晶體缺陷上海交大材料科學(xué)基礎(chǔ)市公開課一等獎(jiǎng)百校聯(lián)賽獲獎(jiǎng)?wù)n件

理想金屬實(shí)際金屬材料中，因?yàn)樵樱ǚ肿踊螂x子）熱運(yùn)動(dòng)、晶體形成條件、加工過程、雜質(zhì)等原因影響，使得實(shí)際晶體中原子排列不再規(guī)則、完整，存在各種偏離理想結(jié)構(gòu)情況BCCFCCHCP規(guī)則排列晶體缺點(diǎn)

defectsorimperfections晶體缺點(diǎn)對(duì)晶體性能、擴(kuò)散、相變等有主要影響1第1頁第三章晶體缺點(diǎn)

CrystalDefectsorImperfections2第2頁實(shí)際金屬材料幾乎都是多晶體，即由許多彼此方位不一樣、外形不規(guī)則小晶體（單晶體）組成，這些小晶體稱為晶粒grains。純鐵組織晶粒示意圖3第3頁單晶體和多晶體區(qū)分單晶體：是指在整個(gè)晶體內(nèi)部原子都按照周期性規(guī)則排列。單晶體4第4頁沿晶斷口鉛錠宏觀組織變形金屬晶粒尺寸約1~100m，鑄造金屬可達(dá)幾個(gè)mm。多晶體：是指在晶體內(nèi)每個(gè)局部區(qū)域里原子按周期性規(guī)則排列，但不一樣局部區(qū)域之間原子排列方向并不相同，所以多晶體也可看成由許多取向不一樣小單晶體（晶粒）組成。5第5頁缺點(diǎn)分類：依據(jù)缺點(diǎn)幾何特征點(diǎn)缺點(diǎn)（Pointdefects）：最簡單晶體缺點(diǎn)，在結(jié)點(diǎn)上或鄰近微觀區(qū)域內(nèi)偏離晶體結(jié)構(gòu)正常排列。在空間三維方向上尺寸都很小，約為一個(gè)、幾個(gè)原子間距，又稱零維缺點(diǎn)。包含空位vacancies、間隙原子interstitialatoms、雜質(zhì)impurities、溶質(zhì)原子solutes等。線缺點(diǎn)（Lineardefects）：在一個(gè)方向上缺點(diǎn)擴(kuò)展很大，其它兩個(gè)方向上尺寸很小，也稱為一維缺點(diǎn)。主要為位錯(cuò)dislocations。面缺點(diǎn)（Planardefects）：在兩個(gè)方向上缺點(diǎn)擴(kuò)展很大，其它一個(gè)方向上尺寸很小，也稱為二維缺點(diǎn)。包含晶界grainboundaries、相界phaseboundaries、孿晶界twinboundaries、堆垛層錯(cuò)stackingfaults等。6第6頁3.1點(diǎn)缺點(diǎn)Pointdefects指空間三維尺寸都很小缺點(diǎn)。7第7頁1.Formationsofpointdefects晶體中點(diǎn)陣結(jié)點(diǎn)上原子以其平衡位置為中心作熱振動(dòng)，當(dāng)振動(dòng)能足夠大時(shí)，將克服周圍原子制約，跳離原來位置，使得點(diǎn)陣中形成空結(jié)點(diǎn)，稱為空位vacancies空位產(chǎn)生后，其周圍原子相互間作用力失去平衡，因而它們朝空位方向稍有移動(dòng)，形成一個(gè)包括幾個(gè)原子間距范圍彈性畸變區(qū)，即晶格畸變。A.空位vacancies空位晶格中一些缺排原子空結(jié)點(diǎn)8第8頁Classificationsofvacancies遷移到晶體表面或內(nèi)表面正常結(jié)點(diǎn)位置，使晶體內(nèi)部留下空位。擠入間隙位置，在晶體中形成數(shù)目相等空位和間隙原子。離開平衡位置原子:還能夠跑到其它空位中，使空位消失或者空位移位。

肖脫基（Schottky）缺點(diǎn)

弗蘭克爾（Frenkel）缺點(diǎn)9第9頁B.間隙原子interstitialatoms間隙原子擠進(jìn)晶格間隙中原子，能夠是基體金屬原子，也能夠是外來原子。間隙原子一樣會(huì)使周圍點(diǎn)陣產(chǎn)生彈性畸變，而且畸變程度要比空位引發(fā)畸變大多，所以，形成能大，在晶體中濃度很低。10第10頁小置換原子大置換原子取代原來原子位置外來原子C.置換原子substitutionalatoms11第11頁點(diǎn)缺點(diǎn)破壞了原子平衡狀態(tài)，使晶格發(fā)生扭曲，稱晶格畸變。

從而使強(qiáng)度、硬度提升，塑性、韌性下降；電阻升高，密度減小等。點(diǎn)缺點(diǎn)對(duì)晶體性能影響12第12頁因?yàn)闊崞鸱偈乖用撾x點(diǎn)陣位置而形成點(diǎn)缺點(diǎn)稱為熱平衡缺點(diǎn)（thermalequilibriumdefects），這是晶體內(nèi)原子熱運(yùn)動(dòng)內(nèi)部條件決定。另外，可經(jīng)過改變外部條件形成點(diǎn)缺點(diǎn)，包含高溫淬火、冷變形加工、高能粒子輻照等，這時(shí)點(diǎn)缺點(diǎn)濃度超出了平衡濃度，稱為過飽和點(diǎn)缺點(diǎn)(supersaturatedpointdefects)。13第13頁點(diǎn)缺點(diǎn)存在造成點(diǎn)陣畸變，系統(tǒng)內(nèi)能升高，降低晶體熱力學(xué)穩(wěn)定性增大原子排列混亂程度，并改變周圍原子振動(dòng)頻率，系統(tǒng)組態(tài)熵和振動(dòng)熵升高，增加晶體熱力學(xué)穩(wěn)定性Contradictory!!2.點(diǎn)缺點(diǎn)平衡濃度在一定溫度下含有一定平衡濃度14第14頁恒溫下，系統(tǒng)自由能

其中U為內(nèi)能，S為總熵值（包含組態(tài)熵Sc和振動(dòng)熵Sf），T為絕對(duì)溫度設(shè)由N個(gè)原子組成晶體中含有n個(gè)空位，形成一個(gè)空位所需能量為Ev，當(dāng)含有n個(gè)空位時(shí)，其內(nèi)能增加為ΔU=n*Ev，組態(tài)熵改變?yōu)棣c，振動(dòng)熵改變?yōu)閚*ΔSf，自由能改變?yōu)辄c(diǎn)缺點(diǎn)平衡濃度15第15頁平衡時(shí)自由能最小，即對(duì)T求導(dǎo)，即則空位在T溫度時(shí)空位平衡濃度C為：

其中，k為波爾茲曼常數(shù)（1.38x10-23J/K或8.62x10-5eV/K)類似地，間隙原子平衡濃度C’：

16第16頁ExamplePleasecalculatetheequilibriumnumberofvacanciespercubicmeterforcopper（Cu）at1000oC.Theenergyforvacancyformation（Ev）is0.9eV/atom;theatomicweight（MCu）anddensity（

）(at1000oC)forcopperare63.5g/moland8.4g/cm3,respectively.Solution:

