材料科学基础 第3章 晶体缺陷

材料科学基础 第3章 晶体缺陷，介绍了点缺陷、位错、伯氏矢量、位错的运动、位错的攀移、位错的弹性性质、位错的交互与位错塞积、位错的生成、位错的增值、实际晶体的位错、面缺陷，个人总结 希望对你们有用。

晶体缺陷

• 定义:原子排列偏离完整性的区域
• 分类:
  • 点缺陷
    • 在三个方向上尺寸都很小，包括空位、间隙原子等
  • 线缺陷
    • 在两个方向上尺寸很小，包括位错
  • 面缺陷
    • 在一个方向上尺寸很小，包括晶界、相界等
• 点缺陷
  • （1）定义
    • ①结点上或邻近的微观区域内偏离晶体结构正常排列
  • （2）种类
    • ①空位
    • ②间隙原子
    • ③杂质
    • ④溶质原子
  • （3）形成原因
    • 重点
    • ①当原子热振动获得足够大的振动能时
      • 克服周围原子对它的制约作用
        • 迁移到新的位置（三个去处）
          • 形成点缺陷
  • （4）分类
    • 重点
    • ①肖特基缺陷
      • 原子迁移到晶体表面表面或内表面的正常结点位置上，而使晶体内部留下空位
    • ②弗仑克尔缺陷
      • 原子挤入点阵的空隙位置，而在晶体中同时形成数目相等的空位和间隙原子
    • ③杂质或溶质原子
      • 原子跑到其他空位中，使空位消失或使空位移位
  • （5）点缺陷的平衡浓度
    • 重点
    • ①空位的平衡浓度
      • 点阵畸变
        • 体系自由能升高
          • 热力学不稳定性
      • 排列混乱度大
        • 体系熵值升高
          • 热力学稳定性
      • 一定温度下，具有一定的热力学平衡浓度
        • 区别于其他晶体缺陷的重要特点
    • ②公式
      • • 子主题
    • ③点缺陷浓度的测定
      • 示差膨胀法
      • 正电子湮灭测定法
  • （6）能量变化
    • ①点缺陷造成弹性畸变
      • 发生点阵畸变
      • 割断键力
      • 改变周围的电子能
        • 使晶体内能升高
          • 体系自由能升高
            • 热力学稳定能降低
    • ②点缺陷造成原子排列混乱
      • 改变周围原子的振动频率
        • 导致组态熵和振动熵的改变
          • 晶体熵值增加
            • 热力学稳定性增加
  • （7）热平衡缺陷
    • ①由于热起伏促使原子脱离点阵位置而形成的点缺陷
  • （8）过饱和缺陷
    • 晶体中缺陷数量超过平衡浓度
  • （9）点缺陷对晶体的影响
    • ①电子层面
      • 附加电子散射
        • 电阻增加
      • 改变电子态
        • 影响物理性能
    • ②点阵畸变
      • 间隙原子
        • 体积膨胀1～2个原子体积
      • 空位
        • 体积膨胀0.5个原子体积
    • ③屈服强度
      • 过饱和点缺陷，如淬火空位、辐照缺陷，还可以提高金属的屈服强度
    • ④对扩散、内耗、高温形变和热处理等过程有重要影响
• 位错
  • （1）定义
    • ①位错
      • 是晶体原子排列的一种特殊组态
    • ②滑移线
      • 晶体中相邻两部分在切应力作用下沿着一定的晶面和晶向相对滑动，滑移的结果是在晶体表面表现出明显的滑移痕迹
  • （2）分类
    • ①刃型位错
    • ②螺型位错
    • ③混合位错
  • （3）刃型位错
    • ①定义
      • ABCD面（滑移面）上下两部分晶体之间产生了原子错排，故称“刃型位错”，多余的半原子面与滑移面的交线EF就称作刃型位错线
    • ②特点
      • a.有一个额外的半原子面
        • 正刃型位错，额外半原子面在滑移面以上
        • 负刃型位错，额外半原子面在滑移面以下
      • b.刃型位错线可以理解为晶体中已滑移与未滑移区的边界线
      • c.滑移面必须同时含有位错线和滑移矢量，滑移面唯一
        • 重点
      • d.位错线与滑移矢量垂直
      • e.刃型位错既有切应变，又有正应变，线缺陷
  • （4）螺型位错
    • ①定义
      • • 形成不吻合过渡区
          • 称为螺型位错
            • 形成畸变区
              • 纯剪切应变
    • ②特点
      • a.螺型位错无额外半原子面，原子排列呈轴对称
