第2章 晶体缺陷
晶体缺陷
实际晶体中某些局部区域，原子排列是紊乱、不规则的，这些原子排列规则性受到严重破坏的区域统称为“晶体缺陷”。
晶体缺陷分类：
1) 点缺陷： 如空位、间隙原子和置换原子等。
2) 线缺陷：主要是位错。
3) 面缺陷：如晶界、相界、层错和表面等。
2.1 点缺陷 空位 —— 晶体中某结点上的原子空缺了，则称为空位。
点缺陷的形成： 肖特基空位：脱位原子迁移到晶体表面或者内表面的正常结点位置，从而使晶体内部留下空位，这样的空位称为肖特基(Schottky)空位。（内部原子迁移到表面）
肖特基(Schottky)空位 弗仑克耳(Frenkel)空位 弗仑克耳空位：脱位原子挤入点阵空隙，从而在晶体中形成数目相等的空位和间隙原子，称为弗仑克耳(Frenkel)空位。（由正常位置迁移到间隙）
外来原子：
外来原子也可视为晶体的点缺陷，导致周围晶格的畸变。
外来原子挤入晶格间隙（间隙原子），或置换晶格中的某些结点（置换原子）。
空位的热力学分析： 空位是由原子的热运动产生的，晶体中的原子以其平衡位置为中心不停地振动。对于某单个原子而言，其振动能量也是瞬息万变的，在某瞬间原子的能量高到足以克服周围原子的束缚，离开其平衡位置从而形成空位。空位是热力学稳定的缺陷
点缺陷的平衡浓度
系统自由能 F=U- TS (U为内能，S 为总熵值，T 为绝对温度)
平衡机理：实际上为两个矛盾因素的平衡
a 点缺陷导致弹性畸变使晶体内能U 增加，使自由能增加，降低热力学稳定性
b 使晶体中原子排列混乱度增加，熵S 增加，使自由能降低，增加降低热力学稳定性 熵的变化包括两部分：
① 空位改变它周围原子的振动引起振动熵，Sf 。
② 空位在晶体点阵中的存在使体系的排列方式大大增加，出现许多不同的几何组态，使组态熵Sc 增加。
空位浓度，是指晶体中空位总数和结点总数(原子总数) 的比值。
随晶体中空位数目n 的增多，自由能先逐渐降低，然后又逐渐增高，这样体系中在一定温度下存在一个平衡空位浓度，在平衡浓度下，体系的自由能最低。 （如图）
平衡浓度计算 : C = A•exp[-Qf / (RT)]
式中 C 为温度T 时平衡空位浓度；A=exp(ΔSf /k) 是由振动熵决定的系数，约为1~10 ,其值常取1；Qf =NA•Ev 为形成1摩尔空位所需做的功，单位J/mol。T 为体系所处的热力学温度；R=kNA为气体常数，约为8.31 J /（mol •K ）。 温度升高，空位平衡浓度增大; 空位形成能Ev 大，空位平衡浓度小。
下述几种条件下，产生过饱和空位：
1) 淬火 ： 高温淬火把产生的空位保留到室温；
2) 冷加工 ：冷加工可以促进点缺陷的形成
3) 高能粒子辐射 ：高能量粒子击发使原子迁移出正常位子
四、点缺陷的运动
在一定温度下，晶体中达到统计平衡的空位和间隙原子的数目是一定的，而且晶体中的点缺陷并不是固定不动的，而是处于不断的运动过程中。在运动过程中，当间隙原子与一个空位相遇时，它将落人该空位，而使两者都消失，这一过程称为复合。
空位移动所造成的原子迁移，即金属晶体中的自扩散，晶体中原子的扩散就是依靠空位迁移而实现。材料加工工艺不少过程都以扩散作为基础，例如化学热处理、均匀化处理、退火与正火、时效等过程无一不与原子的扩散相联系。提高这些工艺的处理温度可以大幅度提高过程的速率，是因为空位浓度及空位迁移速度随温度的上升而增加。
五．空位对金属性能的影响
1) 空位引起点阵畸变，破坏了原子排列的规律性，使电子在传导时的散射增加，增加电阻。
2) 引起体积膨胀，密度下降。
可以利用电阻或密度的变化测量晶体中的空位浓度或研究空位在不同条件下的变化规律。
3) 空位对常温力学性能的影响不大，过饱和空位与其它晶体缺陷发生交互作用，因而使材料强度提高，但同时也引起显著的脆性。
