第3章_位错理论

1第二章位错理论2一、晶体中的缺陷晶体结构特点是长程有序。构成物体的原子、离子或分子等完全按照空间点阵规则排列的，将此晶体称为理想晶体。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着偏离理想结构的区域，出现了不完整性。通常把实际晶体中偏离理想点阵结构的区域称为晶体缺陷。3根据几何形态特征，可把晶体缺陷分为三类：(1)点缺陷、(2)线缺陷、(3)面缺陷(1)点缺陷：特征是在三维空间的各个方向上的尺寸都很小，亦称为零维缺陷。如空位、间隙原子等。(2)线缺陷：特征是在两个方向上的尺寸很小，在一个方向上的尺寸较大，亦称为一维缺陷。如晶体中的各类位错。(3)面缺陷：特征是在一个方向上的尺寸很小，在另外两个方向上的尺寸较大，亦称二维缺陷。如晶界、相界、层错、晶体表面等4研究晶体缺陷的意义：（1）晶体中缺陷的分布与运动，对晶体的某些性能(如金属的屈服强度、半导体的电阻率等)有很大的影响。（2）晶体缺陷在晶体的塑性和强度、扩散以及其它结构敏感性的问题上往往起主要作用，而晶体的完整部分反而处于次要地位。因此，研究晶体缺陷，了解晶体缺陷的基本性质，具有重要的理论与实际意义。5二、点缺陷（pointdefect）：晶体中的点缺陷：包括空位、间隙原子和溶质原子，以及由它们组成的尺寸很小的复合体（如空位对或空位片等）。点缺陷类型：有空位、间隙原子、置换原子三种基本类型。61、空位（vacancy）在晶体中，位于点阵结点的原子并非静止，而在其平衡位置作热振动。在一定温度下，原子热振动平均能量是一定，但各原子能量并不完全相等，经常发生变化，此起彼伏。在某瞬间，有些原子能量大到足以克服周围原子的束缚，就可能脱离其原平衡位置而迁移到别处。结果，在原位置上出现空结点，称为空位。7离开平衡位置的原子可有两个去处：（1）迁移到晶体表面，在原位置只形成空位，不形成间隙原子，此空位称为肖脱基缺陷（Schottkydefect）（图a）；（2）迁移到晶体点阵间隙中，形成的空位称弗兰克尔缺陷（Frenkeldefece），同时产生间隙原子（图b）。(a)肖脱基空位(b)82、间隙原子间隙原子：进入点阵间隙中的原子。可为晶体本身固有的原子（自间隙原子）；也可为尺寸较小的外来异类原子(溶质原子或杂质原子)。外来异类原子：若是取代晶体本身的原子而落在晶格结点上，称为置换原子。间隙原子：使其周围原子偏离平衡位置，造成晶格胀大而产生晶格畸变。93、置换原子那些占据原基体原子平衡位置的异类原子称为置换原子。置换原子半径常与原基体原子不同，故会造成晶格畸变。a）半径较小的置换原子b）半径较大的置换原子10空位和间隙原子的形成与温度密切相关。一般，随着温度的升高，空位或间隙原子的数目也增多。因此，点缺陷又称为热缺陷。晶体中的点缺陷，并非都是由原子的热运动产生的。冷变形加工、高能粒子(如α粒子、高速电子、中子)轰击(辐照)等也可产生点缺陷。114、热平衡缺陷：热力学分析表明，在高于0K的任何温度下，晶体最稳定的状态并不是完整晶体，而是含有一定浓度的点缺陷状态，即在该浓度情况下，自由能最低。此浓度称为该温度下晶体中点缺陷的平衡浓度。具有平衡浓度的缺陷又称为热平衡缺陷。12热平衡缺陷及其浓度：晶体中点缺陷的存在，一方面造成点阵畸变，使晶体的内能升高，增大了热力学不稳定性。另一方面，因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，又使晶体的熵值增大，晶体便越稳定。因此这两互为矛盾因素，使晶体中点缺陷在一定温度下有一定的平衡数目，此点缺陷浓度称为其在该温度下的热力学平衡浓度。晶体在一定温度下，有一定的热力学平衡浓度，这是点缺陷区别于其它类型晶体缺陷的重要特点。13晶体中空位缺陷的平衡浓度：设温度T和压强P条件下，从N个原子组成的完整晶体中取走n个原子，即生成n个空位。