      • b.根据左右手定则，可分为左旋和右旋螺型位错
      • e.螺型位错周围的点阵也发生了弹性畸变，但是只出现平行与位错线的切应变而无正应变，不会引起体积的膨胀和收缩，且垂直于位错线的平面投影上，看不到原子的位移，看不到缺陷
      • c.螺型位错与滑移矢量平行，为直线，且位错线的移动方向与晶体滑移方向互相垂直
      • d.纯螺位错位错的滑移面不是唯一的，凡是包含螺型位错线的平面都可以作为它的滑移面
      • f.螺位错周围的点阵畸变随离位错线距离的增加而急剧减少，故也是线缺陷
  • （5）混合位错
    • ①定义
      • 滑移矢量既不平行也不垂直于位错线，而与位错线相交成任意角度
    • ②特点
  • （6）位错线特点
    • 一根位错线不能终止于晶体内部，只能露头与晶体表面或者晶界，若它终止于晶体内部，必然与其他位错线连接，形成位错环
• 伯氏矢量
  • （1）定义
    • ①反映位错区畸变的方向与程度
  • （2）确定伯氏矢量
    • ①刃型
      • 选定正方向，一般规定出纸面的方向为正方向
      • 实际晶体中，从任一原子出发，围绕位错（避开位错线附近的严重畸变区），以一定的步数做一右旋闭合回路，利用右旋定则，大拇指指向位错线正方向
      • 有晶体图时用右手法则 —中指b方向，食指位错线l方向 —拇指:上正下负
      • 无晶体图时用旋转法 —b顺时针方向转90° —顺正逆负
    • ②螺型
      • 基本与刃型位错的处理方法相同
      • 位错线正方向还是指向纸面外，左手左螺，右手右螺
      • 有晶体图时与螺纹判断方法一致，左螺，右螺
      • 无晶体图时用关系法，b与位错方向，顺右逆左
  • （3）伯氏矢量的特性
    • ①守恒性
      • 满足右螺旋规则时，伯氏矢量与伯氏回路无关
    • ②矢量性
      • 用伯氏回路求得的伯氏矢量为回路中包围的所有位错的伯氏矢量的综合
    • ③唯一性
      • 同一位错，伯氏矢量处处相等
    • ④连续性
      • 位错在晶体中的形态，形成闭合的位错环，连接于其他位错，终止在晶界，或者露头于晶体表面，但是不能中断于晶体内部
    • ⑥物理意义
  • （4）三种位错的比较及主要特性
  • （5）伯氏矢量的表示法
    • ①伯氏矢量的大小和方向可以用它在晶轴上的分量，即点阵矢量a,b,c表示
    • ②对于立方晶系，由a＝b＝c,故可用与伯氏矢量b同向的晶向指数表示
      • 立方晶系
• 位错的运动
  • （1）定义
    • 在外加切应力的作用下，通过位错中心附近的原子沿伯氏矢量方向在滑移面上不断地作少量的位移（小于一个原子间距）而逐步实现的
  • （2）螺型位错的滑移过程
    • ①过程
    • ②特点
      • 位错依次滑移，实现原子面的滑移
      • 滑移量＝伯氏矢量的模
      • t∥b，位错线∥t，位错运动方向垂直于t
      • t一定时，左右螺位错运动方向相反，但最终效果一样
      • 滑移面不唯一
  • （3）刃型位错的滑移过程
    • ①过程
    • ②特点
      • 位错线逐渐依次前进，实现两原子面的相对滑移
      • 滑移量等价于伯氏矢量的模
      • 外加t∥b，位错线垂直t
      • 位错线运动方向∥t
      • 滑移面唯一
      • t一定时，正负位错运动方向相反，但最终滑移效果相同
  • （4）位错滑移的特征比较
• 位错的攀移
  • （1）定义
    • ①刃型位错垂直于滑移面的方向运动
  • （2）分类
    • ①正攀移
      • 原子扩散离开位错线
        • 半原子面缩短
      • 空位扩散到达位错线
        • 半原子面缩短
    • ②负攀移
      • 原子扩散到达位错线
        • 半原子面伸长
      • 空穴扩散离开位错线
        • 半原子面伸长
  • （3）特点
    • 刃位错攀移垂直于滑移面运动
      • 非守恒运动
    • 属扩散过程
      • 需热激活
        • 高温易出现
  • （4）作用
    • 原滑移面上运动受阻
      • 攀移
        • 新滑移面
          • 滑移继续
    • 滑移不是塑性变形的主要机制
      • 可避开障碍物
        • 便于滑移
    • 滑移能力
      • 影响滑移进行
        • 进一步影响塑变能力
• 位错的弹性性质
  • （1）形成
    • 位错在晶体中存在，导致周围原子偏移平衡位置，而导致点阵畸变和弹性应力场的产生
  • （2）基本概念
