第3章 晶体缺陷(2)-位错的基本类型与特征

第3章晶体缺陷3.1 复习笔记一、点缺陷1．点缺陷的定义点缺陷是在结点上或邻近的微观区域内偏离晶体结构正常排列的一种缺陷。

2．点缺陷的特征尺寸范围约为一个或几个原子尺度，故称零维缺陷，包括空位、间隙原子、杂质或溶质原子。

3．点缺陷的形成晶体中，位于点阵结点上的原子以其平衡位置为中心作热振动，当某一原子具有足够大的振动能而使振幅增大到一定限度时，就可能克服周围原子对它的制约作用，跳离其原来的位置，使点阵中形成空结点，称为空位。

离开平衡位置的原子有三个去处：（1）迁移到晶体表面或内表面的正常结点位置上，而使晶体内部留下空位，称为肖特基（Schottky）缺陷；（2）挤入点阵的间隙位置，而在晶体中同时形成数目相等的空位和间隙原子，则称为弗仑克尔（Frenkel）缺陷；（3）跑到其他空位中，使空位消失或使空位移位；（4）在一定条件下，晶体表面上的原子也可能跑到晶体内部的间隙位置形成间隙原子图3.1 晶体中的点缺陷（a）肖特基缺陷（b）弗伦克尔缺陷（c）间隙原子4．点缺陷的平衡浓度（1）点缺陷存在的影响①造成点阵畸变，使晶体的内能升高，降低了晶体的热力学稳定性；②由于增大了原子排列的混乱程度，并改变了其周围原子的振动频率，引起组态熵和振动熵的改变，使晶体熵值增大，增加了晶体的热力学稳定性。

晶体组态熵的增值：最小，即式中，Q f为空位形成能，单位为J/mol，R为气体常数，R=8.31J/(mol·K)。

（2）点缺陷浓度的几个特点对离子晶体而言，无论是Schottky缺陷还是Frenkel缺陷均是成对出现的事实；同时离子晶体的点缺陷形成能一般都相当大，故在平衡状态下存在的点缺陷浓度是极其微小的。

二、线缺陷1．位错的定义晶体中某一列或若干列原子有规律的错排。

2．线缺陷的特征在两个方向上尺寸很小，另外一个方向上延伸较长，也称一维缺陷。

3．位错（1）位错的分类①刃型位错：晶体的一部分相对于另一部分出现一个多余的半排原子面。

位错的基本类型和特征晶体在不同的应力状态下，其滑移方式不同。

根据原子的滑移方向和位错线取向的几何特征不同，位错分为刃位错、螺位错和混合位错。

1. 刃位错（1）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。

AD是晶体已滑移部分和未滑移部分的交线，犹如砍入晶体的一把刀的刀刃，即刃位错（或棱位错）。

刃型位错形成的原因：晶体局部滑移造成的刃型位错（2）几何特征：位错线与原子滑移方向相垂直；滑移面上部位错线周围原子受压应力作用，原子间距小于正常晶格间距；滑移面下部位错线周围原子受拉应力作用，原子间距大于正常晶格间距。

刃型位错的分类：分类：正刃位错，“┴”；负刃位错，“┬”。

符号中水平线代表滑移面，垂直线代表半个原子面。

（3）刃型位错的结构特征①有一额外的半原子面，分正和负刃型位错；②位错线可理解为是已滑移区与未滑移区的边界线，可是直线也可是折线和曲线，但它们必与滑移方向和滑移矢量垂直;③只能在同时包含有位错线和滑移矢量的滑移平面上滑移；④位错周围点阵发生弹性畸变，有切应变，也有正应变；点阵畸变相对于多余半原子面是左右对称的，其程度随距位错线距离增大而减小。

就正刃型位错而言，上方受压，下方受拉。

⑤位错畸变区只有几个原子间距，是狭长的管道，故是线缺陷。

2. 螺位错（1）形成及定义：晶体在外加切应力τ作用下，沿ABCD面滑移，图中AD线为已滑移区与未滑移区的分界处。

由于位错线周围的一组原子面形成了一个连续的螺旋形坡面，形成螺位错。

晶体局部滑移造成的螺型位错（2）几何特征：位错线与原子滑移方向相平行；位错线周围原子的配置是螺旋状的。

螺型位错的分类：有左、右旋之分。

它们之间符合左手、右手螺旋定则。

（3）结构特征①螺型位错的结构特征无额外的半原子面，原子错排是轴对称的，分右旋和左旋螺型位错；②螺型位错线与滑移矢量平行，故一定是直线，位错线移动方向与晶体滑移方向垂直；③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；④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；⑤位错畸变区也是几个原子间距宽度，同样是线位错。