定义晶体中空位缺陷的平衡浓度为：NnCvNnCvNnCveeRTUkTUC－为空位的生成能，K－玻尔兹曼常数。UU空位和间隙原子的平衡浓度：随温度的升高而急剧增加，呈指数关系。14非平衡点缺陷：在点缺陷平衡浓度下，晶体自由能最低，也最稳定。但在有些情况下，晶体中点缺陷浓度可高于平衡浓度，此点缺陷称为过饱和点缺陷，或非平衡点缺陷。通常，获得过饱和点缺陷的方法有以下几种：（1）高温淬火热力学分析可知，晶体中空位浓度随温度升高而急剧增加。若将晶体加热到高温，再迅速冷却（淬火），则高温时形成的空位来不及扩散消失，则在低温下仍保留高温状态的空位浓度，即过饱和空位。15（2）冷加工金属在室温下的冷加工塑性变形也会产生大量的过饱和空位，其原因是由于位错交割所形成的割阶发生攀移。（3）辐照在高能粒子辐射下，晶体点阵上原子被击出，发生原子离位。且离位原子能量高，在进入稳定间隙前还会击处其他原子，从而形成大量的等量间隙原子和空位（即弗兰克尔缺陷）。一般地，晶体点缺陷平衡浓度极低，对金属力学性能影响较小。但在高能粒子辐照下，因形成大量的点缺陷，会引起金属显著硬化和脆化，称为“辐照硬化”。16点缺陷的移动：晶体中点缺陷并非固定不动，而在不断改变位置的运动中。空位周围的原子，因热振动能量起伏而获得足够能量而跳入空位，则在该原子原位置上，形成一个空位。此过程为空位向邻近结点的迁移。如图（a）原来位置；（b）中间位置；（c）迁移后位置空位从位置A迁移到B17当原子在C处时，为能量较高不稳定状态，空位迁移须获足够能量克服此障碍，称该能量为空位迁移激活能ΔEm。金属AuAgCuPtAlW迁移能（×10-19J）0.140.130.150.100.120.3一些金属晶体的空位迁移激活能ΔＥｍ的实验值一些晶体的ΔEm的实验值如下表。18晶体中的间隙原子：也可因热振动，由一个间隙位置迁移到另一个间隙位置，只不过其迁移激活能比空位小得多。间隙原子运动过程中，当与一个空位相遇时，它将落入这个空位，而使两者都消失，此过程称为复合，亦称“湮没”。19点缺陷对金属性能的影响：（1）点缺陷存在使晶体体积膨胀，密度减小。如形成一个肖脱基缺陷，体积膨胀约为0.5原子体积。而产生一个间隙原子，约达1～2原子体积。（2）点缺陷引起电阻的增加。晶体中存在点缺陷，对传导电子产生了附加的散射，使电阻增大。如铜中每增加1%的空位，电阻率约增1.5μΩcm。（3）空位对金属的许多过程有着影响，特别在高温下。金属的扩散、高温塑变与断裂、退火、沉淀、表面氧化、烧结等过程都与空位的存在和运动有着密切的联系。（4）过饱和点缺陷（如淬火空位、辐照缺陷）还提高了金属的屈服强度。20二、线缺陷－位错位错：是晶体中普遍存在的一种线缺陷，它对晶体生长、相变、塑性变形、断裂及其它物理、化学性质具有重要影响。位错理论是现代物理冶金和材料科学的基础。位错概念：并不是空想的产物，相反，对它的认识是建立在深厚的科学实验基础上。人们最早提出对位错的设想，是在对晶体强度作了一系列的理论计算，发现在众多实验中，晶体的实际强度远低于其理论强度，因而无法用理想晶体的模型来解释，在此基础上才提出来的。21塑性变形：是提高金属强度和制造金属制品的重要手段。早在位错被认识前，对晶体塑性变形的宏观规律已作了广泛的研究。发现：塑性变形的主要方式是滑移，即在切应力作用下，晶体相邻部分彼此产生相对滑动。晶体滑移：总沿一定的滑移面(密排面)和其上的一个滑移方向进行，且只有当切应力达到一定临界值时，滑移才开始。此切应力被称为临界分切应力，即晶体的切变强度。221926年，弗兰克（Frankel）从刚体滑移模型出发，推算晶体的理论强度。设滑移面上沿滑移方向的外加剪切应力为τ，滑移面上部晶体相对下部发生位移为x。则所需的τ设为周期函数：当位移很小（x«a），可得：由虎克定律，可得：)2(bxm)2sin(bxm其中：是晶体的理论强度。