依據(jù)空位平衡濃度公式C=n/N=Aexp(-Ev/kT)每立方米銅中空位數(shù)（1000oC即1273K）為n=Nexp(-Ev/kT)=2.2x1025vacancies/m3其中k為Boltzman’sconstant（1.38x10-23J/K或8.62x10-5eV/K)(按A=1考慮）17第17頁普通，晶體中間隙原子形成能比空位形成能大3-4倍，間隙原子量與空位相比能夠忽略。比如，Cu空位形成能為1.7*10-19J，間隙原子形成能為4.8*10-19J，在1273K時(shí)，空位平衡濃度C~10-4，間隙原子C’~10-14，C/C’~1010。所以間隙原子可忽略不計(jì)。1eV~100kJ/mol18第18頁3.點(diǎn)缺點(diǎn)運(yùn)動(dòng)

必定性：在一定溫度下，點(diǎn)缺點(diǎn)數(shù)目（濃度）一定，并處于不停運(yùn)動(dòng)過程中，是一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡。

遷移：晶格上原子因?yàn)闊徇\(yùn)動(dòng)，跳入空位中，形成另一個(gè)空位，原來空位消失。這一過程能夠看作空位移動(dòng)，即空位遷移。一樣，間隙原子可從一個(gè)位置移動(dòng)到另一個(gè)位置，形成間隙原子遷移。

復(fù)合：間隙原子落入空位，使二者都消失。因?yàn)橐笠欢囟认曼c(diǎn)缺點(diǎn)平衡濃度保持一定，所以，又會(huì)產(chǎn)生新間隙原子、空位。19第19頁

點(diǎn)缺點(diǎn)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生影響：晶體中原子正是因?yàn)榭瘴缓烷g隙原子不停產(chǎn)生和復(fù)合，才不停地由一處向另一處作無規(guī)則布朗運(yùn)動(dòng)，這就是晶體中原子自擴(kuò)散。它是固態(tài)相變、表面化學(xué)熱處理、蠕變、燒結(jié)基礎(chǔ)。晶體性能改變：體積、光學(xué)、磁性、導(dǎo)電性等改變。

如體積膨脹、密度降低等20第20頁3.2線缺點(diǎn)Lineardefects晶體中位錯(cuò)dislocations當(dāng)晶格中一部分晶體相對(duì)于另一部分晶體發(fā)生局部滑移時(shí)，滑移面上滑移區(qū)與未滑移區(qū)交界限稱作位錯(cuò)。21第21頁位錯(cuò)Dislocations

線缺點(diǎn)就是各種類型位錯(cuò)。它是指晶體中原子發(fā)生了有規(guī)律錯(cuò)排現(xiàn)象。其特點(diǎn)是原子發(fā)生錯(cuò)排范圍只在一維方向上很大，是一個(gè)直徑為3～5個(gè)原子間距，長數(shù)百個(gè)原子間距以上管狀原子畸變區(qū)。位錯(cuò)是一個(gè)極為主要晶體缺點(diǎn)，對(duì)金屬強(qiáng)度、塑性變形、擴(kuò)散和相變等有顯著影響。位錯(cuò)包含兩種基本類型：刃型位錯(cuò)和螺型位錯(cuò)DislocationsinTitaniumalloyTEM51450x22第22頁位錯(cuò)（Dislocation）理論發(fā)展起源：塑性變形(plasticdeformation)—滑移(slip)—滑移線最初模型：“剛性相對(duì)滑動(dòng)模型”

計(jì)算臨界切應(yīng)力tm=G/30（G—切變模量）純Fe切變模量約為：100GPa純Fe理論臨界切應(yīng)力：約3000MPa純Fe實(shí)際屈服強(qiáng)度：1–10MPa1934年Taylor、Orowan、Polanyi提出“位錯(cuò)模型”，滑移是經(jīng)過稱為位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)而進(jìn)行1950年代后位錯(cuò)模型為試驗(yàn)所驗(yàn)證現(xiàn)在，位錯(cuò)是晶體性能研究中最主要概念

被廣泛用來研究固態(tài)相變、晶體光、電、聲、磁、熱力學(xué)，表面及催化等相差3-4個(gè)數(shù)量級(jí)23第23頁3.2.1.位錯(cuò)基本類型和特征刃型位錯(cuò)edgedislocation螺型位錯(cuò)screwdislocation位錯(cuò)是原子排列一個(gè)特殊組態(tài)。依據(jù)幾何結(jié)構(gòu)混合位錯(cuò)mixeddislocation24第24頁A.刃型位錯(cuò)edgedislocation刃型位錯(cuò)：當(dāng)一個(gè)完整晶體某晶面以上某處多出半個(gè)原子面，該晶面象刀刃一樣切入晶體，這個(gè)多出原子面邊緣就是刃型位錯(cuò)。半原子面在滑移面以上稱正位錯(cuò)，用“

”表示。半原子面在滑移面以下稱負(fù)位錯(cuò)，用“?”表示。刃型位錯(cuò)25第25頁刃型位錯(cuò)特點(diǎn)：A.若額外半原子面位于晶體上半部，則此處位錯(cuò)線稱為正刃型位錯(cuò)（┴），反之，則稱為負(fù)刃型位錯(cuò)（┬）。二者沒有本質(zhì)區(qū)分。B.刃型位錯(cuò)線能夠了解為已滑移區(qū)和未滑移區(qū)分界限，它不一定是直線；26第26頁C.滑移面是同時(shí)包含位錯(cuò)線和滑移矢量平面，刃型位錯(cuò)位錯(cuò)線和滑移矢量相互垂直，一個(gè)刃型位錯(cuò)所組成滑移面只有一個(gè)；D.位錯(cuò)存在使得位錯(cuò)周圍點(diǎn)陣發(fā)生彈性畸變，即有切應(yīng)變，又有正應(yīng)變。對(duì)正刃型位錯(cuò)而言，位錯(cuò)線上、下部臨近范圍內(nèi)原子受到壓應(yīng)力、拉應(yīng)力,離位錯(cuò)線較遠(yuǎn)處原子排列恢復(fù)正常。E.在位錯(cuò)線周圍畸變區(qū)內(nèi)，每個(gè)原子含有較大平均能量。這個(gè)區(qū)域只有幾個(gè)原子間距寬，是狹長管道，所以刃型位錯(cuò)是線缺點(diǎn)。27第27頁電子顯微鏡下位錯(cuò)透射電鏡下鈦合金中位錯(cuò)線(黑線)高分辨率電鏡下刃位錯(cuò)（白點(diǎn)為原子）28第28頁點(diǎn)缺點(diǎn)空位間隙原子置換原子在一定溫度下含有一定平衡濃度C=n/N=e-Ev/kT刃型位錯(cuò)螺型位錯(cuò)點(diǎn)缺點(diǎn)運(yùn)動(dòng)：自擴(kuò)散！線缺點(diǎn)位錯(cuò)2nd

29第29頁刃型位錯(cuò)特點(diǎn)：A.若額外半原子面位于晶體上半部，則稱為正刃型位錯(cuò)（┴），反之，為負(fù)刃型位錯(cuò)（┬）。二者沒有本質(zhì)區(qū)分。B.刃型位錯(cuò)線不一定是直線；C.一個(gè)刃型位錯(cuò)所組成滑移面只有一個(gè)，因?yàn)槿行臀诲e(cuò)線與滑移矢量垂直；D.位錯(cuò)存在使得位錯(cuò)周圍點(diǎn)陣發(fā)生彈性畸變，即有切應(yīng)變，又有正應(yīng)變。E.位錯(cuò)線周圍畸變區(qū)只有幾個(gè)原子間距寬，是狹長管道，故線缺點(diǎn)。30第30頁B.螺型位錯(cuò)

screwdislocation螺型位錯(cuò)：位錯(cuò)附近原子是按螺旋形排列。位錯(cuò)線（bb’）：已滑移區(qū)和未滑移區(qū)分界限?；儏^(qū)（aa’b’b）：約幾個(gè)原子間距寬、上下層原子位置不相吻合過渡區(qū)，原子正常排列遭破壞。螺型位錯(cuò)也是線缺點(diǎn)。

bb’aa’

