柏格斯提出用柏氏矢量來(lái)表征位錯(cuò)的特性，同時(shí)引入螺型14圖理想晶體的滑移模型和刃型位錯(cuò)的滑移過(guò)程1.3.2線缺陷圖理想晶體的滑移模型和刃型位錯(cuò)的滑移過(guò)程1.3.2線缺15圖刃型位錯(cuò)與螺型位錯(cuò)2.位錯(cuò)的基本類型位錯(cuò)可分為刃性位錯(cuò)和螺型位錯(cuò)。1.3.2線缺陷圖刃型位錯(cuò)與螺型位錯(cuò)2.位錯(cuò)的基本類型1.3.2線缺陷16（1）刃型位錯(cuò)圖含有刃型位錯(cuò)的晶體1.3.2線缺陷（1）刃型位錯(cuò)圖含有刃型位錯(cuò)的晶體1.3.2線缺陷17刃型位錯(cuò)的概念：在某一水平面以上多出了垂直方向的原子面，猶如插入的刀刃一樣，EF稱為刃型位錯(cuò)線。位錯(cuò)線附近區(qū)域發(fā)生了原子錯(cuò)排，因此稱為“刃型位錯(cuò)”。把多余半原子面在滑移面以上的位錯(cuò)稱為正刃型位錯(cuò)，用符號(hào)“┻”表示，反之為負(fù)刃型位錯(cuò)，用“┳”表示。含有多余半原子面的晶體受壓，原子間距小于正常點(diǎn)陣常數(shù)；不含多余半原子面的晶體受張力，原子間距大于正常點(diǎn)陣常數(shù)。位錯(cuò)在晶體中引起的畸變?cè)谖诲e(cuò)線中心處最大，隨著離位錯(cuò)中心距離的增大，晶體的畸變逐漸減小。1.3.2線缺陷刃型位錯(cuò)的概念：1.3.2線缺陷18刃型位錯(cuò)的特點(diǎn)：1).刃型位錯(cuò)有一個(gè)額外的半原子面。其實(shí)正、負(fù)之分只具相對(duì)意義而無(wú)本質(zhì)的區(qū)別。2).刃型位錯(cuò)線可理解為晶體中已滑移區(qū)與未滑移區(qū)的邊界線。它不一定是直線，也可以是折線或曲線，但它必與滑移方向相垂直，也垂直于滑移矢量。圖不同形狀的刃型位錯(cuò)1.3.2線缺陷刃型位錯(cuò)的特點(diǎn)：圖不同形狀的刃型位錯(cuò)1.3.2線缺陷193).滑移面必定是同時(shí)包含有位錯(cuò)線和滑移矢量的平面，在其他面上不能滑移。由于在刃型位錯(cuò)中，位錯(cuò)線與滑移矢量互相垂直，因此，由它們所構(gòu)成的平面只有一個(gè)。4).晶體中存在刃型位錯(cuò)之后，位錯(cuò)周圍的點(diǎn)陣發(fā)生彈性畸變，既有切應(yīng)變，又有正應(yīng)變。就正刃型位錯(cuò)而言，滑移面上方點(diǎn)陣受到壓應(yīng)力，下方點(diǎn)陣受到拉應(yīng)力;負(fù)刃型位錯(cuò)與此相反。5).在位錯(cuò)線周圍的過(guò)渡區(qū)（畸變區(qū)）每個(gè)原子具有較大的平均能量。但該區(qū)只有幾個(gè)原子間距寬，畸變區(qū)是狹長(zhǎng)的管道，所以刃型位錯(cuò)是線缺陷。1.3.2線缺陷3).滑移面必定是同時(shí)包含有位錯(cuò)線和滑移矢量的平面，在其他面20（a）立體圖；

（b）頂視圖圖

螺型位錯(cuò)的原子組態(tài)（2）螺型位錯(cuò)1.3.2線缺陷（a）立體圖；（b）頂視圖（2）螺型位錯(cuò)1.3.2線缺陷21圖螺型位錯(cuò)原子模型及其形成示意1.3.2線缺陷圖螺型位錯(cuò)原子模型及其形成示意1.3.2線缺陷22螺型位錯(cuò)的結(jié)構(gòu)特征

無(wú)額外的半原子面，原子錯(cuò)排程軸對(duì)稱，分右旋和左旋螺型位錯(cuò)；一定是直線，與滑移矢量平行，位錯(cuò)線移動(dòng)方向與晶體滑移方向垂直；滑移面不是唯一的，包含螺型位錯(cuò)線的平面都可以作為它的滑移面；位錯(cuò)周圍點(diǎn)陣也發(fā)生彈性畸變，但只有平行于位錯(cuò)線的切應(yīng)變而無(wú)正應(yīng)變，即不引起體積的膨脹和收縮；位錯(cuò)畸變區(qū)也是幾個(gè)原子間距寬度，同樣是線位錯(cuò)。1.3.2線缺陷螺型位錯(cuò)的結(jié)構(gòu)特征1.3.2線缺陷233.柏氏矢量（1）柏氏矢量的確定方法先確定位錯(cuò)線的方向(一般規(guī)定位錯(cuò)線垂直紙面時(shí)，由紙面向外為正向)，按右手法則做柏氏回路，右手大拇指指位錯(cuò)線正向，回路方向按右手螺旋方向確定。從實(shí)際晶體中任一原子出發(fā)，避開位錯(cuò)附近的嚴(yán)重畸變區(qū)作一閉合回路，回路每一步連接相鄰原子。按同樣方法在完整晶體中做同樣回路，步數(shù)、方向與上述回路一致，這時(shí)終點(diǎn)和起點(diǎn)不重合，由終點(diǎn)到起點(diǎn)引一矢量即為柏氏矢量b。1.3.2線缺陷3.柏氏矢量1.3.2線缺陷24圖刃型位錯(cuò)柏氏矢量的確定1.3.2線缺陷圖刃型位錯(cuò)柏氏矢量的確定1.3.2線缺陷25圖螺型位錯(cuò)柏氏矢量的確定1.3.2線缺陷圖螺型位錯(cuò)柏氏矢量的確定1.3.2線缺陷26（2）柏氏矢量的物理意義及特征物理意義：代表位錯(cuò)，并表示其特征（強(qiáng)度、畸變量）；表示晶體滑移的方向和大小。

