第2章材料的结构--23.ppt

1,第2章 材料的结构,2.1 元素和化学键 2.2 晶体学基本概念 2.3 晶体缺陷 2.4 金属材料的结构 2.5 无机非金属材料的结构 2.4 高分子材料的结构,2,2.3 晶体缺陷,维纳斯“无臂”之美更深入人心,世事洞明皆学问,完整不一定精彩 缺憾也是一种美,3,理想晶体所有质点都在自己的结点位置,质点严格按照空间点阵排列。 实际晶体与理想的点阵结构发生偏离位置、组成,存在着各种各样的结构 的不完整性,晶体缺陷实际晶体中偏离理想点阵结构的区域,晶体缺陷的定义,4,点缺陷（零维缺陷）-原子尺度的偏离 例空位、间隙原子、杂质原子 线缺陷（一维缺陷）-原子行列的偏离 例位错 面缺陷（二维缺陷）-表面、界面处原子排列混乱 例表面、晶界、相界、层错、镶嵌结构等 体缺陷（三维缺陷）-局部的三维空间偏离理想晶体的周期性性 例异相夹杂物、孔洞、亚结构等,电子缺陷,按缺陷的几何形态,晶体缺陷的分类,热缺陷（本征缺陷）-由热起伏促使原子脱离点阵位置而形成的点缺陷。 缺陷浓度与温度有关。 杂质缺陷（组成缺陷）-由外加杂质的引入所产生的缺陷。 缺陷浓度主要与掺杂量、固溶度有关。 非化学计量缺陷（非整比化合物） -指组成上偏离化学中的定比定律所形成的缺陷。缺陷浓度主要与气氛性质、压力有关。 其它原因电荷缺陷，辐照缺陷等,按缺陷产生的原因,5,空位,间隙原子,小置换原子,大置换原子,点缺陷破坏了原子的平衡状态，使晶格发生扭曲，即晶格畸变。 使强度、硬度提高，塑性、韧性下降； 与材料的电学性质、光学性质有关； 影响材料的高温动力学过程扩散、相变、固相反应、烧结 ； 对耐腐蚀性和化学反应性能也有较大影响 线缺陷的产生及运动与材料的韧性、脆性密切相关。 面缺陷的取向及分布与材料的断裂韧性有关,空位缺陷,大置换原子,研究缺陷的意义,6,空位 间隙原子 置换原子,2.3.1 点缺陷,定义是结点上或临近的微观区域内偏离晶体结构正常排列的一种缺陷,7,a. 空位晶格中某些缺排原子的空结点。 b. 间隙原子挤进晶格间隙中的原子。可以是基体金属原子，也可以是外来原子,8,c. 置换原子,晶格畸变。使强度、硬度提高，塑性、韧性下降,取代原来原子位置的外来原子称置换原子。 点缺陷破坏了原子的平衡状态，使晶格发生扭曲，称,9,空位和间隙原子引起的晶格畸变,10,点缺陷的产生及其运动,1）点缺陷的产生 a 热平衡点缺陷热振动中的能量起伏促使原子脱离点阵位置而形成了点缺陷。 b 过饱和点缺陷外来作用（如高温淬火、高能粒子辐照、冷加工变形）使得点缺陷数量超过其平衡浓度。 空位形成引起点阵畸变，亦会割断键力，故空位形成需能量。 空位形成能（Ef）形成一个空位所需能量,11,a热激活，原子跳跃到空位上。 b热运动，间隙原子迁移到另一个间隙位置。 也可以迁移到另一个空位,使两者消失,称为复位。 c能量起伏，产生新空位和间隙原子。 晶体中的原子正是由于空位和间隙原子不断的产生与复合,才导致原子不停的由一处向另一处做无规则的布朗运动，这是扩散、固态相变、表面处理、蠕变、烧结等物理化学的基础,2）点缺陷的运动,12,2）点缺陷的运动 点缺陷的运动方式 1 空位运动。 2 间隙原子迁移。 3 空位和间隙原子相遇，两缺陷同时消失复合。 4 逸出晶体到表面，或移到晶界，点缺陷消失迁移。 晶体中的空位和间隙原子不是固定不动的，而是处于不断的运动变化之中。