    • 应力
      • 在所考察的截面某一点单位面积上的内力
    • 正应力
      • 同截面垂直的
    • 切应力
      • 同截面相切
    • 应变
      • 物体在受到外力作用下产生一定的变形，变形的程度
  • （3）位错的应力场
    • 连续介质模型
      • 对中心区域以外的区域适用
      • 完全弹性体，服从胡克定律
      • 各向同性
      • 连续介质，能用连续函数表示
    • 单元体应力分量
    • 柱坐标下的分量
  • （4）位错应变能
    • 位错周围点阵畸变
      • 引起弹性应力场
        • 晶体能量增加
    • 螺位错应变能
    • 刃位错应变能
    • 混合位错应变能
    • 位错应变能特点
  • （5）位错线张力
    • 定义
      • 位错受力
        • 位错线弯曲
          • 伸长
            • 能量上升
      • 位错线张力
        • 位错线变直
          • 缩短
            • 能量下降
    • 作用
      • 使位错变直
        • 降低位错能量
      • 相当于物质弹性
        • 亦称之为位错弹性性质
      • 类似于液体的表面张力
    • 公式
    • 实例
  • （6）作用在位错上的切应力
    • 公式
    • 特点
• 位错的交互与位错塞积
  • （1）平行位错的交互作用
    • ①同号位错
      • 同号位错相斥
        • 体系能量下降
    • ②异号位错
      • 异号位错合并，抵消或b减小
        • 异号位错相吸
          • 体系能量下降
  • （2）位错塞积
    • 位错滑移
      • 遇到障碍物
        • 产生位错塞积
          • 导致前端应力高度集中
            • 结果
              • 破裂
              • 障碍物另侧塑变
              • 交滑移、攀移
                • 越过障碍物继续滑移
              • 应力松弛
• 位错的生成
  • 重点
  • （1）凝固过程分布不均匀
    • 由于熔体中杂质原子在凝固过程中不均匀分布使晶体的先后凝固部分成分不同，从而点阵常数也有差异，可能形成位错作为过渡
  • （2）梯度、振动
    • 由于温度梯度、浓度梯度、机械振动等的影响，致使生长着的晶体偏转或弯曲引起相邻晶块之间的位相差，它们之间就会形成位错
  • （3）液流冲击
    • 晶体生长过程中由于相邻晶粒发生碰撞或因液流冲击，以及冷却时体积变化的热应力等原因会使晶体表面产生台阶或受力变形而形成位错
  • （4）自高温快速凝固
    • 由于自高温较快凝固及冷却时晶体内存在大量过饱和空位，空位的聚集形成位错
  • （5）组织应力作用
    • 晶体内部的某些界面（如第二相质点、挛品、晶界等）和微裂纹的附近，由于热应力和组织应力的作用，往往出现应力集中现象，当此应力高至足以使该局部区域发生滑移时，就在该区域产生位错
• 位错的增值
  • （1）弗兰克—里德位错源
  • （2）其他增值机制
    • ①螺位错双交滑移增值
    • ②L型位错源
• 实际晶体的位错
  • （1）点阵矢量
    • 不能任意两个点阵进行连接
      • 在符合能量条件和结构条件的前提下
        • 伯氏矢量必须连接一个原子平衡位置到另一个平衡位置
        • 从能量条件看
          • 由于位错能量正比于b的平方，b越小越稳定
  • （2）实际晶体中的位错类型
    • ①全位错
      • 伯氏矢量等于n倍包括n＝1点阵矢量
    • ②单位位错
      • n＝1
    • ③不全位错
      • 伯氏矢量大于点阵矢量
      • 伯氏矢量不是n倍点阵矢量
    • ④部分位错
      • n小于1
  • （3）形成位错的条件
    • ①形成单位位错的条件
      • 结构条件
        • 伯氏矢量必须连接一个原子平衡位置到另一个位置
      • 能量条件
        • 由于位错能量正比于b的平方，b越小越稳定
          • 密排面上一定有单位位错
      • 伯氏矢量=最短点阵矢量
    • 形成全位错的条件
      • 结构条件
        • 伯氏矢量必须连接一个原子平衡位置到另一个平衡位置
  • （4）全位错类型
  • （5）堆垛层错
    • ①形成
      • 实际晶体结构中，密排面的正常堆垛次序可能遭到破坏和错排，称为堆垛层错
