第3章　晶體缺陷

一、選擇題

1．在面心立方晶體中原子層沿[111]堆垛時，（　　）的堆垛稱為孿晶。[上海交通大學2006研]

A．ABCACBA

B．ABCBCAB

C．ABABCAB

【答案】A

2．兩平行螺型位錯，當柏氏矢量同向時，其相互作用力（　　）。[華中科技大學2006研]

A．為零

B．相斥

C．相吸

【答案】B

3．弗倫克缺陷是（　　）。[浙江大學2007研]

A．原子移到表面外新的位置，原來位置則形成空位

B．原子離開平衡位置后，形成間隙原子，而原來位置上形成空位，成對產生

C．正、負離子的二元體系，原子移到表面新的位置，原來位置空位成對出現

【答案】B

4．間隙相和離子晶體（　　）。[東南大學2006研]

A．可以有相同的晶體結構

B．可以有相同的空間點陣，但不可能有相同的晶體結構

C．可以有相同的晶體結構，但不可能有相同的空間點陣

D．既不可能有相同的晶體結構，也不可能有相同的空間點陣

【答案】A

二、填空題

根據界面上原子排列結構不同，可把固體中的相界面分為 、 和 界面。[北京工業大學2008研]

【答案】共格；非共格；半共格

三、判斷題

以界面能降低為晶粒長大驅動力時，晶界遷移總是向著晶界曲率中心方向。（　  ）[北京工業大學2008研]

【答案】√

四、名詞解釋

1．交滑移[北京理工大學2006研]

答：在晶體中，出現兩個或多個滑移面沿著某個共同的滑移方向同時或交替滑移，這種滑移稱為交滑移。發生交滑移時會出現曲折或波紋狀的滑移帶。最容易發生交滑移的是體心立方金屬，因其可以在{110}{112}{123}晶面上滑移，而滑移方向總是[111]。交滑移產生的難易程度與晶體的層錯能有關，層錯能高的材料易發生交滑移。交滑移必須是純螺型位錯，因其滑移面不受限制。交滑移對晶體的塑性變形有重要影響。

2．全位錯與不全位錯[西安交通大學2009研]

答：全位錯是指柏氏矢量等于點陣矢量或其整數倍的位錯；不全位錯是指柏氏矢量不等于點陣矢量整數倍的位錯。

3．肖脫基空位[北京工業大學2008研]

答：離位原子遷移到外表面或內界面（如晶界等）處形成的空位稱為肖脫基空位。

4．攀移[天津大學2009研]

答：位錯攀移是指刃型位錯在晶體內沿著垂直于滑移面方向上的運動。位錯攀移是一種擴散過程，借助于空位或質點的擴散與運動，刃型位錯向上、向下攀移一定的原子間距。

5．組分缺陷[南京工業大學2009研]

答：由于不等價離子的摻雜，為了保持晶體的電中性，必然會在晶體結構中產生空位或間隙離子的缺陷，這種缺陷稱為“組分缺陷”。

6．柯氏氣團[西安工業大學2009研]

答：間隙原子與位錯線進行彈性交互作用時，間隙原子將在位錯線附近聚集，形成小原子集團，稱為柯氏氣團。

7．刃型位錯[重慶大學2010研]

答：在金屬晶體中，由于某種原因，晶體的一部分相對于另一部分出現一個多余的半原子面，這個多余的半原子面猶如切入晶體的刀片，刀片的刃口線即為位錯線，這種線缺陷稱為刃型位錯。半原子面在上面的稱為正刃型位錯，半原子面在下面的稱為負刃型位錯。

8．對稱傾側晶界[燕山大學2005研]

答：由一系列柏氏矢量互相平行的同號刃位錯垂直排列而成，晶界兩邊對稱，兩晶粒位相差很小，是一種最簡單的小角度晶界。對稱傾斜晶界可看作把晶界兩側晶體互相傾斜的結果，由于相鄰兩晶粒的位向差θ角很小，其晶界可看作由一系列平行的刃型位錯所構成，位錯間距D與伯氏矢量之間的關系為：。

