材料科学基础第一章 原子排列03

1、第三节 原子的不规则排列晶体中的缺陷原子排列偏离完整性的区域点缺陷在三个方向上尺寸都很小线缺陷在二个方向上尺寸很小面缺陷在一个方向上尺寸很小9/28/20221西北工业大学 材料科学基础CAI课件 王永欣主编一、点缺陷 包括空位、间隙原子、杂质或溶质原子1. 形成局部点阵畸变原子热振动克服约束，迁移到新的位置空位、间隙原子部分原子获得足够高的能量形成引起9/28/20222西北工业大学 材料科学基础CAI课件 王永欣主编肖脱基缺陷原子迁移到表面仅形成空位弗兰克缺陷原子迁移到间隙中形成空位-间隙对杂质或溶质原子间隙式（小原子）或置换式（大原子）2. 分类9/28/20223西北工业大学 材料科学

2、基础CAI课件 王永欣主编3. 点缺陷的平衡浓度Ne 平衡空位数 N 原子总数 Ev 每增加一个空位的能量变化 k 玻尔兹曼常数 T 绝对温度其中：A由振动熵决定的系数，取110，通常取1。 T - C9/28/20224西北工业大学 材料科学基础CAI课件 王永欣主编附加电子散射电阻4. 点缺陷对晶体性能的影响间隙原子体积膨胀12个原子体积 空位体积膨胀0.5个原子体积屈服强度对扩散、内耗、高温形变和热处理等过程有重要影响。点阵畸变9/28/20225西北工业大学 材料科学基础CAI课件 王永欣主编二、线缺陷9/28/20226西北工业大学 材料科学基础CAI课件 王永欣主编位错逐排依次运动

3、塑变原子面整体滑移塑变理论强度远大于实测值探求新理论位错理论发现问题促使核心计算强度值 实测值结果9/28/20227西北工业大学 材料科学基础CAI课件 王永欣主编1) 刃位错1. 位错基本类型形成畸变区多出（或少了）半排原子面用（或）表示 刃位错正：上压下拉负：上拉下压 称为9/28/20228西北工业大学 材料科学基础CAI课件 王永欣主编2) 螺位错9/28/20229西北工业大学 材料科学基础CAI课件 王永欣主编原子面部分错动一个原子间距螺位错 不吻合过渡区形成畸变区纯剪切应力区 形成 称作9/28/202210西北工业大学 材料科学基础CAI课件 王永欣主编3) 混合位错刃型位错

4、分量 螺型位错分量9/28/202211西北工业大学 材料科学基础CAI课件 王永欣主编9/28/202212西北工业大学 材料科学基础CAI课件 王永欣主编2. 柏氏矢量反映位错区畸变的方向与程度1) 柏氏矢量的求法（1） 包含位错线做一封闭回路 柏氏回路（2） 将同样的回路置于完整晶体中 不能闭合（3） 补一矢量（终点指向起点）使回路闭合 柏氏矢量123456789101112345678910119/28/202213西北工业大学 材料科学基础CAI课件 王永欣主编（1） 包含位错线做一封闭回路柏氏回路（2） 将同样的回路置于完整晶体中不能闭合（3） 补一矢量（终点指向起点）使回路闭合柏

5、氏矢量1212341231234111212341231234119/28/202214西北工业大学 材料科学基础CAI课件 王永欣主编（1） 满足右螺旋规则时，柏氏矢量与柏氏回路路径无关 唯一性（2） 用柏氏回路求得的柏氏矢量为回路中包围的所有位错柏氏矢量的总和（矢量和） 可加性（3） 同一位错，柏氏矢量处处相同 同一性2）柏氏矢量特性9/28/202215西北工业大学 材料科学基础CAI课件 王永欣主编3）柏氏矢量表示法对于立方晶系 a = b = c模：例：9/28/202216西北工业大学 材料科学基础CAI课件 王永欣主编例：例：9/28/202217西北工业大学 材料科学基础CAI