4) 空位的存在及其运动是晶体发生高温蠕变的重要原因之一。
2.2 位错(线缺陷) 的基本类型及特征
位错的提出
工程材料的理论切变强度与实际强度相差100～1000倍。
原因: 非理想晶体, 存在局部滑移缺陷(位错) 位错的基本类型：
①刃型位错②螺型位错③混合位错
2.2.1刃型位错
刃型位错可以想像为在晶体内有一原子平面中断于晶体内部，如同一把刀刃插入晶体中，
使这一晶面上下两部分晶体之间产生了原子错排，称为刃型位错。这个原子平面中断处的边沿及其周围区域就是一个刃型位错。
含有刃型位错的晶体结构示意图：
刃型位错结构的特点：
1“┻”；把此面在下边的称为负刃型位错，记为“┳”。
2线或曲线，但它必与滑移方向相垂直，也垂直于滑移矢量。
3滑移面必定是同时包含有位错线和滑移矢量的平面，在其他面上不能滑移。由于在刃型位错中，位错线与滑移矢量互相垂直，因此，由它们所构成的滑移面只有一个。
4正刃型位错而言，滑移面上方点阵受到压应力，下方点阵受到拉应力：负刃型位错与此相反。
2.2.2 螺型位错
假定在一块简单立方晶体中，沿某一晶面切一刀缝，贯穿于晶体右侧至BC 处，然后在晶体的右侧上部施加一切应力 ，使右端上下两部分晶体相对滑移一个原子间距，由于BC 线左边晶体未发生滑移，于是出现了已滑移区与未滑移区的边界BC
在滑移区上下两层原子发生了错动，晶体点阵畸变最严重的区域内的两层原子平面变成螺旋面。畸变区的尺寸与长度相比小得多，在这畸变区范围内称为螺型位错，已滑移区和未滑移区的交线BC 则称之为螺型位错线。
螺型位错结构的特点：
2根据位错线附近呈螺旋形排列的原子的旋转方向不同，螺型位错可分为右旋和左旋螺型位错。
3螺型位错线与滑移矢量平行，因此而且位错线的移动方向与晶体滑移方向互相垂直。
4凡是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。
5螺型位错线周围的点阵也发生了即不会引起体积膨胀和收缩，且在垂直于位错线的平面投影上，看不到原子的位移，看不出有缺陷。
2.2.3 混合位错
混合位错的形成 —— 除了上面两种基本型位错外，还有一种形式更为普遍的位错，其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，这种位错称为混合位错。
2.2.4 晶体中的位错环
由于位错线是已滑移区与未滑移区的边界线。因此，位错具有一个重要的性质，即一根位错线不能终止于晶体内部，而只能露头于晶体表面（包括晶界）。若它终止于晶体内部，则必与其他位错线相连接，或在晶体内部形成封闭线。形成封闭线的位错称为位错环，图中的阴影区是滑移面上一个封闭的已滑移区。显然，位错环各处的位错结构类型也可按各处的位错线方向与滑移矢量的关系加以分析，如A ，B 两处是刃型位错，C ，D 两处是螺型位错，其他各处均为混合位错。 （用柏氏矢量判断方法见下下页）
2.2.5 柏氏矢量
的位置和畸变的程度，这个物理量是矢量，用b 表示。
柏氏矢量可以通过柏氏回路来确定。通常确定确定该位错柏氏矢量的具体步骤如下： 1首先选定位错线的正向，例如，常规定出纸面的方向为位错线的正方向。
2在实际晶体中，从任一原子出发，围绕位错（避开位错线附近的严重畸变区）以一定的步数作一右旋闭合回路（称为柏氏回路）。
3在完整晶体中按同样的方向和步数作相同的回路，该回路并不封闭，由终点F 向起点S 引一矢量，使该回路闭合，这个矢量b 就是实际晶体中位错的柏氏矢量。
柏氏矢量的特性：
1) 柏氏矢量与回路起点选择无关，也与柏氏回路的具体路径，大小无关。一条位错线只有一个柏氏矢量。
2) 几根位错相遇于一点，其方向朝着节点的各位错线的柏氏矢量b 之和等于离开节点之和。如有几根位错线的方向均指向或离开节点，则这些位错线的柏氏矢量之和值为零。