    • ②分类
    • ③特点
      • 畸变很小，但仍有畸变能
      • 材料的层错能越低，层错数量越多
  • （6）不全位错（以fcc晶体为例）
    • ①形成
      • 若堆垛层错不发生在晶体整个原子面上而只是部分区域存在，那么，在层错与完整晶体的交界处就存在伯氏矢量不等于点阵矢量的不全位错
    • ②分类
    • ③肖克利不全位错
      • 伯氏矢量在滑移面上
        • 可以滑移
      • 位错运动
        • 相当于层错面的扩大或缩小
      • 肖克利位错类型
        • 刃位错、螺位错、混合位错
      • 位错线、伯氏矢量、滑移面共面
        • 肖克利位错线为平面曲线
    • ④弗兰克不全位错
      • 伯氏矢量垂直于滑移面
        • 不可滑移，只能攀移
      • 位错运动
        • 相当于层错面的扩大或缩小
      • 弗兰克位错类型
        • 纯刃位错
      • 位错线是空间曲线
  • （7）位错反应
    • ①目的
      • 位错合并
        • 两个或多个畸变场合并
      • 位错分解
        • 畸变场拆分两个或多个畸变场
      • 实质使畸变场的合并与拆分
        • 实现降低能量
    • ②反应条件
      • 能量条件
        • 反应前后伯氏矢量和相等（大小方向）
          • b1=b2+b3
      • 几何条件
        • 反应后能量变低，由于位错能正比于b的平方，近似用b计算
  • （8）扩展位错
    • ①定义
      • 一个全位错分解为两个不全位错，中间夹着一个层错的位错组态
    • ②形成过程
    • ③特点
      • 两个肖克利位错在同一滑移面上，同号，且伯氏矢量的夹角为60°到90°
      • 两个肖克利位错相互排斥而远离，但是由于层错的界面张力使其靠近，斥力与张力相平衡时形成稳定组态
  • （9）面角位错
    • ①定义
      • 三个不全位错与两片层错构成的位错组态
    • ②组态
      • fcc中除了弗兰克位错的又一类固定位错
    • ③形成过程
• 面缺陷
  • （1）分类
    • ①外表面
    • ②内表面
      • 晶界
        • 大角度晶界:相邻晶粒位向差大于10°
        • 小角度晶界:相邻晶粒位相差小于10°，亚晶界属于小角度晶界，位相差小于2°
          • 对称倾斜晶界
          • 不对称倾斜晶界
      • 孪晶界
      • 相界
  • （2）晶界
    • 定义
      • 晶体由许多晶粒组成，属于同一固相但位向不同的晶粒之间的界面
    • 晶界能
      • 适用于小角度晶界
    • 晶界特点
      • 细晶强化
        • 晶界处原子排列不规则，常温下晶界会阻碍位错运动，使塑性变形抗力提高，晶粒越细，材料强度越高
      • 耐腐蚀性差
        • 晶界能量较高，原子处于不稳定状态及晶界富集杂质原子，晶界腐蚀速度快
      • 扩散速度快
        • 晶界处原子偏离平衡位置，具有较高动能，且晶界处有较多缺陷，该处扩散速度快
      • 晶界内吸附
        • 晶界缺陷很多，结构复杂，易容纳异类原子，溶质原子或杂质原子在界面时会降低体系能量，即溶质原子的应力场与界面应力场产生复合，降低体系能量，造成晶界内吸附，可能对晶界强度产生影响
      • 易相变
        • 晶界处原子能量较高，缺陷多。晶体原子排列发生重排时，易在晶界处首先发生，即晶界是相变的首发地
  • （3）小角度晶界
    • ①分类
      • 对称倾斜晶界
        • 晶界两侧晶体互相倾斜
        • 同号刃位错垂直排列
      • 不对称倾斜晶界
        • 相互垂直的两组刃位错垂直排列
      • 特点
        • θ＜10°
        • 由位错构成
        • 位错密度越高
          • 位向差越高
            • 晶格畸变越高
              • 晶界能越高
  • （4）孪晶界
    • 两晶体沿公共晶面形成镜面对称关系
    • 分类
      • 共格界面
      • 非共格界面
  • （5）相界
    • ①定义
      • 相邻两相之间的界面
    • ②分类
      • 共格
        • 共格界面
        • 有弹性畸变的共格界面