由于原子间能量的不均匀分布，当空位周围的原子因热振动而获得足够的能量，就有可能迁移到该空位,13,一些金属晶体的空位迁移激活能的实验值,一些晶体的Em的实验值如下表,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B,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Em,14,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,15,1. 热缺陷,类型弗仑克尔缺陷（Frenkel defect）和肖特基缺陷（Schottky defect,热缺陷浓度与温度的关系温度升高时，热缺陷浓度增加,T E 热起伏涨落 E原子 E平均 原子脱离其平衡位置 在原来位置上产生一个空位,当晶体的温度高于绝对0K时，由于晶格内原子热运动， 使一部分能量较大的原子离开平衡位置造成的缺陷,16,1、热缺陷,例 纤锌矿结构ZnO晶体，Zn2 可以离开原位进入间隙，此间隙为结构中的另一半“四孔”和“八孔”位置。 从能量角度析,1） Frankel缺陷 特点 空位和间隙成对产生 ；晶体密度不变,17,Frankel缺陷的产生,18,2） Schttky缺陷,形成正常袼点的原子由于热运动跃迁到晶体表面，在晶体内正常格点留下空位,Schttky缺陷形成的能量小Frankel 缺陷形成的能量因此对于大多数晶体来说，Schttky 缺陷是主要的,从形成缺陷的能量来分析,热缺陷浓度表示,特点对于离子晶体，为保持电中性，正离子空位和负离子空位成对产生，晶体体积增大,19,Schottky缺陷的产生,20,热缺陷产生示意图,a）单质中弗仑克尔缺陷的形成（空位与间隙质点成对出现,b）单质中的肖特基缺陷的形成,单质中热缺陷产生,21,表面位置 间隙小/结构紧凑,间隙位置 结构空隙大,Frenkel 缺陷,M X,Schottky 缺陷,空位、间隙原子成对出现，体积不变,原子跃迁至表面，体内留下空位，体积增加，正负离子空位成比例、成对出现,离子化合物形成热缺陷,22,外来原子进入主晶格（即原有晶体点阵）而产生的结构为杂质缺陷。 点缺陷杂质原子无论进入晶格间隙的位置或取代主晶格原子，都必须在晶格中随机分布，不形成特定的结构。杂质原子在主晶格中的分布可以比喻成溶质在溶剂中的分散，称之为固溶体。 晶体的杂质缺陷浓度仅取决于加入到晶体中的杂质含量，而与温度无关，这是杂质缺陷形成（非本征缺陷）与热缺陷形成（本征缺陷）的重要区别,2. 杂质缺陷,23,3. 非化学计量结构缺陷（电荷缺陷） 存在于非化学计量化合物中的结构缺陷，化合物化学组成与周围环境气氛有关；不同种类的离子或原子数之比不能用简单整数表示。如,非化学计量缺陷,电荷缺陷,价带产生空穴 导带存在电子,附加 电场,周期排列不变 周期势场畸变 产生电荷缺陷,用一个主要符号表明缺陷的种类 用一个下标表示缺陷位置 用一个上标表示缺陷的有效电荷 如“ . ”表示有效正电荷; “ / ”表示有效负电荷; “”表示有效零电荷。 用MX离子晶体为例（ M2 ；X2 ） （1）空位 VM 表示M原子占有的位置，在M原子移走后出现的空位； VX 表示X原子占有的位置，在X原子移走后出现的空位,常用缺陷表示方法,4. 缺陷化学反应表示法,25,把离子化合物看作完全由离子构成（这里不考虑化学键性质），则在 NaCl晶体中，如果取走一个Na 晶格中多了一个e, 因此VNa 必然和这个e/相联系，形成带电的空位,写作,同样，如果取出一个Cl ,即相当于取走一个Cl 原子加一个e，那么氯空位上就留下一个电子空穴h. 