如图， b1=b2+b3
柏氏矢量b 的物理意义：
b 矢量的模|b|表示了畸变的程度，称为位错的强度。
a |b |=(u2+v 2+w 2) n
同一晶体中，柏氏矢量愈大，表明该位错导致点阵畸变愈严重，它所处的能量也愈高。能量较高的位错通常倾向于分解为两个或多个能量较低的位错，以使系统的自由能下降。
从柏氏矢量和位错线之间取向关系确定位错类型：
(1) 刃型位错：柏氏矢量与位错线相垂直。
(2) 螺型位错：柏氏矢量与位错线相平行，柏氏矢量与位错线同向的则为右螺型位错，柏氏矢量与位错线反向的则为左螺型位错。
(3)
2.3 位错的运动
晶体的宏观塑性变形是通过位错运动来实现的。当晶体中存在位错时，只需用一个很小的推动力便能使位错发生滑动，从而导致金属的整体滑移，这揭示了金属实际强度和理论强度的巨大差别。金属的许多力学性能均与位错运动密切相关。
位错的运动方式有两种最基本形式: 滑移和攀移。
位错的滑移
位错的滑移是在外加切应力的作用下，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的位移（小于一个原子间距）而逐步实现的。
1刃型位错线的滑移
特点:刃型位错的运动方向始终垂直位错线而平行柏氏矢量。滑移面就是由位错线与柏氏矢量所构成的平面，因此切应力作用下，刃型位错的滑移限于单一的滑移面上。 如果有大量位错重复此过程，就会在晶体外表面形成肉眼可见的滑移痕迹
位错的滑移不会引起晶体体积的变化(ΔV=0)，所以这种运动称为保守运动或守恒运动。
2) 刃型位错的攀移
刃型位错除了可以在滑移面上滑移外，还可以在垂直于滑移面的方向上运动，即发生攀移。 通常把半原子面向上移动称为正攀移，半原子面向下移动称为负攀移。攀移机理与滑移不同，它是通过原子扩散来实现的。
空位和原子的扩散，引起晶体体积变化，叫非守恒(非保守) 运动 。刃型位错的攀移是非守恒运动
影响攀移因素：①温度 —— 温度升高，原子扩散能力增大，攀移易于进行。② 正应力——垂直于额外半原子面的压应力，促进正攀移，拉应力，促进负攀移。
3）螺型位错的运动
在切应力作用下，位错线沿着与切应力方向垂直的方向运动，直至消失在晶体表面，只留下一个柏氏矢量大小的台阶。
螺型位错移动方向与柏氏矢量垂直，位错线方向与柏氏矢量平行。对于螺型位错，
由于
位错线与柏氏矢量平行，故它的滑移不限于单一的滑移面上。对于螺型位错，由于所有包含位错线的晶面都可成为其滑移面，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去继续滑移，这一过程称为 交滑移。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，则称为双交滑移。
4）混合位错的运动
混合位错是刃型位错和螺型位错的混合型，其运动亦是两者的组合。
运动位错的交割
当一位错在某一滑移面上运动时，会与穿过滑移面的其他位错交割。位错交割时会发生相互作用，这对材料的强化、点缺陷的产生有重要意义。
交割后的结构：割阶与扭折
在位错的运动过程中，特别是运动受阻的情况下，其位错线很难同时实现全长的运动。因而一个运动的位错线，有可能通过其中一部分线段首先进行滑移；若由此形成的曲折线段在位错的滑移面上时称为扭折；若该曲折线段垂直于位错的滑移面时，称为割阶；扭折和割阶也可由位错之间交割而形成；
刃型位错的割阶部分仍为刃型位错，而扭折部分则为螺型位错；螺型位错中的扭折和割阶线段，由于均与柏氏矢量相垂直，故均属于刃型位错。
运动位错交割后，每根位错线上都可能产生一扭折或割阶，其大小和方向取决于另一位错的柏氏矢量，但具有原位错线的柏氏矢量。
所有的割阶都是刃型位错，而扭折可以是刃型也可是螺型的。
