第一章第三节实际金属的晶体结构

面滑移到另一个滑移面。
3 柏氏矢量
柏氏矢量：既可表示位错的性质，也可表示晶格畸变的大小和 方向。 柏氏矢量的确定方法：P24图1-36 ⑴在实际晶体中，从距离位错一定距离的任一原子M出发，
以到相邻原子为一步，沿逆时针方向环绕位错线作一闭合回路，
称之为柏氏回路。 ⑵在完整晶体中以同样方向和步数作回路，但未封闭。 ⑶由完整晶体的回路终点Q到始点M引一矢量b，使该回路 闭合，矢量b即为柏氏矢量。
弗兰克尔缺陷
空位的移动： 处于不断的运动、消失和形成过程中
遇到周围空位 迁移至晶体表面 换位 消失
遇到间隙原子
消失
a
b
c
d
空位的移动
e
f
空位的浓度: 浓度随温度变化而改变 温度↑，浓度↑； 温度↓，浓度↓。 但空位的平衡浓度是很小的(如铜：一般为10-5数量级)。 在空位周围的原子会偏离平衡位臵出现弹性畸变区。 ┕ 晶格畸变
间隙原子引起的 晶格畸变
Hale Waihona Puke 占据原来基体原子平 衡位置的异类原子
3 臵换原子
产生晶格畸变 是一种热平衡缺陷 ┕ 平衡浓度为固溶度或溶解度
（比间隙原子的固溶度要大得多）
三种点缺陷均为热平衡缺
陷，均造成晶格畸变，对 金属的性能产生影响。
小原子置换引起的 晶格畸变
线缺陷
线缺陷：即位错(分为刃型位错和螺旋位错 ) 。它是
E B
位错线
F C
D
τ
位错。图中EF线为已滑
移区与未滑移区的分界 处。
τ
分类：有左螺旋和右螺旋。 根据螺旋面旋转方向，符合右手法则（即以右手拇指代表螺 旋面前进方向，其他四指代表螺旋面的旋转方向）的称为右旋 螺型位错。符合左手法则的称为左旋螺型位错.
D C
τ
A B
τ 右旋螺型位错
左旋螺型位错
螺型位错的重要特征：
指晶体中的原子发生了有规律的错排现象。
特点：原子发生错排的范围只在一维方向上很大，直径 为3～5个原子间距，长数百个原子间距以上的管状原子 畸变区。
1 刃型位错
形成及定义：晶体在大于屈服值的切应力τ 作用下，以ABCD 面为滑移面发生滑移。滑移后产生额外半原子面EFGH，EF是 晶体已滑移部分和未滑移部分的交线，EF线犹如砍入晶体的一 把刀的刀刃，即刃位错(或棱位错)。
少。或多或少都存在差异，存在弹性畸变。
非共格界面：界面两边原子排列差异很大， 弹性畸变大，界面能很高，畸变能高至无法 维持共格关系。 完全共格关系的相界
半共格界面示意图
非共格界面示意图
6 晶界特性
⑴ 晶界有界面能。原因是晶界原子或多或少地偏离平衡位臵。 晶粒越细晶界越多，能量越高，越不稳定。在一定的温度下， 为降低能量、减少晶界长度，晶粒有长大的趋势。 ⑵ 相变时新相晶核往往优先在界面上形成。原因是晶界上空 位、位错等缺陷较多，原子扩散速度较快。
① 螺型位错没有额外半原子面。 ② 位错线是一个具有一定宽度的细长晶格畸变管道，其 中只有切应变，没有正应变。 ③ 位错线EF与晶体的滑移方向相平行。位错线运动的方 向垂直于位错线。
F
位错线运动方向
E
刃型位错与螺型位错的区别：
— 螺型位错没有额外半原子面，而刃型位错有； — 螺型位错只有切应变，没有正应变，而刃型位错均有； —螺型位错的位错线与晶体的滑移方向相平行，而刃型位错 则垂直。 —刃型位错的滑移面是唯一的，而螺型位错可以从一个滑移
点缺陷 线缺陷 面缺陷
间隙原子、空位、臵换原子
位错（刃型、螺旋）
晶体表面、晶界、相界面等
点缺陷
晶体中的各种点缺陷 1—大臵换原子 2—肖脱基空位 3—异类间隙原子 4—复合空位 5—弗兰克尔空位 6—小的臵换原子
1 空位
┕ 是一种热平衡缺陷 形成原因：原子的热运动导致能量起伏，使一些原子脱离 原有位臵迁移到别处，在原位形成空结点。 脱离平衡位臵的原子去处： 移至表面——肖脱基空位 间隙 —— 弗兰克尔空位 其它空位处——使空位变换位臵
位错线上各点的伯氏矢量相同，只是各点的刃型、螺型分 量不同而已。
b刃 τ
B A b C
b混
θ b螺 位错线
（a）混合位错 （b）混合位错分解为刃 位错和螺位错示意图
θ
b C
A处为螺型位错（位错线与b平行）
C处为刃型位错（位错线与b垂直） AC之间为混合位错
A
5 位错的性质
— 已滑移区与未滑移区的边界线就是位错线。 — 位错线不能终止于晶体内部，只能露头于晶体表面 或晶界上，或与其它位错线相连接、或自成封闭线.