即,26,2） 填隙原子 用下标“i”表示 Mi 表示M原子进入间隙位置； Xi 表示X原子进入间隙位置。 （3）错放位置（错位原子） MX 表示M原子占据了应是X原子正常所处的平衡位置，不表示占据了负离子位置上的正离子XM类似。 （4）溶质原子（杂质原子） LM 表示溶质L占据了M的位置。如CaNa SX 表示S溶质占据了X位置。 （5）自由电子及电子空穴,有些情况下，价电子并不一定属于某个特定位置的原子，在光、电、热的作用下可以在晶体中运动，原固定位置称次自由电子（符号e/ ）。同样可以出现缺少电子，而出现电子空穴（符号h. ,它也不属于某个特定的原子位置,27,6）带电缺陷 不同价离子之间取代如Ca2取代NaCa Na Ca2取代Zr4Ca”Zr,7）缔合中心 在晶体中除了单个缺陷外，有可能出现邻近两个缺陷互相缔合，把发生 缔合的缺陷用小括号表示，也称复合缺陷。 在离子晶体中带相反电荷的点缺陷之间，存在一种有利于缔合的库仑引力。 如在NaCl晶体中,28,书写点缺陷反应式的规则 （1）位置关系 对于计量化合物（如NaCl、Al2O3），在缺陷反应式中作为溶剂的晶体所提供的位置比例应保持不变，但每类位置总数可以改变。 例,对于非化学计量化合物，当存在气氛不同时，原子之间的比例是改变的。 例TiO2 由 1 2 变成 1 2x TiO2x,K Cl 2 2,29,2 位置增殖 形成Schttky缺陷时增加了位置数目。 能引起位置增殖的缺陷空位VM、错位VX、置换杂质原子 MX 、XM、表面位置XM等。 不发生位置增殖的缺陷e/ , h. , Mi , Xi , Li等。 当表面原子迁移到内部与空位复合时，则减少了位置数目（MM 、XX）。 3质量平衡 参加反应的原子数在方程两边应相等。 4电中性 缺陷反应两边总的有效电荷必须相等。 5表面位置 当一个M原子从晶体内部迁移到表面时，用符号MS表示。S 表示表面位置。在缺陷化学反应中表面位置一般不特别表示,30,1）缺陷符号 缺陷的有效电荷是相对于基质晶体的结点位置而言的， 用“.”、“/”、“”表示正、负（有效电荷）及电中性,K的空位，对原来结点位置而言，少了一个正电荷， 所以空位带一个有效负电荷,杂质Ca2取代Zr4位置，与原来的Zr4比，少2个正电荷， 即带2个负有效电荷,杂质离子Ca2取代Na位置,比原来Na高1价电荷, 与这个位置上应有的1电价比,缺陷带1个有效正电荷,杂质离子K与占据的位置上的原Na同价，所以不带电荷,Na 在NaCl晶体正常位置上（应是Na 占据的点阵位置， 不带 有效电荷，也不存在缺陷,小结,31,表示 Cl-的空位，对原结点位置而言，少了一个负电荷，所以 空位带一个有效正电荷。 计算公式 有效电荷现处类别的既有电荷完整晶体在同样位置上的电荷 （ 2） 每种缺陷都可以看作是一种物质，离子空位与点阵空位 h。也是物质，不是什么都没有。空位是一个零粒子,32,写缺陷反应举例 （1） CaCl2溶解在KCl中,表示KCl作为溶剂。 以上三种写法均符合缺陷反应规则。 实际上（11）比较合理,33,2） MgO溶解到Al2O3晶格中,15较不合理。因为Mg2进入间隙位置不易发生,34,练习 写出下列缺陷反应式 1 MgCl2固溶在LiCl晶体中产生正离子空位，生成置换型SS 2 SrO固溶在Li2O晶体中产生正离子空位，生成置换型SS 3 Al2O3固溶在MgO晶体中产生正离子空位，生成置换型SS 4 YF3固溶在CaF2晶体中产生正离子空位，生成置换型SS 5 CaO固溶在ZrO2晶体中产生负离子空位，生成置换型SS,35,35,无论那种点缺陷的存在，都会使其附近的原子稍微偏离原结点位置才能平衡，即造成小区域的晶格畸变。