《材料科学基础》课程教学课件（PPT讲稿）线缺陷（位错）

3.2位错位错（线缺陷）是晶体中普遍存在的线缺陷在三维空间中，一个方向上的尺寸很大(晶粒数量级，另外两个方向上的尺寸很小（原子尺寸大小）的晶体缺陷透射镜下看到的位错

3.2 位错 位错（线缺陷）是晶体中普遍存在的线缺陷 在三维空间中，一个方向上的尺寸很大(晶粒数量级)，另外两个方向上 的尺寸很小(原子尺寸大小)的晶体缺陷 透射镜下看到的位错

位错的提出·完整晶体塑性变形滑移模型一晶体在滑移时，滑移面上各个原子在切应力作用下，同时克服相邻滑移面上原子的作用力前进一个原子间距，所需的切应力相当于晶体的理论剪切屈服强度·金属晶体的理论强度一T=G/30·理论强度比实测强度高出几个数量级一Cu单晶体的理论剪切屈服强度约为1540MPa，，但实际屈服强度仅为1Mpa·提出位错模型一晶体中存在一种像位错那样的线缺陷·以位错滑移模型计算出的晶体强度，与实测值基本相符·透射电子显微镜TEM实验中观察到实际存在的位错形貌

位错的提出 • 完整晶体塑性变形滑移模型→ 晶体在滑移时，滑移面上各个原子在切应力作用下，同时克服相邻滑移面上原 子的作用力前进一个原子间距，所需的切应力相当于晶体的理论剪切屈服强度 • 金属晶体的理论强度→ τ = G/30 • 理论强度比实测强度高出几个数量级→ Cu单晶体的理论剪切屈服强度约为1540 MPa,，但实际屈服强度仅为1Mpa • 提出位错模型→ 晶体中存在一种像位错那样的线缺陷 • 以位错滑移模型计算出的晶体强度，与实测值基本相符 • 透射电子显微镜TEM实验中观察到实际存在的位错形貌

外力作用下晶体滑移7T一个滑移面和其面上的一个滑移方向组成一个滑移系。当外界应力达到某一临界值时，滑移系发生滑移，使晶体产生宏观的变形，将这个应力称之为临界切应力。表3-301晶体的理论切应力与实验值的比较（单位：MPa）金属切变模量实验值理论切应力2440038300.786Al2500039800.372Ag64800.49040700Cu689502.7511000a-Fe1640026300.393Mg

外力作用下晶体滑移 τ τ 一个滑移面和其面上的一个滑移方向组成一个滑移系。当外界应力达到某一临界值时， 滑移系发生滑移，使晶体产生宏观的变形，将这个应力称之为临界切应力

实际晶体的滑移模型晶体内部存在着很多缺陷，变形过程在很低的应力下就开始进行，这种内部缺陷就是位错原子面在一维方向偏离了正常晶格的排列，同原有的晶格点阵排列发生了错位晶体中原子排列非完全规则，滑移也不是两个原子面之间集体的相对移动晶格中一部分晶体相对于另一部分晶体的局部滑移，相对滑移的交界线为位错线滑移是逐步进行的，在滑移的任何阶段，原则上都存在一条已滑移区与未滑移区的分界线边界处原子的相对位移不是从一个原子间距突变到零，否则此处会发生原子的“重叠”或出现“缝隙”，位错并不是几何上的一条线，而是一个过渡区。在此区内，原子相对位移从一个原子间距逐渐减小至零3.2.1位错类型·刃型位错·螺型位错·混合型位错

实际晶体的滑移模型 • 晶体内部存在着很多缺陷，变形过程在很低的应力下就开始进行，这种内部缺陷就是位 错 • 原子面在一维方向偏离了正常晶格的排列，同原有的晶格点阵排列发生了错位 • 晶体中原子排列非完全规则，滑移也不是两个原子面之间集体的相对移动 • 晶格中一部分晶体相对于另一部分晶体的局部滑移，相对滑移的交界线为位错线 • 滑移是逐步进行的，在滑移的任何阶段，原则上都存在一条已滑移区与未滑移区的分界 线 • 边界处原子的相对位移不是从一个原子间距突变到零，否则此处会发生原子的“重叠” 或出现“缝隙”，位错并不是几何上的一条线，而是一个过渡区。在此区内，原子相对 位移从一个原子间距逐渐减小至零 3.2.1 位错类型 ❖ 刃型位错 ❖ 螺型位错 ❖ 混合型位错