扭折与原位错线在同一滑移面上，可随主位错线一道运动，几乎不产生阻力，而且扭折在线张力作用下易于消失。
割阶则与原位错线不在同一滑移面上，故除非割阶产生攀移，否则割阶就不能跟随主位错线一道运动，成为位错运动的障碍，通常称此为割阶硬化。
例如： 两个柏氏矢量互相垂直的刃型位错交割(a) 两个柏氏矢量互相平行的刃型位错交割(b）
关于位错的运动总结：
运动方式：刃型位错可以滑移，也可以攀移。螺型位错只能滑移，不能攀移。混合位错可以滑移，也可以一面滑移（螺型分量滑移）一面攀移（刃型分量攀移） 运动面：滑移面是由l 和b 决定的面。对刃位错和混合位错，它是唯一的，对螺型位错则不唯一，包含位错线的任何平面都可以是滑移面。刃型位错攀移时运动面就是垂直于滑移面的半原子面，或者说，垂直于b 的晶面。
运动方向：不论滑移、攀移或是既滑移又攀移，位错线的运动方向v 是垂直于位错线的。
运动量：不论位错作何种运动，当位错扫过单位面积的运动面时，运动面两边的晶体的平均相对位移量为 b/A，这里 A 是整个运动面的面积。
2.4位错的应力场
2.5位错的生成
晶体中的位错来源主要可有以下几种:
1晶体生长过程中产生位错。其主要来源有：
①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有位相差，它们之间就会形成位错；
③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。
2 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，空位的聚集能形成位错。 3 晶体内部的某些界面（如第二相质点、孪晶、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。
2.6位错的增殖
经剧烈塑性变形后的金属晶体，其位错密度可增加4~5个数量级。这个现象充分说明晶体在变形过程中位错必然是在不断地增殖。
位错的增殖机制可有多种，主要方式有：
•L 型位错滑移机制；
•弗兰克-瑞德（Frank-Read ）位错源机制；
•双交滑移机制；
•L 型位错攀移机制；
•U 型位错攀移机制。
补充： 位错与点缺陷的相互作用
点缺陷在晶体中会引起点阵畸变，所产生的应力场可与位错产生弹性的、化学的、电学的、几何的4种交互作用，其中以弹性作用为最重要。
1位错与溶质原子的交互作用(弹性交互作用)
当溶质原子处于位错的应力场之中，两者会产生弹性交互作用。这种交互作用在刃型位错中显得尤其重要，这是由刃型位错的应力特点决定的。基
体中的溶质原子，不论是置换型还是间隙型，均会引起晶格畸变，间隙原子以及尺寸大于溶剂原子的溶质原子使周围基体晶格原子受到压缩应力，而尺寸小于溶剂原子的溶质又使基体晶格受到拉伸。
图： 溶质原子与周围原子的交互作用
所有溶质原子均可在刃型位错周围找到合适的位置，以正刃型位错为例，正刃型位错下方原子受到拉应力，原子半径较大的置换型溶质原子和间隙原子位于位错滑移面下方(即晶格受拉区) 可以降低位错的应变能，同样，原子半径较小的置换式原子位于滑称面上方(晶格受压区) 也可以降低位错的应变能，从而使体系处于较低的能量状态，因此位错与溶质原子的交互作用的热力学条件完全具备。
图： 溶质原子与位错的交互作用
至于溶质原子能否移至理想的位置，则取决于溶质原子的扩散能力。当溶质原子分布于位错的周围使位错的应变能下降，这样位错的稳定性增加了，于是晶体的强度提高。
固溶强化的3种气团之一：
柯垂耳气团(Cottrell atmosphere)
通常把溶质原子与位错交互作用后，围绕位错而形成的溶质原子聚集物，称为“科垂耳气团”，这种气团阻碍位错运动，产生固溶强化效应，但这种气团在高温条件下会消失，从而失去强化效果。
用柯氏气团可解释合金中出现的应变时效和屈服点现象。