第七章晶体缺陷 第一章所述的晶体结构是理想晶体的结构,但是在实际应用的金属中,总是 不可避免地存在着不完整性,即原子的排列都不是完美无缺的。实际金属中原子 排列的不完整性称为晶体缺陷。按照晶体缺陷的几何形态特征,可以将其分为以 下三类 (1)点缺陷( point defect)其特征是三个方向上的尺寸都很小,相当于原 子的尺寸,例如空位( vacancy)、间隙原子( interstitial atom)、置换原子 ( substitional atom)等; (2)线缺陷( (line defect)其特征是在两个方向上的尺寸很小,另一个方 向上的尺寸相对很大。属于这一类缺陷的主要是位错( dislocation) (3)面缺陷( interfacial defect)其特征是在一个方向上的尺寸很小,另两个 方向上的尺寸相对很大,例如晶界、亚晶界( subgrain boundary)等。 7-1点缺陷 常见的点缺陷有三种,即空位、间隙原子和置换原子,如图2.11所示。 间隙原子 空位 置换原子 图211晶体中的点缺陷 空位 在实际晶体的晶格中,并不是每个平衡位置都为原子所占据,总有极少数位 置是空着的,这就是空位。由于空位的出现,使其周围的原子偏离平衡位置,发 生晶格畸变( distortion),所以说空位是一种点缺陷。 二、间隙原子 间隙原子就是处于晶格空隙中的原子。晶格中原子间的空隙是很小的,一个 Chap 第1页
Chap7 第1页 第七章 晶体缺陷 第一章所述的晶体结构是理想晶体的结构，但是在实际应用的金属中，总是 不可避免地存在着不完整性，即原子的排列都不是完美无缺的。实际金属中原子 排列的不完整性称为晶体缺陷。按照晶体缺陷的几何形态特征，可以将其分为以 下三类： (1)点缺陷（point defect） 其特征是三个方向上的尺寸都很小，相当于原 子的尺寸，例如空位（vacancy）、间隙原子（interstitial atom）、置换原子 （substitional atom）等； (2)线缺陷（line defect） 其特征是在两个方向上的尺寸很小，另一个方 向上的尺寸相对很大。属于这一类缺陷的主要是位错（dislocation）； (3)面缺陷（interfacial defect） 其特征是在一个方向上的尺寸很小，另两个 方向上的尺寸相对很大，例如晶界、亚晶界（subgrain boundary）等。 7-1 点缺陷 常见的点缺陷有三种，即空位、间隙原子和置换原子，如图 2.11 所示。 一、空位 在实际晶体的晶格中，并不是每个平衡位置都为原子所占据，总有极少数位 置是空着的，这就是空位。由于空位的出现，使其周围的原子偏离平衡位置，发 生晶格畸变（distortion），所以说空位是一种点缺陷。 二、间隙原子 间隙原子就是处于晶格空隙中的原子。晶格中原子间的空隙是很小的，一个 间隙原子 置换原子 空位 图 2.11 晶体中的点缺陷
原子硬挤进去,必然使周围的原子偏离平衡位置,造成晶格畸变,因此间隙原子 也是一种点缺陷。间隙原子有两种,一种是同类原子的间隙原子,另一种是异类 原子的间隙原子。 三、置换原子 许多异类原子溶入金属晶体时,如果占据在原来基体原子的平衡位置上,则 称为置换原子。由于置换原子的大小与基体原子不可能完全相同,因此其周围临 近原子也将偏离其平衡位置,造成晶格畸变,因此置换原子也是一种点缺陷。 由上可知,不管是哪类点缺陷,都会造成晶格畸变,这将对金属的性能产生 影响,如使屈服强度升髙、电阻增大、体积膨胀等。