1、第二章錯(cuò)位理論。構(gòu)成物體的原子、離子或分子完全按照空間晶格規(guī)則排列，這種晶體被稱為理想晶體。在實(shí)際晶體中，原子的排列不可能如此規(guī)則和完整，但或多或少會(huì)有偏離理想結(jié)構(gòu)的區(qū)域，導(dǎo)致不完整。一般來說，實(shí)際晶體中偏離理想晶格結(jié)構(gòu)的區(qū)域稱為晶體缺陷。根據(jù)幾何特征，晶體缺陷可分為三種類型：(1)點(diǎn)缺陷，(2)線缺陷，(3)表面缺陷，(1)點(diǎn)缺陷：其特征是三維空間各個(gè)方向的尺寸都很小，也稱為零維缺陷。如空位、間隙原子等。(2)線缺陷：以兩個(gè)方向的小尺寸和一個(gè)方向的大尺寸為特征，也稱為一維缺陷。如晶體中的各種位錯(cuò)。(3)表面缺陷：以一個(gè)方向的小尺寸和另兩個(gè)方向的大尺寸為特征，也稱為二維缺陷。例如晶界、相界、堆

2、垛層錯(cuò)、晶體表面等。研究晶體缺陷的意義：(1)晶體中缺陷的分布和運(yùn)動(dòng)對(duì)晶體的某些性質(zhì)(如金屬的屈服強(qiáng)度、半導(dǎo)體的電阻率等)有很大的影響。)。(2)晶體缺陷通常對(duì)晶體的塑性、強(qiáng)度、擴(kuò)散和其他結(jié)構(gòu)敏感性起主要作用，而晶體的整個(gè)部分處于次要位置。因此，研究晶體缺陷，了解晶體缺陷的基本性質(zhì)，具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。點(diǎn)缺陷：晶體中的點(diǎn)缺陷：包括空位、間隙原子和溶質(zhì)原子，以及小尺寸配合物(如空位對(duì)或空位片等)。)由它們組成。點(diǎn)缺陷類型：有三種基本類型：空位、間隙原子和替換原子。晶體中的空位，位于晶格結(jié)點(diǎn)的原子不是靜止的，而是在其平衡位置熱振動(dòng)的。在一定的溫度下，原子熱振動(dòng)的平均能量是恒定的，但每個(gè)原子的

3、能量并不完全相等，而且變化頻繁，一個(gè)接一個(gè)。在某個(gè)時(shí)刻，一些原子大到足以克服周圍原子的束縛，可能會(huì)離開它們?cè)瓉淼钠胶馕恢谩Ｒ虼?，在原始位置有空?jié)點(diǎn)，這被稱為空缺。離開平衡位置的原子可以有兩個(gè)位置：(1)遷移到晶體表面，僅在原始位置形成空位，不形成間隙原子，這被稱為肖特基缺陷(圖A)；(2)遷移到晶格間隙中，形成的空位稱為Frenkeldefece，同時(shí)產(chǎn)生間隙原子(圖B)。肖特基空位。間隙原子間隙原子：進(jìn)入晶格間隙的原子?？梢允蔷w本身固有的原子(自填隙原子)；它也可以是小尺寸的外來原子(溶質(zhì)原子或雜質(zhì)原子)。外星原子：如果它取代了晶體本身的原子并落在晶格結(jié)點(diǎn)上，它就被稱為替代原子。間隙原子：

4、它周圍的原子偏離平衡位置，導(dǎo)致晶格膨脹和晶格扭曲。取代原子那些占據(jù)原基體原子平衡位置的異質(zhì)原子稱為取代原子。替換原子的半徑通常不同于原始基體原子的半徑，從而導(dǎo)致晶格畸變。空位和間隙原子的形成與溫度密切相關(guān)。通常，空位或間隙原子的數(shù)量隨著溫度的升高而增加。因此，點(diǎn)缺陷也稱為熱缺陷。晶體中的點(diǎn)缺陷并不都是由原子的熱運(yùn)動(dòng)引起的。高能粒子(如粒子、高速電子和中子)的冷變形加工和轟擊(輻照)也會(huì)產(chǎn)生點(diǎn)缺陷。熱平衡缺陷：熱力學(xué)分析表明，在高于0K的任何溫度下，晶體的最穩(wěn)定狀態(tài)不是完整晶體，而是具有一定濃度的點(diǎn)缺陷狀態(tài)，即該濃度下的最低自由能。這種濃度被稱為該溫度下晶體中點(diǎn)缺陷的平衡濃度。具有平衡濃度的缺陷

