晶体缺陷及固态相变考试内容

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《晶体缺陷及固态相变》复习资料

第一部分：晶体缺陷

晶体缺陷：晶体中原子排列的不规则性及不完整性。晶体缺陷的种类：点缺陷、线缺陷、面缺陷。

一、点缺陷

定义：缺陷尺寸在三维方向上都很小且与原子尺寸相当的缺陷，称为点缺陷或零维缺陷（或者在结点上或邻近的微观区域内偏离晶体结构正常排列的一种缺陷）。

1．点缺陷的类型：空位、间隙原子、异类原子。

?空位???自扩散?2．点缺陷与扩散的关系：?间隙原子

?异类原子???弥扩散?3．点缺陷对性能的影响：点缺陷的存在，使得金属的电阻增加，体积膨胀，密

度减小，使离子晶体的导电性改善。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．获得过饱和点缺陷的方法：辐照、高温淬火和冷变形加工。

二、线缺陷

1．定义：线缺陷在两个方向上尺寸很小，另外一个方向上延伸较长，也称为一维缺陷，如各类位错。位错：位错是晶体排列的一种特殊组态，晶体中沿某一原子面及某一原子方向发生了某种有规律的错排现象；位错是伯氏矢量不为零的晶体缺陷。

2．位错的三种基本类型：刃型位错、螺型位错和混合位错。它们与柏氏矢量的关系：

刃型位错：柏氏矢量与位错线垂直。螺型位错：柏氏矢量与位错线平行。

混合位错：柏氏矢量与位错线既不平行也不垂直，而是与位错线相交成任意角度。

3．位错的运动形式或方式有哪些？

位错的基本运动形式是滑移，此外，刃型位错还有攀移，螺型位错还有交滑移。

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伯氏矢量方向在滑移面上不断地作少量的位移而逐步实现的。

刃型位错在垂直于滑移面方向的运动称为攀移。

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．扭折、割阶的定义；割阶对位错运动有什么影响？

一个运动的位错线，特别是在受到阻碍的情况下，有可能通过其中一部分线段（n个原子间距）首先进行滑移。若由此形成的曲折线段就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，则称为割阶。

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带割阶位错的运动，按割阶高度的不同，又可分为三种情况：①割阶高度只有1~2个原子间距，螺型位错可以把割阶拖着走，在割阶后面留下一排点缺陷；②割阶高度约在20nm以上，它们可以各自独立的在各自的滑移面上滑移，并以割阶为轴，在滑移面上旋转；③割阶高度介于上述两种情况之间时，位错不可能拖着割阶运动，割阶之间的位错线弯曲而在其后形成位错环。

5．单位位错线所受到的滑移力、攀移力、应变能公式（只记公式结果）：各类位错系数是多少？

滑移力：有一个垂直于位错线的“力”作用在位错线上，Fd=F/dl=τb是作用在单位长度位错的力，它与外应力τ和位错的伯氏矢量b成正比，其方向总是与位错线相垂直并指向滑移面的未滑移部分;

攀移力：在垂直于滑移面的方向运动，即发生攀移，此时刃型位错所受的力也称为攀移力。作用在单位长度刃型位错上的攀移力Fy的方向和位错线攀移方向一致，也垂直于位错线, Fy=–σb;

位错的应变能：位错周围点阵畸变引起弹性应力场导致晶体能量的增加，这部分能量称为位错的应变能，或位错的能量，单位长度刃型位错的应变能：

，单位长度螺型位错的应变能：

，混合位错

的应变能：，式中，称为混合位错的角GbRmesEe?Ee?Ee?ln4?Kr0度因素，K≈1～0.75，螺型位错的K=1;刃型位错K= 1–ν，而对于混合位错，则。

6．单位位错与不全位错的基本概念： Ee?Gb2lnRe1??4?1??? r0K? 单位位错：把柏氏矢量等于单位点阵矢量的位错。1??cos? 不全位错：柏氏矢量不等于单位点阵矢量或其整数倍的位错。 7．层错与不全位错的关系：

不全位错出现于层错区和完整晶体的交界处。

肖克莱不全位错的滑移可引起层错面得扩大或缩小。弗兰克不全位错的柏氏矢量与层错面垂直。

1) 不全位错的四周不完全是完整的结构，有一部分有层错；

2) 不全位错的柏氏回路必须从层错开始，回路最后还要穿过层错； 3) 不全位错的柏氏矢量不是完整的最短点阵矢量； 4) 不全位错的矢量也有守恒性。 8．扩散与位错：

1）如果扩散元素沿位错管道迁移，所需要的激活能较小，所以扩散速率较高。

2）在高温下，位错对晶体的总扩散的贡献并不大，只有在较低温度下才能显示出其重要性。

3）冷变形会增加金属材料的界面和位错密度，也会加速扩散过程的进行。 9．第二相粒子与位错的关系：绕过机制，切过机制

绕过机制：当运动位错与不可变形粒子相遇时，将受到粒子阻挡，使位错线绕着它发生弯曲，随着外加应力的增大，位错线受阻部分的弯曲加剧，以致围绕着粒子的位错线在左右两边相遇，于是正负位错彼此抵消，形成包围着粒子的位错环留下，而位错线的其余部分则越过粒子继续移动，通常称为奥罗万机制。

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K?1??1??cos?E《晶体缺陷及固态相变》复习资料

切过机制：当第二相粒子为可变形微粒时，位错将切过粒子使之随同基体一起变形；短程交互作用和长程交互作用。 10．汤普森四面体（点、线、面）

如果以 α，β，γ，δ 分别代表与 A ，B ，C ，D 点相对面的中心，把4个面以三角形 ABC 为底展开，得图 3.40(c) 。由图中可见: (1) 四面体的4个面即为4个可能的滑移面:

