材料科学基础 教学课件 作者 王章忠 1_ 第五章　晶 体 缺 陷.ppt

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1、第五章　晶体缺陷1)点缺陷：偏离区域在三维空间的各个方向上的尺度均很小，约为一个或几个原子间距，因此也称零维缺陷，如空位、间隙原子、杂质原子等。2)线缺陷：偏离区域在二个空间方向的尺度很小，在另一个方向的尺度较大，也称一维缺陷，如位错。3)面缺陷：偏离区域在一个空间方向的尺度很小，在另两个方向的尺度较大，也称为二维缺陷，如晶界、相界、堆垛层错等。第一节　点　缺　陷一、点缺陷的种类及产生纯金属晶体中的点缺陷包括空位和自间隙原子，以及由它们组合的复杂形式。空位是晶体内原子迁移到界面后，在体内留下的原子尺

2、度的空洞；自间隙原子是进入自身晶格间隙位置的原子（图5-1）。图5-1　空位及自间隙原子示意图图5-2　合金中的点缺陷类型a)间隙原子　b)、c)置换原子当溶质原子的半径与溶剂的大小相当时，则产生置换原子，如图5-2所示。图5-3　点缺陷示意图a)肖脱基缺陷　b)弗伦克尔缺陷如果离开平衡位置的原子迁移到界面上，则在原位置上留下空位，称为肖脱基缺陷（图5-3a).如果该原子迁移到晶体内部的间隙位置上，这个空位—自间隙原子称为弗伦克尔缺陷（图5-3b).二、平衡点缺陷与过饱和点缺陷(一)平衡点缺陷C=n

3、/N=Aexp(-ΔEv/KT)分子分母同乘No空位平衡浓度空位平衡浓度C=Aexp(-Qf/RT)(二)过饱和点缺陷平衡缺陷在点缺陷的平衡浓度下晶体的吉氏自由能最低，因而最稳定，在这种条件下具有平衡浓度的缺陷。 过饱和点缺陷在某些情况下晶体的点缺陷浓度可能高于平衡浓度的缺陷。(三)空位迁移能与之相邻的原子的逆向移动，原子移动需要克服周围原子对它的作用力。三、点缺陷的应用(一)点缺陷对金属物理性能和力学性能的影响1）比体积2）比热容3）电阻率(二)点缺陷在实践中的应用在制备材料工艺中，有大量的烧结和

4、固相反应过程，这些过程和原子在晶体内或表面上的运动有关。点缺陷能加速这些过程。第二节　位　　错一、位错的基本概念(一)位错的类型1）刃形位错图5-?4　刃型位错模型a)原子组态　b)正刃型位错和负刃型位错图5-5　螺型位错模型a)立体模型　b)原子组态　c)螺旋面2）螺形位错图5-?6　混合位错模型a)立体模型　b)原子组态2）混合位错(二)柏氏矢量图5-7　刃型位错柏氏矢量的确定a)实际晶体的柏氏回路　b)完整晶体的相应回路柏氏矢量描述位错区域原子的畸变特征（包括畸变发生在什么晶向以及畸变有多大）

5、的物理参量，称为柏氏矢量（Burgersvector）。它是一个矢量，1939年由柏格斯（J.M.Burgers）率先提出。图5-8　螺型位错柏氏矢量的确定a)实际晶体的柏氏回路　b)完整晶体的相应回路柏氏矢量可通过柏氏回路（Burgerscircuit）来确定。在含有位错的实际晶体中作一个包含位错发生畸变的回路，然后将这同样大小的回路置于理想晶体中，此时回路将不能封闭，需引一个额外的矢量b连接回路，才能使回路闭合，这个矢量b就是实际晶体中位错的柏氏矢量。如图所示图5-9　混合位错的柏氏矢量用柏氏矢

6、量可判断位错的类型。柏氏矢量与位错线垂直者为刃型位错，平行者为螺型位错，既不垂直又不平行者为混合位错。用柏氏矢量可以表示晶体滑移的方向和大小。位错运动导致晶体滑移时，滑移量大小即柏氏矢量b，滑移方向即为柏氏矢量的方向。图5-10　位错的结点1)一条位错线具有唯一的柏氏矢量。它与柏氏回路的大小和回路在位错线上的位置无关，位错在晶体中运动或改变方向时，其柏氏矢量不变。2)若位错可分解，则分解后各分位错的柏氏矢量之和等于原位错的柏氏矢量。3)位错可定义为柏氏矢量不为零的晶体缺陷，它具有连续性，不能中断于晶

7、体内部。其存在形态可形成一个闭合的位错环，或连接于其他位错，或终止在晶界，或露头于晶体表面。(三)位错密度在通常的晶体中都存在大量的位错，而这些位错的量就用位错密度来表示。位错密度定义:单位体积晶体中所含的位错线的总长度。位错密度的另一个定义是：穿过单位截面积的位错线数目，单位也是1/平方厘米。二、位错的运动(一)作用在位错上的力设有一小段位错线dl在切应力的作用下前进了ds距离，如图5-11所示。作用在单位长度位错线上的力方向处处垂直位错线，并指向为滑移区，如图5-12所示。图5-11位错的线张力

8、图5-12　位错的线张力(二)位错的运动图5-13　刃型位错的滑移（1）刃形位错的滑移图5-14　刃型位错的滑移过程a)原始状态晶体　b)、c)滑移的中间阶段　d)位错滑移出晶体表面形成一个台阶图5-15　螺型位错的滑移a)原始位置　b)位错向左移了一个原子间距图5-16　螺型位错的滑移过程a)原始状态晶体　b)、c)滑移的中间阶段　d)位错滑移出晶体表面形成一个台阶（2）螺型位错的滑移图5-17　刃型位错的攀移过程a)正攀移　b)未攀移时的位错　c)负攀移（3）图5