6、课件 王永欣主编4）三种位错柏氏矢量的特点刃位错垂直主要是正应力螺位错平行纯剪应力混合位错一定角度复杂位错类型柏氏矢量与位错线关系畸变应力场9/28/202218西北工业大学 材料科学基础CAI课件 王永欣主编5）位错正、负（左、右）的确定刃位错：有晶体图时用右手法则 中指b方向，食指位错线方向，拇指：上正下负无晶体图时用旋转法 b顺时针方向转90，与位错线方向：顺正逆负人为规定位错线方向LL9/28/202219西北工业大学 材料科学基础CAI课件 王永欣主编螺位错：有晶体图时与螺纹判断方法一致 左手左螺，右手右螺无晶体图时用旋转法 b与位错线方向：顺右逆左正负（左右）均为相对而言，位错线方

7、向改变，正负、左右随之改变。LL9/28/202220西北工业大学 材料科学基础CAI课件 王永欣主编3. 位错密度单位体积晶体中所有位错线的总长度穿过单位截面积的位错线数目（穿过单位面积的位错线根数，将位错简化为直线）cm/cm31/cm29/28/202221西北工业大学 材料科学基础CAI课件 王永欣主编4. 位错运动9/28/202222西北工业大学 材料科学基础CAI课件 王永欣主编1）滑移（1）刃位错的滑移9/28/202223西北工业大学 材料科学基础CAI课件 王永欣主编9/28/202224西北工业大学 材料科学基础CAI课件 王永欣主编9/28/202225西北工业大学 材

8、料科学基础CAI课件 王永欣主编a） 位错逐排依次前进，实现两原子面的相对滑移；b） 滑移量=柏氏矢量的模； c） 外力 / b，位错线 ，位错线运动方向/d） 一定时，正、负位错运动方向相反，但最终滑移效果相同；e) 滑移面唯一。 9/28/202226西北工业大学 材料科学基础CAI课件 王永欣主编（2）螺位错的滑移9/28/202227西北工业大学 材料科学基础CAI课件 王永欣主编9/28/202228西北工业大学 材料科学基础CAI课件 王永欣主编右螺位错左螺位错LL9/28/202229西北工业大学 材料科学基础CAI课件 王永欣主编a） 位错逐排依次滑移，实现原子面的滑移；b）

9、滑移量=柏氏矢量的模； c） / b，位错线/ ，位错线运动方向 ；d） 一定时，左、右螺位错位错运动方向相反，但最终滑移效果相同；e） 滑移面不唯一。9/28/202230西北工业大学 材料科学基础CAI课件 王永欣主编（3）混合位错的滑移9/28/202231西北工业大学 材料科学基础CAI课件 王永欣主编正刃负刃左螺右螺9/28/202232西北工业大学 材料科学基础CAI课件 王永欣主编位错滑移特征比较一定角度/法线一定角度混合位错无限多个/法线/螺位错唯一/法线刃位错滑移面个数位错线运动方向 与位错线 与 bb与位错线类型9/28/202233西北工业大学 材料科学基础CAI课件 王

10、永欣主编2）攀移（1）方式原子扩散离开（到）位错线半原子面缩短（伸长）正（负）攀移空位扩散离开（到）位错线半原子面伸长（缩短）负（正）攀移9/28/202234西北工业大学 材料科学基础CAI课件 王永欣主编（2）特点a） 刃位错垂直于滑移面运动非守恒运动b） 属扩散过程需热激活高温易出现（3）作用原滑移面上运动受阻攀移新滑移面滑移继续攀移只能是刃位错才能发生说明：攀移不是塑性变形的主要机制可避开障碍物便于滑移结论：攀移能力影响滑移进行进一步影响塑变能力9/28/202235西北工业大学 材料科学基础CAI课件 王永欣主编3）交滑移（1）方式9/28/202236西北工业大学 材料科学基础CA

