位错基本理论

1、1，第二章电位理论，2，1，晶体缺陷晶体结构特性为长序。构成物体的原子、离子或分子等根据空间晶格规则完全排列，称为异常晶体。在实际晶体中，原子的排列不是如此规则和完整，而是存在一些偏离理想结构的区域，出现了不完整。通常，实际决策中偏离理想晶格结构的区域称为晶体缺陷。3，根据几何特征，将决定缺陷分为三类：(1)点缺陷，(2)线缺陷，(3)面缺陷，(1)点缺陷：在三维空间的各个方向上大小较小，也称为零维缺陷。空洞、间隙原子等。(2)线缺陷：特征也称为一维缺陷，在两个方向上尺寸小，在一个方向上尺寸大。晶体的各种电势。(3)面瑕疵：在一个方向上较小，在另一个方向上较大的特征也称为2d瑕疵。晶界、相边界

2、、层误差、晶体表面等。研究晶体缺陷的重要性：(1)晶体中缺陷的分布和运动对晶体的某些特性(如金属的屈服强度、半导体的电阻等)有很大影响。(2)晶体缺陷主要作用于晶体的可塑性、强度、扩散和其他结构敏感性问题，而晶体的完整部分却处于次要位置。因此，研究晶体缺陷和理解晶体缺陷的基本特性具有理论意义和实践意义。5，2，点缺陷：晶体中的点缺陷：空位、间隙原子和溶质原子，以及小尺寸复合物(例如，空位对或空位等)。点缺陷类型：有三种基本类型：空位、间隙原子和交换原子。6，1，在空白晶体中，位于晶格节点的原子在平衡位置而不是在静态中作为热振动。在特定温度下，原子的热振动平均能量是恒定的，但每个原子的能量并不完

3、全相同，而是经常变化而产生的。在某一时刻，有些原子可能有足够大的能量克服周围原子的束缚，离开原来的平衡位置，迁移到别的地方。结果，名为空节点的空节点会出现在原始位置。7，离开平衡位置的原子可能有以下两个位置：(1)移动到晶体表面，在原始位置仅形成空位，间隙原子不形成，这个空位称为肖特基缺陷(图a)。(2)移至晶体晶格间隙而产生的空位称为普朗克缺陷，同时产生间隙原子(图b)。(a)shotal空位(b)franker空位词缀；8，2，间隙原子间隙原子：进入光栅缝隙的原子。可以是晶体本身固有的原子(自间隙原子)。也可以是小尺寸的异类原子(溶质原子或杂质原子)。异质原子：取代晶体本身的原子，落在晶格

4、节点上，称为取代原子。间隙原子：使周围原子偏离平衡位置，晶格膨胀导致晶格畸变。9，3，替换原子，占据原矩阵原子平衡位置的异类原子称为取代原子。原子的交换半径与原始矩阵原子不同，可能会发生晶格畸变。a)半径小的取代原子b)半径大的取代原子，10，空位和间隙原子的形成与温度密切相关。一般来说，随着温度的升高，空洞或缝隙原子的数量也会增加。因此，点缺陷也称为热缺陷。晶体的点缺陷不是全部由原子的热运动引起的。冷变形加工、高能粒子(如粒子、高速电子、中子)轰击(辐照)等也可能产生点缺陷。11，4，热平衡缺陷：热力学分析表明，在高于0K的任何温度下，晶体的最稳定状态不是完全晶体，而是恒定浓度的点缺陷状态，

5、即在该浓度下自由能最低。此浓度称为该温度下晶体中点缺陷的平衡浓度。具有平衡浓度的缺陷也称为热平衡缺陷。，12，热平衡缺陷及其浓度：晶体中点缺陷的存在，一方面提高引起晶格畸变的晶体内部能量，增加热力学不稳定性。另一方面，通过增加原子的排列混乱程度，改变周围原子的振动频率，增加晶体的熵，使晶体稳定。因此，这两者是相反的因素，使晶体中点缺陷在特定温度下具有一定的平衡数，这种点缺陷浓度称为该温度下的热力学平衡浓度。晶体在特定温度下具有一定的热力学平衡浓度，这是点缺陷区别于其他类型晶体缺陷的重要特征。13，晶体中空位缺陷的平衡浓度：设定温度t和压力p条件，从由n个原子组成的完整晶体中取出n个原子，就产生

6、了n个空位。定义晶体中空位缺陷的平衡浓度：-空位生成能量，k-boltz man常数。空位和间隙原子的平衡浓度：随着温度的增加，急剧增加的指数关系。14，非平衡点缺陷：在点缺陷平衡浓度下，晶体自由能最低，最稳定。但是，在某些情况下，晶体中点缺陷浓度可能高于平衡浓度。这一点缺陷称为过饱和点缺陷或非平衡点缺陷。通常，有几种方法可以获得过饱和点缺陷。(1)高温淬火的热力学分析表明，随着温度的增加，晶体的空位浓度急剧增加。如果将晶体加热到高温，再快速冷却(急冷)，那么在高温下产生的空位扩散太晚的话，在低温下处于高温状态的空位浓度过饱和空位就会保持不变。15，(2)在室温下冷加工金属的冷加工塑性变形也可