31第31頁螺型位錯(cuò)特點(diǎn)：A.螺型位錯(cuò)無額外半原子面，原子錯(cuò)排呈軸對(duì)稱；B.依據(jù)位錯(cuò)線附近呈螺旋形排列原子旋轉(zhuǎn)方向不一樣，可分為右旋和左旋螺型位錯(cuò)；32第32頁C.螺型位錯(cuò)位錯(cuò)線與滑移矢量平行，所以一定是直線；位錯(cuò)線移動(dòng)方向與晶體滑移方向相互垂直；D.純螺型位錯(cuò)滑移面不是唯一；凡包含位錯(cuò)線平面都可作為滑移面；普通，位錯(cuò)在原子密排面上進(jìn)行；E.螺型位錯(cuò)周圍點(diǎn)陣發(fā)生彈性畸變，只有平行于位錯(cuò)線切應(yīng)變，無正應(yīng)變，所以不會(huì)引發(fā)體積膨脹和收縮。F.螺型位錯(cuò)周圍點(diǎn)陣畸變隨離位錯(cuò)線距離增加而急劇降低，故也是幾個(gè)原子寬度線缺點(diǎn)。螺型位錯(cuò)特點(diǎn)：33第33頁C.混合位錯(cuò)mixeddislocation刃型位錯(cuò)螺型位錯(cuò)混合位錯(cuò)：一個(gè)更為普遍位錯(cuò)形式，其滑移矢量既不平行也不垂直于位錯(cuò)線，而與位錯(cuò)線相交成任意角度?？煽醋魇侨行臀诲e(cuò)和螺型位錯(cuò)混合形式。34第34頁A.混合位錯(cuò)線是一條曲線；B.位錯(cuò)線不能終止于晶體內(nèi)部，而只能露頭于晶體表面（晶界）；C.位錯(cuò)線若終止于晶體內(nèi)部，則必與其它位錯(cuò)線相連接，或形成封閉位錯(cuò)環(huán)?；旌衔诲e(cuò)特點(diǎn)：35第35頁位錯(cuò)環(huán)EdgeEdgeScrewScrew36第36頁3.2.2.伯氏矢量Burgersvector柏氏矢量

b:用于表征不一樣類型位錯(cuò)特征一個(gè)物理參量，是決定晶格偏離方向與大小向量，可揭示位錯(cuò)本質(zhì)，是1939年柏格斯(J.M.Burgers）提出采取柏氏回路來定義。

37第37頁1.伯氏矢量確定：伯氏回路1）選定位錯(cuò)線正向，通常選出紙面方向?yàn)檎?）在實(shí)際晶體中，從任一原子出發(fā)，圍繞位錯(cuò)以一定部數(shù)作一右旋閉合回路，稱為伯氏回路；選取時(shí)要避開嚴(yán)重位錯(cuò)畸變區(qū)

3)在完整晶體中按一樣方法和部數(shù)作對(duì)應(yīng)回路，該回路不閉合，由終點(diǎn)向起點(diǎn)引一矢量b，使該回路閉合。矢量b就是該位錯(cuò)柏氏矢量。

伯氏回路MNOPQMNOPQNOPQMb垂直于位錯(cuò)線b38第38頁MNOPQMNOPQbb平行于位錯(cuò)線39第39頁混合位錯(cuò)

判斷位錯(cuò)正負(fù)

位錯(cuò)線柏氏矢量刃型正負(fù)右手法則直角坐標(biāo)

bb刃型位錯(cuò)

bb右左螺型位錯(cuò)bs=bcos

b┴=bsin

正?負(fù)×40第40頁2伯氏矢量特征1)物理量：是一個(gè)反應(yīng)位錯(cuò)周圍點(diǎn)陣畸變總積累物理量。

位錯(cuò)是柏氏矢量不為零晶體缺點(diǎn)。矢量方向：表示位錯(cuò)性質(zhì)與取向，是位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)造成晶體滑移方向；矢量模∣b∣：表示該位錯(cuò)畸變程度（或稱位錯(cuò)強(qiáng)度），也可表 示該位錯(cuò)造成晶體滑移大?。荒Ｆ椒建Ob∣2：位錯(cuò)畸變能與模平方大小成正比；2)守恒性：柏氏矢量與回路起點(diǎn)及詳細(xì)路徑無關(guān)；3)唯一性：一根不分叉位錯(cuò)線含有唯一柏氏矢量，與位錯(cuò)類型、 形狀、是否運(yùn)動(dòng)無關(guān)；4）矢量計(jì)算：柏氏矢量可分解、求和，滿足矢量運(yùn)算5)位錯(cuò)連續(xù)性：位錯(cuò)不能中止于晶體內(nèi)部，但能夠形成一個(gè)封閉位錯(cuò)環(huán)，或連接于晶界、位錯(cuò)結(jié)點(diǎn)，或終于表面。41第41頁假如幾條位錯(cuò)線在晶體內(nèi)部相交（交點(diǎn)稱為節(jié)點(diǎn)），則指向節(jié)點(diǎn)各位錯(cuò)伯氏矢量之和，必定等于離開節(jié)點(diǎn)各位錯(cuò)伯氏矢量之和。若各位錯(cuò)方向都指向節(jié)點(diǎn)或者離開節(jié)點(diǎn)，則伯氏矢量之和恒為0。42第42頁3伯氏矢量表示法柏氏矢量表示與晶向指數(shù)[uvw]相同，但需要在晶向指數(shù)基礎(chǔ)上把矢量模也表示出來，

在立方晶系中，柏氏矢量可表示為：（n為正整數(shù)） 位錯(cuò)強(qiáng)度：假如位錯(cuò)b是位錯(cuò)b1、b2之矢量和，且：則：同一晶體中，柏氏矢量越大，該位錯(cuò)點(diǎn)陣畸變?cè)絿?yán)重，其能量越高。能量較高位錯(cuò)趨于分解為多個(gè)能量較低位錯(cuò)，使系統(tǒng)自由能降低。

假如b→b1+b2；則∣b∣2>∣b1∣2+∣b2∣243第43頁ExampleAdislocationloopABCDintheslippingplanewithBurgersvectorbisproducedbyanappliedstresst.Pleasedeterminethetypesofthedislocationloop.