反映出柏氏回路包含的位錯(cuò)所引起點(diǎn)陣畸變的總積累。通常將柏氏矢量稱為位錯(cuò)強(qiáng)度，該矢量的模|b|表示了畸變的程度，稱為位錯(cuò)的強(qiáng)度。位錯(cuò)的許多性質(zhì)如位錯(cuò)的能量，所受的力，應(yīng)力場(chǎng)，位錯(cuò)反應(yīng)等均與其有關(guān)。它也表示出晶體滑移時(shí)原子移動(dòng)的大小和方向。1.3.2線缺陷（2）柏氏矢量的物理意義及特征1.3.2線缺陷27柏氏矢量的特征用柏氏矢量可判斷位錯(cuò)的類型。用柏氏矢量可以表示晶體滑移的方向和大小。位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致晶體滑移時(shí)，滑移量大小即柏氏矢量b，滑移方向即為柏氏矢量的方向。

一條位錯(cuò)線具有唯一的柏氏矢量。若位錯(cuò)可分解，則分解后各分位錯(cuò)的柏氏矢量之和等于原位錯(cuò)的柏氏矢量。位錯(cuò)具有連續(xù)性，不能中斷于晶體內(nèi)部。其存在形態(tài)可形成一個(gè)閉合的位錯(cuò)環(huán)，或連接于其他位錯(cuò)，或終止在晶界，或露頭于晶體表面。1.3.2線缺陷柏氏矢量的特征1.3.2線缺陷28圖三種類型位錯(cuò)的矢量圖解法

1.3.2線缺陷圖三種類型位錯(cuò)的矢量圖解法1.3.2線缺陷29（3）混合位錯(cuò)晶體中已滑移區(qū)與未滑移區(qū)的邊界線（即位錯(cuò)線）既不平行也不垂直于滑移方向，即滑移矢量與位錯(cuò)線成任意角度，這種晶體缺陷稱為混合型位錯(cuò)?；旌闲臀诲e(cuò)可分解為刃型位錯(cuò)分量和螺型位錯(cuò)分量。圖

晶體局部滑移形成混合位錯(cuò)1.3.2線缺陷（3）混合位錯(cuò)圖晶體局部滑移形成混合位錯(cuò)1.3.2線30圖混合位錯(cuò)的原子組態(tài)1.3.2線缺陷圖混合位錯(cuò)的原子組態(tài)1.3.2線缺陷31（4）柏氏矢量的表示方法柏矢量對(duì)于柏矢量b沿晶向[uvw]的位錯(cuò)柏矢量的模柏矢量的模的計(jì)算就是矢量模的計(jì)算，同第一章中介紹的晶向長(zhǎng)度計(jì)算。對(duì)于立方晶系：位錯(cuò)的加法按照矢量加法規(guī)則進(jìn)行。

1.3.2線缺陷（4）柏氏矢量的表示方法1.3.2線缺陷324.位錯(cuò)密度晶體中所含位錯(cuò)的多少可用位錯(cuò)密度來(lái)表示。位錯(cuò)密度定義為單位體積晶體中所含位錯(cuò)線的總長(zhǎng)度，其表達(dá)式為若為了簡(jiǎn)便起見，可把晶體中的位錯(cuò)線視為一些直線，而且是平行地從晶體的一端延伸到另一端，于是位錯(cuò)密度就可被視為垂直于位錯(cuò)線的單位截面中所穿過(guò)的位錯(cuò)線數(shù)目，即1.3.2線缺陷4.位錯(cuò)密度1.3.2線缺陷33圖晶體位錯(cuò)密度和強(qiáng)度關(guān)系示意圖1.3.2線缺陷圖晶體位錯(cuò)密度和強(qiáng)度關(guān)系示意圖1.3.2線缺陷341.位錯(cuò)的滑移位錯(cuò)沿滑移面的移動(dòng)稱為滑移。圖位錯(cuò)的滑移§1.3.2.2線缺陷的類型及形成1.3.2線缺陷1.位錯(cuò)的滑移圖位錯(cuò)的滑移§1.3.2.2線缺陷的類型35（a）正刃型位錯(cuò)（b）負(fù)刃型位錯(cuò)圖

刃位錯(cuò)的滑移

1.3.2線缺陷（a）正刃型位錯(cuò)（b）負(fù)刃型位錯(cuò)1.3.2線缺陷36當(dāng)一個(gè)刃型位錯(cuò)沿滑移面滑過(guò)整個(gè)晶體，就會(huì)在晶體表面產(chǎn)生寬度為一個(gè)柏氏矢量b的臺(tái)階，造成晶體的塑性變形。在滑移時(shí)，刃型位錯(cuò)的移動(dòng)方向一定是與位錯(cuò)線相垂直，即與其柏氏矢量相一致。位錯(cuò)線沿著滑移面移動(dòng)時(shí)，它所掃過(guò)的區(qū)域是已滑移區(qū)，而位錯(cuò)線未掃過(guò)的區(qū)域?yàn)槲椿茀^(qū)。圖

刃型位錯(cuò)滑移導(dǎo)致晶體塑性變形的過(guò)程1.3.2線缺陷當(dāng)一個(gè)刃型位錯(cuò)沿滑移面滑過(guò)整個(gè)晶體，就會(huì)在晶體表面產(chǎn)生寬度為37（a）原始位置；

（b）位錯(cuò)向左移動(dòng)一個(gè)原子間距圖螺型位錯(cuò)滑移

1.3.2線缺陷（a）原始位置；（b）位錯(cuò)向左移動(dòng)一個(gè)原子間距138圖

螺型位錯(cuò)滑移導(dǎo)致晶體塑性變形的過(guò)程在切應(yīng)力作用下，螺型位錯(cuò)的移動(dòng)方向是與其柏氏矢量相垂直。對(duì)于螺型位錯(cuò)，由于位錯(cuò)線與柏氏矢量平行，所以它不象刃型位錯(cuò)那樣具有確定的滑移面，而可在通過(guò)位錯(cuò)線的任何原子平面上滑移。如果螺型位錯(cuò)在某一滑移面滑移后轉(zhuǎn)到另一通過(guò)位錯(cuò)線的臨近滑移面上滑移的現(xiàn)象稱為交滑移。1.3.2線缺陷圖螺型位錯(cuò)滑移導(dǎo)致晶體塑性變形的過(guò)程在切應(yīng)力作用下，螺型39圖刃型位錯(cuò)與螺型位錯(cuò)1.3.2線缺陷圖刃型位錯(cuò)與螺型位錯(cuò)1.3.2線缺陷40由于混合位錯(cuò)可以分解為刃型和螺型兩部分，因此，不難理解，混合位錯(cuò)在切應(yīng)力作用下，也是沿其各線段的法線方向滑移，并同樣可使晶體產(chǎn)生與其柏氏矢量相等的滑移量。（a）位錯(cuò)環(huán)（b）位錯(cuò)環(huán)運(yùn)動(dòng)后產(chǎn)生的滑移圖