9．孿晶[湖南大學2007研]

答：在切應力作用下，晶體的一部分沿一定的晶面（稱為孿生面）和晶向（稱為孿生方向）相對于另一部分晶體作均勻的切變時所產生的變形。孿生變形后，相鄰兩部分晶體的取向不同，恰好以孿生面為對稱面形成鏡像對稱，形成孿晶。

10．平衡空位濃度[南京理工大學2008研]

答：在晶體中，空位并非固定不變，它處于不斷的產生和消失過程中，在晶體中，空位的數量通常用空位濃度衡量，指的是晶體中空位總數和結點總數的比值。根據統計熱力學原理，空位濃度決定于溫度，一定的溫度對應于一定的平衡空位濃度。

五、簡答題

1．有如圖3-1（a）所示的位錯線ABC及柏氏矢量，其中AB是極軸位錯（不動），MNPQ為位錯BC段的滑移面。請分析在切應力τ的作用下：（1）在圖（a）、（b）、（c）、（d）四種情況下，位錯BC、BC′、BC″、BC′″的受力及運動情況；（2）達到動態平衡時，位錯線ABC會變成什么形狀？（3）位錯線在掃動時對晶體的塑性變形會產生什么影響？[清華大學2008研]

圖3-1

答：（1）位錯BC、BC′、BC″、BC′″的受力及運動情況如圖3-2所示，圖中v是位錯線BC運動方向，同時也是受力方向。

圖3-2

（2）達到動態平衡時，位錯線ABC的形狀如圖3-3所示。

圖3-3

（3）位錯線在掃動時對晶體的塑性變形的影響如圖3-4所示。

圖3-4

2．形變孿晶和退火孿晶形成機制有何不同？試說明它們的顯微組織特征。[江蘇大學2006研]

答：（1）形變孿晶也稱為機械孿晶，它是在外力作用下晶體發生的形變或相變過程中，如果晶體中一部分原子相對于其他部分發生有規律的集體位移形成一個與原來的晶體有相同晶體結構，但取向不同的新晶體。退火孿晶形成于回復階段，是大角度界面的遷移結果。它的特征通常呈透鏡狀或片狀，且形變孿晶通常在一個晶粒內部。

（2）退火孿晶是變形金屬在其再結晶退火過程中形成的孿晶。其機制為退火孿晶在晶粒生長過程中形成的。當晶粒通過晶界移動而生長時，原子層在晶界角處（111）面上的堆垛順序偶然錯堆，就會出現一共格的孿晶界并隨之而在晶界角處形成退火孿晶。它的特征為為平直界面的片狀。

3．論述界面能對析出相的形貌的影響。[湖南大學2007研]

答：（1）單相組織。界面平直化與轉動，減小界面能；界面平衡的熱力學達到平衡時，晶界夾角均為120°。

（2）復相組織。第二相分布在基體晶粒內時，若相界的界面能無明顯各向異性，則第二相為球狀，這樣界面面積最小，總相界能也最小；若相界的界面能有明顯的各向異性，則第二相將形成以低能量晶面為相界的多面體。第二相分布在基體兩晶粒的晶界上時，兩相間形成非共格界面。

當第二相位于基體的界面上時，常呈雙凸透鏡的形貌，此時第二相的具體形狀與界面能有密切關系。如果、兩相間形成共格或半共格界面，則因為界面兩側的相晶粒有不同的位向，所以相如果和第一個相晶粒形成共格或半共格界面，則和第二個晶粒就不能共格。常見的情況是一個晶粒形成平直的共格或半共格界面，而另一個晶粒形成光滑的非共格界面。

4．簡述產生非化學計量化合物結構缺陷的原因，并說明四種不同類型非化學計量化合物結構缺陷的形成條件及其特點。[南京工業大學2009研]

