第三章晶体缺陷.docx
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第三章晶体缺陷
第三章晶体缺陷
实际晶体中偏离理想点阵结构的区域称为晶体缺陷
根据几何形态特征，可以把晶体缺陷分为三类：
点缺陷、线缺陷和面缺陷
第一节点缺陷
§3.1.1点缺陷的类型及形成
1.点缺陷的类型
金属中常见的基本点缺陷有空位、间隙原子和置换原子。
空位：
空位就是未被占据的原子位置；
间隙原子：
间隙原子可以是晶体中正常原子离位产生，也可以是外来杂质原子；
置换原子：
位于晶体点阵位置的异类原子。
2.点缺陷的形成
物质的运动导致原子离开原来位置。
空位的两种类型：
弗兰克尔空位、肖脱基空位。
§3.1.2点缺陷的运动及平衡浓度
1.点缺陷的运动
空位的复合
2.点缺陷的平衡浓度
3.过饱和点缺陷的形成
§3.1.3点缺陷对性能的影响
第二节线缺陷
§3.2.1位错的基本概念
1.位错学说的产生
2.位错的基本类型
晶体在不同的应力状态下，其滑移方式不同。
根据原子的滑移方向和位错线取向的几何特征不同，位错分为刃位错、螺位错和混合位错。
（1）刃型位错
刃型位错的概念：
在某一水平面以上多出了垂直方向的原子面，犹如插入的刀刃一样，称为刃型位错线。
位错线附近区域发生了原子错排。
◆把多余半原子面在滑移面以上的位错称为正刃型位错，用符号“┻”表示，反之为负刃型位错，用“┳”表示。
◆含有多余半原子面的晶体受压，原子间距小于正常点阵常数；不含多余半原子面的晶体受张力，原子间距大于正常点阵常数。
◆位错在晶体中引起的畸变在位错线中心处最大，随着离位错中心距离的增大，晶体的畸变逐渐减小。
刃型位错的特点：
◆1）.刃型位错有一个额外的半原子面。
其实正、负之分只具相对意义而无本质的区别。
◆2）.刃型位错线可理解为晶体中已滑移区与未滑移区的边界线。
它不一定是直线，也可以是折线或曲线，但它必与滑移方向相垂直，也垂直于滑移矢量。
◆3）.滑移面必定是同时包含有位错线和滑移方向的平面，在其他面上不能滑移。
由于在刃型位错中，位错线与滑移方向互相垂直，因此，由它们所构成的平面只有一个。
◆4）.晶体中存在刃型位错之后，位错周围的点阵发生弹性畸变，既有切应变，又有正应变。
就正刃型位错而言，滑移面上方点阵受到压应力，下方点阵受到拉应力：
负刃型位错与此相反。
◆5）.在位错线周围的过渡区（畸变区）每个原子具有较大的平均能量。
但该区只有几个原子间距宽，畸变区是狭长的管道，所以刃型位错是线缺陷。
（2）螺型位错
螺型位错的结构特征
◆无额外的半原子面，原子错排呈轴对称，分右旋和左旋螺型位错；
◆位错线是直线，与滑移方向平行；
◆滑移面不是唯一的，包含螺型位错线的平面都可以作为它的滑移面；
◆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；
◆位错畸变区也是几个原子间距宽度，同样是线位错。
（3）混合位错
◆晶体中已滑移区与未滑移区的边界线（即位错线）既不平行也不垂直于滑移方向，即滑移矢量与位错线成任意角度，这种晶体缺陷称为混合型位错。
◆混合型位错可分解为刃型位错分量和螺型位错分量。
3.柏氏矢量
（1）柏氏矢量的确定方法
（2）柏氏矢量的物理意义及特征
物理意义：
◆反映出柏氏回路包含的位错所引起点阵畸变的总积累（畸变发生的方向与大小）。
◆指出了位错滑移后，晶体上下部产生相对位移的方向和大小，即滑移矢量。
刃型位错：
滑移区移动方向垂直位错线，滑移量为一个原子间距；
螺型位错：
滑移方向平行于位错线，滑移量也是一个原子间距。
对于任意位错，可据柏氏矢量判断其滑移方向与大小。
柏氏矢量的特征
◆用柏氏矢量可判断位错的类型。
◆用柏氏矢量可以表示晶体滑移的方向和大小。
位错运动导致晶体滑移时，滑移量大小即柏氏矢量b，滑移方向即为柏氏矢量的方向。
