晶体缺陷思维导图

U230577524

2023-04-03

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晶体缺陷

固体物理

物理学

晶体缺陷知识梳理

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思维导图大纲

点缺陷

定义

面缺陷

特征是在一个方向上尺寸很小,另外两个方向上很大，又称二维缺陷，包括表面、晶界、亚晶界、相界、孪晶界、堆垛层错等

线缺陷

在两个方向上尺寸很小,另外一个方向上很大，又称一维缺陷，如各类位错

点缺陷

在三维空间各方向上尺寸都很小的缺陷。如空位、间隙原子、杂质或溶质原子等。

位错

位错的基本类型和特征

伯氏矢量

判断：右手的拇指、食指和中指构成直角坐标，以食指指向位错线方向，中指指向伯氏矢量的方向，则拇指指向代表多余半原子面的位向，向上为正，向下为负

意义及特征

物理意义：反映柏氏回路包含的位错所引起的点阵畸变的总累积；其方向位错运动导致晶体滑移的方向；其模｜b｜表示畸变的程度，即位错的强度。

伯氏矢量的守恒性。与回路起点及具体路径无关

伯氏矢量的唯一性。位错在晶体中运动或者改变方向时，其伯氏矢量也不变。

伯氏矢量的加和性。若各位错线的方向都是朝向结点或离开结点的，则伯氏矢量之和为零。

位错的连续性。位错不能中断于晶体内部

位错运动

滑移

刃型位错的滑移

螺型位错的滑移

刃、螺型位错滑移特征差异

位错的滑移面

位错在某个面上滑移就会使该面上、下部晶体产生一个柏氏矢量 b的位移，所以位错线ζ与b组成的原子面就是位错的滑移面。

刃型位错：位错线ζ⊥b，滑移面是唯一的，位错只能在确定的面上滑移。

螺位错：ζ∥b，任何通过位错线的晶面都满足滑移面的条件，螺型位错可以有多个滑移面。至于滑移究竟发生在哪个面，则取决于各个面上的切应力大小及滑移阻力的强弱。

双交滑移：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。

攀移

特点

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

表现过程

在垂直于滑移面方向上运动，刃位错多余半原子面的扩大和缩小，正攀移,多余半原子面向上运动；负攀移, 多余半原子面向下运动

交割

扭折，割阶

位错运动受阻时，可能通过其中一部分线段（n个原子间距）首先进行滑移，由此形成的曲折线在位错的滑移面上时称为扭折，若该曲线垂直于滑移面时，则称割阶。

割阶强化

位错中的割阶只能产生攀移而不能随主位错线一道运动，成为位错运动的障碍，从而使材料强度提高的现象。

位错弹性性质

位错的应力场

螺位错应力场

切应变：γθz=b/(2πr)—仅轴向有应变切应力：τθz =τzθ =Gγθz=Gb/(2πr) 其余应力分量为

刃位错应力场

特点

螺型位错的应力场是轴对称的，即与位错等距离的各处，其切应力值相等，并随着与位错距离的增大，应力值减小

刃位错同时存在正、切应力分量，各应力分量正比于G，b，与r成反比，即随着位错距离的增大，应力绝对值减小

位错的应变能

E=aGb^2(0.5<a<1)

单位长度刃位错应变能：

单位长度螺位错应变能：

位错线张力

位错总应变能与位错线的长度成正比

定义为使位错增加单位长度所需要的能量

单位长度位错线上的力Fd=τb

T≈kGb^2

T使位错变直，即r↑

τ使位错弯曲，即r↓

位错间的相互作用力

fr=Gb1b2/2πr

同号刃位错间的交互作用力与两异号位错间的作用力大小相等，方向相反。

两平行螺位错的交互作用：同性相斥，异性相吸

位错的生成增值

位错密度

单位体积晶体中所含的位错线的总长度。或穿过单位面积的位错线数目。ρ=n/A

位错生成

晶体生长过程产生位错

凝固先后导致成分差

温度梯度、浓度梯度、机械振动

晶体生长过程中的热应力

高温快速凝固和冷却时，大量过饱和空位聚集

应力集中

位错增值

Frank-Read 位错源

双交滑移增殖

实际晶体的位错思维导图模板大纲

典型特征

堆垛层错

简称层错，是在实际晶体中，密排面的正常堆垛顺序遭到破坏和错排，从而导致的面缺陷。

畸变很小，但仍有畸变能。 • 材料的层错能越低，层错数量越多。

不全位错

肖克莱不全位错

b=a/6 [1-21]

弗兰克（Frank）不全位错

b=a/3<111>

位错反应

几何条件：反应前后柏氏矢量和相等（方向、大小）能量条件：反应后能量降低

扩展位错

通常把一个全位错分解为两个不全位错，中间夹着一个堆垛层错的整个位错组态称为扩展位错。

表面和界面思维导图模板大纲

表面

在晶体表面上，原子排列情况与晶内不同，表面原子会偏离其正常的平衡位置，并影响到邻近的几层原子，造成表层的点阵畸变，使它们的能量比内部原子高，这几层高能量的原子层称为表面

表面能

产生单位面积新表面所作的功。自由晶体暴露在外的表面通常是低表面能的原子密排晶面。

晶界和亚晶界

属于同一固相但位向不同的晶粒之间的界面称为晶界，它是一种内界面。

每个晶粒有时又由若干个位向稍有差异的亚晶粒所组成，相邻亚晶粒间的界面称为亚晶界。

晶界能

形成单位面积界面时，系统的自由能变化。J/㎡。表现形式：界面张力

晶界特点

晶界处点畸变大，存在晶界能。晶界→畸变→晶界能→向低能量状态，转化→晶粒长大、晶界变直→晶界面积减小。

阻碍位错运动→强度↑ →细晶强化晶界的存在会对位错的运动起阻碍运动，使塑型变形抗力提高，使材料的硬度和强度提高，塑性和韧性提高

细晶强化的强化规律，晶界越多，晶粒越细，材料的屈服强度就越高。晶粒越细小，位错集群中位错个数（n）越小，应力集中越小，所以强度越高

位错、空位等缺陷多→晶界扩散速度高。

固态相变时易在晶界处形成新核。晶界能量高、结构复杂→容易满足固态相变的条件→固态相变首先发生地。

化学稳定性差→晶界容易受腐蚀。

微量元素、杂质富集。晶界具有不同与晶内的物理性质。

相界

具有不同结构的两相之间的分界面。

共格相界

点阵完全重合的相界

半共格相界

点阵部分重合的相界

非共格相界

点阵完全不重合的相界

相

具有同一聚集状态、同一晶体结构和性质并以界面相互相互隔开的均匀组成部分。

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