点缺陷引起晶格畸变，能量升高，结构不稳定，易发生转变,点缺陷对材料性能的影响,影响 （1）提高材料的电阻定向流动的电子在点缺陷处受到非平衡力，增加阻力，加速运动提高温度。如铜中每增加1的空位，电阻率约增1.5cm。 （2）使晶体体积膨胀，密度减小。如肖脱基空位。假设一个空位形成后体积将增加v，v为原子体积，n个空位形成后，晶体体积增加Vnv，由此而将引起密度的减小。 （3）加快原子的扩散迁移。 空位可作为原子运动的周转站。 （4）形成其他晶体缺陷 过饱和的空位可集中形成内部的空洞，集中一片的塌陷形成位错。 （5）改变材料的力学性能 空位移动到位错处可造成刃位错的攀移，间隙原子和异类原子的存在会增加位错的运动阻力。会使强度提高，塑性下降。 （6）空位对金属的许多过程有着影响，特别是对高温下进行的过程起着重要的作用。显然，这与高温时空位的平衡浓度急剧增高有关。诸如金属的扩散、高温塑性变形的断裂、退火、沉淀、表面化学热处理、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,36,位错晶格中一部分晶体相对于另一部分晶体发生局部滑移，滑移面上滑移区与未滑移区的交界线称作位错。分为刃型位错和螺型位错,2.3.2 线缺陷晶体中的位错,37,位错（dislocation）是一种线缺陷,它是晶体中某处一列或若干列原子发生了有规律错排现象；错排区是细长的管状畸变区,长度可达几百至几万个原子间距,宽仅几个原子间距。如右图是位错的一种。 特点在一维方向的尺寸较长，另外二维方向上尺寸很小，从宏观看缺陷是线状的。从微观角度看，位错是管状的,38,位错的基本类型和特征,位错的类型 刃型位错（edge dislocation） 螺型位错（screw dislocation） 混合位错（mixed dislocation）可分解为刃型位错分量和螺型位错分量,39,1）刃型位错（edge dislocation）的产生 完整晶体滑移的理论剪切强度要远高于实际晶体滑移的对应强度，从而促进了位错理论的产生和发展。 （2） 刃型位错的定义和立体图示 刃型位错线多余半原子面与滑移面的交线,1.刃型位错,40,刃型位错当一个完整晶体某晶面以上的某处多出半个原子面，该晶面象刀刃一样切入晶体，这个多余原子面的边缘就是刃型位错。 半原子面在滑移面以上的称正位错，用“ ”表示。 半原子面在滑移面以下的称负位错，用“ ”表示,41,3）刃型位错特征 刃型位错有一个额外的（多余）半原子面。正刃型位错用“”表示，负刃型位错用“”表示；其正负只是相对而言。 判断用右手定则食指指向位错线方向，中指指向柏氏矢量方向，拇指指向多余半原子面方向。 刃型位错是直线、折线或曲线。它与滑移方向、柏氏矢量垂直,42,滑移面必须是同时包含有位错线和滑移矢量的平面。位错线与滑移矢量互相垂直,它们构成平面只有一个。 晶体中存在刃位错后,位错周围的点阵发生弹性畸变,既有正应变,也有负应变。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。 在位错线周围的畸变区每个原子具有较大的平均能量。畸变区是一个狭长的管道,晶体局部滑移造成的刃型位错,43,2. 