材料科學(xué)基礎(chǔ)47講晶格缺陷課件

1第二章晶體缺陷

Imperfections(defects)inCrystals“Itisthedefectsthatmakesmaterialssointeresting,justlikethehumanbeing.”“Defectsareattheheartofmaterialsscience.”1第二章晶體缺陷

Imperfections(defe2晶體缺陷提出的起因20世紀(jì)30年代，W.Schottky為了解釋用離子晶體的電介電導(dǎo)率問題，提出了晶體中可能由于熱起伏而產(chǎn)生間隙和空位而且發(fā)現(xiàn)食鹽的電介電導(dǎo)率與這些缺陷的數(shù)目有關(guān)。隨后，Taylor、Polanyi和Orowan為了解決晶體屈服的實驗數(shù)值與理論計算值之間的巨大差別，三人幾乎同時引入位錯這一晶體缺陷。晶體缺陷是現(xiàn)代金屬強度的微觀理論基礎(chǔ)。2晶體缺陷提出的起因20世紀(jì)30年代，W.Schottky為位錯理論的研究歷史3位錯理論的研究歷史3位錯理論的研究歷史1907年意大利數(shù)學(xué)家沃爾泰拉(V.Volterra)提出了彈性體連續(xù)介質(zhì)中線缺陷的概念和模型，但并未引入到晶體中。1934年英國人G.I.Taylor、德國人E.Orowan和M.Polanyi提出晶體中的位錯模型。1939年荷蘭的J.M.Burgers建立了確定伯氏矢量的方法。1947年R.W.Cahn將他發(fā)現(xiàn)的并由他的導(dǎo)師E.Orowan命名的“多邊形化過程”稱為第一次用實驗演示了位錯的存在。1953年Vogel等在鍺晶體中用浸蝕坑法展示了小角度亞晶界的分布，確定了位錯密度與兩晶粒間取向差的關(guān)系。1956年W.C.Dash報道用銅揭示了硅中的弗蘭克-里德(Frank-Read)位錯源(紅外線法)。1956年P(guān).Hirsch于在劍橋大學(xué)Cavendish實驗室的決定性工作是用透射電1956—1962年A.Seeger、J.Lothe和J.P.Hirth等在研究了彎結(jié)的形核和生長鏡在變形的鋁薄膜中直接觀察到位錯線。4位錯理論的研究歷史1907年意大利數(shù)學(xué)家沃爾泰拉(V.Vo位錯理論的研究歷史1934年V.Volterra和G.I.Taylor首先建立了位錯的彈性應(yīng)力場。1940年R.Peierls提出了位錯的點陣模型，計算了應(yīng)力場和位錯能量；1941年W.E.Brown和J.S.K?hler在修正了他們的結(jié)果。1941年M.O.Peach和J.S.K?hler給出位錯受力的通式。1947年Nabarro又修正了R.Peierls的結(jié)果。1948—1949年F.R.N.Nabarro和J.Bardeen提出割階可作為位錯攀移的地點。

1948年R.D.Heidenreich和W.B.Shockley提出位錯上會出現(xiàn)彎結(jié)和割階。1949年A.H.Cottrell提出科氏氣團理論。

1951年A.H.Cottrell和B.A.Bilby提出了BCC金屬孿生的不全位錯極軸機制。1951—1952年W.M.Lomer和A.H.Cottrell提出L-C鎖，又稱面角位錯或Lomer-Cottrell位錯。1952年F.R.N.Nabarro給出直位錯和簡單形狀位錯的完整的彈性應(yīng)力場。1953年湯姆森(N.Thompson)提出湯姆森四面體。5位錯理論的研究歷史1934年V.Volterra和G.I6實際晶體中的缺陷晶體缺陷：晶體中各種偏離理想結(jié)構(gòu)的區(qū)域根據(jù)幾何特征分為三類點缺陷（pointdefect)三維空間的各個方向均很小零維缺陷(zero-dimensionaldefect)線缺陷（linedefect)在二個方向尺寸均很小面缺陷（planedefect)在一個方向上尺寸很小一維缺陷(one-dimensionaldefect)二維缺陷(two-dimensionaldefect)6實際晶體中的缺陷晶體缺陷：晶體中各種偏離理想結(jié)構(gòu)的區(qū)域根據(jù)7點缺陷點缺陷：空位、間隙原子、溶質(zhì)原子、和雜質(zhì)原子、