5、也稱為熱平衡缺陷。熱平衡缺陷及其集中：一方面，晶體中點(diǎn)缺陷的存在導(dǎo)致晶格畸變，這增加了晶體的內(nèi)能，增加了熱力學(xué)不穩(wěn)定性。另一方面，原子排列越混亂，晶體越穩(wěn)定，因?yàn)樗淖兞酥車拥恼駝?dòng)頻率，增加了晶體的熵值。因此，這兩個(gè)矛盾的因素導(dǎo)致了在一定溫度下晶體中點(diǎn)缺陷的一定平衡數(shù)。點(diǎn)缺陷的濃度稱為該溫度下的熱力學(xué)平衡濃度。在一定溫度下，晶體具有一定的熱力學(xué)平衡濃度，這是區(qū)別點(diǎn)缺陷和其他類型晶體缺陷的一個(gè)重要特征。晶體中空位缺陷的平衡濃度：在溫度t和壓力p的條件下，從由n個(gè)原子組成的完整晶體中除去n個(gè)原子，即產(chǎn)生n個(gè)空位。晶體中空位缺陷的平衡濃度定義為：-是空位形成的能量，k-玻爾茲曼常數(shù)?？瘴缓烷g隙原

6、子的平衡濃度隨溫度的升高而急劇增加，呈指數(shù)關(guān)系。非平衡點(diǎn)缺陷：在點(diǎn)缺陷的平衡濃度下，晶體自由能最低且最穩(wěn)定。然而，在某些情況下，晶體中點(diǎn)缺陷的濃度可能高于平衡濃度。這種點(diǎn)缺陷稱為過飽和點(diǎn)缺陷或非平衡點(diǎn)缺陷。獲得過飽和點(diǎn)缺陷通常有幾種方法：(1)高溫淬火熱力學(xué)分析表明，隨著溫度的升高，晶體中的空位濃度急劇增加。如果晶體被加熱到高溫，然后迅速冷卻(淬火)，在高溫下形成的空位將不能擴(kuò)散和消失，并且在高溫狀態(tài)下的空位濃度，即過飽和空位，將保持在低溫下。(2)冷加工金屬在室溫下的冷加工塑性變形也會(huì)產(chǎn)生大量的過飽和空位，這是由于位錯(cuò)輸送形成的切削步驟的縮放。(3)在高能粒子的照射下，晶格上的原子被敲除，原

7、子發(fā)生位錯(cuò)。此外，錯(cuò)位原子的能量很高，其他原子在進(jìn)入穩(wěn)定間隙之前將被撞擊，從而形成大量相等間隙的原子和空位(即弗蘭克爾缺陷)。一般來說，晶體點(diǎn)缺陷的平衡濃度極低，對(duì)金屬的機(jī)械性能影響很小。然而，在高能粒子的照射下，由于形成大量點(diǎn)缺陷，金屬將顯著硬化和脆化，這被稱為“輻射硬化”。點(diǎn)缺陷的運(yùn)動(dòng)：晶體中的點(diǎn)缺陷不是固定的，而是在不斷變化的位置上運(yùn)動(dòng)。由于熱振動(dòng)能量的波動(dòng)，空位周圍的原子躍遷到空位中，從而在原子的原始位置形成空位。這個(gè)過程是空位向相鄰節(jié)點(diǎn)的遷移。如圖所示，(一)原始位置；(b)中級(jí)職位；遷移后，職位空缺從職位A遷移到職位B，17歲。當(dāng)原子在位置C時(shí)，它處于能量較高的不穩(wěn)定狀態(tài)。空位遷移