7、能由于电位传递形成的切割顺序，产生大量过饱和空位。(3)在调查高能粒子辐射中，原子撞击晶体光栅，原子离开了原位。位置原子中能量高，在进入稳定间之前撞击其他原子，产生大量相同数量的间隔原子和空洞(弗兰柯缺陷)。一般来说，晶体点缺陷的平衡浓度很低，对金属力学性能的影响很小。但是高能粒子的调查结果，形成了大量的点缺陷，金属明显硬化和易碎，被称为“辐射硬化”。16，点缺陷的移动：决定中点缺陷在不固定、位置变化的运动中。由于热振动能量的波动，得到足够的能量，跳进空空的空位周围的原子在该原子原来的位置上产生了空空的空间。此过程是到相邻节点的空移动。图，(a)原始位置；(b)中间位置；(c)移动后，位置空位

8、从位置a移动到B，17，原子在c时能量处于更高的不稳定状态，空位移动必须确保有足够的能量克服这种障碍，这种能量称为空位移动激活能量 em。部分金属晶体的空位移动激活能 em实验值，部分晶体的 em实验值下表。18，晶体中的间隙原子：由于热振动，可能从一个间隙位置移动到另一个间隙位置，但其移动激活可能远小于空位。遇到间隙原子运动中的一个空位，就会落在那个空位上，让两者都消失。这个过程称为复合，也称为“消亡”。19，点缺陷对金属特性的影响：(1)点缺陷的存在使晶体体积膨胀，密度减小。肖脱基缺陷形成后，体积膨胀到约0.5原子体积。产生大约1-2原子体积的间隙原子。(2)点缺陷引起的阻力增加。晶体有点

9、缺陷，对传导电子有额外的散射，因此电阻增大。铜的空位每增加1%，电阻率就增加约1.5 cm。(3)空白空间影响金属的许多过程，特别是高温下。金属的扩散、高温塑性变化和破坏、退火、沉淀、表面氧化、烧结等都与空位的存在和运动密切相关。(4)过饱和点缺陷(如空位淬火、辐照缺陷)也增加了金属的屈服强度。，20，2，线团-位错，位错：晶体的一般线团，对晶体的生长、相变、塑性变形、断裂和其他理化性质有重要影响。电位理论是现代物理冶金和材料科学的基础。前卫概念：不是空想的产物，而是对它的认识基于深刻的科学实验。最初错误地指出，通过对晶体强度的一系列理论计算，许多实验发现晶体的实际强度远低于理论强度，在此基础

10、上无法解释为理想晶体的模型。21，塑性变形：提高金属强度，制造金属产品的重要手段。早在在位错误已知之前，对晶体塑性变形的宏观规律进行了广泛研究。发现：塑性变形的主要方法是滑动，即在剪切应力下，晶体的相邻部分相互产生相对滑动。晶体滑动：滑动始终沿恒定滑动面(高密度面)及其上方的滑动方向之一进行，仅当剪切应力达到恒定阈值时才会开始滑动。此剪应力称为临界分割应力，即晶体的剪切强度。22，1926年弗兰克从刚体滑动模型开始，估计了晶体的理论强度。滑动面上滑动方向的附加剪切应力为，滑动面上晶的相对下位移为x。所需被设置为周期函数。位移较小(xa)时可用。可以按照huk的法则使用。其中：晶体的理论强度。如

11、果选择，23，比较2:a b，则确定滑动的理论临界剪切应力(理论剪切强度)。之后，理想的完全结晶开始发生滑动变形。g/2 与晶体的实际强度相比太大，普通金属：g104 105 MPa，m103 104 MPa，但普通纯金属单晶体的实际剪切强度只有1 10 MPa。通过实验测量的实际强度至少比理论强度低3倍以上。24，理论剪切强度与实际剪切强度的巨大差异：从根本上否定理想整体晶体的刚度相对滑动的假设，即实际晶体不完整且有缺陷。滑移也不是刚性的，而是从晶体中局部薄弱的区域(即缺陷)开始逐步进行。决定的逐步滑动，25，1934年，泰勒(g.i .泰勒)、波隆(M.Polanyi)和奥罗曼(E.Oro