+復(fù)合體（如：空位對、空位-溶質(zhì)原子對）點缺陷的形成（Theproductionofpointdefects)（1）熱運動：強度是溫度的函數(shù)能量起伏=〉原子脫離原來的平衡位置而遷移別處=〉空位(vacancy)Schottky空位，-〉晶體表面Frenkel空位，-〉晶體間隙原因：（2）冷加工（3）輻照7點缺陷點缺陷：空位、間隙原子、溶質(zhì)原子、和雜質(zhì)原子、點缺陷889平衡濃度的推導(dǎo)平衡判據(jù)F：赫姆霍茨自由能U：內(nèi)能S：熵點缺陷的存在：（1）、點陣畸變，內(nèi)能升高，降低晶體的熱力學(xué)穩(wěn)定性；（2）、組態(tài)熵和振動熵增大，提高晶體熱力學(xué)穩(wěn)定性。這兩個互相矛盾的因素使得晶體中的點缺陷在一定的溫度下有確定的平衡濃度。9平衡濃度的推導(dǎo)平衡判據(jù)F：赫姆霍茨自由能點缺陷的存在：10求極值假設(shè)條件:（1）晶體體積保持常數(shù)，不隨溫度而變；每個缺陷的能量與溫度無關(guān)；（2）缺陷間沒有相互作用，彼此獨立無關(guān)；（3）空位及間隙原子的存在不改變點陣振動的本征頻率。平衡濃度的推導(dǎo)10求極值假設(shè)條件:平衡濃度的推導(dǎo)11與點缺陷有關(guān)的能量與頻率空位形成能：DEv

原子-〉晶體表面=電子能+畸變能平衡濃度：熱力學(xué)穩(wěn)定的缺陷：產(chǎn)生與消亡達(dá)致平衡N表示原子數(shù)，n為空位數(shù)，R是氣體常數(shù)，T是絕對溫度，Q是形成每摩爾空位所需的能量，A是與振動熵有關(guān)的系數(shù)，一般數(shù)值為1～10。11與點缺陷有關(guān)的能量與頻率空位形成能：DEv平衡濃度：熱力12點缺陷濃度及對性能的影響*過飽和空位：高溫淬火、冷加工、輻照1、電阻增大2、提高機械性能3、有利于原子擴散4、體積膨脹，密度減小*點缺陷對性能的影響12點缺陷濃度及對性能的影響*過飽和空位：1、電阻增大2、提13

緣起：單晶體理論強度（滑移的臨界剪切應(yīng)力）與實驗值有巨大差距理論值：tc=10-2~10-1G

實驗值：tc=10-8~10-4G位錯概念的提出（一）假說：1934年證實：上世紀(jì)50年代，電鏡實驗觀察材料科學(xué)中的有關(guān)晶體的核心概念之一；《材料科學(xué)基礎(chǔ)》中最難懂的概念。13緣起：單晶體理論強度（滑移的臨界剪切應(yīng)力）與實驗值141415單晶體理論強度的計算（一）haa/2a/2xxxx(a)(b)(d)(c)15單晶體理論強度的計算（一）haa/2a/2xxxx(a)16單晶體理論強度的計算（二）16單晶體理論強度的計算（二）17計算中的假設(shè)1。完整晶體，沒有缺陷2。整體滑動3。正弦曲線（0.01-0.1G）問題出在假設(shè)1和2上！應(yīng)是局部滑移！日常生活和大自然的啟示=〉17計算中的假設(shè)1。完整晶體，沒有缺陷問題出在假設(shè)1和2上！18有缺陷晶體的局部滑動存在著某種缺陷---位錯（dislocation）位錯的運動（逐步傳遞）=>晶體的逐步滑移

小寶移大毯！毛毛蟲的蠕動18有缺陷晶體的局部滑動存在著某種缺陷---位錯（dislo19位錯的高分辨圖像19位錯的高分辨圖像20典型的位錯明場像照片20典型的位錯明場像照片21位錯特性：

滑移面上已滑動區(qū)域與未滑動區(qū)域的邊界兩個幾何參量（矢量）表征位錯的幾何特征:線缺陷（不考慮位錯核心結(jié)構(gòu)）位錯線方向矢量（切矢量）滑移矢量（柏氏矢量）晶體局部滑動的推進(jìn)=位錯運動運動前方：未滑動區(qū)域運動后方：已滑動區(qū)域邊界：位錯所在位置，位錯線21位錯特性：