      • 半共格界面
        • 部分共格+位错
      • 非共格界面
        • 点阵完全不重合

晶体缺陷

• 定义:原子排列偏离完整性的区域
• 分类:
  • 点缺陷
    • 在三个方向上尺寸都很小，包括空位、间隙原子等
  • 线缺陷
    • 在两个方向上尺寸很小，包括位错
  • 面缺陷
    • 在一个方向上尺寸很小，包括晶界、相界等
• 点缺陷
  • （1）定义
    • ①结点上或邻近的微观区域内偏离晶体结构正常排列
  • （2）种类
    • ①空位
    • ②间隙原子
    • ③杂质
    • ④溶质原子
  • （3）形成原因
    • 重点
    • ①当原子热振动获得足够大的振动能时
      • 克服周围原子对它的制约作用
        • 迁移到新的位置（三个去处）
          • 形成点缺陷
  • （4）分类
    • 重点
    • ①肖特基缺陷
      • 原子迁移到晶体表面表面或内表面的正常结点位置上，而使晶体内部留下空位
    • ②弗仑克尔缺陷
      • 原子挤入点阵的空隙位置，而在晶体中同时形成数目相等的空位和间隙原子
    • ③杂质或溶质原子
      • 原子跑到其他空位中，使空位消失或使空位移位
  • （5）点缺陷的平衡浓度
    • 重点
    • ①空位的平衡浓度
      • 点阵畸变
        • 体系自由能升高
          • 热力学不稳定性
      • 排列混乱度大
        • 体系熵值升高
          • 热力学稳定性
      • 一定温度下，具有一定的热力学平衡浓度
        • 区别于其他晶体缺陷的重要特点
    • ②公式
      • • 子主题
    • ③点缺陷浓度的测定
      • 示差膨胀法
      • 正电子湮灭测定法
  • （6）能量变化
    • ①点缺陷造成弹性畸变
      • 发生点阵畸变
      • 割断键力
      • 改变周围的电子能
        • 使晶体内能升高
          • 体系自由能升高
            • 热力学稳定能降低
    • ②点缺陷造成原子排列混乱
      • 改变周围原子的振动频率
        • 导致组态熵和振动熵的改变
          • 晶体熵值增加
            • 热力学稳定性增加
  • （7）热平衡缺陷
    • ①由于热起伏促使原子脱离点阵位置而形成的点缺陷
  • （8）过饱和缺陷
    • 晶体中缺陷数量超过平衡浓度
  • （9）点缺陷对晶体的影响
    • ①电子层面
      • 附加电子散射
        • 电阻增加
      • 改变电子态
        • 影响物理性能
    • ②点阵畸变
      • 间隙原子
        • 体积膨胀1～2个原子体积
      • 空位
        • 体积膨胀0.5个原子体积
    • ③屈服强度
      • 过饱和点缺陷，如淬火空位、辐照缺陷，还可以提高金属的屈服强度
    • ④对扩散、内耗、高温形变和热处理等过程有重要影响
• 位错
  • （1）定义
    • ①位错
      • 是晶体原子排列的一种特殊组态
    • ②滑移线
      • 晶体中相邻两部分在切应力作用下沿着一定的晶面和晶向相对滑动，滑移的结果是在晶体表面表现出明显的滑移痕迹
  • （2）分类
    • ①刃型位错
    • ②螺型位错
    • ③混合位错
  • （3）刃型位错
    • ①定义
      • ABCD面（滑移面）上下两部分晶体之间产生了原子错排，故称“刃型位错”，多余的半原子面与滑移面的交线EF就称作刃型位错线
    • ②特点
      • a.有一个额外的半原子面
        • 正刃型位错，额外半原子面在滑移面以上
        • 负刃型位错，额外半原子面在滑移面以下
      • b.刃型位错线可以理解为晶体中已滑移与未滑移区的边界线
      • c.滑移面必须同时含有位错线和滑移矢量，滑移面唯一
        • 重点
      • d.位错线与滑移矢量垂直
      • e.刃型位错既有切应变，又有正应变，线缺陷
  • （4）螺型位错
    • ①定义
      • • 形成不吻合过渡区
          • 称为螺型位错
            • 形成畸变区
              • 纯剪切应变
    • ②特点
      • a.螺型位错无额外半原子面，原子排列呈轴对称
      • b.根据左右手定则，可分为左旋和右旋螺型位错