AB:右螺型；BC：正刃型；CD：左螺型；DA：負(fù)刃型ABCD>>>>bttxyzo44第44頁3.2.3.位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)是位錯(cuò)主要性質(zhì)之一，它與晶體力學(xué)性能如強(qiáng)度、塑性、斷裂等親密相關(guān)。晶體宏觀塑性變形是經(jīng)過位錯(cuò)來實(shí)現(xiàn)。滑移（slip）攀移（climb）位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)方式45第45頁1位錯(cuò)滑移slipping位錯(cuò)滑移（守恒運(yùn)動(dòng)）：在外加切應(yīng)力作用下，位錯(cuò)中心附近原子沿柏氏矢量b方向在滑移面上不停作少許位移（小于一個(gè)原子間距）而逐步實(shí)現(xiàn)。46第46頁刃位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)螺位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)混合位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)47第47頁A刃型位錯(cuò)滑移多腳蟲爬行Takemuchlessenergy!48第48頁B螺型位錯(cuò)滑移原始位置位錯(cuò)向左移動(dòng)一個(gè)原子間距49第49頁abfedc位錯(cuò)線交滑移：因?yàn)槁菪臀诲e(cuò)可有多個(gè)滑移面，螺型位錯(cuò)在原滑移面上運(yùn)動(dòng)受阻時(shí)，可轉(zhuǎn)移到與之相交另一個(gè)滑移面上繼續(xù)滑移。假如交滑移后位錯(cuò)再轉(zhuǎn)回到和原滑移面平行滑移面上繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，則稱為雙交滑移。50第50頁C混合位錯(cuò)滑移分解為刃型和螺型位錯(cuò)進(jìn)行解析51第51頁位錯(cuò)滑移特點(diǎn)1)刃型位錯(cuò)滑移切應(yīng)力方向與位錯(cuò)線垂直，而螺型位錯(cuò)滑移切應(yīng)力方向與位錯(cuò)線平行；

2)不論刃型位錯(cuò)還是螺型位錯(cuò)，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)方向總是與位錯(cuò)線垂直；（伯氏矢量方向代表晶體滑移方向）

3)刃型位錯(cuò)引發(fā)晶體滑移方向與位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)方向一致，而螺型位錯(cuò)引發(fā)晶體滑移方向與位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)方向垂直；

4)位錯(cuò)滑移切應(yīng)力方向與柏氏矢量一致；位錯(cuò)滑移后，滑移面兩側(cè)晶體相對(duì)位移與柏氏矢量一致。5)對(duì)螺型位錯(cuò)，假如在原滑移面上運(yùn)動(dòng)受阻時(shí)，有可能轉(zhuǎn)移到與之相交另一滑移面上繼續(xù)滑移，這稱為交滑移(雙交滑移）52第52頁類型柏氏矢量b切應(yīng)力方向位錯(cuò)線運(yùn)動(dòng)方向晶體滑移方向晶體滑移大小與b關(guān)系滑移面?zhèn)€數(shù)刃螺混合垂直位錯(cuò)線平行位錯(cuò)線有夾角與b一致與b一致與b一致垂直位錯(cuò)線垂直位錯(cuò)線垂直位錯(cuò)線與b一致與b一致與b一致相等相等相等唯一多個(gè)53第53頁2位錯(cuò)攀移climbing刃型位錯(cuò)正攀移負(fù)攀移只適合于刃型位錯(cuò)位錯(cuò)攀移（非守恒運(yùn)動(dòng)）：刃型位錯(cuò)在垂直于滑移面方向上運(yùn)動(dòng)，主要是經(jīng)過原子或空位擴(kuò)散來實(shí)現(xiàn)（滑移過程基本不包括原子擴(kuò)散）。正攀移：多出原子面向上運(yùn)動(dòng)；反之稱為負(fù)攀移。螺型位錯(cuò)不發(fā)生攀移運(yùn)動(dòng)。54第54頁（a）正攀移（半原子面縮短）(b)未攀移（c）負(fù)攀移（半原子面伸長）因?yàn)榕室瓢榘殡S位錯(cuò)線附近原子增加或降低，即有物質(zhì)遷移，所以需要擴(kuò)散才能進(jìn)行。位錯(cuò)攀移需要熱激活，比滑移所需能量要大。對(duì)大多數(shù)材料，在室溫下極難進(jìn)行攀移，高溫下輕易。另外晶體中過飽和點(diǎn)缺點(diǎn)存在利于攀移進(jìn)行。55第55頁3運(yùn)動(dòng)位錯(cuò)交割crossingofdislocations位錯(cuò)在某一滑移面上運(yùn)動(dòng)時(shí)，對(duì)穿過滑移面其它位錯(cuò)（林位錯(cuò)）交割。包含扭折（kink）和割階（jog）。扭折：位錯(cuò)交割形成波折線段在位錯(cuò)滑移面上時(shí)，稱為扭折。割階：若該波折線段垂直于位錯(cuò)滑移面時(shí)，稱為割階。bacddcba刃型位錯(cuò)螺型位錯(cuò)56第56頁位錯(cuò)交割時(shí)，會(huì)發(fā)生相互作用，對(duì)材料強(qiáng)化、點(diǎn)缺點(diǎn)產(chǎn)生有主要意義。

刃型位錯(cuò)割階部分仍為刃型位錯(cuò)（垂直于b），而扭折部分則為螺型位錯(cuò)（平行于b）；（由柏氏矢量與位錯(cuò)線取向關(guān)系確定）

螺型位錯(cuò)割階和扭折部分均為刃型位錯(cuò)；因?yàn)槎即怪庇赽位錯(cuò)攀移能夠了解為割階沿位錯(cuò)線逐步推移。

bacddcba刃型位錯(cuò)螺型位錯(cuò)57第57頁柏氏矢量相互平行例：兩根相互垂直刃型位錯(cuò)交割柏氏矢量相互垂直割階刃型位錯(cuò)扭折螺型位錯(cuò)58第58頁位錯(cuò)交割特點(diǎn)1)運(yùn)動(dòng)位錯(cuò)交割后，在位錯(cuò)線上可能產(chǎn)生一個(gè)扭折或割階，含有原位錯(cuò)線柏氏矢量2)全部割階都是刃型位錯(cuò)，而扭折能夠是刃型也可是螺型。

3)扭折與原位錯(cuò)線在同一滑移面上，可隨位錯(cuò)線一道運(yùn)動(dòng)，幾乎不產(chǎn)生阻力，且在線張力作用下易于消失；4）割階與原位錯(cuò)不在同一滑移面上，只能經(jīng)過攀移運(yùn)動(dòng)，所以割階是位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)障礙---割階硬化

59第59頁5)帶割階位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，按割階高度不一樣分為：

小割階（割階高度為1-2個(gè)原子間距，遺留點(diǎn)缺點(diǎn)）、中等割階（遺留位錯(cuò)偶、符號(hào)相異）、大割階（割階高度約為20nm，位錯(cuò)環(huán)）

60第60頁位錯(cuò)3.2.4位錯(cuò)彈性性質(zhì)能量、作用力、缺點(diǎn)相互作用等點(diǎn)陣畸變、彈性應(yīng)力場61第61頁定量計(jì)算應(yīng)力場是非常困難，常采取彈性連續(xù)介質(zhì)模型假設(shè)：1、晶體是完全彈性體，服從胡克定律；

2、晶體是各向同性；3、晶體是由連續(xù)介質(zhì)組成，無空隙存在；不足：只適合用于位錯(cuò)中心（嚴(yán)重點(diǎn)陣畸變區(qū)）以外區(qū)域1位錯(cuò)應(yīng)力場Stressfieldofdislocation壓應(yīng)力拉應(yīng)力刃型位錯(cuò)周圍應(yīng)力區(qū)域62第62頁6個(gè)應(yīng)力分量：3個(gè)正應(yīng)力、3個(gè)切應(yīng)力6個(gè)應(yīng)變分量：3個(gè)正應(yīng)變、3個(gè)切應(yīng)變第一個(gè)下標(biāo)代表作用面外法線方向，第二個(gè)代表應(yīng)力方向63第63頁r1）螺型位錯(cuò)應(yīng)力場模型：構(gòu)想有一各向同性空心圓柱體，將其沿xz面切開，使兩個(gè)切開面沿z方向做相對(duì)位移，相當(dāng)于形成一個(gè)柏氏矢量為b螺型位錯(cuò)OO’為位錯(cuò)線，MNO’O為滑移面σxx=σyy=σzz=τxy=τyx=0離開中心r處切應(yīng)力，在圓柱坐標(biāo)系中表示式：在直角坐標(biāo)系中表示式：σrr=σ