滑移面上已滑動區(qū)域與未滑動區(qū)域的邊界兩個幾何22刃型位錯edgedislocation其形狀類似于在晶體中插入一把刀刃而得名。特征：

1）有一額外原子面，額外半原子面刃口處的原子列稱為位錯線

2）位錯線垂直于滑移矢量，位錯線與滑移矢量構(gòu)成的面是滑移面，刃位錯的滑移面是唯一的。

3）半原子面在上,正刃型位錯┻；在下,負(fù)刃型位錯┳

4）刃位錯的位錯線不一定是直線，可以是折線，也可以是曲線，但位錯線必與滑移矢量垂直。

5）刃型位錯周圍的晶體產(chǎn)生畸變，上壓，下拉，半原子面是對稱的，位錯線附近畸變大，遠(yuǎn)處畸變小。

6）位錯周圍的畸變區(qū)一般只有幾個原子寬（一般點陣畸變程度大于其正常原子間距的1/4的區(qū)域?qū)挾?，定義為位錯寬度，約2~5個原子間距。）*畸變區(qū)是狹長的管道，故位錯可看成是線缺陷。22刃型位錯edgedislocation232324刃型位錯edgedislocation小寶移大毯！空能谷旁邊的原子由于熱起伏而跳入空能谷，其它部分原子位置稍作調(diào)整就相當(dāng)于位錯移動了1個原子間距b。如果外加1個切應(yīng)力，位壘曲線對于位錯中心就不對稱，從而更有利于原子定向跳入空能谷，這樣，位錯在滑移面上容易運動就不難理解了。24刃型位錯edgedislocation小寶移大毯25螺型位錯screwdislocation特征：

1）無額外半原子面，原子錯排是軸對稱的

2）位錯線與滑移矢量平行，且為直線

3）凡是以螺型位錯線為晶帶軸的晶帶由所有晶面都可以為滑移面。

4）螺型位錯線的運動方向與滑移矢量相垂直

5)分左螺旋位錯left-handedscrew符合左手法則右right-handedscrew右

6）螺型位錯也是包含幾個原子寬度的線缺陷25螺型位錯screwdislocation特征26混合位錯混合位錯：滑移矢量既不平行也不垂直于位錯線，而是與位錯線相交成任意角度，。

一般混合位錯為曲線形式，故每一點的滑移矢量相同的，但其與位錯線的交角卻不同。26混合位錯混合位錯：滑移矢量既不平行也不垂直于位錯線，271。首先選定位錯的正向；

2。然后繞位錯線周圍作右旋閉合回路-------柏氏回路；在不含有位錯的完整晶體中作同樣步數(shù)的路徑，3。由終點向始點引一矢量，即為此位錯線的柏氏矢量，記為柏氏矢量的確定BurgersVectorFS/RH規(guī)則271。首先選定位錯的正向；柏氏矢量的確定Bur28各種位錯的柏氏矢量28各種位錯的柏氏矢量29正負(fù)位錯的討論1、正刃型位錯和負(fù)刃型位錯區(qū)分是相對而言，因為當(dāng)位錯線方向確定后，當(dāng)繞位錯線旋轉(zhuǎn)180度后，正刃型位錯變?yōu)樨?fù)刃型位錯，而負(fù)刃型位錯變?yōu)檎行臀诲e，兩者無本質(zhì)差異，只有相對意義；2、左螺型位錯和右螺型位錯沒有相對意義，它們是絕對的區(qū)分，因為左（右）螺型位錯不管從任何角度看都不會變成右（左）螺型位錯。29正負(fù)位錯的討論1、正刃型位錯和負(fù)刃型位錯區(qū)分是相對而言，301。反映位錯周圍點陣畸變的總積累（包括強度和取向）2。該矢量的方向表示位錯運動導(dǎo)致晶體滑移的方向，而該矢量的模表示畸變的程度稱為位錯的強度。（strengthofdislocation）柏氏矢量的物理意義301。反映位錯周圍點陣畸變的總積累（包括強度和取向）柏氏矢31柏氏矢量的守恒性柏氏矢量的守恒性：與柏氏回路起點的選擇無關(guān)，也與回路的具體途徑無關(guān)1。一根位錯線具有唯一的柏氏矢量，其各處的柏氏矢量都相同，且當(dāng)位錯運動時，其柏氏矢量也不變。2。位錯的連續(xù)性：位錯線只能終止在晶體表面或界面上，而不能中止于晶體內(nèi)部；在晶體內(nèi)部它只能形成封閉的環(huán)線或與其他位錯相交于結(jié)點上。31柏氏矢量的守恒性柏氏矢量的守恒性：與柏氏回路起點的選擇32柏氏矢量的大小和方向可用它在晶軸上的分量-------點陣矢量，來表示在立方晶體中，可用于相同的晶向指數(shù)來表示：