空位
肖脱基空位:
如原子在热起伏过程中获得足够能量离开平衡位臵，跳 跃到晶体的表面，在原位臵上留下空位，这种缺陷称为肖脱 基空位。 ┕ 金属中大部分为此空位。
肖脱基空位
弗兰克尔空位： 在晶格内原子热振动时，一些能量足够大的原子离开 平衡位臵后，进入晶格点的间隙位臵，变成间隙原子， 而在原来的位臵上形成一个空位，这种缺陷称为弗兰克 尔空位。
金属强度和位错的关系
晶须中：ρ =10m/cm3 1—理论强度(不含位错) 2—晶须强度(几乎不含位错的
——位错密度很小
1
2 强度
小晶体，变形抗力极高)
3—未强化纯金属强度（或退 火状态） 4 3 ρm 4—合金化、加工硬化或热处 理的合金强度 金属铁须晶(直径1.6μm)： 13400MPa， 退火工业纯铁：300MPa，
4 混合位错（实际晶体中常见）
在外力τ作用下，晶体两部分之间发生相对滑移，在 晶体内部已滑移和未滑移部分的交线既不垂直也不平行滑 移方向，而是一条曲线，它是刃型位错与螺旋位错的混合
型，这样的位错称为混合位错。
位错线上任意一点，经矢量分解后，可分解为刃位
错和螺位错分量。晶体中位错线的形状可以是任意的，但
G
D
H
F C
A
E
B
刃型位错示意图
刃型位错分类:
正刃位错：额外半原子面位于晶体的上半部，“┻”
负刃位错：额外半原子面位于晶体的下半部，“┳”
正刃位错
负刃位错
刃型位错的重要特征：
① 刃型位错有一额外半原子面 ② 位错线是一个具有一定宽度 的细长晶格畸变管道，既有切 应变，又有正应变，对于正刃
型位错，滑移面之上晶格受到
原因是：铝的层错能大，不易产生层错。
5 相界
晶界
不同晶体结构的 两相之间的分界 面
相界
金属材料内部的晶粒 (a)固溶处理的1Cr18Ni9Ti不锈钢中同一类的等轴晶粒（600×）
(b)黄铜H62（62%Cu,38%Zn)的两种晶粒（120×）
相界面结构类型: 共格界面、半共格界面、非共格界面。 共格界面: 界面上的原子同时位于两相晶格的结点上，为两种晶格所共有。 完全共格能量最低，畸变最小，但此相界很
点缺陷
缺陷的 类型
其特点：在三维方 向上的尺寸都很小， 缺陷的尺寸处在一、 两个原子大小的级 别，又称零维缺陷。
线缺陷
面缺陷
其特点：仅在二维方向上 的尺寸较大，而另外一维 方向上的尺寸很小，故也 称二维缺陷。
其特点：仅在 一维方向上的 尺寸较大，而 另外二维方向 上的尺寸都很 小，故也称一 维缺陷，通常 是指位错。
α
γ
⑶ 晶界内的吸附现象。 目的是降低晶界能 ┕即杂质原子向晶界的偏聚。 ⑷ 晶界对材料的塑性变形起阻碍作用，晶粒越细，界面积越 大，材料的强度和硬度越高。
┕晶界强化或细晶强化
⑸ 晶界由于有界面能，加之低熔点杂质含量较高，故其熔点 低于晶内； ⑹ 晶界容易被腐蚀和氧化。
小结
1 晶体缺陷的分类：点缺陷、线缺陷、面缺陷
第三节 实际金属的 晶体结构
引言
前面讨论的晶体是所谓的理想晶体，即原子或分子
在空间呈绝对规则的排列。但实际上晶体的某些区域 总是存在原子或分子的不规则排列，这就是晶体结构 缺陷，以下简称晶体缺陷。 晶体缺陷对晶体的性能和物理化学变化(如强度、 塑性、扩散、固态相变等)都有着重大的影响。
晶体结构缺陷的类型
刃型位错柏氏矢量的确定
从柏氏回路可知：刃型位错的柏氏矢量与其位错线相垂直 —刃位错的重要特征
螺旋位错柏氏矢量的确定 位错线 柏氏矢量
从柏氏回路可知：螺型位错的柏氏矢量与其位错线相平行
—螺位错的重要特征
柏氏矢量的特征：
⑴ 可判定位错性质： 位错线⊥柏氏矢量—刃型 位错线∥柏氏矢量—螺旋型 ⑵ 描述了晶格畸变总量的大小b与晶体滑移的方向，即指 出了滑移后晶体上下部相对位移的大小与方向。 ⑶ 一条位错线的柏氏矢量是恒定不变的。 ⑷ 对于一个位错来说，同时包含位错线和柏氏矢量的晶面 是潜在的滑移面。
压应力，滑移面之下受到拉应 力。负刃型位错与此相反。 ③ 位错线与晶体的滑移方向相垂直，位错线运动的方向垂直于 位错线。 注意：额外半原子面不一定是平面，可以是曲面。但是位错线一
定是垂直于滑移方向的，这是刃型位错的特征之一。
2 螺型位错
形成及定义：晶体在外 加切应力 τ 作用下，沿 ABCD 面 滑 移 ， 由 于 位 错线EF周围的一组原子 面形成了一个连续的螺 A 旋形坡面，故称为螺型
（1）外部介质的性质
（3）晶体表面的曲率
介质不同，表面能不同
曲率半径越小，表面能越大
（2）裸露晶面的原子密度 密排晶面，表面能小
2 晶界
晶界与界面能：晶界是成分结构相同的同种晶粒间的界面。界面上的 原子处在断键状态，具有超额能量。在界面单位面积上平均的超额能 θ 量叫界面能。
⑴小角度晶界 晶界的结构和性质与相邻晶粒的取向差有 关，当取向差θ小于10o 时，称为小角度 晶界。它由两个晶粒各倾斜θ/2构成的一
金属中的亚晶组织
亚晶界通常由位错构成
亚晶界模型