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1、实际金属的晶体缺陷 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望图 对称平移性1.3 实际金属的晶体结构实际金属的晶体结构u晶晶体体结结构构的的特特点点是是长长程程有有序序。结结构构基基元元或或者者构构成成物物体体的的粒粒子子(原原子子、离离子子或或分分子子等等)完完全全按按照照空空间间点点阵阵规规则则排排列列的的晶晶体体叫理想晶体。叫理想晶体。u在在实实际际晶晶体体中中，粒粒子子的的排排列列不不可可能能这这样样规规则则和和完完整整，而而是是或多或少地存在着偏离
2、理想或多或少地存在着偏离理想结结构的区域，出构的区域，出现现了不完整性。了不完整性。u把把实际实际晶体中偏离理想点晶体中偏离理想点阵结阵结构的区域称构的区域称为为晶体缺陷晶体缺陷。u实实际际晶晶体体中中虽虽然然有有晶晶体体缺缺陷陷存存在在，但但偏偏离离平平衡衡位位置置很很大大的的粒粒子子数数目目是是很很少少的的，从从总总的的来来看看，其其结结构构仍仍可可以以认认为为是是接接近近完整的。完整的。u根根据据几几何何形形态态特特征征，可可以以把把晶晶体体缺缺陷陷分分为为三三类类：点点缺缺陷陷、线缺陷和面缺陷。线缺陷和面缺陷。1.3 实际金属的晶体结构实际金属的晶体结构u点缺陷的定义点缺陷的定义u点缺
3、陷：在三维方向上尺寸都很小（远小于晶体或晶粒点缺陷：在三维方向上尺寸都很小（远小于晶体或晶粒的线度）的缺陷。的线度）的缺陷。u1.1.点缺陷的类型点缺陷的类型u金属中常见的基本点缺陷有空位、间隙原子和置换原子。金属中常见的基本点缺陷有空位、间隙原子和置换原子。u空位空位：空位就是未被占据的原子位置；空位就是未被占据的原子位置；u间隙原子：间隙原子可以是晶体中正常原子离位产生，间隙原子：间隙原子可以是晶体中正常原子离位产生，也可以是外来杂质原子；也可以是外来杂质原子；1.3.1.1 点缺陷的类型及形成点缺陷的类型及形成1.3.1 点缺陷点缺陷u置换原子：位于晶体点阵位置的异类原子置换原子：位于晶
4、体点阵位置的异类原子。1.3.1 点缺陷点缺陷u2.点缺陷的形成点缺陷的形成u原子相互作用的两种作用力：原子相互作用的两种作用力：(1)原子间的吸引力；原子间的吸引力；(2)原子间的斥力原子间的斥力 u点缺陷形成最重要的环节是原子的振动点缺陷形成最重要的环节是原子的振动 u原子的热振动原子的热振动（以一定的频率和振幅作振动）以一定的频率和振幅作振动）u原子被束缚在它的平衡位置上，但原子却在做着挣脱原子被束缚在它的平衡位置上，但原子却在做着挣脱束缚的努力束缚的努力 u点缺陷形成的点缺陷形成的驱动驱动力力：温度、：温度、离子离子轰击轰击、冷加工、冷加工 u在外界在外界驱动驱动力作用下，哪个原子能力
5、作用下，哪个原子能够挣够挣脱束脱束缚缚，脱离，脱离平衡位置是不确定的，宏平衡位置是不确定的，宏观观上上说这说这是一种几率分布是一种几率分布1.3.1 点缺陷点缺陷u空位的两种类型：空位的两种类型：u离位原子迁移到晶体的表面上，这样形成的空位通常称为离位原子迁移到晶体的表面上，这样形成的空位通常称为肖脱基缺陷；肖脱基缺陷；可迁移到晶体点阵的间隙中，这样的空位称弗可迁移到晶体点阵的间隙中，这样的空位称弗兰克尔缺陷。兰克尔缺陷。图 晶体中的点缺陷(a)肖脱基空位 (b)弗兰克尔空位1.3.1 点缺陷点缺陷u1.点缺陷的运动点缺陷的运动u点点缺缺陷陷并并非非固固定定不不动动，而而是是处处在在不不断断改