位錯(cuò)環(huán)的滑移1.3.2線缺陷由于混合位錯(cuò)可以分解為刃型和螺型兩部分，因此，不難理解，混合41位錯(cuò)的滑移特征位錯(cuò)類型柏氏矢量位錯(cuò)線運(yùn)動(dòng)方向晶體滑移方向切應(yīng)力方向滑移面數(shù)目刃型位錯(cuò)螺型位錯(cuò)混合位錯(cuò)⊥位錯(cuò)線⊥位錯(cuò)線本身與b一致與b一致唯一確定∥位錯(cuò)線⊥位錯(cuò)線本身與b一致與b一致多個(gè)成角度⊥位錯(cuò)線本身與b一致與b一致位錯(cuò)的滑移特征位錯(cuò)柏氏位錯(cuò)線晶體滑移方向切應(yīng)力方向滑移面數(shù)目42（1）可以通過(guò)柏氏矢量和位錯(cuò)線的關(guān)系來(lái)判斷位錯(cuò)特征。b⊥t時(shí)為刃型位錯(cuò)，b∥t為螺型位錯(cuò)，對(duì)于混合型位錯(cuò)，b和t的角度在0°和90°。

（2）位錯(cuò)的滑移面包含柏氏矢量和位錯(cuò)線。

（3）對(duì)于一根位錯(cuò)線而言，柏氏矢量是固定不變的。

（4）位錯(cuò)線不能終止于完整晶體之中。

1.3.2線缺陷（1）可以通過(guò)柏氏矢量和位錯(cuò)線的關(guān)系來(lái)判斷位錯(cuò)特征。b⊥t時(shí)432.位錯(cuò)的攀移刃型位錯(cuò)除了可以在滑移面上滑移外，還可垂直于滑移面發(fā)生攀移。當(dāng)半原子面下端的原子跳離，即空位遷移到半原子面下端時(shí)，半原子面將縮短，表現(xiàn)為位錯(cuò)向上移動(dòng)，這種移動(dòng)叫做正攀移。反之叫做負(fù)攀移。位錯(cuò)攀移時(shí)伴隨著物質(zhì)的遷移，需要擴(kuò)散才能實(shí)現(xiàn)。因?yàn)榕室菩枰訑U(kuò)散，所以較之滑移所需的能量更大。對(duì)于大多數(shù)金屬，這種運(yùn)動(dòng)在室溫下很難進(jìn)行。因此，位錯(cuò)攀移時(shí)需要熱激活，也就是比滑移需要更大的能量。通常稱攀移為“非守恒運(yùn)動(dòng)”，滑移則稱為“守恒運(yùn)動(dòng)”。1.3.2線缺陷2.位錯(cuò)的攀移1.3.2線缺陷443.位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的交割對(duì)于在滑移面上運(yùn)動(dòng)的位錯(cuò)來(lái)說(shuō)，穿過(guò)此滑移面的其它位錯(cuò)稱為林位錯(cuò)。林位錯(cuò)會(huì)阻礙位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，但是若應(yīng)力足夠大，滑動(dòng)的位錯(cuò)將切過(guò)林位錯(cuò)繼續(xù)前進(jìn)。位錯(cuò)互相切割的過(guò)程稱為位錯(cuò)交割或位錯(cuò)交截。一般情況下，兩個(gè)位錯(cuò)交割時(shí)，每個(gè)位錯(cuò)上都要新產(chǎn)生一小段位錯(cuò)，它們的柏氏矢量與攜帶它們的位錯(cuò)相同，它們的大小與方向決定于另一位錯(cuò)的柏氏矢量。當(dāng)交割產(chǎn)生的小段位錯(cuò)不在所屬位錯(cuò)的滑移面上時(shí)，則成為位錯(cuò)割階，如果小段位錯(cuò)位于所屬位錯(cuò)的滑移面上，則相當(dāng)于位錯(cuò)扭折。1.3.2線缺陷3.位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的交割1.3.2線缺陷45思考題怎樣判斷位錯(cuò)線的移動(dòng)方向？拇指順著柏氏矢量方向移動(dòng)的部分晶體食指位錯(cuò)線的方向中指位錯(cuò)線運(yùn)動(dòng)方向思考題怎樣判斷位錯(cuò)線的移動(dòng)方向？拇指食指中指461.3.3面缺陷面缺陷的定義面缺陷：在兩個(gè)方向上尺寸很大，在一個(gè)方向上尺寸很小的缺陷。

面缺陷的類型金屬中常見的面缺陷有表面、晶界、亞晶界和相界。1.3.3面缺陷面缺陷的定義47

從原子結(jié)合的角度看，表面原子的結(jié)合鍵數(shù)也減少，因此表面原子有強(qiáng)烈的傾向與環(huán)境中的原子或分子相互作用。晶體表層原子在不均勻力場(chǎng)作用下會(huì)偏離其平衡位置而移向晶體內(nèi)部，但是正、負(fù)離子(或正、負(fù)電荷)偏離的程度不同，結(jié)果在晶體表面產(chǎn)生了雙電層。圖離子晶體表面的雙電層外表面1.3.3面缺陷