◆一条位错线具有唯一的柏氏矢量。
若位错可分解，则分解后各分位错的柏氏矢量之和等于原位错的柏氏矢量。
◆位错具有连续性，不能中断于晶体内部。
其存在形态可形成一个闭合的位错环，或连接于其他位错，或终止在晶界，或露头于晶体表面。
（3）柏氏矢量的表示方法
4.位错密度
5.位错观察
位错的基本几何性质（总结）
Ø位错是晶体中的线缺陷，它实际上是一条细长的管状缺陷区，区内的原子严重地错排或“错配”。
Ø位错可以看成是已滑移区与未滑移区的边界。
柏氏矢量b是表征位错的最重要参数。
根据b和位错线l的相对位向，可将位错分为三类：
刃型位错:
和l垂直、螺型位错:
和l平行、混合位错和l成任意角。
位错的大小决定了位错中心区原子的“错配度”和周围晶体的弹性变形，从而决定了能量的大小。
Ø位错线必须是连续的。
它或者起止于晶体表面（或晶界）或形成封闭回路（位错环）或者在结点处和其它位错相连。
Ø单独讨论位错线的正向或柏氏矢量的正向是没有意义的。
但是，为了表示位错的性质（刃型位错的正、负，螺型位错的左旋、右旋）需要按人为地规定位错线和柏氏矢量的正向。
位错线和b可以同时反向而不影响位错的性质，但如果仅仅改变一个向，则位错的性质便相反。
Øb的最重要性质是它的守恒性，即流向某一结点的位错线的柏氏矢量之和等于流出该结点的位错线的柏氏矢量之和。
由此又可推出，一条位错线只能有一个b。
§3.2.2位错的运动
1.位错的易动性
2.位错的滑移
◆当一个刃型位错沿滑移面滑过整个晶体，就会在晶体表面产生宽度为一个柏氏矢量b的台阶，造成晶体的塑性变形。
◆在滑移时，刃型位错的移动方向一定是与位错线相垂直，即与其柏氏矢量相一致。
◆位错线沿着滑移面移动时，它所扫过的区域是已滑移区，而位错线未扫过的区域为示滑移区。
◆在切应力作用下，螺型位错的移动方向是与其柏氏矢量相垂直。
对于螺型位错，由于位错线与柏氏矢量平行，所以它不象刃型位错那样具有确定的滑移面，而可在通过位错线的任何原子平面上滑移。
如果螺型位错在某一滑移面滑移后转到另一通过位错线的临近滑移面上滑移的现象称为交滑移。
3.位错的攀移
◆刃型位错除了可以在滑移面上滑移外，还可垂直于滑移面发生攀移。
◆当半原子面下端的原子跳离，即空位迁移到半原子面下端时，半原子面将缩短，表现为位错向上移动，这种移动叫做正攀移。
反之叫做负攀移。
◆位错攀移时伴随着物质的迁移，需要扩散才能实现。
因为攀移需要原子扩散，所以较之滑移所需的能量更大。
对于大多数金属，这种运动在室温下很难进行。
因此，位错攀移时需要热激活，也就是比滑移需要更大的能量。
◆通常称攀移为“非守恒运动”，滑移则称为“守恒运动”。
4、运动位错的交割
Ø对于在滑移面上运动的位错来说，穿过此滑移面的其它位错称为林位错。
林位错会阻碍位错的运动，但是若应力足够大，滑动的位错将切过林位错继续前进。
位错互相切割的过程称为位错交割或位错交截。
Ø一般情况下，两个位错交割时，每个位错上都要新产生一小段位错，它们的柏氏矢量与携带它们的位错相同，它们的大小与方向决定于另一位错的柏氏矢量。
Ø当交割产生的小段位错不在所属位错的滑移面上时，则成为位错割阶，如果小段位错位于所属位错的滑移面上，则成为位错扭折。
Ø刃型位错的割阶部分仍为刃型位错，而扭折部分则为螺型位错；
Ø螺型位错中的扭折和割阶线段，由于均与柏氏矢量相垂直，故均属于刃型位错。
Ø所有的割阶都是刃型位错，而扭折可以是刃型也可是螺型的。
Ø扭折与原位错线在同一滑移面上，可随主位错线一道运动，几乎不产生阻力，而且扭折在线张力作用下易于消失。
Ø割阶则与原位错线不在同一滑移面上，故除非割阶产生攀移，否则割阶就不能跟随主位错线一道运动，成为位错运动的障碍，通常称此为割阶硬化。
几种典型的位错交割
◆两个柏氏矢量互相平行的刃型位错交割
◆两个柏氏矢量互相垂直的刃型位错交割