6、改变变位位置置的的运运动动过过程程中。中。u空空位位周周围围的的原原子子，由由于于热热振振动动能能量量的的起起伏伏，有有可可能能获获得得足足够够的的能能量量而而跳跳入入空空位位，并并占占据据这这个个平平衡衡位位置置，这这时时在在这这个个原原子子的的原原来来位位置置上上，就就形形成成一一个个空空位位。这这一一过过程程可可以以看看作作是是空空位向位向邻邻近近结结点的迁移。点的迁移。u在在运运动动过过程程中中，当当间间隙隙原原子子与与一一个个空空位位相相遇遇时时，它它将将落落入入这这个空位，而使两者都消失，个空位，而使两者都消失，这这一一过过程称程称为为复合，或湮没。复合，或湮没。1.3.1.2 点
7、缺陷的运动及平衡浓度点缺陷的运动及平衡浓度1.3.1 点缺陷点缺陷（a）原来位置；（b）中间位置；（c）迁移后位置图 空位从位置A迁移到B1.3.1 点缺陷点缺陷u2.点缺陷的平衡浓度点缺陷的平衡浓度u晶晶体体中中点点缺缺陷陷的的存存在在，一一方方面面造造成成点点阵阵畸畸变变，使使晶晶体体的的内内能能升升高高，增增大大了了晶晶体体的的热热力力学学不不稳稳定定性性；另另一一方方面面，由由于于增增大大了了原原子子排排列列的的混混乱乱程程度度，并并改改变变了了其其周周围围原原子子的的振振动动频频率率，又使晶体的又使晶体的熵值熵值增大。增大。熵值熵值越大，晶体便越越大，晶体便越稳稳定。定。u由由于于存
8、存在在着着这这两两个个互互为为矛矛盾盾的的因因素素，晶晶体体中中的的点点缺缺陷陷在在一一定定温温度度下下有有一一定定的的平平衡衡数数目目，这这时时点点缺缺陷陷的的浓浓度度就就称称为为它它们们在在该该温度下的温度下的热热力学平衡力学平衡浓浓度。度。u在在一一定定温温度度下下有有一一定定的的热热力力学学平平衡衡浓浓度度，这这是是点点缺缺陷陷区区别别于其它于其它类类型晶体缺陷的重要特点型晶体缺陷的重要特点。1.3.1 点缺陷点缺陷1.3.1.3 点缺陷对性能的影响点缺陷对性能的影响u点缺陷的存在使晶体体积膨胀，密度减小。点缺陷的存在使晶体体积膨胀，密度减小。u点点缺缺陷陷引引起起电电阻阻的的增增加加
9、，这这是是由由于于晶晶体体中中存存在在点点缺缺陷陷时时，对传导电子产生了附加的电子散射，使电阻增大。对传导电子产生了附加的电子散射，使电阻增大。u空空位位对对金金属属的的许许多多过过程程有有着着影影响响，特特别别是是对对高高温温下下进进行行的的过程起着重要的作用。过程起着重要的作用。u金金属属的的扩扩散散、高高温温塑塑性性变变形形的的断断裂裂、退退火火、沉沉淀淀、表表面面化化学学热热处处理理、表表面面氧氧化化、烧烧结结等等过过程程都都与与空空位位的的存存在在和和运运动动有有着密切的联系。着密切的联系。u过过饱饱和和点点缺缺陷陷（如如淬淬火火空空位位、辐辐照照缺缺陷陷）还还提提高高了了金金属属的
10、的屈服强度。屈服强度。1.3.1 点缺陷点缺陷1.3.2 线缺陷线缺陷u线缺陷就是在两个方向上尺寸很小，在一个方向上尺寸很线缺陷就是在两个方向上尺寸很小，在一个方向上尺寸很大的缺陷。大的缺陷。u线缺陷是各种类型的位错。线缺陷是各种类型的位错。u位错是晶体内部一种有规律的管状畸变区。原子发生错排位错是晶体内部一种有规律的管状畸变区。原子发生错排的范围，在一个方向上尺寸较大，而另外两个方向上尺寸的范围，在一个方向上尺寸较大，而另外两个方向上尺寸较小，是一个直径为较小，是一个直径为35个原子间距，长几百到几万个原个原子间距，长几百到几万个原子间距的管状原子畸变区。子间距的管状原子畸变区。u最简单的位