=σzz=tr

=tr=trz=0因?yàn)閳A柱體只有Z方向位移，故只有一個(gè)切應(yīng)力和切應(yīng)變，其余應(yīng)力分量都為064第64頁螺型位錯(cuò)應(yīng)力場特點(diǎn)（1）只有切應(yīng)力分量，正應(yīng)力分量為零，表明螺位錯(cuò)不引發(fā)晶體膨脹和收縮；（2）螺型位錯(cuò)應(yīng)力場是軸對(duì)稱，即螺型位錯(cuò)切應(yīng)力分量只與r相關(guān)，而與θ、z無關(guān)。即在與位錯(cuò)等距離各處，應(yīng)力值相等，且隨r增大，應(yīng)力減小。不過位錯(cuò)中心嚴(yán)重畸變區(qū)不適合。r0,t

∞65第65頁2）刃型位錯(cuò)應(yīng)力場模型：構(gòu)想有一各向同性空心圓柱體，將其沿xz面切開，使兩個(gè)切開面沿徑向（x軸方向）做相對(duì)位移，相當(dāng)形成一個(gè)柏氏矢量為b刃型位錯(cuò)

σzz=ν（σxx+σyy）

τxz=τzx=τyz=τzy=0

離開中心r處切應(yīng)力，在直角坐標(biāo)系中表示式：R66第66頁刃型位錯(cuò)應(yīng)力場特點(diǎn)1）同時(shí)存在切應(yīng)力與正應(yīng)力分量，各應(yīng)力分量都是x、y函數(shù)，而與z無關(guān)；2）在平行于位錯(cuò)線直線上，任一點(diǎn)應(yīng)力均相同；刃型位錯(cuò)應(yīng)力場對(duì)稱于多出半原子面；3）y=0時(shí)，σxx=σyy=σzz=0，說明在滑移面上，沒有正應(yīng)力，只有切應(yīng)力；4）y＞0時(shí)，σxx＜0，y＜0時(shí)，σxx＞0，說明正刃型位錯(cuò)位錯(cuò)滑移面上側(cè)為壓應(yīng)力，下側(cè)為拉應(yīng)力。

67第67頁2位錯(cuò)應(yīng)變能Strainenergyofdislocation位錯(cuò)周圍點(diǎn)陣畸變引發(fā)彈性應(yīng)力場，造成晶體能量增加，稱為位錯(cuò)應(yīng)變能或位錯(cuò)能量。位錯(cuò)能量位錯(cuò)中心畸變能Ec(大約為總應(yīng)變能1/10-1/15)，忽略位錯(cuò)應(yīng)力場引發(fā)彈性應(yīng)變能Ee(主要)，求積分單位長度刃型位錯(cuò)應(yīng)變能:單位長度螺型位錯(cuò)應(yīng)變能:

簡化單位長度位錯(cuò)總應(yīng)變能：E=αGb2

α與幾何原因相關(guān)，約為0.5-1

單位長度混合位錯(cuò)應(yīng)變能:

G—切變模量K—角度原因—幾何系數(shù)b—柏氏矢量

—泊松比

68第68頁位錯(cuò)能量1)位錯(cuò)能量包含兩部分：Ec和Ee；2）位錯(cuò)應(yīng)變能與b2成正比，大位錯(cuò)可能分解為小位錯(cuò)，以降低系統(tǒng)能量；也可了解為滑移總是沿著原子密排方向；3)Ees/Eee=1-（慣用金屬泊松比約為1/3），故螺位錯(cuò)彈性應(yīng)變能約為刃位錯(cuò)2/3；4)位錯(cuò)能量是以單位長度能量來定義，故能量還與位錯(cuò)形狀相關(guān)，所以從系統(tǒng)能量角度，位錯(cuò)線有盡可能變直和縮短其長度趨勢；5)位錯(cuò)存在使晶體處于高能不穩(wěn)定狀態(tài)。

E=αGb269第69頁3作用在位錯(cuò)上力forceonadislocation在外切應(yīng)力

作用下，位錯(cuò)移動(dòng)能夠了解為有一個(gè)垂直于位錯(cuò)線力Fd

作用于位錯(cuò)線上。Fd=

b

Fd

方向總是與位錯(cuò)線相垂直，并指向滑移面未滑移部分作用在位錯(cuò)上力只是一個(gè)組態(tài)力，它不代表位錯(cuò)附近原子實(shí)際所受力，也區(qū)分于作用在晶體上力，其方向與外切應(yīng)力方向不一定一致。一根位錯(cuò)含有唯一柏氏矢量，只要作用在晶體上切應(yīng)力是均勻，則各段位錯(cuò)所受力大小相同這種受力也稱為滑移力(slipforce)。

FdFd

70第70頁若在外正應(yīng)力s

作用下，對(duì)刃型位錯(cuò)來說，會(huì)在垂直于滑移面方向運(yùn)動(dòng)，即發(fā)生攀移，也稱為攀移力(climbforce)Fy。Fy=-sb

Fy

方向與位錯(cuò)線攀移方向一致

s為拉應(yīng)力時(shí)，F(xiàn)y向下ssFy71第71頁4位錯(cuò)線張力linetensionofdislocation位錯(cuò)應(yīng)變能與位錯(cuò)長度成正比，為降低能量，位錯(cuò)線有力爭縮短趨勢，故在位錯(cuò)線上存在一個(gè)使其變直線張力T。

線張力T能夠了解為使位錯(cuò)增加單位長度所需能量，故：T=kGb2~Gb2/2，k約為0.5-1若位錯(cuò)長度為ds，單位長度位錯(cuò)線所受力為

b，則：

b?ds=2Tsin(dθ/2)，因?yàn)閐s=rdθ，當(dāng)dθ很小時(shí)，sin（dθ/2）≈（dθ/2）所以：

b=T/r≈Gb2/2r兩端固定位錯(cuò)在切應(yīng)力

作用下與位錯(cuò)線彎曲度r關(guān)系

=Gb/2r

位錯(cuò)彎曲，曲率半徑r

72第72頁5位錯(cuò)與點(diǎn)缺點(diǎn)交互作用interactionbetweendislocationandpointdefect溶質(zhì)原子趨于分布在位錯(cuò)（刃位錯(cuò)）周圍造成位錯(cuò)應(yīng)變能下降，增加位錯(cuò)穩(wěn)定性，位錯(cuò)不易移動(dòng)，提升晶體塑性變形抗力溶質(zhì)原子與位錯(cuò)交互作用后，在位錯(cuò)周圍偏聚現(xiàn)象稱為氣團(tuán)，形成柯氏氣團(tuán)(Cotrellatomosphere)空位與位錯(cuò)交互作用結(jié)果是位錯(cuò)攀移