螺型位错,1螺型位错的形成 2螺型位错（screw dislocation）的图示 晶体中已滑移区与未滑移区的边界线（即位错线）若平行于滑移方向，则在该处附近原子平面已扭曲为螺旋面，即位错线附近的原子是按螺旋形式排列的，这种晶体缺陷称为螺型位错（screw dislocation,44,3螺型位错的特点 螺型位错无额外的半原子面，原子错排成轴对称。 根据螺旋前进方向可以人为定义右旋螺型位错和左旋螺型位错；左、右旋分别用左右法则来判断拇指指向螺旋前进的方向，而其余四指代表旋转方向，凡符合右手法则的称为右螺旋型位错，凡符合左手法则的称为左螺旋位错。二者无本质区别，无论将晶体如何放置都不会改变其左、右的性质。 螺旋位错线与其滑移矢量平行，故纯螺位错只能是直线。且与位错线移动方向与晶体滑移方向垂直； 纯螺位错的滑移面不是唯一的，凡包含螺型位错线的平面都可以作为它的滑移面；但实际上，滑移通常是在那些原子密排面上进行,45,晶体局部滑移造成螺型位错,螺旋位错线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；且在垂直于位错线的平面投影上，看不到原子的位移，看不出缺陷。螺位错周围只引起切应变而无体应变。错位线周围的应力场呈轴对称分布 位错畸变区也是几个原子间距宽度，同样是线缺陷。 如果有一条螺型位错线在晶体表面露头，在露头处的晶面上必然形成一个台阶，这个台阶不会因覆盖了一层原子而消失，它将永远存在,这样螺位错露头处就是晶体生长的择优点，使之能在过饱和度不高（1，根据理论计算应高达50）的晶体蒸气压或溶液中连续不断地生长,46,螺型位错和刃型位错的结构特征对比,无额外的半原子面，原子错排呈轴对称，分右旋和左旋螺型位错； 一定是直线，与滑移矢量平行，位错线移动方向与晶体滑移方向垂直； 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； 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； 位错畸变区也是几个原子间距宽度，同样是线位错,刃形位错有一个额外半原子面; 刃形位错线是一个具有一定宽度的细长晶格畸变管道,其中既有正应变,又有切应变; 位错线与晶体滑移的方向垂直,即位错线运动的方向垂直于位错线,47,3. 混合位错,1 混合位错（mixed dislocation）的图示 晶体中已滑移区与未滑移区的边界线（即位错线）既不平行也不垂直于滑移方向，即滑移矢量与位错线成任意角度，这种晶体缺陷称为混合型位错mixed dislocation 2混合位错特征混合位错可分为刃型分量和螺型分量,它们分别具有刃位错和螺位错的特征。刃b ; 螺 b,48,位错环dislocation loop是一种典型的混合位错,49,4. 位错的易动性,晶体中位错处的原子处于高能不太稳定状态，因此在切应力作用下原子很容易移动。含有位错晶体的滑移过程实质上是位错的运动过程，此过程中原子实际的位移距离远小于原子间距，这种滑移要比两个相邻原子面整体相对移动（即刚性滑移）容易得多。（视频dislocation motion）位错在外力作用下的运动过程。因此实际晶体滑移所需要的临界切应力便远远小于刚性滑移，即晶体的实际强度比理论强度低得多,50,柏氏矢量,用来描述位错区域原子的畸变特征（包括畸变发生在什么晶向以及畸变有多大）的物理参量，称为柏氏矢量Burgers vector。在实际晶体中，假定有一位错，在位错周围的“好”区内围绕位错线作一任意大小的闭合回路，即称为柏氏回路。 