材料科学基础第3章晶体缺陷小结

1、晶体缺陷小结晶体缺陷小结点缺陷点缺陷 point defects 空位空位 间隙原子间隙原子置换原子置换原子肖脱基空位肖脱基空位 弗兰克缺陷弗兰克缺陷 热平衡点缺陷热平衡点缺陷 过饱和的点缺陷过饱和的点缺陷 改变外部条件改变外部条件 在一定温度下具有在一定温度下具有一定的平衡浓度一定的平衡浓度 点缺陷的运动：点缺陷的运动： 空位和间隙原子不断的产生和复合，自扩散空位和间隙原子不断的产生和复合，自扩散则空位在则空位在T温度时的温度时的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（1.38x10-23 J/K或或8.62x10-5 ev/K)类似地，类似地，间

2、隙原子平衡浓度间隙原子平衡浓度C ： kTEAkTEkSNnCvvfexpexpexp kTEexpAkTEexpk SexpN nCvvfExample ProblemCalculate 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/mo

3、l and 8.4 g/cm3, respectively.Solution: 根据空位平衡浓度公式根据空位平衡浓度公式C = n/N =A exp(-Ev/kT)每立方米铜中的空位数（每立方米铜中的空位数（1000oC即即1273K）为）为n =N exp(- Ev/ kT ) = 2.2x1025 vacancies/m3其中其中k为为Boltzmans constant（1.38x10-23 J/K或或8.62x10-5 ev/K)expvEnCANkT(按按A=1考虑）考虑）23223022628*8.4*6.023*108*10/63.5*(8*10 )*108*10MaaNcmMN

4、V个个线缺陷线缺陷 linear defects 位错位错 刃型位错刃型位错 螺型位错螺型位错 特点特点 混合位错混合位错 刃型位错：刃型位错：存在一个多余半原子面存在一个多余半原子面位错线与位错线与b b垂直，滑移面只有一个垂直，滑移面只有一个即有切应变，又有正应变即有切应变，又有正应变螺型位错：螺型位错：不存在一个多余半原子面不存在一个多余半原子面位错线与位错线与b b平行，滑移面可以多个平行，滑移面可以多个只有切应变只有切应变滑移滑移攀移攀移位错的运动位错的运动滑移的特点滑移的特点1) 1) 刃型：滑移的切应力方向与位错线垂直，而螺型：滑移的与位错线平行；刃型：滑移的切应力方向与位错线垂

5、直，而螺型：滑移的与位错线平行； 2) 2) 刃型和螺型，位错的运动方向与位错线垂直；（刃型和螺型，位错的运动方向与位错线垂直；（b b方向代表晶体的滑移方向）方向代表晶体的滑移方向） 3) 3) 刃：滑移方向与位错运动方向一致，螺：滑移方向与位错运动方向垂直；刃：滑移方向与位错运动方向一致，螺：滑移方向与位错运动方向垂直； 4) 4) 位错滑移的切应力方向与位错滑移的切应力方向与b b一致；位错滑移后，滑移面两侧晶体的相对位移与柏氏一致；位错滑移后，滑移面两侧晶体的相对位移与柏氏矢量一致。矢量一致。5) 对螺型位错，还存在交滑移和双交滑移。对螺型位错，还存在交滑移和双交滑移。攀移：攀移：只对

6、刃型位错而言，通过原子或空位的扩散来实现的只对刃型位错而言，通过原子或空位的扩散来实现的位错的交割位错的交割扭折扭折割阶割阶bacddcba刃型位错刃型位错螺型位错螺型位错特点特点位错的弹性性质：位错的弹性性质： 应力场：刃型位错、螺型位错应力场：刃型位错、螺型位错弹性畸变能：正比于弹性畸变能：正比于b2位错的存在使晶体处于位错的存在使晶体处于高能高能的的不稳定状态，不稳定状态，位错线有位错线有尽量变直尽量变直和和缩短其长度缩短其长度的趋势的趋势作用在位错上的作用力：作用在位错上的作用力：F=t tb位错上的线张力位错上的线张力t t = Gb/2r r为曲率半径为曲率半径点缺陷的存在会阻碍位

7、错运动，增加金属及合金塑性变形的抗力点缺陷的存在会阻碍位错运动，增加金属及合金塑性变形的抗力位错之间的交换作用力位错之间的交换作用力位错的生成和增殖：位错的生成和增殖：位错源、增殖机理：位错源、增殖机理：Frank-Read resource实际晶体结构中的位错实际晶体结构中的位错 单位位错、全位错、不全位错（肖克莱不全位错、弗兰克不全位错）单位位错、全位错、不全位错（肖克莱不全位错、弗兰克不全位错）堆垛层错堆垛层错位错反应：几何条件、能量条件位错反应：几何条件、能量条件扩展位错：全位错分解为两个不全位错扩展位错：全位错分解为两个不全位错+一个堆垛层错一个堆垛层错面缺陷面缺陷 Interfac