8、必須獲得足夠的能量來克服這一障礙，稱為空位遷移活化能Em。一些金屬晶體的空位遷移活化能Em和一些晶體的Em的實(shí)驗(yàn)值如下表所示。晶體中的間隙原子：由于熱振動(dòng)，它們也可以從一個(gè)間隙位置遷移到另一個(gè)間隙位置，只是它們的遷移活化能比空位的遷移活化能小得多。在間隙原子運(yùn)動(dòng)的過程中，當(dāng)它遇到空位時(shí)，它會(huì)落入空位，兩者都會(huì)消失。這個(gè)過程叫做重組，也叫做“湮滅”。點(diǎn)缺陷對(duì)金屬性能的影響：(1)點(diǎn)缺陷的存在導(dǎo)致晶體體積膨脹，密度降低。如果形成肖特基缺陷，體積膨脹約為0.5原子體積。并產(chǎn)生一個(gè)間隙原子，約1 2個(gè)原子體積。(2)點(diǎn)缺陷導(dǎo)致電阻增加。晶體中存在點(diǎn)缺陷，這導(dǎo)致傳導(dǎo)電子的額外散射并增加電阻。例如，銅中每

9、有1%的空位，電阻率就會(huì)增加1.5cm。(3)位錯(cuò)是晶體中常見的線性缺陷，對(duì)晶體生長、相變、塑性變形、斷裂等物理化學(xué)性質(zhì)有重要影響。位錯(cuò)理論是現(xiàn)代物理冶金和材料科學(xué)的基礎(chǔ)。錯(cuò)位概念：它不是幻想的產(chǎn)物，相反，它的理解是基于深刻的科學(xué)實(shí)驗(yàn)。位錯(cuò)的概念是人們?cè)趯?duì)晶體強(qiáng)度進(jìn)行一系列理論計(jì)算后首次提出的。在許多實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，晶體的實(shí)際強(qiáng)度遠(yuǎn)低于其理論強(qiáng)度，因此不能用理想晶體模型來解釋。在此基礎(chǔ)上，有人提出。塑性變形是提高金屬強(qiáng)度和制造金屬產(chǎn)品的重要手段。早在位錯(cuò)被認(rèn)識(shí)之前，晶體塑性變形的宏觀規(guī)律就已被廣泛研究。發(fā)現(xiàn)塑性變形的主要方式是滑移，即在剪應(yīng)力的作用下，晶體的相鄰部分相對(duì)滑動(dòng)。晶體滑移：總是沿著某一

10、滑移面(緊密堆積面)及其上方的一個(gè)滑移方向，只有當(dāng)剪切應(yīng)力達(dá)到某一臨界值時(shí)，滑移才開始。這種剪應(yīng)力稱為臨界剪應(yīng)力，即晶體的剪切強(qiáng)度。1926年，弗蘭克爾根據(jù)剛性滑移模型計(jì)算了晶體的理論強(qiáng)度。假設(shè)滑動(dòng)面上沿滑動(dòng)方向施加的剪切應(yīng)力為，滑動(dòng)面上上部晶體相對(duì)于下部晶體的位移為x。然后將所需的設(shè)置為周期函數(shù)：當(dāng)位移很小時(shí)(xa)，我們可以得到：從胡克定律，我們可以得到：其中：是晶體的理論強(qiáng)度。如果取ab，則為晶體滑移的理論臨界剪切應(yīng)力(理論剪切強(qiáng)度)。之后，理想的完整晶體開始滑動(dòng)和變形。與晶體的實(shí)際強(qiáng)度相比，G/2顯得太大，平均金屬： g 104 105 MPa， m 103 104 MPa，但平均純金