固溶強(qiáng)化73第73頁6位錯(cuò)間交互作用

interactionsbetweendislocationsB：運(yùn)動(dòng)位錯(cuò)在其它位錯(cuò)所產(chǎn)生應(yīng)力場中運(yùn)動(dòng)，為位錯(cuò)應(yīng)力場之間發(fā)生彈性交互作用，是長程作用A：運(yùn)動(dòng)位錯(cuò)與其滑移面相交位錯(cuò)（林位錯(cuò)）相遇，產(chǎn)生位錯(cuò)交割，是短程作用交割：扭折和割階74第74頁1）兩平行螺位錯(cuò)交互作用因?yàn)閼?yīng)力場中只有切應(yīng)力分量，所以只受到徑向作用力fr：排斥吸引75第75頁2）兩平行刃位錯(cuò)交互作用沿x方向切應(yīng)力分量（滑移）：沿y方向正應(yīng)力分量（攀移）：在位錯(cuò)e1應(yīng)力場中存在切應(yīng)力和正應(yīng)力，分別造成e2沿x方向滑移和沿y方向攀移76第76頁a.當(dāng)時(shí)，若x>0,則fx>0；若x<0，則fx<0。表明位錯(cuò)e2位于1、2區(qū)間內(nèi)，兩位錯(cuò)相互排斥滑移力b.當(dāng)時(shí)，若x>0,則fx<0；若x<0，則fx>0。表明位錯(cuò)e2位于3、4區(qū)間內(nèi)，兩位錯(cuò)相互吸引c.當(dāng)時(shí)，fx=0，兩位錯(cuò)處于介穩(wěn)定平衡位置，一旦偏離此位置，e2就會(huì)受到排斥或吸引，使得偏離更遠(yuǎn)e.當(dāng)y=0時(shí)，若x>0,

fx>0，若x<0fx<0。fx絕對(duì)值與x成反比，即處于同一滑移面上同號(hào)刃型位錯(cuò)總是相互排斥，間距越小，排斥力越大。d.當(dāng)x=0時(shí)，位錯(cuò)e2處于y軸上，fx=0，處于穩(wěn)定平衡狀態(tài)，一旦偏離此位置就會(huì)受到e1吸引而退回原處，使位錯(cuò)垂直排列起來。通常把這種垂直排列位錯(cuò)組態(tài)稱為位錯(cuò)墻，可組成小角度晶界同號(hào)位錯(cuò)對(duì)于同號(hào)位錯(cuò)77第77頁fy與y同號(hào)，當(dāng)e2在e1之上時(shí)，fy為正，即指向上；當(dāng)e2在e1之下時(shí)，fy為負(fù)，即指向下。所以兩位錯(cuò)沿y軸方向是排斥同號(hào)位錯(cuò)攀移力異號(hào)位錯(cuò)與同號(hào)位錯(cuò)受力狀態(tài)相反78第78頁假如是兩平行刃位錯(cuò)和螺位錯(cuò)呢？因?yàn)閎相互垂直，使得各自應(yīng)力場均沒有使對(duì)方受力應(yīng)力分量，故不發(fā)生作用79第79頁3.2.5位錯(cuò)生成與增殖formationandgeneration1位錯(cuò)密度densityofdislocations位錯(cuò)密度：單位體積內(nèi)所包含位錯(cuò)線總長度。=L/V(cm-2)普通，位錯(cuò)密度也定義為單位面積所見到位錯(cuò)數(shù)目

=n/A(cm-2)充分退火多晶體金屬中，ρ=106–108cm-2猛烈冷變形金屬中：ρ=1010–1012cm-2超純金屬單晶體：ρ＜103cm-280第80頁位錯(cuò)對(duì)性能影響：金屬塑性變形主要由位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)引發(fā)，所以妨礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)是強(qiáng)化金屬主要路徑。降低或增加位錯(cuò)密度都能夠提升金屬強(qiáng)度。金屬晶須退火態(tài)(105-108/cm2)

加工硬化態(tài)(1011-1012/cm2)

81第81頁P(yáng)ictureissnapshotfromsimulationofplasticdeformationinafccsinglecrystal(Cu).Numberincreasesduringplasticdeformation.Spawnfromdislocations,grainboundaries,surfaces.82第82頁SlipinaSingleCrystalEachstep(shearband)resultsfromthegenerationofalargenumberofdislocationsandtheirpropagationsintheslipsystemZn83第83頁位錯(cuò)彈性性質(zhì)Stressfieldcharacteristicsofdislocations:Dislocationenergy:~Gb2unitlengthForceonadislocation:fslip=tb,orfclimb=-sbLinetensionofdislocation:

t=Gb/2rInteractionsbetweendislocations:short-rangeandlongrange84第84頁2位錯(cuò)生成formationofdislocations

晶體生長過程中產(chǎn)生位錯(cuò)雜質(zhì)原子在凝固時(shí)固溶成份不均勻，造成點(diǎn)陣畸變，可形成位錯(cuò)作為過渡；溫度、濃度、振動(dòng)等原因造成晶塊間位相差

造成位錯(cuò)產(chǎn)生；晶粒間熱應(yīng)力等作用造成晶體表面產(chǎn)生臺(tái)階而形成位錯(cuò)快速凝固及冷卻過程中過飽和空位聚集局部應(yīng)力集中，造成局部滑移位錯(cuò)源：85第85頁3位錯(cuò)增殖generationofdislocations

弗蘭克-瑞德源Frank-Readsource

晶體在變形過程中存在位錯(cuò)大量增殖已存在位錯(cuò)受力開始運(yùn)動(dòng)，最終移到晶體表面產(chǎn)生宏觀塑性變形。86第86頁

弗蘭克-瑞德源Frank-Readsource臨界切應(yīng)力

c=Gb/LLr半圓形r最小，t最大

=Gb/2r在Si、Al-Cu、Al-Mg合金、鎘、不銹鋼、NaCl等晶體中存在F—R機(jī)制87第87頁雙交滑移增殖模型割階存在對(duì)原位錯(cuò)產(chǎn)生釘扎作用，使得原位錯(cuò)在滑移面上成為一個(gè)Frank-Readsource88第88頁3.2.6實(shí)際晶體結(jié)構(gòu)中位錯(cuò)Dislocationsinrealcrystals

以上位錯(cuò)結(jié)構(gòu)是以簡單立方晶體為研究對(duì)象，實(shí)際晶體中更為復(fù)雜，含有特殊性質(zhì)和復(fù)雜組態(tài)簡單立方晶體中，b總是等于點(diǎn)陣矢量。1實(shí)際晶體中位錯(cuò)柏氏矢量

單位位錯(cuò)

Unitdislocation：柏氏矢量等于單位點(diǎn)陣矢量位錯(cuò)

全位錯(cuò)

Perfectdislocation：柏氏矢量等于點(diǎn)陣矢量或其整數(shù)倍位錯(cuò)，全位錯(cuò)滑移后晶體原子排列不變

不全位錯(cuò)

Imperfectdislocation：柏氏矢量不等于點(diǎn)陣矢量整數(shù)倍位錯(cuò)，不全位錯(cuò)滑移后晶體原子排列規(guī)律改變

部分位錯(cuò)