回路的方向人为的用右手螺旋法则来定义，回路的起点是任取的，即规定位错线指出屏幕为正，我们用右手的拇指指向位错的正向，其余四指的指向就是柏氏回路的方向。 1. 柏氏矢量的确定 选定位错线的正方向。一般选定出纸面的方向为位错线的正向。 在实际晶体中作柏氏回路Burgers circuit 在完整晶体中按2中相同方向和步数作回路。回路不封闭，由终点向起点作矢量，即为柏氏矢量,51,1 刃位错的柏氏回路,52,2 螺型位错的柏氏回路,53,2.用柏氏矢量判断位错类型,用柏氏矢量判断位错类型 1 刃型位错 ebe 右手法则食指指向位错线方向，中指指向柏氏矢量方向，拇指指向代表多余半面子面位向，向上为正，向下为负。 2 螺型位错 sbs 正向（方向相同）为右螺旋位错，负向（方向相反）为左螺旋位错。 3 混合位错 柏氏矢量与位错线方向成夹角 刃型分量be和螺型分量bs 用矢量图解法表示位错数量积、向量积等 1平行于b螺位错。且b0，右螺。 2垂直于b刃位错。b总指向多余半原子面方向。 与b所共的面为位错线的滑移面。 2如果与b既不平行又不垂直，则位错为混合型位错。该位错可分解为刃型分量和螺型分量,54,3. 柏氏矢量的特性,柏氏矢量的物理意义是一个反映位错性质以及由位错引起的晶格畸变大小的物理量。是对位错周围晶体点阵畸变的叠加，b越大，位错引起的晶体弹性能越高 柏氏矢量特性 1用柏氏矢量可以表示位错区域晶格畸变总量的大小。柏氏矢量可表示位错性质和取向,即晶体滑移方向。柏氏矢量越大,位错周围晶体畸变越严重。 2柏氏矢量具有守恒性，符合守恒定律。 守恒性一条位错线的柏氏矢量恒定不变。 位错交于一点如果数条位错线交于一节点，则流入节点的各位错线的柏氏矢量和等于流出节点的各位错线柏氏矢量之和，即bi0。 位错分解若位错可分解，则分解后各分位错的柏氏矢量之和等于原位错的柏氏矢量,55,3柏氏矢量的唯一性。即一根位错线具有唯一的柏氏矢量。它与柏氏回路的大小和回路在位错线上的位置无关，位错在晶体中运动或改变方向时，其柏氏矢量不变。 4位错的连续性可以形成位错环、连接于其他位错、终止于晶界或露头于表面,但不能中断于晶体内. 5可用柏氏矢量判断位错类型 刃型位错 ebe，右手法则判断正负 螺型位错 sbs，二者同向右旋,反向左旋 6 柏氏矢量表示晶体滑移方向和大小.位错运动导致晶体滑移时，滑移量大小|b|，滑移方向为柏氏矢量的方向。 7刃型位错滑移面为与柏氏矢量所构成的平面,只有一个；螺型位错滑移面不定,多个。 8 柏氏矢量可以定义为位错为柏氏矢量不为0的晶体缺陷,56,4.柏氏矢量表示法,立方晶系中对于柏氏矢量b沿晶向uvw的位错 ，其大小成为位错强度，用 模表示 ，模的大小表示该晶向上原子间的距离。 六方晶系中 b（a/n）uvtw,57,2.3.2.4 位错的运动,基本形式滑移和攀移 滑移（slip）是在外加切应力作用下，通过位错中心附近的原子沿柏氏矢量方向在滑移面上不断地作少量位移（小于一个原子间距）而逐步实现的。 攀移（climb）刃型位错在垂直于滑移面方向上运动.攀移的实质是刃位错多余半原子面的扩大和缩小。 除滑移和攀移还有交割（cross/ interaction）和扭折（kink,58,1. 位错的滑移,位错的滑移slipping of disloction是在外加切应力作用下，通过位错中心附近的原子沿柏氏矢量方向在滑移面上不断地作少量位移（小于一个原子间距）而逐步实现的。见以下各视频和动画演示。任何类型的位错均可进行滑移，任何类型的位错均可进行滑移. 1刃位错的滑移过程rwc1 对纯刃型位错而言，位错的滑移沿位错线的法线方向进行。