11、I课件 王永欣主编（2）特点（3）作用原滑移面上运动受阻交滑移新滑移面滑移继续交滑移只能是螺位错才能发生说明：交滑移不是塑变的主要机制可避开障碍物便于滑移结论：交滑移能力影响滑移进行进一步影响塑变能力交滑移仍在滑移面滑移守恒运动9/28/202237西北工业大学 材料科学基础CAI课件 王永欣主编攀移与交滑移比较攀移：只能刃位错非守恒运动避开障碍物的方式交滑移：只能螺位错守恒运动9/28/202238西北工业大学 材料科学基础CAI课件 王永欣主编5. 位错的力学性质1）位错应力场与应变能（1）应力分量与应变分量完全弹性体，服从虎克定律各向同性连续介质，可以用连续函数表示基本假设（连续介质模型

12、）对位错线周围r0以内部分不适用 畸变严重，不符合上述基本假设9/28/202239西北工业大学 材料科学基础CAI课件 王永欣主编（a）单元体应力分量正应力：xx，yy，zz切应力：xy = yx， xz = zx， yz = zyxy作用面垂直于x，方向为y9/28/202240西北工业大学 材料科学基础CAI课件 王永欣主编（b）单元体应变分量正应变：xx，yy，zz切应变：xy = yx，xz = zx9/28/202241西北工业大学 材料科学基础CAI课件 王永欣主编（c）柱坐标下分量正应力：zz，rr，切应力：z=z，zr=rz，r=r与直角坐标的关系：9/28/202242西北

13、工业大学 材料科学基础CAI课件 王永欣主编（2）位错应力场（a）螺位错应力场模型建立：结果：说明：仅有z方向的切应力，无正应力。切应力与无关，随r增大而减小。化为直角坐标时，仅存在与z有关的切应力。厚壁圆桶沿径向切开沿z方向错动b 胶合9/28/202243西北工业大学 材料科学基础CAI课件 王永欣主编（b）刃位错应力场模型建立：结果：说明：既有正应力，也有切应力。与z轴有关的切应力均为零。厚壁圆桶沿径向切开沿x轴错动|b|胶合9/28/202244西北工业大学 材料科学基础CAI课件 王永欣主编（3）位错应变能单位长度螺位错应变能：单位长度刃位错应变能：单位长度混合位错应变能：其中：9/

14、28/202245西北工业大学 材料科学基础CAI课件 王永欣主编（a）比较wE wS（b）一般公式其中：为几何因素系数，约0.51.09/28/202246西北工业大学 材料科学基础CAI课件 王永欣主编（c）小结位错点阵畸变应变能bw位错能量越稳定其大小说明9/28/202247西北工业大学 材料科学基础CAI课件 王永欣主编（d）螺位错应变能公式的推导柱坐标下单位体积应变能为：对于螺位错仅有z不为零故，对体积为V（长为L）的螺位错有9/28/202248西北工业大学 材料科学基础CAI课件 王永欣主编即：积分得：9/28/202249西北工业大学 材料科学基础CAI课件 王永欣主编2）作

15、用在位错线上的力与位错线张力（1）作用在位错线上的力9/28/202250西北工业大学 材料科学基础CAI课件 王永欣主编（a）公式推导外力使长为l的位错移动了ds， 作功dw1假想有一力F作用于位错上，则F 作功dw2有单位长度位错线上的力：9/28/202251西北工业大学 材料科学基础CAI课件 王永欣主编（b）说明 Fd，Fdb Fd位错线，指向未滑移区 Fd为假象力，其方向与不一定一致。（如螺位错Fd）9/28/202252西北工业大学 材料科学基础CAI课件 王永欣主编（2）位错线张力位错受力弯曲伸长线张力位错变直能量能量（a）线张力的概念（b）作用使位错变直降低位错能量 相当于物

16、质弹性称之为位错弹性性质 类似于液体的表面张力。9/28/202253西北工业大学 材料科学基础CAI课件 王永欣主编（c）公式C 曲线形状因子9/28/202254西北工业大学 材料科学基础CAI课件 王永欣主编（d）实例 两端固定位错在下弯曲的问题使位错弯曲，即r T使位错变直，即r当二者平衡时9/28/202255西北工业大学 材料科学基础CAI课件 王永欣主编重要公式9/28/202256西北工业大学 材料科学基础CAI课件 王永欣主编3）位错间的交互作用与位错塞积（1）相互平行的位错之间的交互作用 位错运动点阵摩擦力和障碍物阻力当外力作用在两端不能自由运动的位错上时，位错将发生弯曲。