11、错是刃型位错和螺型位错。最简单的位错是刃型位错和螺型位错。1.3.2.1 位错的基本概念位错的基本概念u1.1.位错学说的产生位错学说的产生u1926年弗兰克尔利用理想晶体的模型估算了理论切变强年弗兰克尔利用理想晶体的模型估算了理论切变强度，与实验结果相比相差度，与实验结果相比相差34个数量级。个数量级。u19341934年泰勒，波朗依和奥罗万三人几乎同时提出晶体中年泰勒，波朗依和奥罗万三人几乎同时提出晶体中位错的概念。位错的概念。u泰勒把位错与晶体塑变的滑移联系起来，认为位错在切泰勒把位错与晶体塑变的滑移联系起来，认为位错在切应力作用下发生运动，依靠位错的逐步传递完成了滑移。应力作用下发生运
12、动，依靠位错的逐步传递完成了滑移。u与刚性滑移不同，位错的移动只需邻近原子作很小距离与刚性滑移不同，位错的移动只需邻近原子作很小距离的弹性偏移就能实现，而晶体其他区域的原子仍处在正常的弹性偏移就能实现，而晶体其他区域的原子仍处在正常位置，因此滑移所需的临界切应力大为减小。位置，因此滑移所需的临界切应力大为减小。1939年柏格斯提出用柏氏矢量来表征位错的特性，同时引年柏格斯提出用柏氏矢量来表征位错的特性，同时引入螺型位错。入螺型位错。1947年柯垂耳利用溶质原子与位错的交互作用解释了低碳年柯垂耳利用溶质原子与位错的交互作用解释了低碳钢的屈服现象。钢的屈服现象。1950年弗兰克与瑞德同时提出了位错
13、增殖机制年弗兰克与瑞德同时提出了位错增殖机制FR位错位错源。源。50年代后，透射电镜直接观测到了晶体中位错的存在、运年代后，透射电镜直接观测到了晶体中位错的存在、运动、增殖。动、增殖。图 理想晶体的滑移模型和刃型位错的滑移过程图 刃型位错与螺型位错u2.位错的基本类型位错的基本类型u位错可分为刃性位错和螺型位错。位错可分为刃性位错和螺型位错。u（1）刃型位错）刃型位错图 含有刃型位错的晶体u刃型位错的概念：刃型位错的概念：u在某一水平面以上多出了垂直方向的原子面，犹如插入的在某一水平面以上多出了垂直方向的原子面，犹如插入的刀刃一样，刀刃一样，EFEF称为刃型位错线。位错线附近区域发生了原子称为
14、刃型位错线。位错线附近区域发生了原子错排，因此称为错排，因此称为“刃型位错刃型位错”。u把多余半原子面在滑移面以上的位错称为正刃型位错，用把多余半原子面在滑移面以上的位错称为正刃型位错，用符号符号“”表示，反之为负刃型位错，用表示，反之为负刃型位错，用“”表示。表示。u含有多余半原子面的晶体受压，原子间距小于正常点阵常含有多余半原子面的晶体受压，原子间距小于正常点阵常数；不含多余半原子面的晶体受张力，原子间距大于正常点数；不含多余半原子面的晶体受张力，原子间距大于正常点阵常数。阵常数。u位错在晶体中引起的畸变在位错线中心处最大，随着离位位错在晶体中引起的畸变在位错线中心处最大，随着离位错中心距
15、离的增大，晶体的畸变逐渐减小错中心距离的增大，晶体的畸变逐渐减小。u刃型位错的特点：刃型位错的特点：u1).1).刃型位错有一个额外的半原子面。其实正、负之分只刃型位错有一个额外的半原子面。其实正、负之分只具相对意义而无本质的区别。具相对意义而无本质的区别。u2).2).刃型位错线可理解为晶体中已滑移区与未滑移区的边刃型位错线可理解为晶体中已滑移区与未滑移区的边界线。它不一定是直线，也可以是折线或曲线，但它必与滑界线。它不一定是直线，也可以是折线或曲线，但它必与滑移方向相垂直，也垂直于滑移矢量。移方向相垂直，也垂直于滑移矢量。图 不同形状的刃型位错u3).3).滑移面必定是同时包含有位错线和滑
16、移矢量的平面，滑移面必定是同时包含有位错线和滑移矢量的平面，在其他面上不能滑移。由于在刃型位错中，位错线与滑移矢在其他面上不能滑移。由于在刃型位错中，位错线与滑移矢量互相垂直，因此，由它们所构成的平面只有一个。量互相垂直，因此，由它们所构成的平面只有一个。u4).4).晶体中存在刃型位错之后，位错周围的点阵发生弹性晶体中存在刃型位错之后，位错周围的点阵发生弹性畸变，既有切应变，又有正应变。就正刃型位错而言，滑移畸变，既有切应变，又有正应变。就正刃型位错而言，滑移面上方点阵受到压应力，下方点阵受到拉应力面上方点阵受到压应力，下方点阵受到拉应力;负刃型位错负刃型位错与此相反。与此相反。u5).5)