      • e.螺型位错周围的点阵也发生了弹性畸变，但是只出现平行与位错线的切应变而无正应变，不会引起体积的膨胀和收缩，且垂直于位错线的平面投影上，看不到原子的位移，看不到缺陷
      • c.螺型位错与滑移矢量平行，为直线，且位错线的移动方向与晶体滑移方向互相垂直
      • d.纯螺位错位错的滑移面不是唯一的，凡是包含螺型位错线的平面都可以作为它的滑移面
      • f.螺位错周围的点阵畸变随离位错线距离的增加而急剧减少，故也是线缺陷
  • （5）混合位错
    • ①定义
      • 滑移矢量既不平行也不垂直于位错线，而与位错线相交成任意角度
    • ②特点
  • （6）位错线特点
    • 一根位错线不能终止于晶体内部，只能露头与晶体表面或者晶界，若它终止于晶体内部，必然与其他位错线连接，形成位错环
• 伯氏矢量
  • （1）定义
    • ①反映位错区畸变的方向与程度
  • （2）确定伯氏矢量
    • ①刃型
      • 选定正方向，一般规定出纸面的方向为正方向
      • 实际晶体中，从任一原子出发，围绕位错（避开位错线附近的严重畸变区），以一定的步数做一右旋闭合回路，利用右旋定则，大拇指指向位错线正方向
      • 有晶体图时用右手法则 —中指b方向，食指位错线l方向 —拇指:上正下负
      • 无晶体图时用旋转法 —b顺时针方向转90° —顺正逆负
    • ②螺型
      • 基本与刃型位错的处理方法相同
      • 位错线正方向还是指向纸面外，左手左螺，右手右螺
      • 有晶体图时与螺纹判断方法一致，左螺，右螺
      • 无晶体图时用关系法，b与位错方向，顺右逆左
  • （3）伯氏矢量的特性
    • ①守恒性
      • 满足右螺旋规则时，伯氏矢量与伯氏回路无关
    • ②矢量性
      • 用伯氏回路求得的伯氏矢量为回路中包围的所有位错的伯氏矢量的综合
    • ③唯一性
      • 同一位错，伯氏矢量处处相等
    • ④连续性
      • 位错在晶体中的形态，形成闭合的位错环，连接于其他位错，终止在晶界，或者露头于晶体表面，但是不能中断于晶体内部
    • ⑥物理意义
  • （4）三种位错的比较及主要特性
  • （5）伯氏矢量的表示法
    • ①伯氏矢量的大小和方向可以用它在晶轴上的分量，即点阵矢量a,b,c表示
    • ②对于立方晶系，由a＝b＝c,故可用与伯氏矢量b同向的晶向指数表示
      • 立方晶系
• 位错的运动
  • （1）定义
    • 在外加切应力的作用下，通过位错中心附近的原子沿伯氏矢量方向在滑移面上不断地作少量的位移（小于一个原子间距）而逐步实现的
  • （2）螺型位错的滑移过程
    • ①过程
    • ②特点
      • 位错依次滑移，实现原子面的滑移
      • 滑移量＝伯氏矢量的模
      • t∥b，位错线∥t，位错运动方向垂直于t
      • t一定时，左右螺位错运动方向相反，但最终效果一样
      • 滑移面不唯一
  • （3）刃型位错的滑移过程
    • ①过程
    • ②特点
      • 位错线逐渐依次前进，实现两原子面的相对滑移
      • 滑移量等价于伯氏矢量的模
      • 外加t∥b，位错线垂直t
      • 位错线运动方向∥t
      • 滑移面唯一
      • t一定时，正负位错运动方向相反，但最终滑移效果相同
  • （4）位错滑移的特征比较
• 位错的攀移
  • （1）定义
    • ①刃型位错垂直于滑移面的方向运动
  • （2）分类
    • ①正攀移
      • 原子扩散离开位错线
        • 半原子面缩短
      • 空位扩散到达位错线
        • 半原子面缩短
    • ②负攀移
      • 原子扩散到达位错线
        • 半原子面伸长
      • 空穴扩散离开位错线
        • 半原子面伸长
  • （3）特点
    • 刃位错攀移垂直于滑移面运动
      • 非守恒运动
    • 属扩散过程
      • 需热激活
        • 高温易出现
  • （4）作用
    • 原滑移面上运动受阻
      • 攀移
        • 新滑移面
          • 滑移继续
    • 滑移不是塑性变形的主要机制
      • 可避开障碍物
        • 便于滑移
    • 滑移能力
      • 影响滑移进行
        • 进一步影响塑变能力
• 位错的弹性性质
  • （1）形成
    • 位错在晶体中存在，导致周围原子偏移平衡位置，而导致点阵畸变和弹性应力场的产生
  • （2）基本概念
    • 应力
      • 在所考察的截面某一点单位面积上的内力
    • 正应力
      • 同截面垂直的