①刃型位错将晶体的上半部分左移一个原子间距，再按原子的结合方式连接起来额外半原子面位错线GHR滑移面形成：晶体在切应力作用下，以ABCD面为滑移面发生滑移，EF是已滑移部分和未滑移部分的交线，犹如砍入晶体的一把刀的刀刃，即刃型位错分类："1""√正刃位错，"T"√负刃位错，水平线代表滑移面，垂直线代表半个原子面

将晶体的上半部分左移一个原子间距，再按原子的结合方式连接起来 ①刃型位错 形成： 晶体在切应力作用下，以ABCD面为滑移面发生滑移，EF是已滑移部分和未滑移部 分的交线，犹如砍入晶体的一把刀的刀刃，即刃型位错 分类： ✓ 正刃位错，“⊥” ✓ 负刃位错，“T” 水平线代表滑移面，垂直线代表半个原子面

几何特点：√刃型位错有一个额外半原子面√位错线与原子滑移方向垂直√位错周围的点阵发生弹性畸变，既有垂直于位错线的正应变，又有平行于位错线的切应变√滑移面上部位错线周围原子受压应力作用，原子间距小于正常晶格间距；滑移面下部位错线周围原子受张应力作用，原子间距大于正常晶格间距√位错线可以是直线、折线或曲线，刃型位错线与滑移矢量垂直，滑移面是位错线和滑移失量所构成的唯一平面

几何特点： ✓ 刃型位错有一个额外半原子面 ✓ 位错线与原子滑移方向垂直 ✓ 位错周围的点阵发生弹性畸变，既有垂直于位错线的正应变，又有平行于位错线的切应变 ✓ 滑移面上部位错线周围原子受压应力作用，原子间距小于正常晶格间距；滑移面下部位错线 周围原子受张应力作用，原子间距大于正常晶格间距 ✓ 位错线可以是直线、折线或曲线，刃型位错线与滑移矢量垂直，滑移面是位错线和滑移矢量 所构成的唯一平面

②螺型位错形成：沿着晶体某一晶面切一缝(至BC)，给晶体右侧上部一切应力，该部分在切应力作用下发生BC方向的滑移(BC为滑移与未滑移部分分界线，即位错线）位错线周围的一组原子面形成了一个连续的螺旋形坡面，称为螺位错。B分类：有左、右旋之分

②螺型位错 形成：沿着晶体某一晶面切一缝(至BC)，给晶体右侧上部一切应力，该部 分在切应力作用下发生BC方向的滑移(BC为滑移与未滑移部分分界线，即位 错线) 位错线周围的一组原子面形成了一个连续的螺旋形坡面，称为螺位错。 分类：有左、右旋之分

螺型位错特征√螺型位错无额外半原子面，原子错排呈轴对称V螺型位错与滑移量平行，是直线/包含螺位错的面必然包含滑移矢量，故螺位错可以有无穷个滑移面√螺位错周围的点阵也发生了弹性畸变，但只有平行于位错线的切应变，无正应变（在垂直于位错线的平面投影上，看不出缺陷）√位错线的移动方向与晶块滑移方向互相垂直

螺型位错特征 ✓螺型位错无额外半原子面，原子错排呈轴对称 ✓螺型位错与滑移矢量平行，是直线 ✓包含螺位错的面必然包含滑移矢量，故螺位错可以有无穷个滑移面 ✓螺位错周围的点阵也发生了弹性畸变，但只有平行于位错线的切应变， 无正应变（在垂直于位错线的平面投影上，看不出缺陷） ✓位错线的移动方向与晶块滑移方向互相垂直

刃型位错VS螺型位错无有额外半原子面平行垂直位错线与原子滑移方向位错线直线直线、折线、曲线切应变位错周围点阵应变正应变+切应变唯一滑移面无穷理想晶体原子面堆积含有刃型位错晶体原子面堆积含有螺型位错晶体原子面堆积

理想晶体原子面堆积 含有刃型位错晶体原子面堆积 含有螺型位错晶体原子面堆积 刃型位错 VS 螺型位错 额外半原子面 有 无 位错线与原子滑移方向 垂直 平行 位错线 直线、折线、曲线 直线 位错周围点阵应变 正应变+切应变 切应变 滑移面 唯一 无穷

③混合型位错如果滑移从晶体的一角开始，然后逐渐扩大滑移范围，滑移区和未滑移区的交界为曲线，曲线与滑移方向既不垂直也不平行，原子的排列介于刃型位错和螺型位错之间，就称为混合型位错

如果滑移从晶体的一角开始，然后逐渐扩大滑移范围，滑移区和未滑移区 的交界为曲线，曲线与滑移方向既不垂直也不平行，原子的排列介于刃型 位错和螺型位错之间，就称为混合型位错。 ③混合型位错