17、.在位错线周围的过渡区（畸变区）每个原子具有较大在位错线周围的过渡区（畸变区）每个原子具有较大的平均能量。但该区只有几个原子间距宽，畸变区是狭长的的平均能量。但该区只有几个原子间距宽，畸变区是狭长的管道，所以刃型位错是线缺陷。管道，所以刃型位错是线缺陷。（a）立体图；（b）顶视图图 螺型位错的原子组态u（2 2）螺型位错）螺型位错图 螺型位错原子模型及其形成示意u螺型位错的结构特征螺型位错的结构特征 u无额外的半原子面，原子错排程轴对称，分右旋和左旋螺无额外的半原子面，原子错排程轴对称，分右旋和左旋螺型位错；型位错；u一定是直线，与滑移矢量平行，位错线移动方向与晶体滑一定是直线，与滑移矢量平行
18、，位错线移动方向与晶体滑移方向垂直；移方向垂直；u滑移面不是唯一的，包含螺型位错线的平面都可以作为它滑移面不是唯一的，包含螺型位错线的平面都可以作为它的滑移面；的滑移面；u位错周围点阵也发生弹性畸变，但只有平行于位错线的切位错周围点阵也发生弹性畸变，但只有平行于位错线的切应变而无正应变，即不引起体积的膨胀和收缩；应变而无正应变，即不引起体积的膨胀和收缩；u位错畸变区也是几个原子间距宽度，同样是线位错。位错畸变区也是几个原子间距宽度，同样是线位错。u3.柏氏矢量柏氏矢量u（1 1）柏氏矢量的确定方法）柏氏矢量的确定方法u先确定位错线的方向先确定位错线的方向(一般规定位错线垂直纸面时，由纸一般规定
19、位错线垂直纸面时，由纸面向外为正向面向外为正向)，按右手法则做柏氏回路，右手大拇指指位，按右手法则做柏氏回路，右手大拇指指位错线正向，回路方向按右手螺旋方向确定。错线正向，回路方向按右手螺旋方向确定。u从实际晶体中任一原子出发，避开位错附近的严重畸变区从实际晶体中任一原子出发，避开位错附近的严重畸变区作一闭合回路，回路每一步连接相邻原子。按同样方法在完作一闭合回路，回路每一步连接相邻原子。按同样方法在完整晶体中做同样回路，步数、方向与上述回路一致，这时终整晶体中做同样回路，步数、方向与上述回路一致，这时终点和起点不重合，由终点到起点引一矢量即为柏氏矢量点和起点不重合，由终点到起点引一矢量即为柏
20、氏矢量b b。图 刃型位错柏氏矢量的确定图 螺型位错柏氏矢量的确定u（2 2）柏氏矢量的物理意义及特征）柏氏矢量的物理意义及特征u物理意义：物理意义：u代表位错，并表示其特征（强度、畸变量）；表示晶体滑代表位错，并表示其特征（强度、畸变量）；表示晶体滑移的方向和大小。移的方向和大小。u反映出柏氏回路包含的位错所引起点阵畸变的总积累。反映出柏氏回路包含的位错所引起点阵畸变的总积累。u通常将柏氏矢量称为位错强度，该矢量的模通常将柏氏矢量称为位错强度，该矢量的模|b|b|表示了畸表示了畸变的程度，称为位错的强度。变的程度，称为位错的强度。u位错的许多性质如位错的能量，所受的力，应力场，位错位错的许多
21、性质如位错的能量，所受的力，应力场，位错反应等均与其有关。它也表示出晶体滑移时原子移动的大小反应等均与其有关。它也表示出晶体滑移时原子移动的大小和方向。和方向。u柏氏矢量的特征柏氏矢量的特征u用柏氏矢量可判断位错的类型。用柏氏矢量可判断位错的类型。u用柏氏矢量可以表示晶体滑移的方向和大小。位错运动导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致晶体滑移时，滑移量大小即柏氏矢量b b，滑移方向即为柏，滑移方向即为柏氏矢量的方向。氏矢量的方向。u一条位错线具有唯一的柏氏矢量。一条位错线具有唯一的柏氏矢量。若位错可分解，则分解若位错可分解，则分解后各分位错的柏