    • 切应力
      • 同截面相切
    • 应变
      • 物体在受到外力作用下产生一定的变形，变形的程度
  • （3）位错的应力场
    • 连续介质模型
      • 对中心区域以外的区域适用
      • 完全弹性体，服从胡克定律
      • 各向同性
      • 连续介质，能用连续函数表示
    • 单元体应力分量
    • 柱坐标下的分量
  • （4）位错应变能
    • 位错周围点阵畸变
      • 引起弹性应力场
        • 晶体能量增加
    • 螺位错应变能
    • 刃位错应变能
    • 混合位错应变能
    • 位错应变能特点
  • （5）位错线张力
    • 定义
      • 位错受力
        • 位错线弯曲
          • 伸长
            • 能量上升
      • 位错线张力
        • 位错线变直
          • 缩短
            • 能量下降
    • 作用
      • 使位错变直
        • 降低位错能量
      • 相当于物质弹性
        • 亦称之为位错弹性性质
      • 类似于液体的表面张力
    • 公式
    • 实例
  • （6）作用在位错上的切应力
    • 公式
    • 特点
• 位错的交互与位错塞积
  • （1）平行位错的交互作用
    • ①同号位错
      • 同号位错相斥
        • 体系能量下降
    • ②异号位错
      • 异号位错合并，抵消或b减小
        • 异号位错相吸
          • 体系能量下降
  • （2）位错塞积
    • 位错滑移
      • 遇到障碍物
        • 产生位错塞积
          • 导致前端应力高度集中
            • 结果
              • 破裂
              • 障碍物另侧塑变
              • 交滑移、攀移
                • 越过障碍物继续滑移
              • 应力松弛
• 位错的生成
  • 重点
  • （1）凝固过程分布不均匀
    • 由于熔体中杂质原子在凝固过程中不均匀分布使晶体的先后凝固部分成分不同，从而点阵常数也有差异，可能形成位错作为过渡
  • （2）梯度、振动
    • 由于温度梯度、浓度梯度、机械振动等的影响，致使生长着的晶体偏转或弯曲引起相邻晶块之间的位相差，它们之间就会形成位错
  • （3）液流冲击
    • 晶体生长过程中由于相邻晶粒发生碰撞或因液流冲击，以及冷却时体积变化的热应力等原因会使晶体表面产生台阶或受力变形而形成位错
  • （4）自高温快速凝固
    • 由于自高温较快凝固及冷却时晶体内存在大量过饱和空位，空位的聚集形成位错
  • （5）组织应力作用
    • 晶体内部的某些界面（如第二相质点、挛品、晶界等）和微裂纹的附近，由于热应力和组织应力的作用，往往出现应力集中现象，当此应力高至足以使该局部区域发生滑移时，就在该区域产生位错
• 位错的增值
  • （1）弗兰克—里德位错源
  • （2）其他增值机制
    • ①螺位错双交滑移增值
    • ②L型位错源
• 实际晶体的位错
  • （1）点阵矢量
    • 不能任意两个点阵进行连接
      • 在符合能量条件和结构条件的前提下
        • 伯氏矢量必须连接一个原子平衡位置到另一个平衡位置
        • 从能量条件看
          • 由于位错能量正比于b的平方，b越小越稳定
  • （2）实际晶体中的位错类型
    • ①全位错
      • 伯氏矢量等于n倍包括n＝1点阵矢量
    • ②单位位错
      • n＝1
    • ③不全位错
      • 伯氏矢量大于点阵矢量
      • 伯氏矢量不是n倍点阵矢量
    • ④部分位错
      • n小于1
  • （3）形成位错的条件
    • ①形成单位位错的条件
      • 结构条件
        • 伯氏矢量必须连接一个原子平衡位置到另一个位置
      • 能量条件
        • 由于位错能量正比于b的平方，b越小越稳定
          • 密排面上一定有单位位错
      • 伯氏矢量=最短点阵矢量
    • 形成全位错的条件
      • 结构条件
        • 伯氏矢量必须连接一个原子平衡位置到另一个平衡位置
  • （4）全位错类型
  • （5）堆垛层错
    • ①形成
      • 实际晶体结构中，密排面的正常堆垛次序可能遭到破坏和错排，称为堆垛层错
    • ②分类
    • ③特点
      • 畸变很小，但仍有畸变能