第3章晶体缺陷前言前面章节都是就理想状态的完整晶体而言，即晶体中所有的原子都在各自的平衡位置，处于能量最低状态。

然而在实际晶体中原子的排列不可能这样规则和完整，而是或多或少地存在离开理想的区域，出现不完整性。

正如我们日常生活中见到玉米棒上玉米粒的分布。

通常把这种偏离完整性的区域称为晶体缺陷（crystal defect; crystalline imperfection)。

缺陷的产生是与晶体的生成条件、晶体中原子的热运动、对晶体进行的加工过程以及其它因素的作用等有关。

但必须指出，缺陷的存在只是晶体中局部的破坏。

它只是一个很小的量(这指的是通常的情况)。

例如20℃时，Cu的空位浓度为3.8×10－17，充分退火后铁中的位错密度为1012m-2（空位、位错都是以后要介绍的缺陷形态）。

所以从占有原子百分数来说，晶体中的缺陷在数量上是微不足道的。

但是，晶体缺陷仍可以用相当确切的几何图像来描述。

在晶体中缺陷并不是静止地、稳定不变地存在着，而是随着各种条件的改变而不断变动的。

它们可以产生、发展、运动和交互作用，而且能合并消失。

晶体缺陷对晶体的许多性能有很大的影响，如电阻上升、磁矫顽力增大、扩散速率加快、抗腐蚀性能下降，特别对塑性、强度、扩散等有着决定性的作用。

20世纪初，X射线衍射方法的应用为金属研究开辟了新天地，使我们的认识深入到原子的水平；到30年代中期，泰勒与伯格斯等奠定了晶体位错理论的基础；50年代以后，电子显微镜的使用将显微组织和晶体结构之间的空白区域填补了起来，成为研究晶体缺陷和探明金属实际结构的主要手段，位错得到有力的实验观测证实；随即开展了大量的研究工作，澄清了金属塑性形变的微观机制和强化效应的物理本质。

按照晶体缺陷的几何形态以及相对于晶体的尺寸，或其影响范围的大小，可将其分为以下几类：1.点缺陷(point defects) 其特征是三个方向的尺寸都很小，不超过几个原子间距。

如：空位(vacancy)、间隙原子(interstitial atom)和置换原子(substitutional atom)。

位错的基本类型和特征位错的基本类型和特征什么是位错？位错（dislocation）是晶体中的一种结构缺陷，它代表了晶体中原子排列的变形和重组。

位错的存在对晶体的物理性质和机械性能具有重要影响。

位错的基本类型位错可以分为以下几个基本类型：1.直线位错：也称为边界位错（edge dislocation），可看作两个晶体之间的边界。

它是晶体中某个层面与其上方、下方的层面之间原子排列不一致所形成的。

2.螺旋位错：也称为线性位错（screw dislocation），是晶体中绕某一点形成螺旋状结构的位错。

它是由某一平面与其上方或下方的层面之间原子排列不一致所形成的。

3.混合位错：是直线位错和螺旋位错相互结合形成的位错。

位错的特征位错在晶体中具有以下特征：•位错存在与位错线（dislocation line）上，其形状可以是直线、螺旋状或弯曲的。

•位错的长度可以从纳米级到微米级，取决于材料的结晶度和应变状态。

•位错引入了局部应变场，使得晶体中原子间的距离发生变化。

•位错会导致局部应力场的形成，其中位错线附近有压应力和拉应力。

•位错可以移动和增殖，对物质的可塑性和断裂行为起重要作用。

位错的影响位错的存在对材料的性质和行为具有重要影响：•位错可以增加材料的塑性，使其具有更好的变形能力和可塑性。

•位错可以使材料的强度和硬度发生变化，影响其力学性能。

•位错还可以影响材料的电学、热学和光学性能，改变其导电性、热导率和光学吸收等特性。

•位错在材料的断裂行为中起重要作用，影响材料的断裂强度和断裂方式。

结论位错作为一种晶体中的结构缺陷，具有不可忽视的重要性。

通过研究位错的基本类型和特征，我们可以更好地理解材料的结构和性质，为材料的设计和应用提供更好的基础。

参考文献：1.Hirth, J. P., & Lothe, J. (1992). Theory of dislocations.Wiley.2.Hull, D., & Bacon, D. J. (2001). Introduction todislocations (Vol. 952). Butterworth-Heinemann.补充位错的性质和应用位错的形成原因位错的形成主要是由于晶体生长和形变过程中的原子排列不完美引起的。

材料科学基础位错部分知识点第三章晶体结构缺陷（位错部分）1.刃型位错及螺型位错的特征刃型位错特征：1）刃型位错是由一个多余半原子面所组成的线缺陷；2）位错滑移矢量(柏氏向量)垂直于位错线，而且滑移面是位错线和滑移矢量所构成唯一平面；3）位错的滑移运动是通过滑移面上方的原子面相对于下方原子面移动一个滑移矢量来实现的；4）刃型位错线的形状可以是直线、折线和曲线；5）晶体中产生刃型位错时，其周围的点阵发生弹性畸变，使晶体处于受力状态，既有正应变，又有切应变。

螺型位错特征：1)螺型位错是由原子错排呈轴线对称的一种线缺陷；2)螺型位错线与滑移矢量平行，因此，位错线只能是直线；3)螺型位错线的滑移方向与晶体滑移方向、应力矢量方向互相垂直；4)位错线与滑移矢量同方向的为右螺型位错；为此系与滑移矢量异向的为左螺型位错。

刃型位错螺型位错位错线和柏氏矢量关系（判断位错类型）⊥∥滑移方向∥b∥b位错线运动方向和柏氏矢量关系∥⊥相关概念（ppt上的，大概看一看）：A.位错运动与晶体滑移：通过位错运动可以在较小的外加载荷下晶体产生滑移，宏观显现为产生塑性变形。

B.位错线：位错产生点阵畸变区空间呈线状分布。

对于纯刃型位错，其可以描述为刃型位错多余半原子面的下端沿线。

为了与其它类型位错统一，位错线可表述为已滑移区与未滑移区的交界线。

C.混合型位错：在外力作用下，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(柏氏矢量b)，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。

）=l/V；单位面积内位错条数来表示位错密度：D.错位密度：单位体积内位错线的长度：ρv=n/S。

（金属中位错密度通常在106~8—1010~121/c㎡之间。

）ρs2.柏氏矢量：1）刃型位错和螺型位错的柏氏矢量表示：2）柏氏矢量的含义：柏氏矢量反映出柏氏回路包含的位错所引起点阵畸变的总累计。