22、氏矢量之和等于原位错的柏氏矢量。后各分位错的柏氏矢量之和等于原位错的柏氏矢量。u位错具有连续性，不能中断于晶体内部。其存在形态可形位错具有连续性，不能中断于晶体内部。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，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。或露头于晶体表面。图 三种类型位错的矢量图解法 u（3 3）混合位错）混合位错u晶体中已滑移区与未滑移区的边界线（即位错线）既不平晶体中已滑移区与未滑移区的边界线（即位错线）既不平行也不垂直于滑移方向，即滑移矢量与位错线成任意角度，行也不垂直于滑移方向，即滑移矢量与位错线成任意角度，这种晶体缺陷称
23、为混合型位错。这种晶体缺陷称为混合型位错。u混合型位错可分解为刃型位错分量和螺型位错分量。混合型位错可分解为刃型位错分量和螺型位错分量。图 晶体局部滑移形成混合位错图 混合位错的原子组态u（4 4）柏氏矢量的表示方法）柏氏矢量的表示方法u柏矢量对于柏矢量柏矢量对于柏矢量b b沿晶向沿晶向uvw的位错的位错u柏矢量的模柏矢量的模的计算就是矢量模的计算，同第柏矢量的模柏矢量的模的计算就是矢量模的计算，同第一章中介绍的晶向长度计算。对于立方晶系：一章中介绍的晶向长度计算。对于立方晶系：u位错的加法按照矢量加法规则进行。位错的加法按照矢量加法规则进行。v4.4.位错密度位错密度v晶晶体体中中所所含含位
24、位错错的的多多少少可可用用位位错错密密度度来来表表示示。位位错错密密度度定定义为单义为单位体位体积积晶体中所含位晶体中所含位错线错线的的总长总长度，其表达式度，其表达式为为v若若为为了了简简便便起起见见，可可把把晶晶体体中中的的位位错错线线视视为为一一些些直直线线，而而且且是是平平行行地地从从晶晶体体的的一一端端延延伸伸到到另另一一端端，于于是是位位错错密密度度就就可可被被视视为为垂垂直直于于位位错错线线的的单单位位截截面面中中所所穿穿过过的的位位错错线线数数目，即目，即图 晶体位错密度和强度关系示意图u1.1.位错的滑移位错的滑移u位错沿滑移面的移动称为滑移。位错沿滑移面的移动称为滑移。图
25、位错的滑移1.3.2.2 线缺陷的类型及形成线缺陷的类型及形成（a）正刃型位错（b）负刃型位错 图 刃位错的滑移 u当一个刃型位错沿滑移面滑过整个晶体，就会在晶体表面当一个刃型位错沿滑移面滑过整个晶体，就会在晶体表面产生宽度为一个柏氏矢量产生宽度为一个柏氏矢量b b的台阶，造成晶体的塑性变形。的台阶，造成晶体的塑性变形。u在滑移时，刃型位错的移动方向一定是与位错线相垂直，在滑移时，刃型位错的移动方向一定是与位错线相垂直，即与其柏氏矢量相一致。即与其柏氏矢量相一致。u位错线沿着滑移面移动时，它所扫过的区域是已滑移区，位错线沿着滑移面移动时，它所扫过的区域是已滑移区，而位错线未扫过的区域为未滑移区
26、。而位错线未扫过的区域为未滑移区。图 刃型位错滑移导致晶体塑性变形的过程（a）原始位置；（b）位错向左移动一个原子间距图 螺型位错滑移 图 螺型位错滑移导致晶体塑性变形的过程u在在切切应应力力作作用用下下，螺螺型型位位错错的的移移动动方方向向是是与与其其柏柏氏氏矢矢量量相相垂垂直直。对对于于螺螺型型位位错错，由由于于位位错错线线与与柏柏氏氏矢矢量量平平行行，所所以以它它不不象象刃刃型型位位错错那那样样具具有有确确定定的的滑滑移移面面，而而可可在在通通过过位位错错线线的的任任何何原原子子平平面面上上滑滑移移。如如果果螺螺型型位位错错在在某某一一滑滑移移面面滑滑移移后后转转到另一通过位错线的临近滑