從原子結(jié)合的角度看，表面原子的結(jié)合鍵數(shù)也減少，因此表面原子48晶體內(nèi)部的原子處于其他原子的包圍中，處于均勻的力場(chǎng)中，總合力為零，處于能量最低的狀態(tài)。而表面原子卻不同，它與氣相(或液相)接觸，處于不均勻的力場(chǎng)之中，其能量較高，高出的能量稱為表面自由能。晶體中不同晶面的表面能數(shù)值不同，這是由于表面能的本質(zhì)是表面原子的不飽和鍵，而不同晶面上的原子密度不同，密排面的原子密度最大，則該面上任一原子與相鄰晶面原子的作用鍵數(shù)最少，故以密排面作為表面時(shí)不飽和鍵數(shù)最少，表面能量低。晶體總是力圖處于最低的自由能狀態(tài)，所以一定體積的晶體的平衡幾何外形應(yīng)滿足表面能總和為最小。1.3.3面缺陷晶體內(nèi)部的原子處于其他原子的包圍中，處于均勻的力場(chǎng)中，總合力49屬于同一固相但位向不同的晶粒之間的界面稱為晶界；而每個(gè)晶粒有時(shí)又由若干個(gè)位向稍有差異的亞晶粒所組成，相鄰亞晶粒間的界面稱為亞晶界。圖晶界與亞晶界示意圖1.3.3面缺陷屬于同一固相但位向不同的晶粒之間的界面稱為晶界；而每個(gè)晶粒有501.小角度晶界相鄰晶粒的位向差小于10°的晶界稱為小角度晶界。最簡(jiǎn)單的小角度晶界是對(duì)稱傾斜晶界，其晶界可看成是由一列平行的刃型位錯(cuò)所構(gòu)成。圖對(duì)稱傾斜晶界1.3.3面缺陷1.小角度晶界圖對(duì)稱傾斜晶界1.3.3面缺陷51扭轉(zhuǎn)晶界是小角度晶界的一種類型，它可看成是兩部分晶體繞某一軸在一個(gè)共同的晶面上相對(duì)扭轉(zhuǎn)一個(gè)θ角所構(gòu)成的，扭轉(zhuǎn)軸垂直于這一共同的晶面。扭轉(zhuǎn)晶界的結(jié)構(gòu)可看成是由互相交叉的螺型位錯(cuò)所組成。圖扭轉(zhuǎn)晶界的形成1.3.3面缺陷扭轉(zhuǎn)晶界是小角度晶界的一種類型，它可看成是兩部分晶體繞某一軸522.大角度晶界相鄰晶粒的位向差大于10°的晶界稱為大角度晶界。大角度晶界的結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，原子排列很不規(guī)則，由不規(guī)則的臺(tái)階組成的。晶界可看成壞區(qū)與好區(qū)交替相間組合而成。圖大角度晶界模型1.3.3面缺陷2.大角度晶界圖大角度晶界模型1.3.3面缺陷53大角度晶界的“重合位置點(diǎn)陣”模型。在二維正方點(diǎn)陣中，當(dāng)兩個(gè)相鄰晶粒的位向差為37°時(shí)，設(shè)想兩晶粒的點(diǎn)陣彼此通過(guò)晶界向?qū)Ψ窖由?，其中一些原子將出現(xiàn)有規(guī)律的相互重合，由這些原子重合位置所組成比原來(lái)晶體點(diǎn)陣大的新點(diǎn)陣，通常稱為重合位置點(diǎn)陣。圖重合位置點(diǎn)陣模型

1.3.3面缺陷大角度晶界的“重合位置點(diǎn)陣”模型。在二維正方點(diǎn)陣中，當(dāng)兩個(gè)相543.孿晶界孿晶是指兩個(gè)晶體(或一個(gè)晶體的兩部分)沿一個(gè)公共晶面構(gòu)成鏡面對(duì)稱的位向關(guān)系，這兩個(gè)晶體就稱為“孿晶(twin)”，此公共晶面就稱孿晶面。圖孿晶界1.3.3面缺陷3.孿晶界圖孿晶界1.3.3面缺陷551.3.3面缺陷1.3.3面缺陷564.相界具有不同結(jié)構(gòu)的兩相之間的分界面稱為“相界”。按結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，相界面可分為共格、半共格和非共格相界三種類型。圖具有完善共格關(guān)系的相界圖具有彈性畸變的共格相界1.3.3面缺陷4.相界圖具有完善共格關(guān)系的相界圖具有彈性畸變的共格相界57圖半共格界面圖非共格界面1.3.3面缺陷圖半共格界面圖非共格界面1.3.3面缺陷584.晶界特性1.晶界處點(diǎn)陣畸變大，存在晶界能。晶粒的長(zhǎng)大和晶界的平直化都能減少晶界面積，從而降低晶界的總能量。2.晶界處原子排列不規(guī)則，在常溫下晶界的存在會(huì)對(duì)位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)起阻礙作用，致使塑性變形抗力提高，宏觀表現(xiàn)為晶界較晶內(nèi)具有較高的強(qiáng)度和硬度。晶粒越細(xì),材料的強(qiáng)度越高，這就是細(xì)晶強(qiáng)化。3.晶界處原子偏離平衡位置，具有較高的動(dòng)能，并且晶界處存在較多的缺陷如空穴、雜質(zhì)原子和位錯(cuò)等，故晶界處原子的擴(kuò)散速度比在晶內(nèi)快得多。1.3.3面缺陷4.晶界特性1.3.3面缺陷594.在固態(tài)相變過(guò)程中,由于晶界能量較高且原子活動(dòng)能力較大,所以新相易于在晶界處優(yōu)先形核.原始晶粒越細(xì),晶界越多,則新相形核率也相應(yīng)越高。5.由于成分偏析和內(nèi)吸附現(xiàn)象，特別是晶界富集雜質(zhì)原子的情況下，往往晶界熔點(diǎn)較低，故在加熱過(guò)程中，因溫度過(guò)高將引起晶界熔化和氧化，導(dǎo)致“過(guò)熱”現(xiàn)象產(chǎn)生。6.由于晶界能量較高、原子處于不穩(wěn)定狀態(tài)，以及晶界富集雜質(zhì)原子的緣故，與晶內(nèi)相比晶界的腐蝕速度一般較快。這就是用腐蝕劑顯示金相樣品組織的依據(jù)，也是某些金屬材料在使用中發(fā)生晶間腐蝕破壞的原因。1.3.3面缺陷4.在固態(tài)相變過(guò)程中,由于晶界能量較高且原子活動(dòng)能力較大,所60材料科學(xué)基礎(chǔ)第三節(jié)實(shí)際金屬的晶體結(jié)構(gòu)材料科學(xué)基礎(chǔ)第三節(jié)實(shí)際金屬的晶體結(jié)構(gòu)61圖對(duì)稱平移性1.3實(shí)際金屬的晶體結(jié)構(gòu)圖對(duì)稱平移性1.3實(shí)際金屬的晶體結(jié)構(gòu)62晶體結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是長(zhǎng)程有序。結(jié)構(gòu)基元或者構(gòu)成物體的粒子(原子、離子或分子等)完全按照空間點(diǎn)陣規(guī)則排列的晶體叫理想晶體。在實(shí)際晶體中，粒子的排列不可能這樣規(guī)則和完整，而是或多或少地存在著偏離理想結(jié)構(gòu)的區(qū)域，出現(xiàn)了不完整性。把實(shí)際晶體中偏離理想點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的區(qū)域稱為晶體缺陷。實(shí)際晶體中雖然有晶體缺陷存在，但偏離平衡位置很大的粒子數(shù)目是很少的，從總的來(lái)看，其結(jié)構(gòu)仍可以認(rèn)為是接近完整的。根據(jù)幾何形態(tài)特征，可以把晶體缺陷分為三類：點(diǎn)缺陷、線缺陷和面缺陷。1.3實(shí)際金屬的晶體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是長(zhǎng)程有序。結(jié)構(gòu)基元或者構(gòu)成物體的粒子(原子、63點(diǎn)缺陷的定義點(diǎn)缺陷：在三維方向上尺寸都很?。ㄟh(yuǎn)小于晶體或晶粒的線度）的缺陷。1.點(diǎn)缺陷的類型金屬中常見的基本點(diǎn)缺陷有空位、間隙原子和置換原子。空位：空位就是未被占據(jù)的原子位置；間隙原子：間隙原子可以是晶體中正常原子離位產(chǎn)生，也可以是外來(lái)雜質(zhì)原子；§1.3.1.1點(diǎn)缺陷的類型及形成1.3.1點(diǎn)缺陷點(diǎn)缺陷的定義§1.3.1.1點(diǎn)缺陷的類型及形成1.3.164置換原子：位于晶體點(diǎn)陣位置的異類原子。1.3.1點(diǎn)缺陷置換原子：位于晶體點(diǎn)陣位置的異類原子。1.3.1點(diǎn)缺陷652.點(diǎn)缺陷的形成原子相互作用的兩種作用力：(1)原子間的吸引力；(2)原子間的斥力