12、wan)几乎同时从结晶学的角度提出了电势概念。特别是泰勒把电位和结晶塑性变形联系起来，建立和发展了电位理论。直到1950年以后电子显微镜实验技术发展，才能确认电位的存在和运动。TEM下不锈钢316L (00Cr17Ni14Mo2)电位线和电位纠缠，26，电位类型：电位：本质上是原子的特殊组成，熟悉其结构特征是掌握电位各种特性的基础。电位根据原子滑动方向和电位线方向几何特性分为叶片电位、螺杆电位和混合电位。27，1，叶片电位，晶体是ABCD表面滑动面，EFGH表面左侧滑动，右侧滑动，所以ABCD表面上方和下方两个晶体之间的原子错误行。Ef-将滑动面分割为滑动区域和非滑动区域，即“电位”。EFGH

13、晶面称为半原子表面。刀片电位图，例如将刀插入具有刀片形额外半圆面的晶体，称为“刀片电位”(或棱镜电位)。“尖角”EF称为叶片电位线。28，叶片电位结构特性，1)有附加的半圆面，晶体的半部分附加原子表面的电位称为双刃电位，用符号“”表示，反之用负刃电位，用“是”表示。这个正负分数是相对的意义，没有根本的差别。如果将晶体旋转180度，相同电势的负号会发生变化。叶片电位平面图正叶片电位-负叶片电位-是，29，叶片电位三维图，30，2)叶片电位线不一定是直线，而是折线或曲线或环。必须垂直于滑动方向或垂直于滑动向量b。，31，3)叶片电位错误线EF垂直于滑动向量b，滑动面是唯一由电位线EF和滑动向量b组

14、成的平面。位错误不能从其他方面滑动。32，4)边电位存在于晶体中，使周围光栅的弹性扭曲、切线和正变形。双刃位错：滑动面上方的晶格压缩应力及其下方的晶格拉伸应力。负叶片电位与此相反。33，5)内部错误线周围的过渡区域(扭曲区域)对每个原子具有更大的平均能量。但是只有2到5个宽度，是窄的管道。34，螺旋电位，晶体外部剪切应力作用，右端晶体上下区域滑动面(ABCD)上的原子间距切线。BC是滑区和滑区的交点，以错误的线登上了王位。BC线和aa线之间的原子失去了正常的相邻关系，连接成为螺旋路径，成为环绕在此路径上的长管状原子排列障碍区域螺旋电位。螺旋电位的原子构成，35，螺旋电位根据旋转方向向左和向右。

15、右手法则：用右手拇指指示螺旋的前进方向，其他四个手指指示螺旋的旋转方向。遵循右手法则称为右螺旋电位。与左手规则一致的称为左螺杆电位。36，螺杆电位特性，1)没有额外的半原子面，原子的错误行是轴对称的。(2)螺钉电位线平行于滑动向量，因此必须是直线，且电位线垂直于确定滑动方向。3)纯螺杆位错滑移面不唯一。任何包含螺钉电位线的平面都可以无限地滑动面，但滑动面通常是有限的，因为它位于原子推力面上。37，4)螺钉电位周围的光栅也会发生弹性扭曲，但只会发生与电位线平行的相切变形。(5)位错周围的晶格畸变随着位错线距离的增加而急剧减小，因此也是包含多个原子宽度的线缺陷。38，6)形成螺钉电位后，所有垂直于

16、原始电位线的晶面都将从平面变为以电位线为中心的螺旋面。除了垂直于螺杆电位的晶面形状、39、混合电位、两个基本电位外，滑动向量以与电位线平行或不垂直的任意角度相遇，这种形式更为常见。图形成了晶体局部滑移的混合电位及其原子构成。晶体局部滑移为混合电位，混合电位的原子构成，40，如图所示：混合电位线AC为曲线。在a中，电位线平行于滑动向量b，因此是螺杆电位。在c处，电位线垂直于滑动向量b，因此是叶片电位。a和c之间的电势线：既不垂直也不平行于滑动矢量b，每个错误的位段可以分解为叶片和螺钉类型的两个分量。41，电位线是滑区和不滑区的边界线，因此电位具有重要的特性，越位错误线不能在晶体内中断。电位线：可

17、以仅连接晶体表面(包括晶界)，也可以连接到其他电位或形成闭合电位环。图是晶体位错环ACBDA的平面图。a、b是刀片前缀，是另一个数字。c，d两个地方是螺钉电位，是不同的号码。其他地方是混合电位。42，混合电位：可以分解为螺钉零部件bs和刀片零部件be，bs=bcoshain，be=bsin。混合电位(a)三维(b)顶部，43，巴斯向量：1939年，汉堡斯(J.M.Burgers)建议使用巴斯循环来定义电位。用泊松矢量表示电势的特征，可以更准确地揭示电势的本质，更容易解释用b表示的电势的各种动作。44，确定泊松矢量：1)首先确定电势线的方向(通常是向前，使纸张向外)，2)后补环按右手定则确定，右手拇指指电位线正向，循环方向按右手螺旋方向确定。(3)在实际晶体的原子m中，避免了电位附近严重扭曲的区域，在每