◆刃型位错与螺型位错的交割
◆螺型位错与螺型位错的交割
关于位错的运动（总结）
Ø运动方式：
刃型位错可以滑移，也可以攀移。
螺型位错只能滑移，不能攀移。
混合位错可以滑移，也可以一面滑移（螺型分量滑移）一面攀移（刃型分量攀移）
Ø运动面：
滑移面是由l和b决定的面。
对刃位错和混合位错，它是唯一的，对螺型位错则不唯一，包含位错线的任何平面都可以是滑移面。
刃型位错攀移时运动面就是垂直于滑移面的半原子面，或者说，垂直于b的晶面。
Ø运动方向：
不论滑移、攀移或是既滑移又攀移，位错线的运动方向v是垂直于位错线的。
Ø运动量：
不论位错作何种运动，当位错扫过单位面积的运动面时，运动面两边的晶体的平均相对位移量为b/A，这里A是整个运动面的面积。
§3.2.3位错的弹性性质
1.位错的应力场
位错在晶体中的存在使其周围原子偏离平衡位置而导致点阵畸变和弹性应力场的产生。
要准确对晶体中位错周围的弹性应力场进行定量计算，是复杂而困难的。
为简化通常可采用弹性连续介质模型来进行计算。
该模型:
首先假设晶体是完全弹性体，服从虎克定律；
其次，把晶体看成是各向同性的；
第三，近似地认为晶体内部由连续介质组成，晶体中没有空隙，因此晶体中的应力、应变、位移等量是连续的，可用连续函数表示。
位错的连续介质模型（a）螺位错（b）刃位错
螺位错的应力场的特点：
◆只有切应力分量，正应力分量全为零，这表明螺型位错不引起晶体的膨胀和收缩。
◆螺型位错所产生的切应力分量只与r有关（成反比），而与θ，z无关。
只要r一定，τθz就为常数。
因此，螺型位错的应场是轴对称的，即与位错等距离的各处，其切应力值相等，并随着与位错距离的增大，应力值减小。
◆r→0时，τθz→∞，显然与实际情况不符，这说明上述结果不适用位错中心的严重畸变区。
刃位错的应力场的特点：
◆同时存在正应力分量与切应力分量，而且各应力分量的大小与G和b成正比，与r成反比。
◆各应力分量都是ｘ，ｙ的函数，而与ｚ无关。
这表明在平行与位错的直线上，任一点的应力均相同。
◆在滑移面上，没有正应力，只有切应力，而且切应力τxy达到极大值。
◆正刃型位错的位错滑移面上侧为压应力，滑移面下侧为拉应力。
◆x＝±y时，σyy，τxy均为零，说明在直角坐标的两条对角线处，只有σxx。
2.位错的应变能
◆位错周围点阵畸变引起弹性应力场导致晶体能量增加，这部分能量称为位错的应变能或位错能。
◆与位错的畸变相对应，位错的能量也可分为两部分：
一是位错中心畸变能；二是位错中心以外的能量即弹性应变能。
◆根据点阵模型对位错中心能量的估算得：
弹性应变能占总能量的90%，所以位错中心畸变能常忽略不计，而弹性应变能可采用连续介质弹性模型根据单位长度位错所做的功求得。
3.外力场中位错所受的力
◆它是虚设的、驱使位错滑移的力，它必然与位错线运动方向一致，即处处与位错线垂直，指向未滑移区。
◆根据虚功原理，切应力使晶体滑移所做的功应与法向“力”推动位错滑移所做的功相等。
4.位错线张力
位错的总能量与位错线的长度成正比，因此为降低能量，位错线有缩短变直的倾向。
故在位错线上存在一种使其变直的线张力Ｔ。
这个线张力在数值上等于位错应变能。
5.位错的应力场及与其他缺陷的交互作用
位错与溶质原子的相互作用
间隙原子聚集于位错中心，使体系处于低能态。
柯氏气团：
溶质原子与位错交互作用后，在位错线周围偏聚的现象，柯氏气团的形成对位错有钉扎作用，是固溶强化的原因之一。
位错与空位的交互作用导致位错攀。
高温下十分重要
位错与位错的交互作用
f=τb，f=σb（刃位错）。
同号相互排斥，异号相互吸引。
（达到能量最低状态。
）
§3.2.4位错的生成与增殖
一、位错的生成
晶体中的位错来源主要可有以下几种。
（一）晶体生长过程中产生位错。
（二）由于自高温较快凝固及冷却时晶体内存在大量过饱和空位，空位的聚集能形成位错。