8、ial defects 外表面外表面界面界面晶界晶界孪晶界孪晶界相界相界堆垛层错堆垛层错小角度晶界小角度晶界大角度晶界大角度晶界共格共格半共格半共格非共格非共格对称倾斜对称倾斜不对称倾斜不对称倾斜扭转扭转重合位置点阵重合位置点阵思思 考考 题题1、解释以下基本概念、解释以下基本概念肖脱基空位、弗仑克尔空位、刃型位错、螺型位错、柏氏矢量、肖脱基空位、弗仑克尔空位、刃型位错、螺型位错、柏氏矢量、位错密度、位错的滑移及攀移、弗兰克位错密度、位错的滑移及攀移、弗兰克- -瑞德源、位错反应、瑞德源、位错反应、扩展位错、表面能、界面能、重整位置点阵、失配度、对称倾扩展位错、表面能、界面能、重整位置点阵、失

9、配度、对称倾侧晶界、非共格晶界。侧晶界、非共格晶界。2、计算、计算Fe在在 850o 时，每立方米体积中的空位数。时，每立方米体积中的空位数。 已知已知Fe在在850o 时的空位形成能、密度及原子重量分别为时的空位形成能、密度及原子重量分别为1.08 eV/atom、7.65 g/cm3、55.85 g/mol。A=12322302262828245*7.65*6.023*108.25*10/55.85*(8.25*10 )*108.25*101.08* *exp(/)8.25*10 *1*exp()1.18*108.62*10*1123MaaVNcmMNVnNAEkT个个3 3、如图，在晶体

10、的滑移面上有一柏氏矢量为、如图，在晶体的滑移面上有一柏氏矢量为b b的位错环，并受到均匀切应的位错环，并受到均匀切应力力t t和正应力和正应力s s的作用。的作用。（1 1）分析该位错环各段位错的结构类型；）分析该位错环各段位错的结构类型；（2 2）在）在 t t 的作用下，该位错环将如何运动？的作用下，该位错环将如何运动？（3 3）在）在s s的作用下，位错环将如何运动？的作用下，位错环将如何运动？（1 1） 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（2 2）在）在 t t 的作用下，位错环上部分晶体将不断沿着的作用下，位

11、错环上部分晶体将不断沿着x x轴方向轴方向（即（即b b的方向）运动，下部分晶体则反向（沿的方向）运动，下部分晶体则反向（沿-x-x轴方向）运轴方向）运动。这种运动必然伴随着位错环的各边向环的外侧运动，即动。这种运动必然伴随着位错环的各边向环的外侧运动，即ABAB、BCBC、CDCD和和DADA四段位错分别沿着四段位错分别沿着-z-z、x x、z z和和-x-x轴方向运动，轴方向运动，从而导致位错环扩大。从而导致位错环扩大。（3 3）在）在s s的作用下，在滑移面上方的的作用下，在滑移面上方的BCBC位错的半原子面和在位错的半原子面和在滑移面下方的滑移面下方的DADA位错的半原子面将扩大，即位

12、错的半原子面将扩大，即BCBC位错沿位错沿-y-y轴运轴运动，动，DADA位错沿位错沿y y轴运动。而轴运动。而ABAB和和CDCD为螺型位错，不运动。为螺型位错，不运动。ABCDbt tt ts ss sxyzo4、面心立方晶体中，在、面心立方晶体中，在（111）面上的单位位错面上的单位位错在在（111）面上分解为两个肖克莱不全位错，请写出该位错反面上分解为两个肖克莱不全位错，请写出该位错反应，应，110121211266aaa5、判断下列位错反应能否进行？若能进行，试在晶胞上作出、判断下列位错反应能否进行？若能进行，试在晶胞上作出矢量图。矢量图。能进行能进行能进行能进行能量相等，不能进行能

13、量相等，不能进行(1)11111100122(2)110121211266(3)112111111362(4) 10011111122aaaaaaaaaaaa反应后能量增加，不能进行反应后能量增加，不能进行6、试分析在、试分析在（111）面上运动的柏氏矢量为面上运动的柏氏矢量为的螺型位错受阻时，能否通过交滑移转移到的螺型位错受阻时，能否通过交滑移转移到面中的某个面上继续运动？为什么？面中的某个面上继续运动？为什么？1012ab )111(),111(),111 (（111）面与）面与 面的交线分别为：面的交线分别为：)111(),111(),111 (101,110,011b方向与这三条交线的夹角分别：方向与这三条交线的夹角分别：1101*11101cos21 1* 1 1( 1)*( 1) 1*111