點(diǎn)缺陷形成最重要的環(huán)節(jié)是原子的振動(dòng)

原子的熱振動(dòng)（以一定的頻率和振幅作振動(dòng)）原子被束縛在它的平衡位置上，但原子卻在做著掙脫束縛的努力點(diǎn)缺陷形成的驅(qū)動(dòng)力：溫度、離子轟擊、冷加工

在外界驅(qū)動(dòng)力作用下，哪個(gè)原子能夠掙脫束縛，脫離平衡位置是不確定的，宏觀上說(shuō)這是一種幾率分布1.3.1點(diǎn)缺陷2.點(diǎn)缺陷的形成1.3.1點(diǎn)缺陷66空位的兩種類型：離位原子遷移到晶體的表面上，這樣形成的空位通常稱為肖脫基缺陷；可遷移到晶體點(diǎn)陣的間隙中，這樣的空位稱弗蘭克爾缺陷。圖晶體中的點(diǎn)缺陷(a)肖脫基空位

(b)弗蘭克爾空位1.3.1點(diǎn)缺陷空位的兩種類型：圖晶體中的點(diǎn)缺陷(a)肖脫基空位671.點(diǎn)缺陷的運(yùn)動(dòng)點(diǎn)缺陷并非固定不動(dòng)，而是處在不斷改變位置的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中?？瘴恢車脑樱捎跓嵴駝?dòng)能量的起伏，有可能獲得足夠的能量而跳入空位，并占據(jù)這個(gè)平衡位置，這時(shí)在這個(gè)原子的原來(lái)位置上，就形成一個(gè)空位。這一過(guò)程可以看作是空位向鄰近結(jié)點(diǎn)的遷移。在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，當(dāng)間隙原子與一個(gè)空位相遇時(shí)，它將落入這個(gè)空位，而使兩者都消失，這一過(guò)程稱為復(fù)合，或湮沒(méi)?！?.3.1.2點(diǎn)缺陷的運(yùn)動(dòng)及平衡濃度1.3.1點(diǎn)缺陷1.點(diǎn)缺陷的運(yùn)動(dòng)§1.3.1.2點(diǎn)缺陷的運(yùn)動(dòng)及平衡濃度1.68（a）原來(lái)位置；（b）中間位置；（c）遷移后位置圖空位從位置A遷移到B1.3.1點(diǎn)缺陷（a）原來(lái)位置；（b）中間位置；（c692.點(diǎn)缺陷的平衡濃度晶體中點(diǎn)缺陷的存在，一方面造成點(diǎn)陣畸變，使晶體的內(nèi)能升高，增大了晶體的熱力學(xué)不穩(wěn)定性；另一方面，由于增大了原子排列的混亂程度，并改變了其周圍原子的振動(dòng)頻率，又使晶體的熵值增大。熵值越大，晶體便越穩(wěn)定。由于存在著這兩個(gè)互為矛盾的因素，晶體中的點(diǎn)缺陷在一定溫度下有一定的平衡數(shù)目，這時(shí)點(diǎn)缺陷的濃度就稱為它們?cè)谠摐囟认碌臒崃W(xué)平衡濃度。在一定溫度下有一定的熱力學(xué)平衡濃度，這是點(diǎn)缺陷區(qū)別于其它類型晶體缺陷的重要特點(diǎn)。1.3.1點(diǎn)缺陷2.點(diǎn)缺陷的平衡濃度1.3.1點(diǎn)缺陷70§1.3.1.3點(diǎn)缺陷對(duì)性能的影響點(diǎn)缺陷的存在使晶體體積膨脹，密度減小。點(diǎn)缺陷引起電阻的增加，這是由于晶體中存在點(diǎn)缺陷時(shí)，對(duì)傳導(dǎo)電子產(chǎn)生了附加的電子散射，使電阻增大?？瘴粚?duì)金屬的許多過(guò)程有著影響，特別是對(duì)高溫下進(jìn)行的過(guò)程起著重要的作用。金屬的擴(kuò)散、高溫塑性變形的斷裂、退火、沉淀、表面化學(xué)熱處理、表面氧化、燒結(jié)等過(guò)程都與空位的存在和運(yùn)動(dòng)有著密切的聯(lián)系。

過(guò)飽和點(diǎn)缺陷（如淬火空位、輻照缺陷）還提高了金屬的屈服強(qiáng)度。1.3.1點(diǎn)缺陷§1.3.1.3點(diǎn)缺陷對(duì)性能的影響點(diǎn)缺陷的存在使晶體體積膨711.3.2線缺陷線缺陷就是在兩個(gè)方向上尺寸很小，在一個(gè)方向上尺寸很大的缺陷。線缺陷是各種類型的位錯(cuò)。位錯(cuò)是晶體內(nèi)部一種有規(guī)律的管狀畸變區(qū)。原子發(fā)生錯(cuò)排的范圍，在一個(gè)方向上尺寸較大，而另外兩個(gè)方向上尺寸較小，是一個(gè)直徑為3~5個(gè)原子間距，長(zhǎng)幾百到幾萬(wàn)個(gè)原子間距的管狀原子畸變區(qū)。最簡(jiǎn)單的位錯(cuò)是刃型位錯(cuò)和螺型位錯(cuò)。1.3.2線缺陷線缺陷就是在兩個(gè)方向上尺寸很小，在一個(gè)方向721.3.2線缺陷§1.3.2.1位錯(cuò)的基本概念1.位錯(cuò)學(xué)說(shuō)的產(chǎn)生1926年弗蘭克爾利用理想晶體的模型估算了理論切變強(qiáng)度，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相比相差3~4個(gè)數(shù)量級(jí)。1934年泰勒，波朗依和奧羅萬(wàn)三人幾乎同時(shí)提出晶體中位錯(cuò)的概念。