27、移面上滑移的现象称为交滑移。到另一通过位错线的临近滑移面上滑移的现象称为交滑移。图 刃型位错与螺型位错u由由于于混混合合位位错错可可以以分分解解为为刃刃型型和和螺螺型型两两部部分分，因因此此，不不难难理理解解，混混合合位位错错在在切切应应力力作作用用下下，也也是是沿沿其其各各线线段段的的法法线线方方向滑移，并同向滑移，并同样样可使晶体可使晶体产产生与其柏氏矢量相等的滑移量。生与其柏氏矢量相等的滑移量。（a）位错环 （b）位错环运动后产生的滑移图 位错环的滑移位错的滑移特征位错的滑移特征位错位错类型类型柏氏柏氏矢量矢量位错线位错线运动方向运动方向晶晶体体滑滑移移方向方向切切应应力力方向方向滑滑移
28、移面面数目数目刃型刃型位错位错螺型螺型位错位错混合混合位错位错位错线位错线位错线本身位错线本身与与b b一致一致与与b b一致一致唯一唯一确定确定位错线位错线位错线本身位错线本身与与b b一致一致与与b b一致一致多个多个成角度成角度位错线本身位错线本身与与b b一致一致与与b b一致一致（1 1）可以通过柏氏矢量和位错线的关系来判断位错特征。）可以通过柏氏矢量和位错线的关系来判断位错特征。b bt t时为刃型位错，时为刃型位错，b bt t为螺型位错，对于混合型位错，为螺型位错，对于混合型位错，b b和和t t的角度在的角度在00和和9090。（2 2）位错的滑移面包含柏氏矢量和位错线。）位
29、错的滑移面包含柏氏矢量和位错线。（3 3）对于一根位错线而言，柏氏矢量是固定不变的。）对于一根位错线而言，柏氏矢量是固定不变的。（4 4）位错线不能终止于完整晶体之中。）位错线不能终止于完整晶体之中。u2.2.位错的攀移位错的攀移u刃刃型型位位错错除除了了可可以以在在滑滑移移面面上上滑滑移移外外，还还可可垂垂直直于于滑滑移移面发生攀移。面发生攀移。u当当半半原原子子面面下下端端的的原原子子跳跳离离，即即空空位位迁迁移移到到半半原原子子面面下下端端时时，半半原原子子面面将将缩缩短短，表表现现为为位位错错向向上上移移动动，这这种种移移动动叫做正攀移。反之叫做负攀移。叫做正攀移。反之叫做负攀移。u位
30、位错错攀攀移移时时伴伴随随着着物物质质的的迁迁移移，需需要要扩扩散散才才能能实实现现。因因为为攀攀移移需需要要原原子子扩扩散散，所所以以较较之之滑滑移移所所需需的的能能量量更更大大。对对于于大大多多数数金金属属，这这种种运运动动在在室室温温下下很很难难进进行行。因因此此，位位错错攀移攀移时时需要需要热热激活，也就是比滑移需要更大的能量。激活，也就是比滑移需要更大的能量。u通常称攀移通常称攀移为为“非守恒运非守恒运动动”，滑移，滑移则则称称为为“守恒运守恒运动动”。u3.3.位错运动的交割位错运动的交割u对对于在滑移面上运于在滑移面上运动动的位的位错错来来说说，穿，穿过过此滑移面的其它位此滑移面
31、的其它位错错称称为为林位林位错错。林位。林位错错会阻碍位会阻碍位错错的运的运动动，但是若，但是若应应力足力足够够大，滑大，滑动动的位的位错错将切将切过过林位林位错继续错继续前前进进。位。位错错互相切割的互相切割的过过程称程称为为位位错错交割或位交割或位错错交截。交截。u一般情况下，两个位错交割时，每个位错上都要新产生一一般情况下，两个位错交割时，每个位错上都要新产生一小段位错，它们的柏氏矢量与携带它们的位错相同，它们的小段位错，它们的柏氏矢量与携带它们的位错相同，它们的大小与方向决定于另一位错的柏氏矢量。大小与方向决定于另一位错的柏氏矢量。u当交割产生的小段位错不在所属位错的滑移面上时，则成当