（三）晶体内部的某些界面（如第二相质点、孪晶、晶界等）和微裂纹的附近，由于热应力和组织应力的作用，往往出现应力集中现象，当此应力高至足以使该局部区域发生滑移时，就在该区域产生位错。
二、位错的增殖
位错的增殖机制可有多种，主要方式是弗兰克-瑞德（Frank-Read）位错源机制。
弗兰克-瑞德（Frank-Read）位错源
v刃型位错的两端被位错网点钉住不能运动。
若沿柏氏矢量b方向施加一切应力，使位错沿滑移面向前滑移运动。
v作用于位错线上的力,总是与位错线本身垂直，所以弯曲后的位错每一小段继续沿它的法线方向向外扩展，其两端则分别绕节点A，B发生回转。
v当两端弯出来的线段相互靠近时，由于该两线段平行于柏氏矢量b，但位错线方向却相反，分别属于左螺和右螺位错，因此会互相抵消，形成一闭合的位错环以及位错环内的一小段弯曲位错线。
§3.2.5实际晶体中的位错
实际晶体结构中，位错的柏氏矢量不能是任意的，它要符合晶体的结构条件和能量条件。
晶体结构条件是指柏氏矢量必须连接一个原子平衡位置到另一平衡位置。
在某一种晶体结构中，力学平衡位置很多，故柏氏矢量可取很多；但从能量条件看，由于位错能量正比于b2，柏氏矢量b越小越好。
正因为b既要符合结构条件又要符合能量条件，因而实际晶体中存在的位错的柏氏矢量限于少数最短的点阵矢量。
1.实际晶体结构中的单位位错
结构类型
柏氏矢量
方向
数量
简单立方
面心立方
体心立方
密排六方
<100>
<110>
<111>
3
6
4
3
2.堆垛层错
实际晶体结构中，密排面的正常堆垛顺序有可能遭到破坏和错排，称为堆垛层错，简称层错；
形成层错时几乎不产生点阵畸变，但它破坏了晶体的完整性和正常的周期性，使电子发生反常的衍射效应，故使晶体的能量有所增加，这部分增加的能量称“堆垛层错能”；
3.位错反应
位错之间相互转换（即柏氏矢量的合成与分解）称为位错反应。
位错反应能否进行取决于两个条件：
（1）必须满足几何条件即柏氏矢量的守恒性；
（2）必须满足能量条件，反应后诸位错的总能量小于反应前诸位错的总能量。
4.面心立方晶体中全位错的分解及扩展位错
肖克莱不全位错的形成：
原子运动导致局部错排，错排区与完整晶格区的边界线即为肖克莱不全位错。
（结合位错反应理解。
可为刃型、螺型或混合型位错。
）
扩展位错
由于这两个不全位错位于同一滑移面上，彼此同号且其柏氏矢量的夹角θ为120o，故它们必然相互排斥并分开，其间夹着一片堆垛层错区，直到层错的表面张力（等于层错能）和不全位错的斥力相平衡时，不全位错的运动才停止，形成稳定的位错组态。
这种两个不全位错夹一片层错的整个位错组态称为扩展位错。
弗兰克不全位错:
在完整晶体中局部抽出或插入一层原子所形成。
（只能攀移，不能滑移。
）
位错理论的应用
晶体的实际强度为什么远低于理论强度？
晶体为什么会加工硬化？
金属为什么会退火软化？
与位错相关的合金强化机制固溶强化沉淀强化和弥散强化
§3.3面缺陷
面缺陷：
在两个方向上尺寸很大，在一个方向上尺寸很小的缺陷。
面缺陷的类型
金属中常见的面缺陷有表面、晶界、亚晶界和相界。
§3.3.1表面
晶体内部的原子处于其他原子的包围中，处于均匀的力场中，总合力为零，处于能量最低的状态。
而表面原子却不同，它与气相（或液相）接触，处于不均匀的力场之中，其能量较高，高出的能量称为表面自由能。
晶体总是力图处于最低的自由能状态，所以一定体积的晶体的平衡几何外形应满足表面能总和为最小。
晶体的宏观表面可以加工的十分光滑，但从原子的尺度来看仍是十分粗糙而凸凹不平。
不管表面是否平行于密排面，宏观表面基本上由一系列平行的原子密排面及相应的台阶组成，台阶的密度取决于表面和密排面的夹角。
§3.3.2晶界与相界
属于同一固相但位向不同的晶粒之间的界面称为晶界；而每个晶粒有时又由若干个位向稍有差异的亚晶粒所组成，相邻亚晶粒间的界面称为亚晶界。