滑移面同时包含柏矢量b和位错线。b、b、滑移方向、滑移方向b，单一滑移面,59,2 螺型位错的滑移过程（Lwcyd） b、b 、滑移方向 、滑移方向 b ，非单一滑移面,如果交滑移后的位错再转回和原滑移面平行的滑移面上继续运动，则称为。可发生交滑移。,对于螺型位错，由于所有包含位错线的晶面都可以成为它的滑移面，因此当某一螺型位错在原滑移面上运动受阻时，有可能从原滑移面转移到与之相交的另一滑移面上继续滑移，这一过程称为交滑移,60,3 混合位错的滑移过程 沿位错线各点的法线方向在滑移面上扩展，滑动方向垂直于位错线方向。但滑动方向与柏氏矢量有夹角。hhwc1,61,2. 位错的攀移,位错的攀移climbing of disloction 在垂直于滑移面方向上运动 攀移的实质刃位错多余半原子面的扩大和缩小，它是通过物质迁移即原子或空位的扩散来实现的。 刃位错的攀移过程正攀移,向上运动；负攀移, 向下运动 注意只有刃型位错才能发生攀移；滑移不涉及原子扩散，而攀移必须借助原子扩散；外加应力对攀移起促进作用，压（拉）促进正（负）攀移；高温影响位错的攀移 攀移运动外力需要做功，即攀移有阻力。粗略地分析，攀移阻力约为Gb/5。 螺型位错不止一个滑移面，它只能以滑移的方式运动，它是没有攀移运动的。 攀移为非守恒（或非保守）运动，而滑移为守恒（或保守）运动,62,判断位错运动方向,判断位错运动后,它扫过的两侧的位移方向根据位错线的正向和柏氏矢量以及位错运动方向来确定位错扫过的两侧滑动的方向。可用右手定则判断食指指向位错线正方向，中指指向位错运动方向，拇指指向沿柏氏矢量方向位移的那一侧的晶体,63,3. 位错的交割,注意 刃型位错的割阶为一可动的刃型位错,扭折为一可动的螺型位错。 螺型位错的割阶和扭折均为刃型位错。扭折是可动的刃型位错,割阶是不可动的刃型位错,位错的交割（cross） （1）割阶与扭折（jog and kink） 割阶曲折段垂直于位错的滑移面时 扭折曲折段在位错的滑移面上时,64,2）几种典型的位错交割 交割后要遵循柏氏矢量的一些特征。 两柏氏矢量相互垂直的刃型位错交割 PP为割阶, b2 PP, PP大小和方向取决于b1，为刃型位错,65,两柏氏矢量相互平行的刃型位错交割 PP为扭折， b2 PP，QQ 为扭折， b1 QQ， PP 和QQ 都是螺位错,66,两柏氏矢量相互垂直的刃型位错和螺型位错交割 MM PP为割阶, b1 MM, MM大小和方向取决于b2，为刃型位错。NNQQ为扭折， b2 NN， NN大小和方向取决于b1，为刃型位错,67,两柏氏矢量相互垂直的螺型位错交割 MM和NN均为刃型割阶,68,结论 运动位错交割后,可以产生扭折或割阶,其大小和方向取决与另一位错的柏氏矢量,其方向平行,大小为其模,但具原位错的柏氏矢量。如果另一位错的柏氏矢量与该位错线平行,则交割后该位错线不出现曲折。 所有割阶都是刃位错,而扭折可以是刃位错,也可以是螺位错。交割后曲折段的方向取决与位错相对滑移过后引起晶体的相对位移情况。相对位移可通过右手定则来判断。 扭折与原位错在同一滑面上,可随主位错线一起运动,几乎不产生阻力,且扭折在线张力作用下易与消失。割阶与原位错不在同一滑面上,不能随主位错线一起运动,成为障碍，产生割阶硬化,69,位错密度单位体积内所包含的位错线总长度。 S/Vcm/cm3或1/cm2 金属的位错密度为1041012/cm2 位错对性能的影响金属的塑性变形主要由位错运动引起，因此阻碍位错运动是强化金属的主要途径。 