11、屬單晶的實(shí)際剪切強(qiáng)度只有1 10 MPa。通過實(shí)驗(yàn)測得的實(shí)際強(qiáng)度至少比理論強(qiáng)度低3個(gè)數(shù)量級(jí)。理論剪切強(qiáng)度和實(shí)際剪切強(qiáng)度之間的巨大差異從根本上否定了理想完整晶體剛性相對(duì)滑移的假設(shè)，即實(shí)際晶體是不完整的和有缺陷的。滑移也不是剛性的，而是從晶體中的局部薄弱區(qū)域(即缺陷)開始逐步進(jìn)行的。1934年，泰勒、波蘭尼和奧羅萬幾乎同時(shí)從晶體學(xué)的角度提出了位錯(cuò)的概念。特別是，泰勒把位錯(cuò)和晶體的塑性變形聯(lián)系起來，并開始建立和逐漸發(fā)展位錯(cuò)理論。直到1950年，電子顯微鏡實(shí)驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展才證實(shí)了位錯(cuò)的存在和運(yùn)動(dòng)。在透射電鏡下觀察了316L(00Cr17Ni14Mo2)不銹鋼的位錯(cuò)線和位錯(cuò)纏結(jié)。位錯(cuò)型：位錯(cuò)：本質(zhì)上是原子

12、的一種特殊構(gòu)型。熟悉其結(jié)構(gòu)特征是掌握位錯(cuò)各種性質(zhì)的基礎(chǔ)。根據(jù)原子滑移方向和位錯(cuò)線取向的不同幾何特征，位錯(cuò)分為邊緣位錯(cuò)、螺旋位錯(cuò)和混合位錯(cuò)。27，1，邊緣位錯(cuò)，在外部剪切應(yīng)力的作用下，晶體以ABCD面為滑移面滑移，EFGH面向左滑移，尚未向右滑移，導(dǎo)致ABCD面上下晶體之間的原子位錯(cuò)?；瑒?dòng)面分為滑動(dòng)區(qū)和非滑動(dòng)區(qū)，稱為“位錯(cuò)”。EFGH晶面被稱為多重半原子面。刃形位錯(cuò)圖，這種位錯(cuò)就像一把插入晶體的刀，有一個(gè)刃形多余的半原子表面，所以稱為“刃形位錯(cuò)”(或刃形位錯(cuò))?！扒邢魅小盓F被稱為刃位錯(cuò)線。嘿。28，邊緣位錯(cuò)的結(jié)構(gòu)特征，1)還有一個(gè)附加的半原子平面。晶體上半部分具有更多原子平面的位錯(cuò)稱為正邊緣位

13、錯(cuò)，用符號(hào)“”表示，而負(fù)邊緣位錯(cuò)用“.”表示這種積極和消極的區(qū)別只是相對(duì)的意義，沒有本質(zhì)的區(qū)別。如果晶體旋轉(zhuǎn)180度，同一位錯(cuò)的符號(hào)就會(huì)改變。邊緣位錯(cuò)平面圖正邊緣位錯(cuò)-負(fù)邊緣位錯(cuò)-，。231和3)邊緣位置位錯(cuò)線EF垂直于滑移矢量B，滑移面是位錯(cuò)線EF和滑移矢量B形成的唯一平面.位錯(cuò)不能在其他表面滑動(dòng)。32，4)晶體中存在邊緣位錯(cuò)，導(dǎo)致其周圍晶格的彈性變形，包括剪切應(yīng)變和正應(yīng)變。正邊緣位錯(cuò)：滑動(dòng)面上方晶格的壓應(yīng)力和滑動(dòng)面下方晶格的拉應(yīng)力。負(fù)邊緣位錯(cuò)是相反的。33，5)位錯(cuò)線周圍的過渡區(qū)(畸變區(qū))中的每個(gè)原子具有較大的平均能量。但是只有2 5個(gè)原子有很寬的間距，并且是又長又窄的管道。嘿。34，螺絲