17、由位错线张力与外力平衡关系：即，弯曲半径r与外力成反比。当位错弯曲成半圆时，r最小， 最大。9/28/202269西北工业大学 材料科学基础CAI课件 王永欣主编3）其它增殖方式（1）螺位错的双交滑移增殖9/28/202270西北工业大学 材料科学基础CAI课件 王永欣主编（ 2）L型位错源9/28/202271西北工业大学 材料科学基础CAI课件 王永欣主编7. 实际晶体中的位错由简单立方，深化到面心立方、体心立方和密排六方晶体中的位错。1）全位错与不全位错（1）实际晶体中的位错类型简单立方：b点阵矢量只有全位错实际晶体：b=点阵矢量b点阵矢量整数倍 全位错其中b点阵矢量单位位错b点阵矢量整

18、数倍不全位错其中b 点阵矢量部分位错9/28/202272西北工业大学 材料科学基础CAI课件 王永欣主编晶体结构位错类型柏氏矢量bcc全位错不全位错fcc全位错不全位错hcp全位错不全位错9/28/202273西北工业大学 材料科学基础CAI课件 王永欣主编（2）形成单位位错的条件结构条件：柏氏矢量为两原子平衡位置连线能量条件：b越小，位错能量越小，稳定性越高柏氏矢量最短点阵矢量共同满足bcc：fcc：hcp：9/28/202274西北工业大学 材料科学基础CAI课件 王永欣主编2）堆垛层错（1）形成密排堆垛次序有误层错面缺陷形成属于9/28/202275西北工业大学 材料科学基础CAI课件

19、 王永欣主编复习：fcc、bcc、hcp的堆垛次序9/28/202276西北工业大学 材料科学基础CAI课件 王永欣主编fcc晶体的层错类型：抽出型：插入型：（2）特点畸变很小，但仍有畸变能。材料的层错能越低，层错数量越多。9/28/202277西北工业大学 材料科学基础CAI课件 王永欣主编3）不全位错（以面心立方为例）局部区域层错边界b不等于点阵矢量不全位错9/28/202278西北工业大学 材料科学基础CAI课件 王永欣主编肖克莱位错： 柏氏矢量在滑移面上可以滑移 位错运动相当于层错面的扩大或缩小 肖克莱位错类型刃位错、螺位错、混合位错 位错线、柏氏矢量、滑移面共面肖克莱位错线为平面曲线

20、9/28/202279西北工业大学 材料科学基础CAI课件 王永欣主编弗兰克位错： 柏氏矢量垂直于滑移面不可滑移，只能攀移 位错运动相当于层错面的扩大或缩小 弗兰克位错类型纯刃位错 可以是空间曲线9/28/202280西北工业大学 材料科学基础CAI课件 王永欣主编8. 位错反应 位错的合并与分解几何条件：能量条件：反应前后柏氏矢量和相等（方向、大小）反应后能量降低判断方法：几何条件判断方法：求反应前后各个位错柏氏矢量的矢量和能量条件判断方法：求反应前后各位错 |b|2 的和9/28/202281西北工业大学 材料科学基础CAI课件 王永欣主编例： bcc 中，当与相遇时，能否合并为几何条件：即：能量条件：满足几何条件和能量条件，反应可以发生（自发进行）即：9/28/202282西北工业大学 材料科学基础CAI课件 王永欣主编例： fcc 中，有问，能否几何条件：即：能量条件：满足几何条件和能量条件，反应可以发生（自发进行）即：9/28/202283西北工业大学 材料科学基础CAI课件 王永欣主编三、面缺陷晶 界孪晶界相 界小角度晶界大角度晶界外表面内表面9/28/202284西北工业大学 材料科学基础CAI课件