柏氏矢量的表示法位錯強度位錯合并32柏氏矢量的大小和方向可用它在晶軸上的分量-------點33課堂練習(xí)1、Pt的晶體結(jié)構(gòu)為fcc，其晶格常數(shù)為0.3923nm，密度為21.45g/cm3，試計算其空位分?jǐn)?shù)。2、由600℃降至300℃時，Ge晶體中的空位平衡濃度降低了6個數(shù)量級，試計算Ge晶體中的空位形成能。33課堂練習(xí)1、Pt的晶體結(jié)構(gòu)為fcc，其晶格常數(shù)為0.3934答案1、設(shè)空位所占粒子數(shù)分?jǐn)?shù)為x，2、故：34答案1、設(shè)空位所占粒子數(shù)分?jǐn)?shù)為x，35位錯的應(yīng)力場35位錯的應(yīng)力場36從材料力學(xué)中得知，固體中任一點的應(yīng)力狀態(tài)可用9個應(yīng)力分量來表示，如前圖所示，分別用直角坐標(biāo)和圓柱坐標(biāo)給出單元體上這些應(yīng)力分量，其中σxx，σyy和σzz（σrr，σθθ和σzz）為三個正應(yīng)力分量，而，τxy，τyx，τxz，τzx，τyz和τzy（τrθ，

τθr，

τzr，

τrz，

τzθ和τθz）則為6個切應(yīng)力分量。這里應(yīng)力分量中的第一個下標(biāo)表示應(yīng)力作用面的外法線方向，第二個下標(biāo)表示應(yīng)力的指向。由于物體處于平衡狀態(tài)時，τij＝

τji，即τxy＝

τyx，τyz＝

τzy，τzx＝

τxz（τrθ＝

τθr

，τzθ＝

τθz

，τzr＝

τrz），因此實際上只要6個應(yīng)力分量就可決定任一點的應(yīng)力狀態(tài)。相對應(yīng)的也有6個應(yīng)變分量，其中εxx，εyy和εzz為三個正應(yīng)變分量，γxy，γyz和γzx為3個切應(yīng)變分量。36從材料力學(xué)中得知，固體中任一點的應(yīng)力狀態(tài)可用9個應(yīng)力分量37螺型位錯的應(yīng)力場連續(xù)介質(zhì)模型：中空圓柱（不考慮位錯中心區(qū)）圓柱坐標(biāo)：方便（利用其軸對稱特性！）位移：uz，其余分量為零應(yīng)變：gqz=b/2pr=gzq,其余分量為零應(yīng)力：tqz=tzq=Ggqz=Gb/2pr，虎克定律；其余分量為零直角坐標(biāo)37螺型位錯的應(yīng)力場連續(xù)介質(zhì)模型：位移：uz，其余分量為零38螺型位錯的應(yīng)力場的特點只有切應(yīng)力分量，無體積變化應(yīng)變、應(yīng)力場為軸對稱1/r規(guī)律；r->0,應(yīng)力無窮大，不合實際情況，不適合中心嚴(yán)重畸變區(qū)。此規(guī)律適用于所有位錯！38螺型位錯的應(yīng)力場的特點只有切應(yīng)力分量，無體積變化39刃型位錯的應(yīng)力場連續(xù)介質(zhì)模型：1。切開，插入半原子面大小的彈性介質(zhì)2。中空圓柱，徑向平移b插入切開12直角坐標(biāo)圓柱坐標(biāo)39刃型位錯的應(yīng)力場連續(xù)介質(zhì)模型：b插入切開12直角坐標(biāo)40同時存正、切應(yīng)力分量，正比于Gb各應(yīng)變、應(yīng)力只是（x,y)的函數(shù)，平面應(yīng)變多余半原子面所在平面為對稱平面滑移面上無正應(yīng)力、切應(yīng)力達(dá)最大值上壓下拉Anywhere

特征分界線x=+-y,

txy,tyy

在其兩側(cè)變號，其上則為零刃型位錯應(yīng)力場的特點注意：前述為無限長直位錯在無限大均勻各向同性介質(zhì)中的應(yīng)力場40同時存正、切應(yīng)力分量，正比于Gb刃型位錯應(yīng)力場的特點注41=位錯=>點陣畸變=>能量的增高，此增量稱為位錯的應(yīng)變能(E=Ec+Es≈Es)

Ec：位錯中心應(yīng)變能(占總的10%)