此外,点缺陷的存在,还将 加速金属中的扩散过程,从而影响与扩散有关的相变化、化学热处理、高温下的 塑性变形和断裂等。 7-2线缺陷 晶体中的线缺陷就是各种类型的位错。位错是一种极重要的晶体缺陷,它是 在晶体中某处有一列或若干列原子发生了有规律的位错现象,使长度达几百至几 万个原子间距、宽约几个原子间距范围内的原子离开其平衡位置,发生了有规律 的错动。位错有多种类型,其中最简单、也是最基本的有两种:刃型位错(edge dislocation)和螺型位错( screw dislocation),如图2.12所示。 圆置■ (a)完整晶体 (b)刃型位错 (c)螺型位错 图2.12完整晶体和位错 刃型位错 刃型位错如图2.12(b)所示。由图可见,晶体的上半部分已经发生了局部滑移, 左边是未滑移区,右边是已滑移区,原子向左移动了一个原子间距。在已滑移区 和未滑移区之间,出现了一个多余的半原子面,好象一片刀刃插入晶体,中止在 内部。沿着半原子面的“刃边”,晶格发生了很大的畸变,这就是一条刃型位错。 如图213所示,晶格畸变中心的联线就是刃型位错线(图中画“⊥”处)。位错 线并不是一个原子列,而是一个晶格畸变的“管道”。 Chap 2页
Chap7 第2页 原子硬挤进去，必然使周围的原子偏离平衡位置，造成晶格畸变，因此间隙原子 也是一种点缺陷。间隙原子有两种，一种是同类原子的间隙原子，另一种是异类 原子的间隙原子。 三、置换原子 许多异类原子溶入金属晶体时，如果占据在原来基体原子的平衡位置上，则 称为置换原子。由于置换原子的大小与基体原子不可能完全相同，因此其周围临 近原子也将偏离其平衡位置，造成晶格畸变，因此置换原子也是一种点缺陷。 由上可知，不管是哪类点缺陷，都会造成晶格畸变，这将对金属的性能产生 影响，如使屈服强度升高、电阻增大、体积膨胀等。此外，点缺陷的存在，还将 加速金属中的扩散过程，从而影响与扩散有关的相变化、化学热处理、高温下的 塑性变形和断裂等。 7-2 线缺陷 晶体中的线缺陷就是各种类型的位错。位错是一种极重要的晶体缺陷，它是 在晶体中某处有一列或若干列原子发生了有规律的位错现象，使长度达几百至几 万个原子间距、宽约几个原子间距范围内的原子离开其平衡位置，发生了有规律 的错动。位错有多种类型，其中最简单、也是最基本的有两种：刃型位错（edge dislocation）和螺型位错（screw dislocation），如图 2.12 所示。 一、刃型位错 刃型位错如图 2.12(b)所示。由图可见，晶体的上半部分已经发生了局部滑移， 左边是未滑移区，右边是已滑移区，原子向左移动了一个原子间距。在已滑移区 和未滑移区之间，出现了一个多余的半原子面，好象一片刀刃插入晶体，中止在 内部。沿着半原子面的“刃边”，晶格发生了很大的畸变，这就是一条刃型位错。 如图 2.13 所示，晶格畸变中心的联线就是刃型位错线（图中画“⊥”处）。位错 线并不是一个原子列，而是一个晶格畸变的“管道”。 (a)完整晶体 (b)刃型位错 (c)螺型位错 图 2.12 完整晶体和位错
图2.13刃型位错 二、螺型位错 b) 图2.14螺型位错 螺型位错如图2.12(c)所示。由图可见,晶体的上半部分已经发生了局部滑 移,左边是未滑移区,右边是已滑移区,原子相对移动了一个原子间距。在已滑 Chap 第3页
Chap7 第3页 二、螺型位错 螺型位错如图 2.12(c)所示。由图可见，晶体的上半部分已经发生了局部滑 移，左边是未滑移区，右边是已滑移区，原子相对移动了一个原子间距。在已滑 图 2.13 刃型位错 (a) (b) (c) 图 2.14 螺型位错
