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1、一一、点缺陷、空位、点缺陷、空位1 空位空位原子迁移到别处出现的空结点。原子迁移到别处出现的空结点。金属晶体中的原子都是以其平衡位置为中心进行着热振金属晶体中的原子都是以其平衡位置为中心进行着热振动。动。原子瞬间能量的凹凸变更现象称之为能量起伏。原子瞬间能量的凹凸变更现象称之为能量起伏。在某一温度和某一瞬间，总有一些能量高的原子可以克在某一温度和某一瞬间，总有一些能量高的原子可以克服四周原子对它的约束，脱离开原来的平衡位置。服四周原子对它的约束，脱离开原来的平衡位置。脱离平衡位置的原子大致有三个去向：脱离平衡位置的原子大致有三个去向：一是迁移到晶体表面上，这样所产生的空位叫肖脱基一是迁移到晶体
2、表面上，这样所产生的空位叫肖脱基空位（见图空位（见图1.38a）；）；二是迁移到晶格的间隙中，这种空位叫弗兰克尔空位二是迁移到晶格的间隙中，这种空位叫弗兰克尔空位（见图（见图1.38b）；）；三是迁移到其它空位处。三是迁移到其它空位处。空位的移动空位的移动空位是一种热平衡缺陷，即在确定温度下，它有确定的空位是一种热平衡缺陷，即在确定温度下，它有确定的平衡浓度。平衡浓度。空位的平衡浓度是微小的，在空位的平衡浓度是微小的，在10万个原子中才出现一个万个原子中才出现一个空位。空位。形成肖脱基空位所需能量要比弗兰克尔空位小得多，所形成肖脱基空位所需能量要比弗兰克尔空位小得多，所以在固态金属中，主要是形
3、成肖脱基空位。以在固态金属中，主要是形成肖脱基空位。空位旁边还易形成晶格畸变。空位旁边还易形成晶格畸变。2 间隙原子、置换原子间隙原子、置换原子2 间隙原子：处于晶格间隙中的原子。间隙原子：处于晶格间隙中的原子。当原子硬挤入很小的晶格间隙中当原子硬挤入很小的晶格间隙中后，会造成严峻的晶格畸变。间隙原子后，会造成严峻的晶格畸变。间隙原子也是一种热平衡缺陷，在确定温度下有也是一种热平衡缺陷，在确定温度下有一平衡浓度。对于异类间隙原子来说，一平衡浓度。对于异类间隙原子来说，常将这一平衡浓度称为固溶度或溶解度。常将这一平衡浓度称为固溶度或溶解度。3 置换原子：占据在原来基体原子平衡位置换原子：占据在原
4、来基体原子平衡位置上的异类原子称为置换原子。置上的异类原子称为置换原子。也使其四周接近原子偏离其平衡也使其四周接近原子偏离其平衡位置，造成晶格畸变。置换原子在确定位置，造成晶格畸变。置换原子在确定温度下也有一平衡浓度值，称为固溶度温度下也有一平衡浓度值，称为固溶度或溶解度。或溶解度。二二、线缺陷、线缺陷 晶体中的线缺陷就是各种类型的位错，晶体中的线缺陷就是各种类型的位错，它是在晶体中某处有一列或若干列原子发它是在晶体中某处有一列或若干列原子发生了有规律的错排现象，使长度达几百至生了有规律的错排现象，使长度达几百至几万个原子间距，宽约几个原子间距，在几万个原子间距，宽约几个原子间距，在此范围内的
5、原子离开其平衡位置，发生了此范围内的原子离开其平衡位置，发生了有规律的错动。有规律的错动。位错是一种极为重要的晶体缺陷，它位错是一种极为重要的晶体缺陷，它对于金属的强度，断裂和塑性变形等起着对于金属的强度，断裂和塑性变形等起着确定性的作用。确定性的作用。有两种基本类型：一种是韧型位错；有两种基本类型：一种是韧型位错；另一种是螺型位错。另一种是螺型位错。1 刃型位错刃型位错模型如图模型如图1.40所示。所示。设有一简洁立方晶体，某一原子面在晶体内部中断，设有一简洁立方晶体，某一原子面在晶体内部中断，这个原子平面中断处的边缘就是一个刃型位错，犹如这个原子平面中断处的边缘就是一个刃型位错，犹如用一把
6、锋利的钢刀将晶体上半部分切开，沿切口硬插用一把锋利的钢刀将晶体上半部分切开，沿切口硬插入一额外半原子面一样，将刃口处的原子列称之为刃入一额外半原子面一样，将刃口处的原子列称之为刃型位错线。型位错线。刃型位错有正负之分，若额外半原子面位于晶体的上刃型位错有正负之分，若额外半原子面位于晶体的上半部，则此处的位错线称为正刃型位错，以符号半部，则此处的位错线称为正刃型位错，以符号表表示。反之，若额外半原子面位于晶体的下半部分，则示。反之，若额外半原子面位于晶体的下半部分，则称之为负刃型位错，以符号称之为负刃型位错，以符号表示。表示。刃型位错模型刃型位错模型刃型位错刃型位错事实上晶体中的位错并不是由于加