泰勒把位錯(cuò)與晶體塑變的滑移聯(lián)系起來(lái)，認(rèn)為位錯(cuò)在切應(yīng)力作用下發(fā)生運(yùn)動(dòng)，依靠位錯(cuò)的逐步傳遞完成了滑移。與剛性滑移不同，位錯(cuò)的移動(dòng)只需鄰近原子作很小距離的彈性偏移就能實(shí)現(xiàn)，而晶體其他區(qū)域的原子仍處在正常位置，因此滑移所需的臨界切應(yīng)力大為減小。1.3.2線缺陷§1.3.2.1位錯(cuò)的基本概念1.位錯(cuò)學(xué)731939年柏格斯提出用柏氏矢量來(lái)表征位錯(cuò)的特性，同時(shí)引入螺型位錯(cuò)。1947年柯垂耳利用溶質(zhì)原子與位錯(cuò)的交互作用解釋了低碳鋼的屈服現(xiàn)象。1950年弗蘭克與瑞德同時(shí)提出了位錯(cuò)增殖機(jī)制F—R位錯(cuò)源。50年代后，透射電鏡直接觀測(cè)到了晶體中位錯(cuò)的存在、運(yùn)動(dòng)、增殖。1.3.2線缺陷1939年柏格斯提出用柏氏矢量來(lái)表征位錯(cuò)的特性，同時(shí)引入螺型74圖理想晶體的滑移模型和刃型位錯(cuò)的滑移過(guò)程1.3.2線缺陷圖理想晶體的滑移模型和刃型位錯(cuò)的滑移過(guò)程1.3.2線缺75圖刃型位錯(cuò)與螺型位錯(cuò)2.位錯(cuò)的基本類型位錯(cuò)可分為刃性位錯(cuò)和螺型位錯(cuò)。1.3.2線缺陷圖刃型位錯(cuò)與螺型位錯(cuò)2.位錯(cuò)的基本類型1.3.2線缺陷76（1）刃型位錯(cuò)圖含有刃型位錯(cuò)的晶體1.3.2線缺陷（1）刃型位錯(cuò)圖含有刃型位錯(cuò)的晶體1.3.2線缺陷77刃型位錯(cuò)的概念：在某一水平面以上多出了垂直方向的原子面，猶如插入的刀刃一樣，EF稱為刃型位錯(cuò)線。位錯(cuò)線附近區(qū)域發(fā)生了原子錯(cuò)排，因此稱為“刃型位錯(cuò)”。把多余半原子面在滑移面以上的位錯(cuò)稱為正刃型位錯(cuò)，用符號(hào)“┻”表示，反之為負(fù)刃型位錯(cuò)，用“┳”表示。含有多余半原子面的晶體受壓，原子間距小于正常點(diǎn)陣常數(shù)；不含多余半原子面的晶體受張力，原子間距大于正常點(diǎn)陣常數(shù)。位錯(cuò)在晶體中引起的畸變?cè)谖诲e(cuò)線中心處最大，隨著離位錯(cuò)中心距離的增大，晶體的畸變逐漸減小。1.3.2線缺陷刃型位錯(cuò)的概念：1.3.2線缺陷78刃型位錯(cuò)的特點(diǎn)：1).刃型位錯(cuò)有一個(gè)額外的半原子面。其實(shí)正、負(fù)之分只具相對(duì)意義而無(wú)本質(zhì)的區(qū)別。2).刃型位錯(cuò)線可理解為晶體中已滑移區(qū)與未滑移區(qū)的邊界線。它不一定是直線，也可以是折線或曲線，但它必與滑移方向相垂直，也垂直于滑移矢量。圖不同形狀的刃型位錯(cuò)1.3.2線缺陷刃型位錯(cuò)的特點(diǎn)：圖不同形狀的刃型位錯(cuò)1.3.2線缺陷793).滑移面必定是同時(shí)包含有位錯(cuò)線和滑移矢量的平面，在其他面上不能滑移。由于在刃型位錯(cuò)中，位錯(cuò)線與滑移矢量互相垂直，因此，由它們所構(gòu)成的平面只有一個(gè)。4).晶體中存在刃型位錯(cuò)之后，位錯(cuò)周圍的點(diǎn)陣發(fā)生彈性畸變，既有切應(yīng)變，又有正應(yīng)變。就正刃型位錯(cuò)而言，滑移面上方點(diǎn)陣受到壓應(yīng)力，下方點(diǎn)陣受到拉應(yīng)力;負(fù)刃型位錯(cuò)與此相反。5).在位錯(cuò)線周圍的過(guò)渡區(qū)（畸變區(qū)）每個(gè)原子具有較大的平均能量。但該區(qū)只有幾個(gè)原子間距寬，畸變區(qū)是狹長(zhǎng)的管道，所以刃型位錯(cuò)是線缺陷。1.3.2線缺陷3).滑移面必定是同時(shí)包含有位錯(cuò)線和滑移矢量的平面，在其他面80（a）立體圖；

（b）頂視圖圖

螺型位錯(cuò)的原子組態(tài)（2）螺型位錯(cuò)1.3.2線缺陷（a）立體圖；（b）頂視圖（2）螺型位錯(cuò)1.3.2線缺陷81圖螺型位錯(cuò)原子模型及其形成示意1.3.2線缺陷圖螺型位錯(cuò)原子模型及其形成示意1.3.2線缺陷82螺型位錯(cuò)的結(jié)構(gòu)特征

無(wú)額外的半原子面，原子錯(cuò)排程軸對(duì)稱，分右旋和左旋螺型位錯(cuò)；一定是直線，與滑移矢量平行，位錯(cuò)線移動(dòng)方向與晶體滑移方向垂直；滑移面不是唯一的，包含螺型位錯(cuò)線的平面都可以作為它的滑移面；位錯(cuò)周圍點(diǎn)陣也發(fā)生彈性畸變，但只有平行于位錯(cuò)線的切應(yīng)變而無(wú)正應(yīng)變，即不引起體積的膨脹和收縮；位錯(cuò)畸變區(qū)也是幾個(gè)原子間距寬度，同樣是線位錯(cuò)。1.3.2線缺陷螺型位錯(cuò)的結(jié)構(gòu)特征1.3.2線缺陷833.柏氏矢量（1）柏氏矢量的確定方法先確定位錯(cuò)線的方向(一般規(guī)定位錯(cuò)線垂直紙面時(shí)，由紙面向外為正向)，按右手法則做柏氏回路，右手大拇指指位錯(cuò)線正向，回路方向按右手螺旋方向確定。從實(shí)際晶體中任一原子出發(fā)，避開位錯(cuò)附近的嚴(yán)重畸變區(qū)作一閉合回路，回路每一步連接相鄰原子。按同樣方法在完整晶體中做同樣回路，步數(shù)、方向與上述回路一致，這時(shí)終點(diǎn)和起點(diǎn)不重合，由終點(diǎn)到起點(diǎn)引一矢量即為柏氏矢量b。1.3.2線缺陷3.柏氏矢量1.3.2線缺陷84圖刃型位錯(cuò)柏氏矢量的確定1.3.2線缺陷圖刃型位錯(cuò)柏氏矢量的確定1.3.2線缺陷85圖螺型位錯(cuò)柏氏矢量的確定1.3.2線缺陷圖螺型位錯(cuò)柏氏矢量的確定1.3.2線缺陷86（2）柏氏矢量的物理意義及特征物理意義：代表位錯(cuò)，并表示其特征（強(qiáng)度、畸變量）；表示晶體滑移的方向和大小。