32、交割产生的小段位错不在所属位错的滑移面上时，则成为位错割阶，如果小段位错位于所属位错的滑移面上，则相为位错割阶，如果小段位错位于所属位错的滑移面上，则相当于位错扭折。当于位错扭折。思考题思考题v怎样判断位错线的移动方向？怎样判断位错线的移动方向？拇指拇指顺着柏氏矢量方向顺着柏氏矢量方向移动的部分晶体移动的部分晶体食指食指位错线的方向位错线的方向中指中指位错线运动方向位错线运动方向1.3.3 面缺陷面缺陷v面缺陷的定义面缺陷的定义v面缺陷：在两个方向上尺寸很大，在一个方向上尺寸很小面缺陷：在两个方向上尺寸很大，在一个方向上尺寸很小的缺陷。的缺陷。v面缺陷的类型面缺陷的类型v金属中常见的面缺陷有表
33、面、晶界、亚晶界和相界。金属中常见的面缺陷有表面、晶界、亚晶界和相界。v从原子结合的角度看，表面原子的结合键数也减少，因从原子结合的角度看，表面原子的结合键数也减少，因此表面原子有强烈的倾向与环境中的原子或分子相互作用。此表面原子有强烈的倾向与环境中的原子或分子相互作用。v晶体表层原子在不均匀力场作用下会偏离其平衡位置而移晶体表层原子在不均匀力场作用下会偏离其平衡位置而移向晶体内部，但是正、负离子向晶体内部，但是正、负离子(或正、负电荷或正、负电荷)偏离的程度不偏离的程度不同，结果在晶体表面产生了双电层。同，结果在晶体表面产生了双电层。图 离子晶体表面的双电层外表面外表面u晶体内部的原子处于其
34、他原子的包围中，处于均匀的力场晶体内部的原子处于其他原子的包围中，处于均匀的力场中，总合力为零，处于能量最低的状态。而表面原子却不同，中，总合力为零，处于能量最低的状态。而表面原子却不同，它与气相它与气相(或液相或液相)接触，处于不均匀的力场之中，其能量较接触，处于不均匀的力场之中，其能量较高，高出的能量称为表面自由能。高，高出的能量称为表面自由能。u晶体中不同晶面的表面能数值不同，这是由于表面能的本晶体中不同晶面的表面能数值不同，这是由于表面能的本质是表面原子的不饱和键，而不同晶面上的原子密度不同，质是表面原子的不饱和键，而不同晶面上的原子密度不同，密排面的原子密度最大，则该面上任一原子与相
35、邻晶面原子密排面的原子密度最大，则该面上任一原子与相邻晶面原子的作用键数最少，故以密排面作为表面时不饱和键数最少，的作用键数最少，故以密排面作为表面时不饱和键数最少，表面能量低。晶体总是力图处于最低的自由能状态，所以一表面能量低。晶体总是力图处于最低的自由能状态，所以一定体积的晶体的平衡几何外形应满足表面能总和为最小。定体积的晶体的平衡几何外形应满足表面能总和为最小。u属于同一固相但位向不同的晶粒之间的界面称为晶界；而属于同一固相但位向不同的晶粒之间的界面称为晶界；而每个晶粒有时又由若干个位向稍有差异的亚晶粒所组成，相每个晶粒有时又由若干个位向稍有差异的亚晶粒所组成，相邻亚晶粒间的界面称为亚晶
36、界。邻亚晶粒间的界面称为亚晶界。图 晶界与亚晶界示意图u1.1.小角度晶界小角度晶界u相邻晶粒的位向差小于相邻晶粒的位向差小于1010的晶界称为小角度晶界。的晶界称为小角度晶界。u最简单的小角度晶界是对称倾斜晶界，其晶界可看成是由最简单的小角度晶界是对称倾斜晶界，其晶界可看成是由一列平行的刃型位错所构成。一列平行的刃型位错所构成。图 对称倾斜晶界u扭转晶界是小角度晶界的扭转晶界是小角度晶界的一种类型，它可看成是两部一种类型，它可看成是两部分晶体绕某一轴在一个共同分晶体绕某一轴在一个共同的晶面上相对扭转一个的晶面上相对扭转一个角角所构成的，扭转轴垂直于这所构成的，扭转轴垂直于这一共同的晶面。一共