Es：位錯應(yīng)力場引起的彈性應(yīng)變能位錯的應(yīng)變能=制造單位位錯所作的功位錯的應(yīng)變能根據(jù)位錯切移模型和彈性理論可求得混合位錯角度因素：螺K=1刃K=1-n41=位錯=>點陣畸變=>能量的增高，此增42位錯應(yīng)變能的特點1）應(yīng)變能與b2

成正比，故具有最小b的位錯最穩(wěn)定b，大的位錯有可能分解為b小的位錯，以降低系統(tǒng)能量。2)應(yīng)變能隨R↑而↑，故在位錯具有長程應(yīng)力場，其中的長程應(yīng)變能起主導(dǎo)作用，位錯中心區(qū)能量較小，可忽略不計。3）Es螺/Es刃=1-n常用金屬材料n約為1/3，故Es螺/Es刃=2/34）位錯的能量還與位錯線的形狀及長度有關(guān)，兩點之間以直線為最短，位錯總有被拉直的趨勢，產(chǎn)生一線張力。5）位錯的存在→體系內(nèi)能↑，晶體的熵值↑可忽略因此位錯的存在使晶體處于高能的不穩(wěn)定狀態(tài)，可見位錯是熱力學(xué)不穩(wěn)定的晶體缺陷。42位錯應(yīng)變能的特點1）應(yīng)變能與b2成正比，故具有最小b位錯的線張力線張力:為了降低能量，位錯自發(fā)變直，縮短長度的趨勢

T=dE/dlT=aGb2（a=0.5~1.0）*組態(tài)力趨向于能量較低的狀態(tài)，沒有施力者*線張力的意義：a.使位錯線縮短變直

b.晶體中位錯呈三維網(wǎng)狀分布端點固定的位錯在剪應(yīng)力作用下的平衡形態(tài)位錯的線張力線張力:為了降低能量，位錯自發(fā)變直，縮短長度44位錯的運動（一）人們?yōu)槭裁磳ξ诲e感興趣？大量位錯在晶體中的運動=〉晶體宏觀塑性變形位錯運動的兩種基本形式：滑移和攀移滑移面：位錯線與柏氏矢量所在平面刃位錯的滑移面：？螺位錯的滑移面：？晶體的滑移總是與b矢量在同一直線上，同向或反向，取決于剪應(yīng)力方向44位錯的運動（一）人們?yōu)槭裁磳ξ诲e感興趣？位錯運動的兩種基45位錯的運動（二）位錯有一定寬度，位錯滑移一個b時，位錯中原子各移動一小距離。寬位錯易移！45位錯的運動（二）位錯有一定寬度，位錯滑移一個b時，位錯中46位錯的運動（三）攀移：刃位錯⊥滑移面〈=多余半原子面的擴大或縮小〈=原子或空位的擴散螺位錯的交滑移特點:(1)擴散需要熱激活，比滑移需要更大的能量

(2)純剪應(yīng)力不能引起體積變化，對攀移不起作用

(3)過飽和空位的存在有利于攀移進(jìn)行。

涉及多個滑移面的滑移46位錯的運動（三）攀移：刃位錯⊥滑移面〈=多余半原子面的47位錯的交割（一）交割：位錯與穿過其滑移面的位錯彼此切割意義：有利于晶體強化及空位和間隙原子的產(chǎn)生。幾種典型的位錯交割1。兩個互相垂直的刃位錯的交割47位錯的交割（一）交割：位錯與穿過其滑移面的位錯彼此切割幾48位錯的交割（二）2。刃位錯和螺位錯的交割：割階+扭折刃位錯螺位錯割階扭折48位錯的交割（二）2。刃位錯和螺位錯的交割：割階+扭折刃位49位錯的交割（三）3。兩個互相垂直的螺位錯的交割產(chǎn)生兩個刃型割階，大小和方向各等于對方b矢量49位錯的交割（三）3。兩個互相垂直的螺位錯的交割產(chǎn)生兩個刃50割階與紐折（JogandKink）所有的割階都是韌性位錯，紐折可以是韌位錯也可以是螺位錯割階：攀移，硬化割階的三種情況：1。高度1-2b，拖著走，一排點缺陷2。幾個b-20nm，形成位錯偶。3?！?0nm，各自旋轉(zhuǎn)50割階與紐折（JogandKink）所有的割階都是韌性51課堂練習(xí)已知Cu晶體的點陣常數(shù)a＝0.35nm，切變模量G＝4×104MPa，有一位錯，其位錯線方向為，試計算該位錯的應(yīng)變能。51課堂練習(xí)已知Cu晶體的點陣常數(shù)a＝0.35nm，切變模量52答案根據(jù)柏氏矢量與位錯線之間的關(guān)系可知，該位錯為螺型位錯，其應(yīng)變能取故52答案根據(jù)柏氏矢量與位錯線之間的關(guān)系可知，該位錯為螺型位錯53位錯的生成晶體緩慢生長過程中產(chǎn)生的位錯：

