材料科学基础-3晶体缺陷

材料科学基础

第3章晶体缺陷合肥工业大学材料学院宣天鹏3.1点缺陷3.1.1点缺陷的形成3.1.2点缺陷的平衡浓度晶体的组态熵增值△Sc=kln[(N+n)!]/N!n!当N和n非常大时，可用Stirling公式Lnx!≈xlnx-x所以：△Sc=k[(N+n)ln(N+n)–NlnN-nlnn]△F=n(Ev-T△Sv)-kT[(N+n)ln(N+n)–NlnN-nlnn]平衡时，当N远大于

n时，lnN/n≈(Ev-T△Sv)/kT分子分母同乘于NA，C=Aexp(-Qv/RT)Qf=NAEv，是形成1摩尔空位所需作的功，即空位形成能。气体常数R=kNA间隙原子平衡浓度C′=n′/N′=A′exp(-Ev′/kT)由于Ev′≈（3～4）Ev，所以，C′要比C小得多。间隙原子平衡浓度3.1.3点缺陷的运动3.2位错原子发生错排时，在某一方向是几百到上万个原子间距，另外两个方向仅有3-5个间距位错对金属强度、相变影响显著泰勒认为位错在切应力作用下的运动完成晶体塑性形变的滑移过程3.2.1位错的基本类型和特征1.刃型位错演示2.螺型位错J:\晶体缺陷\第1章动画\螺位错.wmv演示演示刃型位错和螺型位错的异同点

刃型位错

螺型位错类型正⊥、负┬左、右多余的半排原子面有无位错线与滑移矢量关系垂直平行位错线形状直线、折线、曲线、环直线滑移面（由位错线与滑移矢量决定）位错线⊥滑移矢量构成、唯一位错线∥滑移矢量构成、有限多位错线运动方向与滑移矢量关系（晶体滑移方向）平行垂直应力、应变性质有正应力（变）、切应力（变）

（上半部受压、下半部受拉）仅有切应力（变）位错线滑移的结果在滑移面上沿滑移矢量方向产生一个原子间距的台阶3.混合位错4.位错的重要性质（1）位错线不能中止的晶体内部。（2）若中止在晶体内部，必然与其它位错线相连。（3）若不与其它位错线相连，则在晶体内部形成闭合位错环。3.2.2柏氏矢量1.柏氏矢量的确定刃位错的右手法则2.柏氏矢量的物理意义3.柏氏矢量的特性b1=b2+b34.柏氏矢量的表示方法★b=a/n<uvw>，n为正整数；★若b1=a/n[u1v1w1]，b2=a/n[u2v2w2]b=b1+b2=a/n[u1v1w1]+a/n[u2v2w2]=a/n[u1+u2v1

