《位错理论基础》课件

《位错理论基础》理想晶体

完全按照空间点阵有规则排列实际晶体

不可能完全规则排列，存在晶格缺陷latticedefect1.1晶体缺陷概述晶体中的缺陷：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（1）点缺陷

pointdefects空位vacancy间隙原子interstitialatom杂质原子impurityatomSchematicillustrationoftypesofdefectsinasingle-crystallattice:self-interstitial,vacancy,interstitial,andsubstitutional.ExtraatomMissingatomExtraatomForeignatom

单晶体中的点缺陷点缺陷的类型：空位

在晶格结点位置应有原子的地方空缺，这种缺陷称为“空位”。

间隙原子

在晶格非结点位置，往往是晶格的间隙，出现了多余的原子。它们可能是同类原子，也可能是异类原子。

异类原子

在一种类型的原子组成的晶格中，不同种类的原子替换原有的原子占有其应有的位置。

•Equilibriumconcentrationvarieswithtemperature!

空位平衡浓度Boltzmann'sconstant

(1.38x10-23

J/atomK)(8.62

x

10-5

eV/atomK)ç

nN=Aexp-QkTæèçöø

No.ofdefectsNo.ofpotentialdefectsites.FormationenergyTemperatureEachlatticesiteisapotentialvacancysite

空位迁移晶体中空位的迁移是通过空位与它周围原子交换来实现的。空位空位SelfDiffusionviaVacancyMechanism空位迁移速度与绝对温度T和空位迁移能量q的关系式中：A为常数，k为玻尔兹曼常数。晶格畸变：点缺陷引起晶格局部弹性变形。

点缺陷引起的三种晶格畸变杂质粒子缺陷空位缺陷间隙粒子缺陷点缺陷对晶体性质的影响点缺陷对材料性能的影响点缺陷的存在会使其附近的原子稍微偏离原结点位置才能平衡，即造成小区域的晶格畸变。

效果：提高材料的电阻定向流动的电子在点缺陷处受到非平衡力(陷阱)，增加了阻力，加速运动提高局部温度。加快原子的扩散迁移空位可作为原子运动的周转站。形成其他晶体缺陷过饱和的空位可集中形成内部的空洞，集中一片的塌陷形成位错。改变材料的力学性能空位移动到位错处可造成刃位错的攀移，间隙原子和异类原子的存在会增加位错的运动阻力,使强度提高，塑性下降。

（2）线缺陷linedefect

刃型位错Edgedislocation螺型位错Screwdislocation混合位错Mixeddislocation位错概念的引入1934年Taylor/Orowan/Polanyi为解释实测的晶体临界切应力值与理论计算值相差千倍以上的问题，提出位错理论。bb0QμAB

理想晶体的临界切应力

理想晶体塑性变形模型是通过晶体的整体滑移来实现的。它把滑移面两侧的晶体看作是刚性体，在切应力的作用下它们产生相对移动。理想晶体的临界切应力比实际晶体的大数千倍。

逐步滑移是通过晶体内位错一步一步移动来实现的，位错移动一个原子间距，需要克服的位垒比理想晶体作整体滑移时原子克服的位垒要小的多。位错运动

（3）面缺陷

小角度晶界lowanglegrainboundary大角度晶界highanglegrainboundary相界面interphaseboundary

晶界与相界晶体内点阵相同而取向不同的两个晶粒之间的相邻边界称为晶界。晶体中两不同固相之间的界面称为相界。Two-dimensionalDefectsMayincreasethemechanicalstrengthofmaterialsatroomtemperatureIncreaseductilityofmaterialswithaultrafineorevennano-grainstructure

晶界特点1）晶界—畸变—晶界能—向低能量状态转化—晶粒长大、晶界变直—晶界面积减小；

2）阻碍位错运动—流变应力↑细晶强化；

3）位错、空位等缺陷多—晶界扩散速度高；

4）晶界能量高、结构复杂—容易满足固态相变的条件—固态相变首先发生地；

5）化学稳定性差—晶界容易受腐蚀；

6）微量元素、杂质富集。LowAngleGrainBoundary－小角晶界(a)倾侧晶界模型；(b)扭转晶界模型

小角晶界可理解为位错墙

位向差θ<10°亚结构

变形→位错密度增加→位错缠结

高位错密度区将位错密度低的区域隔开→晶粒内部出现“小晶粒”，取向差不大→胞状亚结构.透射电镜（TEM）

大角晶界“重合位置点阵”模型

相界面共格界面半共格界面非共格界面（a）共格界面；（b）部分共格界面；（c）非共格界面应用applications广泛用于金属材料科学的各个领域金属的屈服、加工硬化、断裂等力学性能物理性能（电阻、电磁性能）扩散、相变其他结构敏感性性质