1。成分不同=〉晶塊點陣常數(shù)不同=〉位錯過渡

2。晶塊偏轉(zhuǎn)、彎曲=〉位相差=〉位錯過渡

3。晶體表面受到影響=〉臺階或變形=〉產(chǎn)生位錯快速凝固=〉過飽和空位=〉聚集=〉位錯熱應(yīng)力=〉界面和微裂紋處應(yīng)力集中=〉局部滑移=〉位錯53位錯的生成晶體緩慢生長過程中產(chǎn)生的位錯：54位錯的增殖事實上：密度增加，可達(dá)4-5個數(shù)量級位錯必有增殖！主要增殖機制：Frank-Read位錯源已為實驗所證實：Si，Al-Cu…晶體中觀察到位錯滑移到表面=>宏觀變形（減少？）

54位錯的增殖事實上：密度增加，可達(dá)4-5個數(shù)量級主要增殖55螺位錯雙交滑移增殖比Frank-Read源更有效!55螺位錯雙交滑移增殖比Frank-Read源更有效!56實際晶體中的位錯簡單立方晶體：柏氏矢量=點陣矢量實際晶體：柏氏矢量=，>,<點陣矢量全位錯（perfectdislocation：柏氏矢量=n*點陣矢量

n=1:單位位錯

不全位錯（imperfectdislocation):

柏氏矢量=n*點陣矢量

n*<1:部分位錯(partialdislocation)實際晶體中的位錯須滿足兩大條件：

結(jié)構(gòu)條件：連接一個平衡位置與另一個平衡位置

能量條件：b越小越穩(wěn)定56實際晶體中的位錯簡單立方晶體：柏氏矢量=點陣矢量全位57典型晶體結(jié)構(gòu)中的單位位錯

的柏氏矢量滑移面:密排面、b矢量：密排方向57典型晶體結(jié)構(gòu)中的單位位錯

的柏氏矢量滑移面:密排面、58課堂習(xí)題畫出面心立方(111)面及其方向。畫出體心立方(110)面及其方向。58課堂習(xí)題畫出面心立方(111)面及其59答案59答案60實際晶體中的堆垛順序60實際晶體中的堆垛順序61實際晶體中的堆垛順序不全位錯：與堆垛層錯有關(guān)堆垛層錯:實際晶體中的密排面的正常堆垛順序遭到破壞實際晶體中的堆垛順序：密排原子面按一定順序堆垛而成。面心立方：ABCABCABC…;DDDDD....

密排六方：ABABABAB…；D▽D▽…61實際晶體中的堆垛順序不全位錯：與堆垛層錯有關(guān)62堆垛層錯堆垛層錯:實際晶體中的密排面的正常堆垛順序遭到破壞面心立方晶體中存在的層錯

抽出型：插入型:特點:一個插入型層錯相當(dāng)于兩個抽出型層錯面心立方晶體中存在層錯時相當(dāng)于在其間形成了一薄層的hcp晶體結(jié)構(gòu)

62堆垛層錯堆垛層錯:實際晶體中的密排面的正常堆垛順序遭到63堆垛層錯（二）密排六方晶體中的層錯抽出型層錯插入型層錯63堆垛層錯（二）密排六方晶體中的層錯抽出型層錯插入型層錯64層錯能形成層錯幾乎不產(chǎn)生點陣畸變，但會破毀晶體的正常周期完整性=>晶體能量升高增加的能量稱為“堆垛層錯能”或“層錯能”（J/m2)層錯能越低，層錯出現(xiàn)的幾率越大，越易觀察到，例如奧氏體不銹鋼中。64層錯能形成層錯幾乎不產(chǎn)生點陣畸變，但會破毀晶體的正常周期65不全位錯不全位錯：堆垛層錯與完整晶體的分界線（b矢量不等于點陣矢量）肖克萊（Schckley)不全位錯:(a/6)*[1,-2,1](在(111)面上）特點：1）b矢量永遠(yuǎn)平行于層錯面

2）層錯為一平面=>其邊界在一平面內(nèi)