Partialdislocation：柏氏矢量小于點(diǎn)陣矢量位錯(cuò)89第89頁但在實(shí)際晶體結(jié)構(gòu)中，位錯(cuò)b不能是任意，它要符合晶體結(jié)構(gòu)條件和能量條件。1）晶體結(jié)構(gòu)條件是指b必須連接一個(gè)原子平衡位置到另一個(gè)平衡位置。2）從能量條件，位錯(cuò)能量正比于b2，b越小系統(tǒng)越穩(wěn)定，即單位位錯(cuò)應(yīng)該是最穩(wěn)定位錯(cuò)。b=點(diǎn)陣矢量90第90頁2堆垛層錯(cuò)stackingfault密排堆垛時(shí)：FCC晶格中(111)面堆垛次序?yàn)锳BCABCABC…HCP晶格中(0001)面堆垛次序?yàn)锳BABAB…FCCHCPABCABCABC…ABABAB…AAAAAAABBBCCCA91第91頁ABCBC…△△△△…實(shí)際晶體結(jié)構(gòu)中，密排面正常堆垛次序有可能遭到破壞和錯(cuò)排，稱為堆垛層錯(cuò)，簡稱層錯(cuò)。FCC晶格中(111)面堆垛次序?yàn)锳BCABCABC…△△△△△△…HCP晶格中(0001)面堆垛次序?yàn)锳BABAB…△△△△…FCC結(jié)構(gòu)中堆垛層錯(cuò)正常排列ABCABC…△△△△△△…抽出一層A插入一層B抽出型插入型△ABCBABC…△△△△…△△△△△一層HCPpacking92第92頁形成層錯(cuò)時(shí)幾乎不發(fā)生點(diǎn)陣畸變，但破壞了晶體完整性和正常周期性，使晶體能量增加，增加能量稱為堆垛層錯(cuò)能

（J/m2）stackingfaultenergy層錯(cuò)能低，晶體中輕易出現(xiàn)層錯(cuò)；層錯(cuò)能高，晶體中不易出現(xiàn)層錯(cuò)；極少出現(xiàn)層錯(cuò)93第93頁3不全位錯(cuò)imperfectdislocation,partialdislocation假如堆垛層錯(cuò)不是發(fā)生在晶體整個(gè)原子面上而只是在部分區(qū)域存在，那么，在層錯(cuò)與完整晶體交界處就存在不全位錯(cuò)，其伯氏矢量b不等于點(diǎn)陣矢量層錯(cuò)邊界就是位錯(cuò)抽出型插入型94第94頁FCC結(jié)構(gòu)中，存在肖克萊（Shockley）不全位錯(cuò)可動(dòng)位錯(cuò)肖克萊（Shockley）不全位錯(cuò)弗蘭克（Frank）不全位錯(cuò)Ab=a/6[121]-刃型不全位錯(cuò)：位錯(cuò)線垂直于b右側(cè)是ABCABC…packing左側(cè)是ABCBCA…packing，存在層錯(cuò)，邊界就是不全位錯(cuò)。相當(dāng)于左側(cè)A層原子面沿滑移面到B層位置，形成了位錯(cuò)。能夠是刃型，能夠是螺型。這種位錯(cuò)可在（111）面上滑移，滑移結(jié)果使得層錯(cuò)擴(kuò)大和縮小。屬于可動(dòng)位錯(cuò)。不過即使是刃型位錯(cuò)，也不能攀移，因?yàn)榧偃邕M(jìn)行攀移，就會(huì)離開此層錯(cuò)面，故不可進(jìn)行。圖面是（101）面原子排列，（111）面垂直于圖面。-XZY[121]-95第95頁FCC結(jié)構(gòu)中，存在弗蘭克（Frank）不全位錯(cuò)固定位錯(cuò)

肖克萊（Shockley）不全位錯(cuò)弗蘭克（Frank）不全位錯(cuò)b=a/3<111>純?nèi)行筒蝗诲e(cuò)與抽出型層錯(cuò)相聯(lián)絡(luò)為負(fù)弗蘭克不全位錯(cuò)；與插入型層錯(cuò)相聯(lián)絡(luò)為正弗蘭克不全位錯(cuò)。這兩種位錯(cuò)b相同，且都垂直于{111}面。屬于純?nèi)行臀诲e(cuò)，不能在滑移面上進(jìn)行滑移，不然會(huì)離開層錯(cuò)面，故是不滑動(dòng)位錯(cuò)或固定位錯(cuò)。但能經(jīng)過點(diǎn)缺點(diǎn)運(yùn)動(dòng)沿層錯(cuò)面進(jìn)行攀移，實(shí)現(xiàn)層錯(cuò)面擴(kuò)大和縮小。96第96頁4位錯(cuò)反應(yīng)位錯(cuò)線之間能夠合并或分解，稱為位錯(cuò)反應(yīng)，但需滿足以下條件：a.幾何條件：反應(yīng)前后諸位錯(cuò)柏氏矢量之和相等，

b.能量條件：反應(yīng)后位錯(cuò)總能量小于反應(yīng)前位錯(cuò)總能量97第97頁5擴(kuò)展位錯(cuò)extendeddislocationFCC結(jié)構(gòu)中，能量最低全位錯(cuò)是處于{111}面上，是b=a/2<110>單位位錯(cuò)位錯(cuò)沿著(111)面在A層原子上滑移時(shí)，B層原子從O到Q時(shí)需要穿越A層H原子“能量高峰”，此時(shí)路線可改為ORQOQOR+RQ

第一步當(dāng)B層原子O移到層R位置時(shí)，將在（111）面上造成堆垛次序改變，由ABCABC變成ABCACB，而第二步R原子又回到B層Q位置時(shí)，又恢復(fù)正常堆垛，所以第一步造成了層錯(cuò)XZY[121]-98第98頁所以擴(kuò)展位錯(cuò)通常指一個(gè)全位錯(cuò)分解為兩個(gè)不全位錯(cuò)，中間夾著一個(gè)堆垛層錯(cuò)整個(gè)位錯(cuò)組態(tài)，就稱為擴(kuò)展位錯(cuò)。幾何條件：能量條件：

位錯(cuò)寬度：

FCC中擴(kuò)展位錯(cuò)

g為層錯(cuò)能

擴(kuò)展位錯(cuò)寬度d取決于層錯(cuò)能，晶體g低，擴(kuò)展位錯(cuò)就寬，g高，擴(kuò)展位錯(cuò)就窄99第99頁擴(kuò)展位錯(cuò)交滑移擴(kuò)展位錯(cuò)束集當(dāng)擴(kuò)展位錯(cuò)局部區(qū)域受到障礙時(shí)，擴(kuò)展位錯(cuò)在外切應(yīng)力作用下其寬度d就會(huì)變小，甚至重新收縮到原來全位錯(cuò)，稱為束集若要進(jìn)行交滑移話，擴(kuò)展位錯(cuò)要先進(jìn)行束集，變成全位錯(cuò)，然后滑移到另外一個(gè)滑移面上，之后在新滑移面上再分解為擴(kuò)展位錯(cuò)。100第100頁3.3面缺點(diǎn)Planardefects界面interface101第101頁外表面：指固體材料與氣體或液體分界面。它與摩擦、吸附、腐蝕、催化、光學(xué)、微電子等親密相關(guān)。內(nèi)界面：分為晶粒界面、亞晶界、孿晶界、層錯(cuò)、相界面等。界面interface：通常包含幾個(gè)原子層厚區(qū)域，其原子排列及化學(xué)成份不一樣于晶體內(nèi)部，可視為二維結(jié)構(gòu)分布，也稱為晶體面缺點(diǎn)。界面對(duì)晶體物理、化學(xué)和力學(xué)等性能產(chǎn)生主要影響。 包含：外表面 內(nèi)界面102第102頁3.3.1外表面Surface特點(diǎn)：外表面上原子部分被其它原子包圍，即相鄰原子數(shù)比晶體內(nèi)部少；表面成份與體內(nèi)不一；表面層原子鍵與晶體內(nèi)部不相等，能量高；表層點(diǎn)陣畸變等。表面能：晶體表面單位面積自由能增加，可了解為晶體表面產(chǎn)生單位面積新表面所作功γ=dW/ds