14、錯(cuò)位。在外部剪切應(yīng)力的作用下，晶體右端的上下區(qū)域在ABCD處發(fā)生原子間距剪切。BC是滑動(dòng)帶和非滑動(dòng)帶的結(jié)合點(diǎn)，即錯(cuò)誤的線。當(dāng)BC線和aa線之間的原子失去正常的相鄰關(guān)系時(shí)，該連接變成螺旋路徑，并且被該路徑包圍的長管狀原子的無序區(qū)域變成螺旋位錯(cuò)。螺旋位錯(cuò)的原子組態(tài)，35，根據(jù)進(jìn)動(dòng)方向的不同，螺旋位錯(cuò)有左、右兩點(diǎn)。右手法則：右手的拇指代表螺旋的前進(jìn)方向，另外四個(gè)手指代表螺旋的旋轉(zhuǎn)方向。任何右旋位錯(cuò)都稱為右旋位錯(cuò)。那些符合左手法則的稱為左旋錯(cuò)位。嘿。36、螺旋位錯(cuò)特性，1)沒有附加的半原子表面，原子的位錯(cuò)是軸對(duì)稱的。2)螺旋位錯(cuò)線平行于滑移矢量，所以它必須是一條直線，位錯(cuò)線的移動(dòng)方向和晶體的滑移方向相

15、互垂直。3)純螺位錯(cuò)的滑移面不是唯一的。任何包含螺旋位錯(cuò)線的平面都可以是它的滑移面，所以存在無限，但滑移通常是在原子緊密堆積的面上，所以它也是有限的。螺旋位錯(cuò)周圍的晶格也經(jīng)歷彈性變形，但只有平行于位錯(cuò)線的剪切應(yīng)變。5)螺旋位錯(cuò)周圍的晶格畸變隨著離位錯(cuò)線的距離的增加而急劇減小，因此它也是一種具有幾個(gè)原子寬度的線缺陷。在螺旋位錯(cuò)形成之后，所有垂直于位錯(cuò)線的晶面將以位錯(cuò)線為中心軸從平面變?yōu)槁菪矫?。晶體平面的形狀垂直于螺旋位錯(cuò)，39、混合位錯(cuò)，除了兩種基本位錯(cuò)之外，還有一種更常見的形式，它的滑移矢量既不平行也不垂直于位錯(cuò)線，而是以任何角度與位錯(cuò)線相交，這種位錯(cuò)稱為混合位錯(cuò)。圖中顯示了由晶體局部滑移形

16、成的混合位錯(cuò)及其原子構(gòu)型。晶體的局部滑移形成混合位錯(cuò)，混合位錯(cuò)的原子構(gòu)型如下：混合位錯(cuò)線AC為曲線。在，位錯(cuò)線平行于滑移矢量，所以它是螺旋位錯(cuò)。在C，位錯(cuò)線垂直于滑移矢量B，所以它是邊緣位錯(cuò)。A和C之間的位錯(cuò)線：既不垂直也不平行于滑移矢量B，其中每一小段位錯(cuò)線可分解為兩個(gè)分量：葉片型和螺旋型。因?yàn)槲诲e(cuò)線是滑移區(qū)和非滑移區(qū)之間的邊界線，所以位錯(cuò)具有非常重要的性質(zhì)，即位錯(cuò)線不能在晶體內(nèi)部中斷。位錯(cuò)線：只能連接到晶體表面(包括晶界)，或者連接到其他位錯(cuò)，或者形成閉合的位錯(cuò)環(huán)。該圖是晶體中位錯(cuò)環(huán)ACBDA的俯視圖。可以看出：A和B是數(shù)量不同的邊緣位錯(cuò)；c和D是不同數(shù)目的螺旋位錯(cuò)?；旌衔诲e(cuò)隨處可見?；旌衔诲e(cuò)：可分為螺旋分量bs和邊緣分量be，bs=bcos，be=bsin?；旌衔诲e(cuò)(a)立體圖(b)俯視圖。43，伯杰矢量：1939年，J.M.Burgers提出用伯杰環(huán)來定義位錯(cuò)。位錯(cuò)的特征可以用伯杰矢量來表示，這可以更準(zhǔn)確地揭示位錯(cuò)的本質(zhì)，方便地描述位錯(cuò)的各種行為。這個(gè)向量叫做“伯杰向量”或“伯杰向量”，用B表示.貝爾德矢量的確定：1)首先確定方向按照同樣的方法，在完整的晶體中做同樣的循環(huán)，步驟的數(shù)目和方向與上述循環(huán)相同，那么終點(diǎn)q和起點(diǎn)m不重合，從終點(diǎn)q到起點(diǎn)m的矢量QM就是伯恩斯坦矢量