根据晶界两侧晶粒位相差的不同可分为小角度晶界和大角度
晶界。
亚晶界属于小角度晶界。
1.小角度晶界
◆相邻晶粒的位向差小于10°的晶界称为小角度晶界。
◆根据形成晶界时的操作不同，晶界分为倾斜晶界（tiltboundary）和扭转晶界（twistboundary）。
倾斜晶界又包括对称倾斜晶界和不对称倾斜晶界。
对称倾斜晶界是最简单的小角度晶界,这种晶界的结构特点是由一系列平行等距离排列的
同号刃位错所构成。
不对称倾斜晶界由两组相互垂直的刃位错所组成。
扭转晶界:
晶界是由两组相互垂直的螺位错构成的网络
推广：
一般的小角度晶界，其旋转轴和界面可以有任意的取向关系，因此结构特点是由刃位错、螺位错或混合位错组成的二维位错网所组成。
——此为小角度晶界的位错模型
2.大角度晶界
◆相邻晶粒的位向差大于10°的晶界称为大角度晶界。
◆大角度晶界的结构较复杂，原子排列很不规则，由不规则的台阶组成的。
晶界可看成坏区与好区交替相间组合而成。
3.孪晶界
孪晶是指两个晶体（或一个晶体的两部分）沿一个公共晶面构成镜面对称的位向关系，这两个晶体就称为“孪晶（twin）”，此公共晶面就称孪晶面。
4.相界
具有不同结构的两相之间的分界面称为“相界”。
按结构特点，相界面可分为共格、半共格和非共格相界三种类型。
§3.3.3界面能
概念:
形成（或扩大）单位面积界面所做的非体积功（或自由焓增量）称为（比）界面能
界面能的来源：
与内部原子相比，界面原子所处的环境不同
–化学能：
界面原子周围原子数或类型变化，引起键能的变化；
–应变能：
界面原子偏离平衡位置引起弹性应变能。
§3.3.4晶界特性
1.晶界处点阵畸变大，存在晶界能。
晶粒的长大和晶界的平直化都能减少晶界面积，从而降低晶界的总能量。
2.晶界处原子排列不规则，在常温下晶界的存在会对位错的运动起阻碍作用，致使塑性变形抗力提高，宏观表现为晶界较晶内具有较高的强度和硬度。
晶粒越细,材料的强度越高，这就是细晶强化。
3.晶界处原子偏离平衡位置，具有较高的动能，并且晶界处存在较多的缺陷如空穴、杂质原子和位错等，故晶界处原子的扩散速度比在晶内快得多。
4.在固态相变过程中,由于晶界能量较高且原子活动能力较大,所以新相易于在晶界处优先形核.原始晶粒越细,晶界越多,则新相形核率也相应越高。
5.由于成分偏析和内吸附现象，特别是晶界富集杂质原子的情况下，往往晶界熔点较低，故在加热过程中，因温度过高将引起晶界熔化和氧化，导致“过热”现象产生。
6.由于晶界能量较高、原子处于不稳定状态，以及晶界富集杂质原子的缘故，与晶内相比晶界的腐蚀速度一般较快。
这就是用腐蚀剂显示金相样品组织的依据，也是某些金属材料在使用中发生晶间腐蚀破坏的原因。
界面对材料性能的影响
Ø界面是晶体中的面缺陷，对晶体材料的性质和转变过程有重要影响;
Ø界面阻碍位错运动，引起界面强化，提高材料的强度。
界面阻碍变形，使变形分布均匀、提高材料的塑性，强度、塑性的提高相应使材料韧性也得到改善。
因此，界面的增加，得到细晶组织，可大大改善材料的力学性能;
Ø界面具有高的能量，化学介质不稳定，产生晶界腐蚀，故影响材料的化学性能;
Ø界面也影响材料的物理性能，如材料组织中晶粒增大，界面减少，可提高导磁率，降低矫顽力;
Ø在高温下界面强度降低，成为薄弱环节;
Ø界面影响形变过程及形变金属加热时发生的再结晶过程。
界面增大变形阻力，增加变形储能，影响到再结晶时的形核，细小晶粒组织可增大再结晶的形核率，再结晶时晶核的长大和再结晶后晶粒的长大都是界面迁移过程;
Ø结晶凝固和固态相变都是新相生核和核心长大过程，形核依附界面，长大依靠界面迁移；因此，界面的结构和特性影响凝固和相变过程;
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