材料科学基础-3晶体缺陷

柏氏矢量的守恒性
对一条位错线而言，其伯氏矢量是固定不变的，此即位 错的伯氏矢量的守恒性。 推论： 一条位错线只有一个伯氏矢量。
如果几条位错线在晶体内部相交
（交点称为节点），则指向节点的 各位错的伯氏矢量之和，必然等于 离开节点的各位错柏氏矢量之和 。
b1 b2 b3
三. 晶体中位错的组态和位错密度
材料性能的改善，对于新型材料的设计、研究与开发具有
重要意义。
晶体缺陷按范围分类：
点缺陷（Point Defect）: 在三维空间各方向上尺寸 都很小，在原子尺寸大小的晶体缺陷。 线缺陷（Line Defect）： 在三维空间的一个方向上 的尺寸很大(晶粒数量级)，另外两个方向上的尺寸很 小(原子尺寸大小)的晶体缺陷。其具体形式就是晶体 中的位错(Dislocation)。 面缺陷（Interfacial Defect）： 在三维空间的两个方 向上的尺寸很大(晶粒数量级)，另外一个方向上的尺 寸很小(原子尺寸大小)的晶体缺陷。
1. 刃型位错：设有一简单立方结构的晶体，在切应力的作 用下发生局部滑移，发生局部滑移后晶体内在垂直方向出 现了一个多余的半原子面，显然在晶格内产生了缺陷，这 就是位错，这种位错在晶体中有一个刀刃状的多余半原子 面，所以称为刃型位错。
通常称晶体上半部多出原子面的位错为正刃型位错， 用符号“┴”表示，反之为负刃型位错，用“┬”表示。
Ev CV A exp( ) kT
在高于 0 K 的任何温度下，晶体最稳定的状态是含 有一定浓度点缺陷状态。此浓度称点缺陷的平衡浓度。
部分金属的空位形成能和500K的空位平衡浓度
金属 空位形成能 （10-8J） 空位 平衡浓度 Pb Al Mg Au Pt Cu W

c、位错的滑移(slipping of disloction)总结
任何类型的位错均可进行滑移.
(1) 刃位错的滑移过程（教材图3.13）∥b、b⊥、滑移 方向⊥ 、滑移方向∥b，刃型位错的滑移面就是位错线 与柏氏矢量所构成的平面，因此刃型位错的滑移面是单 一的。 (2) 螺型位错的滑移过程（教材图3.14）∥b、b ∥ 、滑 移方向⊥ 、滑移方向⊥ b ，非单一滑移面。可发生交 滑移。 (3) 混合位错的滑移过程（教材图3.15）沿位错线各点的 法线方向在滑移面上扩展，滑动方向垂直于位错线方向。 但滑动方向与柏氏矢量有夹角。
3.2.3 位错的运动
滑移（slip）: 在一定的 切应力的作用下，位错在滑移 面上受到垂直于位错线的作用 力。当此力足够大，足以克服 位错运动时受到的阻力时，位 错便可以沿着滑移面移动，这 种沿着滑移面移动的位错运动 称为滑移或者滑动。 *保守运动。滑移实际上是 指多个位错的行为
.3 位错的运动
1、 位错的滑移
位错的滑移(slipping of disloction): 位错的滑移是在外加切应力作用下，通过位错 中心附近的原子沿柏氏矢量方向在滑移面上不断地 作少量位移（小于一个原子间距）而逐步实现的。 如图3-13 刃型位错的滑移过程, 图3-14 螺型位错的滑移过程, 图3-15 混合型位错的滑移过程所示。
攀移（climb）：刃型位错的位错线还可以沿着 垂直于滑移面的方向移动，刃型位错的这种运动称 为攀移。也就是说只有刃位错才有攀移。 *非保守运动，并引起位错的半原子面扩大 和缩小，因此攀移总是伴随着点缺陷的输运。 除滑移和攀移还有交割（cross/interaction） 和扭折（kink）
位错的攀移
刃型位错还可以在垂直滑移面的方向上运动即发 生攀移。攀移的实质是多余半原子面的伸长或缩短。

位错运动导致晶体滑移的方向；该矢量的模|b|表示
了畸变的程度，即位错强度。
② 柏氏矢量的守恒性：柏氏矢量与回路起点及其具体途 径无关。一根不分岔的位错线，不论其形状如何变化 （直线、曲折线或闭合的环状），也不管位错线上各 处的位错类型是否相同，其各部位的柏氏矢量都相同； 而且当位错在晶体中运动或者改变方向时，其柏氏矢 量不变，即一根位错线具有唯一的柏氏矢量。
18
第
3.2 位错
三 章
3.2.1 位错的基本类型和特征
1. 位错的概念：位错是晶体的线性缺陷。晶体中
晶
某处一列或若干列原子有规律的错排。
体
• 意义：对材料的力学行为如塑性变形、强度、断裂等
缺
起着决定性的作用，对材料的扩散、相变过程有较大
陷
影响。
• 位错的提出：1926年，弗兰克尔发现理论晶体模型刚
b l
positive
b
l
negative
Edge dislocations


b
b
right-handed left-handed Screw dislocations
26
3.2
3. 伯氏矢量的特性 位 ① 柏氏矢量是一个反映位错周围点阵畸变总累积的物理
错
量。该矢量的方向表示位错的性质与位错的取向，即
性切变强度与与实测临界切应力的巨大差异（2～4个 数量级）。1934年，泰勒、波朗依、奥罗万几乎同时 提出位错的概念。1939年，柏格斯提出用柏氏矢量表 征位错。1947年，柯垂耳提出溶质原子与位错的交互 作用。1950年，弗兰克和瑞德同时提出位错增殖机制。 之后，用TEM直接观察到了晶体中的位错。
➢ 特征：如果杂质的含量在固溶体的溶解度范围内，

点缺陷（零维缺陷）--原子尺度的偏离.
按 缺
例：空位、间隙原子、杂质原子等
陷 线缺陷（一维缺陷）--原子行列的偏离.
的
例：位错等
几 何
面缺陷（二维缺陷）--表面、界面处原子排列混乱.
形
例：表面、晶界、堆积层错、镶嵌结构等
态 体缺陷（三维缺陷）--局部的三维空间偏离理想晶体的周期性
例：异相夹杂物、孔洞、亚结构等
1、 固溶体的分类
(1) 按杂质原子的位置分： 置换型固溶体—杂质原子进入晶格中正常结点位置而取代基
质中的原子。例MgO-CoO形成Mg1-xCoxO固溶体。 间隙型固溶体—杂质原子进入晶格中的间隙位置。
有时俩
(2)按杂质原子的固溶度x分： 无限（连续）固溶体—溶质和溶剂任意比例固溶(x=0~1)。
多相系统
均一单相系统
Compounds AmBn
原子间相互反应生成
均一单相系统
结构
各自有各自的结构
A structure
structure
+ B structure
结构与基质相同 A structure
结构既不同于A也不同于B New structure
化学计量 A/B
不定
固溶比例不定
m:n 整数比或接近整数比的一定范围内
四、固溶体Solid solution（杂质缺陷）
1、固溶体的分类 2、置换型固溶体 3、间隙型固溶体 4、形成固溶体后对晶体性质的影响 5、固溶体的研究方法
①固溶体：含有外来杂质原子的单一均匀的晶态固体。 例：MgO晶体中含有FeO杂质 → Mg1-xFexO
基质 溶剂 主晶相
杂质 溶质 掺杂剂
萤石CaF2(F-空位)