3）可以為刃型、螺形、混和位錯

4）滑移的結(jié)果是層錯面的擴大或縮小。但不能攀移，因它必須和層錯始終相連Fcc晶體中兩種重要的不全位錯65不全位錯不全位錯：堆垛層錯與完整晶體的分界線（b矢量不等66弗蘭克（Frank)不全位錯弗蘭克（Frank)不全位錯：插入或抽出半原子面所形成的層錯與完整晶體的邊界,（a/3)*<111>。抽出：負(fù)弗蘭克（Frank)不全位錯

插入：正弗蘭克（Frank)不全位錯特點：a)(a/3)*<111>，純?nèi)行臀诲e

b）不能在滑移面上滑移，只能攀移

c）屬不動位錯（sessiledislocation)66弗蘭克（Frank)不全位錯弗蘭克（Frank)不全67面心立方晶體中的位錯湯普森（Thompson）四面體

FCC中所有重要的位錯和位錯反應(yīng)均可用Thompson四面體表示。(1)四個面即為4個可能的滑移面(111),(-1,1,1),(1,-1,1),(1,1,-1)(2)6條棱邊代表12個晶向，即FCC中所有可能的12個全位錯的b矢量67面心立方晶體中的位錯湯普森（Thompson）四面體(168湯普森四面體的展開**每個頂點與其中心的連線共代表24個(a/6)<112>肖克萊不全位錯的b矢量**4個頂點到它所對的三角形中點連線代表8個(a/3)<111>弗蘭克不全位錯的b矢量68湯普森四面體的展開**每個頂點與其中心的連線共代表24個69FCC中的位錯反應(yīng)位錯反應(yīng)：位錯之間的合并與分界

1）幾何條件：b矢量總和不變

2）能量條件：反應(yīng)降低位錯總能量69FCC中的位錯反應(yīng)位錯反應(yīng)：位錯之間的合并與分界70擴展位錯的束集束集：在外切應(yīng)力作用下，層錯寬度減小至零，局部收縮成原來的全位錯：位錯擴展的反過程70擴展位錯的束集束集：在外切應(yīng)力作用下，層錯寬度減小至零，71晶界晶界：取向不同的晶粒之間的界面（內(nèi)界面）晶界具有5個自由度：兩晶粒的位相差（3），界面的取向（2）71晶界晶界：取向不同的晶粒之間的界面（內(nèi)界面）72扭轉(zhuǎn)晶界***一般小角度晶界（小于15度）都可看成兩部分晶體繞某一軸旋轉(zhuǎn)一角度而形成，不過該轉(zhuǎn)軸即不平行也不垂直晶界，故可看成一系列刃位錯，螺位錯或混合位錯的網(wǎng)絡(luò)組成。72扭轉(zhuǎn)晶界***一般小角度晶界（小于15度）都可看成兩73大角度晶界

High-anglegrainboundary（大于15度）

重合位置點陣模型

*相鄰晶粒在交界處的形狀不是光滑的曲面，而是由不規(guī)則臺階組成的，A,B,C,D特征區(qū)域

重合位置點陣模型

**晶界能較低**特殊位向

*晶界可看成是好區(qū)與壞區(qū)交替相間組合而成的。*一般大角度晶界的寬度一般不超過三個原子間距。73大角度晶界

High-anglegrainboun特殊大角度晶界-重位點陣

晶界兩側(cè)的晶粒,當(dāng)一個晶粒的某(hkl)晶面以另一晶粒同指數(shù)晶面的法線方向為軸(l)旋轉(zhuǎn)某個特殊角度(θ),兩者不僅公共的原點重合，其他的某些陣點也重合而構(gòu)成的超點陣就是重位點陣。例如,選擇簡單立方的兩個晶體,以作為旋轉(zhuǎn)軸,然后畫出與之垂直的兩個晶面點陣圖，如圖4.11所示。特殊大角度晶界-重位點陣晶界兩側(cè)的晶粒,當(dāng)一個晶粒的某晶體間的重位點陣圖4.11

簡單立方雙晶(110)晶面旋轉(zhuǎn)70.53°的重位點陣單胞晶體間的重位點陣圖4.11簡單立方雙晶(110)晶面旋晶體間的重位點陣圖4.12

繞公共軸<111>旋轉(zhuǎn)38°的兩個面心立方晶體間晶界的Frank模型晶體間的重位點陣圖4.12繞公共軸<111>旋轉(zhuǎn)38°重位點陣特征參數(shù)的測定