m)(axGGr23比较两式得：若取a≈b，则为晶体滑移的理论临界分切应力（理论切变强度）。当后，理想完整晶体就开始发生滑移变形了。2Gm)(2abGmmmGGm1.02与晶体的实际强度相比，G/2π显得太大了，一般金属:Ｇ≈104～105MPa，τm≈103～104MPa，但一般纯金属单晶体实际切变强度只有1～10MPa。实验测得的实际强度比理论强度低了至少3个数量级。24理论切变强度与实际切变强度间的巨大差异：从根本上否定理想完整晶体的刚性相对滑移的假设，即实际晶体是不完整的，而有缺陷的。滑移也不是刚性的，而是从晶体中局部薄弱地区(即缺陷处)开始，而逐步进行的。弹性变形出现位错位错迁移晶体形状改变，但未断裂并仍保留原始晶体结构待变形晶体晶体的逐步滑移251934年，泰勒（G.I.Taylor）、波朗依（M.Polanyi）和奥罗万（E.Orowan）几乎同时从晶体学角度提出位错概念。特别是，泰勒把位错和晶体塑性变形联系起来，开始建立并逐步发展了位错理论。直到1950年后，电子显微镜实验技术的发展，才证实了位错的存在及其运动。TEM下观察到不锈钢316L(00Cr17Ni14Mo2)的位错线与位错缠结26位错类型：位错：实质上是原子的一种特殊组态，熟悉其结构特点是掌握位错各种性质的基础。根据原子滑移方向和位错线取向几何特征不同，位错：分为刃位错、螺位错和混合位错。27一、刃型位错晶体在外切应力作用下，以ABCD面为滑移面发生滑移，EFGH面以左发生了滑移，以右尚未滑移，致使ABCD面上下两部分晶体间产生了原子错排。EF－将滑移面分成已滑移区和未滑移区，即是“位错”。EFGH晶面称多余半原子面。刃位错示意图此位错犹如一把刀插入晶体中，有一个刀刃状多余半原子面，故称“刃位错”（或棱位错）。“刃口”EF称为刃型位错线。28刃型位错结构特点1）有一个额外半原子面，晶体上半部多出原子面的位错称正刃型位错，用符号“⊥”表示，反之为负刃型位错，用“ㄒ”表示。此正、负之分只具相对意义而无本质区别。如将晶体旋转180°，同一位错的正负号发生改变。刃形位错平面示意图正刃型位错－⊥负刃型位错－ㄒ29刃形位错立体示意图302）刃位错线不一定是直线，也可是折线或曲线或环。但必与滑移方向相垂直，也垂直于滑移矢量b。313）刃型位错位错线EF与滑移矢量b垂直，滑移面是位错线EF和滑移矢量b所构成唯一平面。位错在其他面上不能滑移。324）刃位错存在晶体中，使其周围点阵发生弹性畸变，既有切应变，又有正应变。正刃位错：滑移面上方点阵受压应力，下方点阵受拉应力。负刃型位错与此相反。335）在位错线周围的过渡区（畸变区）每个原子具有较大的平均能量。但只有2～5个原子间距宽，呈狭长的管道。34螺型位错晶体在外切应力τ作用下，右端晶体上下区在滑移面（ABCD）发生一个原子间距的切变。BC为已滑移区与未滑移区的交界处，即位错线。在BC线和aa'线间的原子失去正常相邻关系，连接则成了一个螺旋路径，该路径所包围的呈长管状原子排列紊乱区即成螺型位错。螺型位错的原子组态35根据旋进方向的不同，螺型位错有左、右之分。右手法则：即以右手拇指代表螺旋的前进方向，其余四指代表螺旋的旋转方向。凡符合右手定则的称为右螺型位错；符合左手定则的则称为左螺型位错。36螺型位错特点1）无额外半原子面，原子错排是呈轴对称的。2）螺位错线与滑移矢量平行，故一定是直线，且位错线的移动方向与晶体滑移方向互相垂直。3）纯螺位错滑移面不唯一的。凡包含螺型位错线的平面都可为其滑移面，故有无穷个，但滑移通常在原子密排面上，故也有限。374）螺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。5）螺位错周围点阵畸变，随离位错线距离的增加而急剧减少，故它也是包含几个原子宽度的线缺陷。386）螺位错形成后，所有原来与位错线相垂直的晶面，都将由平