减少或增加位错密度都可以提高金属的强度,70,电子显微镜下的位错,71,电子显微镜下的位错观察,2.3.3 面缺陷 如果晶体内部质点排列的规律性在二维方向上一定的尺度范围内遭到破坏，就称为面缺陷，有晶体表面、晶界、相界、堆垛层错等若干种，二维缺陷,73,面缺陷晶界与亚晶界 晶界就是空间取向或位向不同的相邻晶粒之间的分界面。 晶界是不同位向晶粒的过度部位，宽度为510个原子间距，位向差一般为2040,74,从晶体几何学的角度来看，两晶粒交接后，各晶粒原子排列的位向差的角度，就称为晶界角,晶界角 1 2 ，1 2时称为对称晶界，否则为非对称晶界。 10称为大角晶界，10 称为小角晶界,75,1）小角度晶界 晶界两侧的晶粒位向差很小。可看成是一系列刃位错排列成墙，晶界中位错排列愈密，则位向差愈大,对于小角晶界，可以假定沿一平面将一完整单晶分成两半，然后绕一旋转轴使两半晶体相对旋转一个小角度 ，根据旋转轴与界面的相对取向的不同，小角晶界分成倾侧晶界、扭转晶界及一般晶界,晶界之小角晶界,76,小角晶界之倾侧晶界,当旋转轴平行于界面时，两半晶体相对于界面发生倾转，这种界面叫做倾侧晶界。 对称倾侧晶界-相当于两部分晶体，沿着平行于界面的某一轴线，各自转过方向相反的2而形成的,对称倾侧晶界的形成,77,对称倾侧晶界,对称倾侧晶界是由一系列平行等距的刃位错垂直排列而组成,位错间距D与柏氏矢量和位向差之间有如下关系,78,非对称倾侧晶界 当晶界两边的晶体相对于界面旋转不同角度时，便形成非对称倾侧晶界。 非对称倾侧晶界除了两晶粒的取向差外，位错的分布还取决于晶界面于晶界两边晶体的对称面之间的夹角 。 晶界与一个晶粒100的夹角为 2，与另一个晶粒的100的夹角为 2，晶面上存在两组位错,79,小角晶界之扭转晶界,当旋转轴垂直于界面时，晶面两边晶体相对旋转就形成扭转晶界,80,简单立方晶体中的扭转晶界示意图,81,旋转轴与界面既不垂直，也不平行，成任意取向关系。 这样的界面有5个独立的参数 晶体两部分的相对旋转角 ；界面法线方向；旋转轴的方向,小角晶界之一般小角晶界,82,2）大角度晶界,晶界两侧的晶粒位向差较大，不能用位错模型。关于大角度晶界的结构说法不一，晶界可视为235个原子的过渡层，这部分的原子排列尽管有其规律，但排列复杂，暂以相对无序来理解,83,界面能晶界面上的原子相对正常晶体内部的原子而言，均处于较高的能量状态，因此，晶界也存在界面能,界面能与结构的关系,84,晶界与杂质原子的相互作用 在材料的研究中，发现少量杂质或合金元素在晶体内部的分布也是不均匀的，它们常偏聚于晶界，称这种现象为晶界内吸附。 产生的原因可参见位错与点缺陷的作用，一般杂质原子与晶体的尺寸或性质差别愈大，这种偏聚愈严重。 杂质原子在晶界的偏聚对晶体的某些性能产生重要的影响，具体的影响到学习材料性能时要使用，这里先介绍内吸附的概念,85,亚晶粒是组成晶粒的尺寸很小，位向差也很小10 2 的小晶块。 亚晶粒之间的交界面称亚晶界。亚晶界也可看作位错壁,86,孪晶界和相界 1孪晶界 孪晶面 共格孪晶界 非共格孪晶界 2相界 共格 半共格 非共格,87,晶界的特点 原子排列不规则。 熔点低。 耐蚀性差。 易产生内吸附，外来原子易在晶界偏聚。 阻碍位错运动，是强化部位，因而实际使用的金属力求获得细晶粒。 是相变的优先形核部位,显微组织的显示,2.3.4 体缺陷 如果晶体内部质点排列的规律性在三维空间一定的尺度范围内遭到破坏，就称为体缺陷，例如亚结构（嵌镶块）、沉淀相、层错四面体、晶粒内的气孔和第二相夹杂物等，三维缺陷