表面能與表面原子排列致密度相關(guān)，原子密排表面含有最小表面能；表面能與表面曲率相關(guān)，曲率大則表面能大；表面能對(duì)晶體生長、新相形成有主要作用。103第103頁3.3.2晶界和亞晶界grainboundaryandsub-grainboundary晶界Grainboundary：在多晶粒物質(zhì)中，屬于同一固相但位向不一樣晶粒之間界面稱為晶界。是只有幾個(gè)原子間距寬度，從一個(gè)晶粒向另外一個(gè)晶粒過渡，且含有一定程度原子錯(cuò)配區(qū)域。晶粒平均直徑：0.015-0.25mm亞晶粒Sub-grain：一個(gè)晶粒中若干個(gè)位向稍有差異晶粒；平均直徑：0.001mm亞晶界Sub-grainboundary：相鄰亞晶粒之間界面104第104頁晶界位置確定對(duì)二維點(diǎn)陣兩個(gè)晶粒位相差θ；晶界對(duì)某點(diǎn)陣面夾角φ；對(duì)三維點(diǎn)陣

兩個(gè)晶粒位相差(三個(gè)位相角度，x,y,z)晶界相對(duì)于點(diǎn)陣某一平面夾角(x、y、z任意兩個(gè)變量)

總共五個(gè)位向角度105第105頁晶界分類(依據(jù)相鄰晶粒位相差)小角度晶界：（Low-anglegrainboundary）相鄰晶粒位相差小于10o亞晶界普通為2o左右。大角度晶界：（High-anglegrainboundary）

相鄰晶粒位相差大于10o大角度晶界小角度晶界106第106頁107第107頁1小角度晶界結(jié)構(gòu)a）對(duì)稱傾斜晶界：(symmetrictiltboundary)

晶界兩側(cè)晶體相互傾斜晶界界面對(duì)于兩個(gè)晶粒是對(duì)稱其晶界視為一列平行刃型位錯(cuò)組成。傾側(cè)前傾側(cè)后a）對(duì)稱傾斜晶界b)不對(duì)稱傾斜晶界依據(jù)位相差形式c)扭轉(zhuǎn)晶界108第108頁位錯(cuò)間距D、柏氏矢量b和晶粒位相差θ之間關(guān)系：θ≈b/D（θ很小時(shí)）對(duì)稱傾斜晶界109第109頁b）不對(duì)稱傾斜晶界：(asymmetrictiltboundary)

晶界界面對(duì)于兩個(gè)晶粒是不對(duì)稱；能夠視為對(duì)稱傾斜晶界界面繞某一軸轉(zhuǎn)了一角度φ。晶界結(jié)構(gòu)能夠看成兩組柏氏矢量相互垂直刃型位錯(cuò)交織排列而成。不對(duì)稱傾斜晶界110第110頁c）扭轉(zhuǎn)晶界(twistboundary)：

兩部分晶體繞某一軸在一個(gè)共同晶面上相對(duì)扭轉(zhuǎn)一個(gè)θ角晶界結(jié)構(gòu)：相互垂直螺型位錯(cuò)普通情況下，任意小角度晶界可視為一系列刃型位錯(cuò)、螺型位錯(cuò)或混合位錯(cuò)網(wǎng)絡(luò)所組成111第111頁

多晶材料中晶粒間晶界通常為大角度晶界大角度晶界比較復(fù)雜，原子排列紊亂，不能用位錯(cuò)模型描述2大角度晶界結(jié)構(gòu)大角度晶界模型共有壓縮區(qū)擴(kuò)張區(qū)不屬于任一晶粒純金屬中大角度晶界寬度不超出3個(gè)原子間距（原子層）112第112頁重合位置點(diǎn)陣模型

Coincidencesitelatticemodel

當(dāng)兩個(gè)相鄰晶粒位相差為某一值時(shí)，若構(gòu)想兩晶粒點(diǎn)陣彼此經(jīng)過晶界向?qū)Ψ窖由欤瑒t其中一些原子將出現(xiàn)有規(guī)律相互重合。由這些原子重合位置所組成比原來晶體點(diǎn)陣大新點(diǎn)陣，稱為重合位置點(diǎn)陣。1/5重合位置點(diǎn)陣晶界上重合位置越多，即晶界上越多原子為兩個(gè)晶粒所共有，則原子排列畸變程度就越小，晶界能也對(duì)應(yīng)越低。113第113頁3晶界能量grainboundaryenergy晶界上原子畸變引發(fā)系統(tǒng)自由能升高，它等于界面區(qū)單位面積能量減去無界面時(shí)該區(qū)單位面積能量，單位：J/m2小角度晶界能量主要來自位錯(cuò)能量，與位相差θ相關(guān)：=

0θ(A-lnθ)0=Gb/4p(1-u)

大角度晶界能量基本為定值，與晶粒之間位相差θ無關(guān)：0.25-1.0J/m2

114第114頁晶粒長大和晶界平直化能降低晶界面積和晶界能，在適當(dāng)溫度下是一個(gè)自發(fā)過程；須原子擴(kuò)散實(shí)現(xiàn)2)晶界處原子排列不規(guī)則，常溫下對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)起妨礙作用，宏觀上表現(xiàn)出提升強(qiáng)度和硬度；而高溫下晶界因?yàn)槠鹫硿?，易使晶粒間滑動(dòng)；3)晶界處有較多缺點(diǎn)，如空穴、位錯(cuò)等，含有較高動(dòng)能，原子擴(kuò)散速度比晶內(nèi)高；4)固態(tài)相變時(shí)，因?yàn)榫Ы缒芰扛咔以訑U(kuò)散輕易，所以新相易在晶界處形核；

5)因?yàn)槌煞萜龊蛢?nèi)吸附現(xiàn)象，晶界輕易富集雜質(zhì)原子，晶界熔點(diǎn)低，加熱時(shí)易造成晶界先熔化；

過熱6）因?yàn)榫Ы缒芰枯^高、原子處于不穩(wěn)定狀態(tài)，以及晶界富集雜質(zhì)原子緣故，晶界腐蝕比晶內(nèi)腐蝕速率快。

4晶界特征115第115頁3.3.3孿晶界twingrainboundary孿晶

Twins兩個(gè)晶體(或一個(gè)晶體兩部分)沿一個(gè)公共晶面組成鏡面對(duì)稱位相關(guān)系，這兩個(gè)晶體稱為孿晶；這一公共晶面稱為孿晶面(孿晶界)

Twinplane(boundary)。共格孿晶界Coherenttwinboundary非共格孿晶界Non-coherenttwinboundary界面上原子為兩個(gè)晶體共有，是無畸變完全匹配，能量低，穩(wěn)定，常見，表現(xiàn)為一條直線界面上只有部分原子為兩個(gè)晶體共有，原子錯(cuò)排嚴(yán)重，能量高，共格孿晶界就是孿晶面116第116頁比如FCC晶格中(111)面堆垛次序?yàn)锳BCABCABC…