      • 材料的层错能越低，层错数量越多
  • （6）不全位错（以fcc晶体为例）
    • ①形成
      • 若堆垛层错不发生在晶体整个原子面上而只是部分区域存在，那么，在层错与完整晶体的交界处就存在伯氏矢量不等于点阵矢量的不全位错
    • ②分类
    • ③肖克利不全位错
      • 伯氏矢量在滑移面上
        • 可以滑移
      • 位错运动
        • 相当于层错面的扩大或缩小
      • 肖克利位错类型
        • 刃位错、螺位错、混合位错
      • 位错线、伯氏矢量、滑移面共面
        • 肖克利位错线为平面曲线
    • ④弗兰克不全位错
      • 伯氏矢量垂直于滑移面
        • 不可滑移，只能攀移
      • 位错运动
        • 相当于层错面的扩大或缩小
      • 弗兰克位错类型
        • 纯刃位错
      • 位错线是空间曲线
  • （7）位错反应
    • ①目的
      • 位错合并
        • 两个或多个畸变场合并
      • 位错分解
        • 畸变场拆分两个或多个畸变场
      • 实质使畸变场的合并与拆分
        • 实现降低能量
    • ②反应条件
      • 能量条件
        • 反应前后伯氏矢量和相等（大小方向）
          • b1=b2+b3
      • 几何条件
        • 反应后能量变低，由于位错能正比于b的平方，近似用b计算
  • （8）扩展位错
    • ①定义
      • 一个全位错分解为两个不全位错，中间夹着一个层错的位错组态
    • ②形成过程
    • ③特点
      • 两个肖克利位错在同一滑移面上，同号，且伯氏矢量的夹角为60°到90°
      • 两个肖克利位错相互排斥而远离，但是由于层错的界面张力使其靠近，斥力与张力相平衡时形成稳定组态
  • （9）面角位错
    • ①定义
      • 三个不全位错与两片层错构成的位错组态
    • ②组态
      • fcc中除了弗兰克位错的又一类固定位错
    • ③形成过程
• 面缺陷
  • （1）分类
    • ①外表面
    • ②内表面
      • 晶界
        • 大角度晶界:相邻晶粒位向差大于10°
        • 小角度晶界:相邻晶粒位相差小于10°，亚晶界属于小角度晶界，位相差小于2°
          • 对称倾斜晶界
          • 不对称倾斜晶界
      • 孪晶界
      • 相界
  • （2）晶界
    • 定义
      • 晶体由许多晶粒组成，属于同一固相但位向不同的晶粒之间的界面
    • 晶界能
      • 适用于小角度晶界
    • 晶界特点
      • 细晶强化
        • 晶界处原子排列不规则，常温下晶界会阻碍位错运动，使塑性变形抗力提高，晶粒越细，材料强度越高
      • 耐腐蚀性差
        • 晶界能量较高，原子处于不稳定状态及晶界富集杂质原子，晶界腐蚀速度快
      • 扩散速度快
        • 晶界处原子偏离平衡位置，具有较高动能，且晶界处有较多缺陷，该处扩散速度快
      • 晶界内吸附
        • 晶界缺陷很多，结构复杂，易容纳异类原子，溶质原子或杂质原子在界面时会降低体系能量，即溶质原子的应力场与界面应力场产生复合，降低体系能量，造成晶界内吸附，可能对晶界强度产生影响
      • 易相变
        • 晶界处原子能量较高，缺陷多。晶体原子排列发生重排时，易在晶界处首先发生，即晶界是相变的首发地
  • （3）小角度晶界
    • ①分类
      • 对称倾斜晶界
        • 晶界两侧晶体互相倾斜
        • 同号刃位错垂直排列
      • 不对称倾斜晶界
        • 相互垂直的两组刃位错垂直排列
      • 特点
        • θ＜10°
        • 由位错构成
        • 位错密度越高
          • 位向差越高
            • 晶格畸变越高
              • 晶界能越高
  • （4）孪晶界
    • 两晶体沿公共晶面形成镜面对称关系
    • 分类
      • 共格界面
      • 非共格界面
  • （5）相界
    • ①定义
      • 相邻两相之间的界面
    • ②分类
      • 共格
        • 共格界面
        • 有弹性畸变的共格界面
      • 半共格界面
        • 部分共格+位错
      • 非共格界面
        • 点阵完全不重合