面。

(2) 四面体的6个棱边代表12个晶向，即为面心立方晶体中全位错 12 个可能的柏氏矢量。

(3) 每个面的顶点与其中心的连线代表24个

型的滑移矢量，它们相当于

面心立方晶体中可能的 24 个肖克莱不全位错的柏氏矢量。 (4）4个顶点到它所对的三角形中点的连线代表8个

型的滑移矢最，它

3111们相当于面心立方晶体中可能有的8个弗兰克不全位错的柏氏矢量。 (5) 4个面中心相连即αβ，αγ，αδ，βγ，βδ，γδ为错的一种。

11．罗麦-柯索尔位错（位错方向）罗麦位错：柯垂尔位错：

在（111）面上：

，即位错方向[110]

6110是压杆位

6112

在

面上

，即位错方向[110]

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两扩展位错在各自的滑移面上相向移动，当每个扩展位错中的一个不全位错达到滑移面的交截线时，就会通过位错反应生成新的先导位错（亦为不全位错），这个新位错

是纯刃型的，其伯氏矢量位于（001）面上，其滑移面是（001），

但fcc的滑移面应是{111}，因此，这个位错是固定位错，又称压杆位错，这种形成于两个{111}面之间的面角上，由三个不全位错和两片层错所构成的位错组态称为“Lomer-Cottrell位错\，也称为面角位错。 12．位错增殖的5种机制：1）F-R位错源增殖机制

2）双交滑移位错增殖机制 3）单边F-R位错源增殖机制

4）刃型位错线部分攀移增殖机制、 5）空位片塌陷增殖机制。

13．位错密度与强度关系（图）

1）由上图可得随着缺陷数目的增加，金属的强度下降。原因是缺陷破坏了原子间结合力，从宏观上看，即随缺陷数目增加，强度下降。

2）随着缺陷数目的增加，金属的强度增加。原因是位错交割缠结，使位错运动的阻力增加，强度增加。

由此可见，强化金属的方向有两个：一是制备无缺陷的理想晶体，其强度最高，但实际上很难；另一种是制备缺陷数目多的晶体，例如：纳米晶体，非晶态晶体等。

三、面缺陷

1．面缺陷基本概念与类型，对性能的影响

基本概念：面缺陷，其特征是在一个方向上尺寸很小，另外两个方向上扩展很大，也称为二维缺陷。

类型：外表面和内界面。外表面：固体材料与气体或液体的分界面。内界面：晶界、亚晶界、孪晶界、层错和相界面等。

晶界：属于同一固相但位向不同的晶粒之间的界面。根据位向差θ的大小不同可将晶界分为两类：（1）小角度晶界——相邻晶粒的位向差小于10°晶界，亚晶界均属小角度晶界，一般小于2°；（2）大角度晶界——相邻晶粒的位向差大于10°晶界，多晶体中90％以上的晶界属于此类。

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亚晶界：位向稍有差异的相邻亚晶粒间的界面。

孪晶界：两个晶体（或一个晶体的两部分）沿一个公共晶面构成镜面对称的位向关系，这两个晶体就称为\孪晶\，此公共晶面就称孪晶面；孪晶界可分为两类：共格孪晶界和非共格孪晶界。

相界：具有不同结构的两相之间的分界面；相界面可分为共格相界、半共格相界和非共格相界三种类型。 2．晶界的位错结构

（1）小角度晶界的结构：

?对称倾斜晶界：晶界两侧晶体互相倾斜的结果，相邻两晶粒间的位向差θ角很小，晶界可看成是由一列平行的刃型位错所构成；

?不对称倾斜晶界：倾斜晶界的界面绕x轴转了一角度φ，两晶粒之间的位向差仍为θ角，由两组柏氏矢量相互垂直的刃位错交错排列而构成；

?扭转晶界：两部分晶体绕某一轴在一个共同的晶面上相对扭转一个θ角所构成，由互相交叉的螺型位错网络所组成；

倾斜晶界：转轴在晶界内；扭转晶界：转轴垂直于晶界。（2）大角度晶界的结构

多晶体材料中各晶粒之间的晶界通常为大角度晶界；分界面由不规则的台阶组成。

3．面缺陷对性能的影响

1. 晶界处点阵畸变大，存在着晶界能。

2. 晶界处原子排列不规则，在常温下晶界的存在会对位错的运动起阻碍作用，宏观表现为晶界较晶内具有较高的强度和硬度。 3. 晶界处原子偏离平衡位置，具有较高的动能，并且晶界处存在较多的缺陷，故晶界处原子的扩散速度比在晶内快的多。 4. 相变过程中，由于晶界能量较高且原子活动能力较大，所以新相易于在晶界处优先形核。

5. 由于成分偏析和内附现象，故在加热过程中，会出现“过热”现象。 6. 由于晶界能量较高、原子处于不稳定状态，故晶界的腐蚀速度较快。

第二部分固态相变

1．固态相变的特点：（1）固态相变阻力大

（2）新相-母相界面上原子的排列易保持一定的匹配（3）新相和母相之间存在一定的晶体学位相关系

（4）为了维持共格，新相往往在母相的一定晶面上开始形成。（5）母相中晶体缺陷对新相形核起促进作用（6）易出现过渡相

2．固态相变类型：不同分类方式、不同类型（1）按热力学分类：一级相变和二级相变

一级相变：是指相变时新、旧两相的化学位相等，但化学位的一级偏微商不等的相变，用数学表达式可写成：

、

，

已知，所以，在一级相变发生时，熵S和体积V将发生不连续变化，即一级相变有相变潜热和体积改变；

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