7、额外半原子面造成事实上晶体中的位错并不是由于加额外半原子面造成的，它的形成可能有多种缘由，例如晶体在塑性变形的，它的形成可能有多种缘由，例如晶体在塑性变形时，局部区域的晶体发生滑移。时，局部区域的晶体发生滑移。因此，可以把位错理解为晶体中已滑移区和未滑移区因此，可以把位错理解为晶体中已滑移区和未滑移区的边界。的边界。刃型位错刃型位错正刃型位错：上边晶格受到压应力，下边受到拉应力，正刃型位错：上边晶格受到压应力，下边受到拉应力，滑移面上受切应力。滑移面上受切应力。位错是一条具有确定宽度的瘦长的晶格畸变管道。位错是一条具有确定宽度的瘦长的晶格畸变管道。刃型位错的切应力场可以与间隙原子和置换原子发生
8、刃型位错的切应力场可以与间隙原子和置换原子发生弹性交互作用。弹性交互作用。刃型位错往往总是携带着大量的溶质原子，形成所谓刃型位错往往总是携带着大量的溶质原子，形成所谓的的“柯氏气团柯氏气团”。它会使位错的晶格畸变降低，并使。它会使位错的晶格畸变降低，并使其难于运动，造成金属的强化。其难于运动，造成金属的强化。2 螺型位错螺型位错位错线旁边的原子是按螺旋型排列的，叫螺型位错。位错线旁边的原子是按螺旋型排列的，叫螺型位错。如图如图 1.42所示。所示。右螺型位错：拇指代表螺旋前进的方向，四指代表螺右螺型位错：拇指代表螺旋前进的方向，四指代表螺旋的旋转方向，螺型位错线与晶体滑移方向平行。旋的旋转方向
9、，螺型位错线与晶体滑移方向平行。3 柏氏矢量柏氏矢量可以表示晶格畸变的大小和方向，从而使人们在探讨位错可以表示晶格畸变的大小和方向，从而使人们在探讨位错时能够摆脱位错区内原子排列具体细微环节的约束，这就时能够摆脱位错区内原子排列具体细微环节的约束，这就是所谓的柏氏矢量。是所谓的柏氏矢量。确定方法见图确定方法见图1.43。（1）实际晶体中，沿逆时针方向环绕位错线作一闭合回）实际晶体中，沿逆时针方向环绕位错线作一闭合回路。路。（2）完整的晶体中，同样的方向和常数作回路。）完整的晶体中，同样的方向和常数作回路。（3）由终点到始点引一矢量，使回路闭合。）由终点到始点引一矢量，使回路闭合。柏氏矢量柏氏矢
10、量柏氏矢量是描述位错实质的一个很重要的标记，特征柏氏矢量是描述位错实质的一个很重要的标记，特征有有5个：个：（1）可以推断位错类型。）可以推断位错类型。（2）可以表示位错区域晶格畸变总量的大小。）可以表示位错区域晶格畸变总量的大小。（3）可以表示晶体滑移的方向和大小。）可以表示晶体滑移的方向和大小。（4）一条位错线的柏是矢量是恒定不变的。）一条位错线的柏是矢量是恒定不变的。（5）刃型位错的滑移面只有一个，螺型位错的滑移）刃型位错的滑移面只有一个，螺型位错的滑移面面 是不定的。是不定的。柏氏矢量柏氏矢量 当柏氏矢量与位错线既不平行也不垂直而是交成随意角度时，则位错是刃型和螺型的混合类型，叫混合型
11、位错。4 位错密度位错密度 应用一些物理和化学的试验方法可以将晶应用一些物理和化学的试验方法可以将晶体中的位错显示出来。体中的位错显示出来。4 位错密度位错密度位错是已滑移区和未滑移区的边界，所以位错线不能终位错是已滑移区和未滑移区的边界，所以位错线不能终止在晶体内部，而只能终止在晶体的表面或晶界上。止在晶体内部，而只能终止在晶体的表面或晶界上。在实际晶体中常常含有大量的位错，通常把单位体积的在实际晶体中常常含有大量的位错，通常把单位体积的位错线的总长度称位错密度位错线的总长度称位错密度，即，即=L/V。位错的存在，对金属材料的机械性能，扩散及相变等过位错的存在，对金属材料的机械性能，扩散及相