移区和未滑移区之间,有一个很窄的过渡区,如图2.14所示。在过渡区中,原 子都偏离了平衡位置,使原子面畸变成一串螺旋面。在这螺旋面的轴心处,晶格 畸变最大,这就是一条螺型位错。螺型位错也不是一个原子列,而是一个螺旋状 的晶格畸变管道。 由上可知,无论是何种位错,都有一个共同点,即:在位错的一边是已滑移 区,另一边是未滑移区,位错就是已滑移区和未滑移区在滑移面上的边界线。 位错是一种极为重要的晶体缺陷,它对于金属的强度、断裂和塑性变形等起 着决定性的作用。 7-3面缺陷 晶体中的面缺陷主要有两种:晶界和亚晶界。 、晶界 多晶体由许多晶粒构成,由于各晶粒的位向不同,晶粒之间存在晶界。当相 邻两晶粒位向差小于15°时,称为小角度晶界(low- angle boundary):位向差 大于15°时,称为大角度晶界(high- angle boundary 小角度晶界是由一系列位错排列而成的,如图2.15所示。大角度晶界的原 子排列处于紊乱过渡状态,如图216所示 晶界 晶粒1 晶粒2 图2.15小角度晶界的位错模型 图216大角度晶界的原子排列示意图 、亚晶界 即使在一个晶粒内部,原子排列的位向也不完全一致,仍然由许多晶格位向 差小于2°的小晶块构成。这种小晶块称为亚晶粒( subgrain),亚晶粒的边界 Chap 第4页
Chap7 第4页 移区和未滑移区之间，有一个很窄的过渡区，如图 2.14 所示。在过渡区中，原 子都偏离了平衡位置，使原子面畸变成一串螺旋面。在这螺旋面的轴心处，晶格 畸变最大，这就是一条螺型位错。螺型位错也不是一个原子列，而是一个螺旋状 的晶格畸变管道。 由上可知，无论是何种位错，都有一个共同点，即：在位错的一边是已滑移 区，另一边是未滑移区，位错就是已滑移区和未滑移区在滑移面上的边界线。 位错是一种极为重要的晶体缺陷，它对于金属的强度、断裂和塑性变形等起 着决定性的作用。 7-3 面缺陷 晶体中的面缺陷主要有两种：晶界和亚晶界。 一、晶界 多晶体由许多晶粒构成，由于各晶粒的位向不同，晶粒之间存在晶界。当相 邻两晶粒位向差小于 15°时，称为小角度晶界（low-angle boundary）；位向差 大于 15°时，称为大角度晶界（high-angle boundary）。 小角度晶界是由一系列位错排列而成的，如图 2.15 所示。大角度晶界的原 子排列处于紊乱过渡状态，如图 2.16 所示。 二、亚晶界 即使在一个晶粒内部，原子排列的位向也不完全一致，仍然由许多晶格位向 差小于 2°的小晶块构成。这种小晶块称为亚晶粒（subgrain），亚晶粒的边界 晶界 晶粒 1 晶粒 2 图 2.15 小角度晶界的位错模型 θ θ 图 2.16 大角度晶界的原子排列示意图
称为亚晶界。图2.17是A-Ni合金的亚晶粒 在晶界或亚晶界上,原子的排列偏离平衡位置,晶格畸变较大,位错密度较 高,原子处于较高的能量状态,原子的活性较大,所以对金属中的许多过程的进 行,具有极为重要的作用 图217A-Ni合金的亚晶粒 Chap 5页
Chap7 第5页 称为亚晶界。图 2.17 是 Al-Ni 合金的亚晶粒。 在晶界或亚晶界上，原子的排列偏离平衡位置，晶格畸变较大，位错密度较 高，原子处于较高的能量状态，原子的活性较大，所以对金属中的许多过程的进 行，具有极为重要的作用。 图 2.17 Al-Ni 合金的亚晶粒