R測(即表3.9中的R值)與RCSL也相符合。Inconel718合金長時間時效樣品被測定的大角度晶界如圖3.36所示。圖3.36=19a的大角度晶界

重位點陣特征參數(shù)的測定R測(即表3.9中的R值)與RCSL78晶界特性1）晶界處點陣畸變大，存在晶界能，故晶粒長大和晶界平直化是一個自發(fā)過程

2）晶界處原子排列不規(guī)則→阻礙塑性變形→Hb，sb↑（細(xì)晶強化）

3）晶界處存在較多缺陷（位錯、空位等）→有利原子擴散

4）晶界能量高→固態(tài)相變先發(fā)生，d↓形核率↑

5）晶界能高→晶界腐蝕速度↑78晶界特性1）晶界處點陣畸變大，存在晶界能，故晶粒長大和79亞晶界（Sub-grainboundary）

事實上每個晶粒中還可分成若干個更為細(xì)小的亞晶粒（0.001mm），亞晶粒之間存在著小的位相差，相鄰亞晶粒之間的界面成為亞晶界。亞晶粒更接近于理想的單晶體。位相差一般小于2o，屬于小角度晶界，具有晶界的一般特征。79亞晶界（Sub-grainboundary）事實上6.1.3弱相位體高分辨像的直接解釋

圖6.17GH33鎳基高溫合金中M23C6的晶格條紋像6.1.3弱相位體高分辨像的直接解釋圖6.17GH81孿晶界Twinboundary

孿晶——指兩個晶體（或一個晶體的兩部分）沿一個公共晶面構(gòu)成對稱的位相關(guān)系，這兩個晶體就稱為孿晶，這個公共的晶面即成為孿晶面

共格孿晶界：即孿晶面，其上的原子同時位于兩側(cè)晶體點陣的節(jié)點上，為兩者共有。無畸變的完全共格界面，界面能（約為普通晶界能1/10）很低很穩(wěn)定

非共格孿晶界：孿晶界相對于孿晶面旋轉(zhuǎn)一角度，其上的原子只有部分為兩者共有，原子錯排校嚴(yán)重，孿晶能量相對較高，約為普通晶界的1/2孿晶界81孿晶界Twinboundary孿晶——指兩個晶體82孿晶的形成孿晶的形成與堆垛層錯密度相關(guān)，如fcc的{111}面發(fā)生堆垛層錯時為ABCACBACBA△△△△△△△→△△△▽▽▽▽▽

CAC處為堆垛層錯孿晶與層錯密切相關(guān)→→一般層錯能高的晶體不易產(chǎn)生孿晶

形變孿晶：連續(xù)的(1/6)<112>類型的滑移生長孿晶退火孿晶孿晶的形成82孿晶的形成孿晶的形成與堆垛層錯密度相關(guān)，如fcc的{11孿晶電子衍射花樣

圖3.50兩種常見晶體的孿晶花樣(a)FCC奧氏體(b)BCC馬氏體孿晶電子衍射花樣圖3.50兩種常見晶體的孿晶花樣(84錯配度：位錯間距：

相界PhaseBoundary相界——具有不同結(jié)構(gòu)的兩相之間的分界面稱為相界

共格界面：界面上的原子同時位于兩相晶格的節(jié)點上，彈性畸變彈性應(yīng)變能：

共格時以應(yīng)變能為主化學(xué)交互作用能：

非共格時的化學(xué)能為主相界能半共格相界：兩相結(jié)構(gòu)相近而原子間距相差較大時，部分保持匹配非共格相界：兩相在界面處的原子排列相差很大，相界與大角度晶界相似84錯配度：6.1.3弱相位體高分辨像的直接解釋

圖6.18VN/SiO2超晶格薄膜截面的TEM像和插入的電子衍射花樣（a）及其高分辨像（b）6.1.3弱相位體高分辨像的直接解釋圖6.18VN/晶體缺陷的測定方法空位溶度和性質(zhì)的測定：正電子淹沒技術(shù)正電子淹沒技術(shù)是一種較新的核技術(shù)，它是利用正電子與物質(zhì)的相互作用來獲得凝聚態(tài)物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)。當(dāng)空位與正電子發(fā)生相互作用時，正電子易被空位捕獲，在空位處正電子淹沒參數(shù)會發(fā)生變化，由此可通過相關(guān)公式求出空位形成焓，從而計算出空位濃度Qf。86參考書：馬如璋，徐祖雄主編：材料物理現(xiàn)代研究方法，冶金工業(yè)出版社，1997晶體缺陷的測定方法空位溶度和性質(zhì)的測定：正電子淹沒技術(shù)86參晶體缺陷的測定方法位錯伯氏矢量的測定1.TEM