37、同的晶面。u扭转扭转晶界的结构可看成是晶界的结构可看成是由互相交叉的螺型位错所组由互相交叉的螺型位错所组成。成。图 扭转晶界的形成u2.2.大角度晶界大角度晶界u相邻晶粒的位向差大于相邻晶粒的位向差大于1010的晶界称为大角度晶界。的晶界称为大角度晶界。u大角度晶界的结构较复杂，大角度晶界的结构较复杂，原子排列很不规则，由不规则原子排列很不规则，由不规则的台阶组成的。晶界可看成坏的台阶组成的。晶界可看成坏区与好区交替相间组合而成。区与好区交替相间组合而成。图 大角度晶界模型u大角度晶界的大角度晶界的“重合位置重合位置点阵点阵”模型。在二维正方点模型。在二维正方点阵中，当两个相邻晶粒的位阵中，当
38、两个相邻晶粒的位向差为向差为3737时，设想两晶粒时，设想两晶粒的点阵彼此通过晶界向对方的点阵彼此通过晶界向对方延伸，其中一些原子将出现延伸，其中一些原子将出现有规律的相互重合，由这些有规律的相互重合，由这些原子重合位置所组成比原来原子重合位置所组成比原来晶体点阵大的新点阵，通常晶体点阵大的新点阵，通常称为重合位置点阵。称为重合位置点阵。图 重合位置点阵模型 v3.3.孪晶界孪晶界v孪晶是指两个晶体孪晶是指两个晶体(或一或一个晶体的两部分个晶体的两部分)沿一个公沿一个公共晶面构成镜面对称的位向共晶面构成镜面对称的位向关系，这两个晶体就称为关系，这两个晶体就称为“孪晶孪晶(twin)(twin)
39、”，此公共晶面，此公共晶面就称孪晶面。就称孪晶面。图 孪晶界u4.4.相界相界u具有不同结构的两相之间的分界面称为具有不同结构的两相之间的分界面称为“相界相界”。按结构。按结构特点，相界面可分为共格、半共格和非共格相界三种类型。特点，相界面可分为共格、半共格和非共格相界三种类型。图 具有完善共格关系的相界图 具有弹性畸变的共格相界图 半共格界面图 非共格界面u4.4.晶界特性晶界特性u1.1.晶界处点阵畸变大，存在晶界能。晶粒的长大和晶界的晶界处点阵畸变大，存在晶界能。晶粒的长大和晶界的平直化都能减少晶界面积，从而降低晶界的总能量。平直化都能减少晶界面积，从而降低晶界的总能量。u2.2.晶界处
40、原子排列不规则，在常温下晶界的存在会对位错晶界处原子排列不规则，在常温下晶界的存在会对位错的运动起阻碍作用，致使塑性变形抗力提高，宏观表现为晶的运动起阻碍作用，致使塑性变形抗力提高，宏观表现为晶界较晶内具有较高的强度和硬度。晶粒越细界较晶内具有较高的强度和硬度。晶粒越细,材料的强度越材料的强度越高，这就是细晶强化。高，这就是细晶强化。u3.3.晶界处原子偏离平衡位置，具有较高的动能，并且晶界晶界处原子偏离平衡位置，具有较高的动能，并且晶界处存在较多的缺陷如空穴、杂质原子和位错等，故晶界处原处存在较多的缺陷如空穴、杂质原子和位错等，故晶界处原子的扩散速度比在晶内快得多。子的扩散速度比在晶内快得多
41、。v4.4.在固态相变过程中在固态相变过程中,由于晶界能量较高且原子活动能力由于晶界能量较高且原子活动能力较大较大,所以新相易于在晶界处优先形核所以新相易于在晶界处优先形核.原始晶粒越细原始晶粒越细,晶界晶界越多越多,则新相形核率也相应越高。则新相形核率也相应越高。v5.5.由于成分偏析和内吸附现象，特别是晶界富集杂质原子由于成分偏析和内吸附现象，特别是晶界富集杂质原子的情况下，往往晶界熔点较低，故在加热过程中，因温度过的情况下，往往晶界熔点较低，故在加热过程中，因温度过高将引起晶界熔化和氧化，导致高将引起晶界熔化和氧化，导致“过热过热”现象产生。现象产生。v6.6.由于晶界能量较高、原子处于不稳定状态，以及晶界富由于晶界能量较高、原子处于不稳定状态，以及晶界富集杂质原子的缘故，与晶内相比晶界的腐蚀速度一般较快。集杂质原子的缘故，与晶内相比晶界的腐蚀速度一般较快。这就是用腐蚀剂显示金相样品组织的依据，也是某些金属材这就是用腐蚀剂显示金相样品组织的依据，也是某些金属材料在使用中发生晶间腐蚀破坏的原因。料在使用中发生晶间腐蚀破坏的原因。