+v2w1

+w2]★︱b︱=a/n(u2+v2+w2)1/23.2.3位错的运动

1.刃位错的滑移和攀移刃位错的攀移2.螺位错的滑移

在切应力作用下，异号位错运动方向相反，滑移效应相同。同一滑移面上的异号位错如果相遇，位错消失，刃型、螺型位错都是如此。刃型位错线的方向与柏氏矢量方向垂直，与位错线运动方向垂直，与切应力方向垂直。最终扫出晶体，在与位错线垂直方向上形成一个b台阶。螺型位错线的方向与柏氏矢量方向平行，与位错线运动方向垂直，与切应力方向垂直。最终扫出晶体，在与位错线平行方向上形成一个b台阶。刃型位错线的攀移是半排原子面向上移或下移一个前者称为，后者称为，是在应力作用下进行的。3.混合位错的滑移4.位错环的运动6.运动位错的交截割阶：垂直于原滑移面上的折线。扭折：位于原滑移面上的折线。割阶及扭折的大小和方向均与对方的b相同，一般扭折可动，割阶不可动。6.1两个柏氏矢量相互垂直刃位错的交截柏氏矢量相互垂直刃位错交截XY对AB作用AB对XY作用产生台阶PP′XY∥b2，2根位错交截后，在位错XY上不会产生割阶。台阶方向b1台阶大小︱b1︱台阶柏氏矢量b2台阶所在面与原滑移面关系不同类型PP′⊥b2；刃型、割阶台阶的可动性一般不可动6.2两根柏氏矢量相互平行刃位错的交截柏氏矢量相互平行刃位错交截XY对AB作用AB对XY作用产生台阶PP′QQ′台阶方向b1b2台阶大小︱b1︱︱b2︱台阶柏氏矢量b2b1台阶所在面与原滑移面关系相同相同类型PP′∥b2；螺型、扭折QQ′∥b1；螺型、扭折台阶的可动性可动，最终拉直消失可动，最终拉直消失6.3柏氏矢量相互垂直刃、螺位错交截柏氏矢量相互垂直刃、螺位错交截BB′(螺)对AA′(刃)作用AA′(刃)对BB′(螺)作用产生台阶MM′NN′台阶方向b2b1台阶大小︱b2︱︱b1︱台阶柏氏矢量b1b2台阶所在面与原滑移面关系不同相同类型MM′⊥b1；刃型、割阶NN′⊥b2；刃型、扭折台阶的可动性不可动可动，最终拉直消失6.4柏氏矢量相互垂直两根螺位错交截柏氏矢量相互垂直两根螺位错交截BB′对AA′作用AA′

对BB′作用产生台阶MM′NN′台阶方向b2b1台阶大小︱b2︱︱b1︱台阶柏氏矢量b1b2台阶所在面与原滑移面关系不同不同类型MM′⊥b1；刃型、割阶NN′⊥b2；刃型、割阶台阶的可动性不可动不可动4.扭转、割阶的大小和方向取决于另一根位错的

柏氏矢量。3.2.3位错的弹性性质

1.位错的应力场正应力：σxx，σyy，σzz切应力：τxy=τyx；τxz=τzx；τyz=τzya.螺位错应力场★G：切变弹性模量。除Z方向外，其余方向无位移，应力为零；应力场只与半径有关，是径向对称的；★

r→0，应力无穷大－－不适用于位错中心的严重畸变区。★由于螺位错的正应变等于零，所以其体膨胀率等于零，即形成螺位错时体积不发生变化。b.刃位错应力场★正应力分量与切应力分量同时存在，与Z无关，即与刃位错平行的直线各点应力状态相同★

y>0,滑移面以上，σ

xx<0是压应力★

y<0,滑移面以下，σxx>0是拉应力★

y=0,无正应力，切应力最大★任一点|σxx|>|σyy|★以上关系不适用于刃位错中心区2.位错的应变能We/Ws==一般金属材料的υ≈1/3，所以We/Ws≈1.5K≈1~0.753.位错的线张力

为了降低能量，位错有尽可能缩短其长度的倾向，这时产生了一种称为线张力的组态力。因此，位错力求变直。线张力是一种组态的作用力，与位错线附近的个别原子所受的作用力不同。位错线有应变能=>位错线有缩短趋势以减少应变能=>位错线张力线张力等于单位长度位错的应变能

4.作用在位错上的力攀移作用力xxxxxx5.位错间的交互作用力a.两平行螺位错b.两平行刃位错同号位错y＞0,fy

＞0,正攀移y＜0,fy

＜0,负攀移即沿y轴方向相互排斥异号位错y＞0,fy＜0,负攀移y＜0,fy＞0,正攀移即沿y轴方向相互吸引，最终位错可能合并消失3.2.5位错的生成和增殖

1.位错的密度2.位错的生成3.位错的增殖★见双交滑移swf3.2.6堆垛层错3.3表面及界面

3.3.1外表面由于另一侧无原子，配位数少于晶体内部，表面几层原子点阵畸变，能量高于晶体内部表面能γ－－晶体表面单位面积能量的增加，与表面张力σ相等，γ＝dW/dS（J/m2）不同的晶面为外表面时，被破坏的结合键的数目不同→表面能各向异性密排面的表面能低：体心立方{110}，面心立方{111}表面能最低外表面杂质的吸附显著影响表面能，杂质在外表面的物理吸附(分子键)，化学吸附(离子键、共价