反映出柏氏回路包含的位錯(cuò)所引起點(diǎn)陣畸變的總積累。通常將柏氏矢量稱為位錯(cuò)強(qiáng)度，該矢量的模|b|表示了畸變的程度，稱為位錯(cuò)的強(qiáng)度。位錯(cuò)的許多性質(zhì)如位錯(cuò)的能量，所受的力，應(yīng)力場(chǎng)，位錯(cuò)反應(yīng)等均與其有關(guān)。它也表示出晶體滑移時(shí)原子移動(dòng)的大小和方向。1.3.2線缺陷（2）柏氏矢量的物理意義及特征1.3.2線缺陷87柏氏矢量的特征用柏氏矢量可判斷位錯(cuò)的類型。用柏氏矢量可以表示晶體滑移的方向和大小。位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致晶體滑移時(shí)，滑移量大小即柏氏矢量b，滑移方向即為柏氏矢量的方向。

一條位錯(cuò)線具有唯一的柏氏矢量。若位錯(cuò)可分解，則分解后各分位錯(cuò)的柏氏矢量之和等于原位錯(cuò)的柏氏矢量。位錯(cuò)具有連續(xù)性，不能中斷于晶體內(nèi)部。其存在形態(tài)可形成一個(gè)閉合的位錯(cuò)環(huán)，或連接于其他位錯(cuò)，或終止在晶界，或露頭于晶體表面。1.3.2線缺陷柏氏矢量的特征1.3.2線缺陷88圖三種類型位錯(cuò)的矢量圖解法

1.3.2線缺陷圖三種類型位錯(cuò)的矢量圖解法1.3.2線缺陷89（3）混合位錯(cuò)晶體中已滑移區(qū)與未滑移區(qū)的邊界線（即位錯(cuò)線）既不平行也不垂直于滑移方向，即滑移矢量與位錯(cuò)線成任意角度，這種晶體缺陷稱為混合型位錯(cuò)。混合型位錯(cuò)可分解為刃型位錯(cuò)分量和螺型位錯(cuò)分量。圖

晶體局部滑移形成混合位錯(cuò)1.3.2線缺陷（3）混合位錯(cuò)圖晶體局部滑移形成混合位錯(cuò)1.3.2線90圖混合位錯(cuò)的原子組態(tài)1.3.2線缺陷圖混合位錯(cuò)的原子組態(tài)1.3.2線缺陷91（4）柏氏矢量的表示方法柏矢量對(duì)于柏矢量b沿晶向[uvw]的位錯(cuò)柏矢量的模柏矢量的模的計(jì)算就是矢量模的計(jì)算，同第一章中介紹的晶向長(zhǎng)度計(jì)算。對(duì)于立方晶系：位錯(cuò)的加法按照矢量加法規(guī)則進(jìn)行。

1.3.2線缺陷（4）柏氏矢量的表示方法1.3.2線缺陷924.位錯(cuò)密度晶體中所含位錯(cuò)的多少可用位錯(cuò)密度來(lái)表示。位錯(cuò)密度定義為單位體積晶體中所含位錯(cuò)線的總長(zhǎng)度，其表達(dá)式為若為了簡(jiǎn)便起見，可把晶體中的位錯(cuò)線視為一些直線，而且是平行地從晶體的一端延伸到另一端，于是位錯(cuò)密度就可被視為垂直于位錯(cuò)線的單位截面中所穿過(guò)的位錯(cuò)線數(shù)目，即1.3.2線缺陷4.位錯(cuò)密度1.3.2線缺陷93圖晶體位錯(cuò)密度和強(qiáng)度關(guān)系示意圖1.3.2線缺陷圖晶體位錯(cuò)密度和強(qiáng)度關(guān)系示意圖1.3.2線缺陷941.位錯(cuò)的滑移位錯(cuò)沿滑移面的移動(dòng)稱為滑移。圖位錯(cuò)的滑移§1.3.2.2線缺陷的類型及形成1.3.2線缺陷1.位錯(cuò)的滑移圖位錯(cuò)的滑移§1.3.2.2線缺陷的類型95（a）正刃型位錯(cuò)（b）負(fù)刃型位錯(cuò)圖

刃位錯(cuò)的滑移

1.3.2線缺陷（a）正刃型位錯(cuò)（b）負(fù)刃型位錯(cuò)1.3.2線缺陷96當(dāng)一個(gè)刃型位錯(cuò)沿滑移面滑過(guò)整個(gè)晶體，就會(huì)在晶體表面產(chǎn)生寬度為一個(gè)柏氏矢量b的臺(tái)階，造成晶體的塑性變形。在滑移時(shí)，刃型位錯(cuò)的移動(dòng)方向一定是與位錯(cuò)線相垂直，即與其柏氏矢量相一致。位錯(cuò)線沿著滑移面移動(dòng)時(shí)，它所掃過(guò)的區(qū)域是已滑移區(qū)，而位錯(cuò)線未掃過(guò)的區(qū)域?yàn)槲椿茀^(qū)。圖

刃型位錯(cuò)滑移導(dǎo)致晶體塑性變形的過(guò)程1.3.2線缺陷當(dāng)一個(gè)刃型位錯(cuò)沿滑移面滑過(guò)整個(gè)晶體，就會(huì)在晶體表面產(chǎn)生寬度為97（a）原始位置；