12、变等过程有着重要影响。金属强度与位错密度之间的关系如程有着重要影响。金属强度与位错密度之间的关系如下图。下图。位错网、强度位错网、强度三、面缺陷三、面缺陷 晶体的面缺陷包括晶体的外表面（表晶体的面缺陷包括晶体的外表面（表面或自由界面）和内界面两类，其中的内界面或自由界面）和内界面两类，其中的内界面又有晶界、亚晶界、孪晶界、堆垛层错和面又有晶界、亚晶界、孪晶界、堆垛层错和相界等。相界等。1 晶体表面晶体表面 是指金属与真空或气体，液体等外部介质是指金属与真空或气体，液体等外部介质相接触的界面。相接触的界面。处在这种界面上的原子，会同时受到晶体处在这种界面上的原子，会同时受到晶体内部的自身原子和外
13、部介质原子或分子的作用力。内部的自身原子和外部介质原子或分子的作用力。内外作用力大小不等，表面原子就会偏离其正常内外作用力大小不等，表面原子就会偏离其正常平衡位置，造成表面层的晶格畸变。平衡位置，造成表面层的晶格畸变。1 晶体表面晶体表面 由于在表面层产生了晶格畸变，所以其能由于在表面层产生了晶格畸变，所以其能量就要上升，将这种单位面积上上升的能量称量就要上升，将这种单位面积上上升的能量称为比表面能，简称表面能（为比表面能，简称表面能（J/m2）。）。影响因素有：（影响因素有：（1）外部介质的作用。作）外部介质的作用。作用力差越悬殊，表面能越大。（用力差越悬殊，表面能越大。（2）袒露晶面）袒露
14、晶面的原子密度。当袒露晶面是密排晶面时，则表的原子密度。当袒露晶面是密排晶面时，则表面能最小。（面能最小。（3）晶体表面的曲率。表面曲率）晶体表面的曲率。表面曲率越大则表面能越大。越大则表面能越大。2 晶界晶界 晶体结构相同但位向不同的晶粒之间的界面称为晶体结构相同但位向不同的晶粒之间的界面称为晶粒间界，或简称晶界。晶粒间界，或简称晶界。（1 1）小角度晶界（相邻晶粒位向差小于）小角度晶界（相邻晶粒位向差小于1010 ）。）。a a 对称倾侧晶界对称倾侧晶界，一系列刃型位错所组成；，一系列刃型位错所组成；2 晶界晶界 b 扭转晶界，相互交叉的螺型位错网络组成。大部分是二者的合成。2 晶界晶界（
15、2）大角度晶界）大角度晶界（相邻晶粒位向差大于（相邻晶粒位向差大于1010 ）。原子排列紊乱，也原子排列紊乱，也 有整齐排列区域。有整齐排列区域。3 亚晶界亚晶界 实际晶粒内部小晶块之间的内界面称亚晶界或亚结构，直径10100m，位相差几特别到12度。亚晶界，可在凝固、回复再结晶、固态相变时形成。4 堆垛层错堆垛层错 晶面堆垛依次发生局部差错。堆垛层错的存在破坏了晶体的周期性完整性，引起能量上升。层错能，产生单位面积层错所需的能量。层错能越小，出现的几率越大。5 相界相界 具有不同晶体结构的两相之间的分界面称相具有不同晶体结构的两相之间的分界面称相 界。相界的结构有三类，即共格界面，半共格界界
16、。相界的结构有三类，即共格界面，半共格界 面和非共格界面。面和非共格界面。6 晶界特性晶界特性 界面能（晶界能）越高，则晶界越不稳定。高的界面能有向低的界面能转化的趋势，这就导致了晶界的运动。晶粒长大和晶界的平直化都可以削减晶界的总面积，从而降低晶界的总能量。由于界面能的存在，当金属中存在能降低界面能的异类原子时，这些原子就将向晶界偏聚，这种现象称为内吸附。相反，凡是提高界面能的原子将会在晶粒内部偏聚，叫反内吸附。内吸附和反内吸附现象对金属和合金的性能以及相变过程有着重要影响。6 晶界特性晶界特性由于晶界上存在晶格畸变，因而在室温下对金属材料由于晶界上存在晶格畸变，因而在室温下对金属材料的塑性
17、变形起着阻碍作用，在宏观上表现为使金属材的塑性变形起着阻碍作用，在宏观上表现为使金属材料具有更高的强度和硬度。明显，晶粒越细，金属材料具有更高的强度和硬度。明显，晶粒越细，金属材料的强度和硬度越高。因此，对于在较低温度下运用料的强度和硬度越高。因此，对于在较低温度下运用的金属材料，一般总是希望获得较细小的晶粒。的金属材料，一般总是希望获得较细小的晶粒。此外，由于界面能的存在，使晶界的熔点低于晶粒内此外，由于界面能的存在，使晶界的熔点低于晶粒内部，且易于腐蚀和氧化。晶界上的空位、位错等缺陷部，且易于腐蚀和氧化。晶界上的空位、位错等缺陷较多，因此，原子的扩散速度较快，在发生相变时，较多，因此，原子的扩散速度较快，在发生相变时，新相晶核往往首先在晶界形成。新相晶核往往首先在晶界形成。