理想晶体原子面堆积含有刃型位错晶体原子面堆积含有螺型位错晶体原子面堆积1.2位错的原子模型和柏氏矢量晶体中位错的几何特征刃型位错的原子模型将上半部分晶体向左移动一个原子间距，再按原子的结合方式连接起来，相当于插入半个原子面，这就是刃型位错。

EdgeDislocation刃型位错多余原子面/滑移面的交线-位错线刃型位错(edgedislocation)

特征：有一个多余的半原子面；是晶体中已滑移区和未滑移区的边界线，不一定是直线；滑移面必须是同时包含有位错线和滑移矢量的平面，在其它平面上不能滑移；刃型位错周围的点阵发生弹性畸变(elasticdistortion)；位错区域只有几个原子间距宽-线缺陷。螺型位错的原子模型

若将晶体的上半部分向后移动一个原子间距，再按原子结合的方式连接起来。同样除分界线附近的一管形区域例外，其他部分基本也都是完好的晶体。而在分界线的区域形成一螺旋面，这就是螺型位错。螺型位错示意图Screwdislocationτ

螺型位错(screwdislocation)

特征：无多余半原子面，原子错排呈轴对称；螺型位错线与滑移矢量平行，因此一定是直线；纯螺型位错的滑移面不唯一；螺型位错周围发生点阵畸变；线缺陷。混合位错(mixeddislocation)

滑移矢量既不平行也不垂直于位错线，而与位错线相交成一定角度。ScrewDislocationEdgeDislocation

为了便于描述晶体中的位错，更确切地表征不同类型位错的特征，1939年伯格斯提出了采用柏氏回路（BurgersCircuit)来定义位错，借助一个规定的矢量来揭示位错的本质。位错的结构特征

确定方法：首先在原子排列基本正常区域作一个包含位错的回路，也称为柏氏回路，这个回路包含了位错发生的畸变。然后将同样大小的回路置于理想晶体中，回路当然不可能封闭，需要一个额外的矢量连接才能封闭，这个矢量就称为该位错的柏氏(Burgers)矢量。

柏氏矢量

刃型位错

螺型位错柏氏矢量与位错类型的关系

刃型位错柏氏矢量与位错线相互垂直(依方向关系可分正刃和负刃型位错)。螺型位错

柏氏矢量与位错线相互平行(依方向关系可分左螺和右螺型位错)。混合位错柏氏矢量与位错线的夹角非0或90度。

正刃型位错负刃型位错螺型位错

规定：b与位错线正向平行为右螺型位错，b与位错线反向平行为左螺型位错。柏氏矢量的表示方法柏氏矢量的大小和方向可以用它在晶轴上的分量，即用点阵矢量a、b和c来表示。立方晶系晶体：a=b=c,可用与柏氏矢量b同向的晶向指数来表示。例:柏氏矢量等于从体心立方的原点到体心的矢量，则b=a/2+b/2+c/2,可写成

b=a/2[111]

一般立方晶系中柏氏矢量可表示为b=a/n<uvw>,其中n为正整数。

柏氏矢量的大小：|b|=a/n√(u2+v2+w2)来表示，即位错强度。

特性（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※一条位错线只有一个柏氏矢量。

※一个位错环只有一个柏氏矢量。※位错不可能终止于晶体的内部，只能到表面、晶界和其他位错。

※多个位错指向同一结点或离开同一个结点，它们的柏氏矢量之和为0。

1.3位错的实验证据位错在晶体表面的露头抛光后的试样在浸蚀时，由于易侵蚀而出现浸蚀坑。其特点是浸蚀坑为规则的多边型且排列有一定规律。只能在晶粒较大，位错较少时才有明显效果。浸蚀法缀饰法透明晶体位错与杂质相互作用：扩散/析出薄膜透射电镜观察将试样减薄到几十到数百个原子层(500nm以下)，利用透射电镜进行观察，可见到位错线。Ni中的位错线(a)(b)挤压态Mg-0.6Zr合金显微组织TEM像(a)位错网络；(b)位错胞裂纹处的位错AcrackinSi(Darkline)