（b）位錯(cuò)向左移動(dòng)一個(gè)原子間距圖螺型位錯(cuò)滑移

1.3.2線缺陷（a）原始位置；（b）位錯(cuò)向左移動(dòng)一個(gè)原子間距198圖

螺型位錯(cuò)滑移導(dǎo)致晶體塑性變形的過(guò)程在切應(yīng)力作用下，螺型位錯(cuò)的移動(dòng)方向是與其柏氏矢量相垂直。對(duì)于螺型位錯(cuò)，由于位錯(cuò)線與柏氏矢量平行，所以它不象刃型位錯(cuò)那樣具有確定的滑移面，而可在通過(guò)位錯(cuò)線的任何原子平面上滑移。如果螺型位錯(cuò)在某一滑移面滑移后轉(zhuǎn)到另一通過(guò)位錯(cuò)線的臨近滑移面上滑移的現(xiàn)象稱為交滑移。1.3.2線缺陷圖螺型位錯(cuò)滑移導(dǎo)致晶體塑性變形的過(guò)程在切應(yīng)力作用下，螺型99圖刃型位錯(cuò)與螺型位錯(cuò)1.3.2線缺陷圖刃型位錯(cuò)與螺型位錯(cuò)1.3.2線缺陷100由于混合位錯(cuò)可以分解為刃型和螺型兩部分，因此，不難理解，混合位錯(cuò)在切應(yīng)力作用下，也是沿其各線段的法線方向滑移，并同樣可使晶體產(chǎn)生與其柏氏矢量相等的滑移量。（a）位錯(cuò)環(huán)（b）位錯(cuò)環(huán)運(yùn)動(dòng)后產(chǎn)生的滑移圖

位錯(cuò)環(huán)的滑移1.3.2線缺陷由于混合位錯(cuò)可以分解為刃型和螺型兩部分，因此，不難理解，混合101位錯(cuò)的滑移特征位錯(cuò)類型柏氏矢量位錯(cuò)線運(yùn)動(dòng)方向晶體滑移方向切應(yīng)力方向滑移面數(shù)目刃型位錯(cuò)螺型位錯(cuò)混合位錯(cuò)⊥位錯(cuò)線⊥位錯(cuò)線本身與b一致與b一致唯一確定∥位錯(cuò)線⊥位錯(cuò)線本身與b一致與b一致多個(gè)成角度⊥位錯(cuò)線本身與b一致與b一致位錯(cuò)的滑移特征位錯(cuò)柏氏位錯(cuò)線晶體滑移方向切應(yīng)力方向滑移面數(shù)目102（1）可以通過(guò)柏氏矢量和位錯(cuò)線的關(guān)系來(lái)判斷位錯(cuò)特征。b⊥t時(shí)為刃型位錯(cuò)，b∥t為螺型位錯(cuò)，對(duì)于混合型位錯(cuò)，b和t的角度在0°和90°。

（2）位錯(cuò)的滑移面包含柏氏矢量和位錯(cuò)線。

（3）對(duì)于一根位錯(cuò)線而言，柏氏矢量是固定不變的。

（4）位錯(cuò)線不能終止于完整晶體之中。

1.3.2線缺陷（1）可以通過(guò)柏氏矢量和位錯(cuò)線的關(guān)系來(lái)判斷位錯(cuò)特征。b⊥t時(shí)1032.位錯(cuò)的攀移刃型位錯(cuò)除了可以在滑移面上滑移外，還可垂直于滑移面發(fā)生攀移。當(dāng)半原子面下端的原子跳離，即空位遷移到半原子面下端時(shí)，半原子面將縮短，表現(xiàn)為位錯(cuò)向上移動(dòng)，這種移動(dòng)叫做正攀移。反之叫做負(fù)攀移。位錯(cuò)攀移時(shí)伴隨著物質(zhì)的遷移，需要擴(kuò)散才能實(shí)現(xiàn)。因?yàn)榕室菩枰訑U(kuò)散，所以較之滑移所需的能量更大。對(duì)于大多數(shù)金屬，這種運(yùn)動(dòng)在室溫下很難進(jìn)行。因此，位錯(cuò)攀移時(shí)需要熱激活，也就是比滑移需要更大的能量。通常稱攀移為“非守恒運(yùn)動(dòng)”，滑移則稱為“守恒運(yùn)動(dòng)”。1.3.2線缺陷2.位錯(cuò)的攀移1.3.2線缺陷1043.位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的交割對(duì)于在滑移面上運(yùn)動(dòng)的位錯(cuò)來(lái)說(shuō)，穿過(guò)此滑移面的其它位錯(cuò)稱為林位錯(cuò)。林位錯(cuò)會(huì)阻礙位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，但是若應(yīng)力足夠大，滑動(dòng)的位錯(cuò)將切過(guò)林位錯(cuò)繼續(xù)前進(jìn)。位錯(cuò)互相切割的過(guò)程稱為位錯(cuò)交割或位錯(cuò)交截。一般情況下，兩個(gè)位錯(cuò)交割時(shí)，每個(gè)位錯(cuò)上都要新產(chǎn)生一小段位錯(cuò)，它們的柏氏矢量與攜帶它們的位錯(cuò)相同，它們的大小與方向決定于另一位錯(cuò)的柏氏矢量。當(dāng)交割產(chǎn)生的小段位錯(cuò)不在所屬位錯(cuò)的滑移面上時(shí)，則成為位錯(cuò)割階，如果小段位錯(cuò)位于所屬位錯(cuò)的滑移面上，則相當(dāng)于位錯(cuò)扭折。1.3.2線缺陷3.位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的交割1.3.2線缺陷105思考題怎樣判斷位錯(cuò)線的移動(dòng)方向？拇指順著柏氏矢量方向移動(dòng)的部分晶體食指位錯(cuò)線的方向中指位錯(cuò)線運(yùn)動(dòng)方向思考題怎樣判斷位錯(cuò)線的移動(dòng)方向？拇指食指中指1061.3.3面缺陷面缺陷的定義面缺陷：在兩個(gè)方向上尺寸很大，在一個(gè)方向上尺寸很小的缺陷。

面缺陷的類型金屬中常見的面缺陷有表面、晶界、亞晶界和相界。1.3.3面缺陷面缺陷的定義107

從原子結(jié)合的角度看，表面原子的結(jié)合鍵數(shù)也減少，因此表面原子有強(qiáng)烈的傾向與環(huán)境中的原子或分子相互作用。晶體表層原子在不均勻力場(chǎng)作用下會(huì)偏離其平衡位置而移向晶體內(nèi)部，但是正、負(fù)離子(或正、負(fù)電荷)偏離的程度不同，結(jié)果在晶體表面產(chǎn)生了雙電層。圖離子晶體表面的雙電層外表面1.3.3面缺陷

從原子結(jié)合的角度看，表面原子的結(jié)合鍵數(shù)也減少，因此表面原子108晶體內(nèi)部的原子處于其他原子的包圍中，處于均勻的力場(chǎng)中，總合力為零，處于能量最低的狀態(tài)。而