答：產生原因：含有變價元素，周圍氣氛的性質發生變化。

陰離子空位型：在還原性氣氛下，高價態變成低價態，n型半導體。

陽離子填隙型：在還原性氣氛下，高價態變成低價態，n型半導體。

陰離子填隙型：在氧化性氣氛下，低價態變成高價態，P型半導體。

陽離子空位型：在氧化性氣氛下，低價態變成高價態，P型半導體。

5．試分析在具有面心立方結構的金屬晶體中，下列位錯反應能否進行，說明反應前后的位錯各屬于什么類型。能否在滑移面上運動。[西安工業大學2009研]

答：首先分析該反應式的幾何條件：

反應前

和反應后完全一樣，滿足位錯反應的幾何條件。

再來分析該反應式的能量條件：

反應前的能量

反應后的能量能量條件

可見，反應前位錯體系所具有的能量是反應后位錯體系所具有能量的兩倍，符合能量減小的原則。因此，從位錯反應的幾何條件和能量條件來判斷，該位錯反應是可以進行的。

反應前：是位于滑移面上的單位位錯，而是位于滑移面上的肖克萊不全位錯。這兩者都可以在滑移面上運動，屬于可動位錯。

反應后的位錯柏氏矢量垂直于（111）面，屬于不可動的弗蘭克不全位錯。

6．金屬材料生長形態的影響因素有哪些？在相同的溫度梯度下純金屬和固溶體合金的生長形態是否相同？請說明原因。[西安理工大學2009研]

答：影響金屬材料生長形態的因素主要有：液固界面中固體的界面結構、液固界面前沿的液體中溫度梯度的分布。

在相同溫度梯度下，純金屬和固溶體結構的生長形態不一定相同。例如正溫度梯度下，純金屬往往形成平面狀的晶體形態，而固溶體由于選分結晶現象導致出現成分過冷現象，造成其晶體形態往往是樹枝晶狀態的。

7．合金中有哪幾類相界面？各具有什么樣的結構特征？[北京理工大學2006研]

答：具有不同結構的兩相之間的分界面稱為相界。按結構特點，相界面可分為共格、半共格和非共格相界三種類型。

（1）共格晶界，是指界面上的原子同時位于兩相晶格的結點上，即兩相的晶格是彼此銜接的界面上的原子為兩者共有，其特征是：界面兩側的保持一定的位向關系，沿界面兩相具有相同或近似的原子排列，兩相在界面上原子匹配得好，界面上能量高。

（2）半共格界面，若兩相鄰晶體在相界面處的晶面間距相差較大，則在相界面上不可能做到完全的一一對應，于是在界面上將產生一些位錯，以降低界面的彈性應變能，這時界面上兩相原子部分地保持匹配，這樣的界面稱為半共格界面或部分共格界面，其特征是：沿相界面每隔一定距離產生一個刃型位錯，除刃型位錯線上的原子外，其余原子都是共格的。所以半共格界面是由共格區和非共格區相間組成。

（3）非共格相界的特征是，兩相在相界面上的原子排列相差很大，即錯配度很大。

六、計算題

1．在晶格常數為a的體心立方單晶體的[123]方向進行壓縮變形，已知其屈服強度為。（1）寫出晶體的始滑移系及其可能的交滑移系；（2）計算晶體開始滑移的臨界分切應力；（3）分別寫出屈服時晶體中所開動的刃位錯和螺位錯的位錯線方向及柏氏矢量，以及它們滑移運動的方向；（4）若該壓縮試樣的一個自由表面為，寫出該面上滑移線的方向。[西安交通大學2008研]

解：（1）體心立方晶體共有12個可能的滑移系。由于作用在滑移系上的分切應力，且施密特因子最大的滑移系為最易滑移的軟取向，稱為始滑移系，因此晶體始滑移系為(101)。始滑移系可能的交滑移系是12個滑移系中與始滑移系有相同滑移方向但不同滑移面的那些滑移系，故根據比較得到，可能的交滑移系為(110)和。

（2）根據臨界分切應力公式，可得晶體開始滑移的臨界分切應力為：

（3）晶體的滑移是晶體滑移面內柏氏矢量與晶體滑移方向相同的位錯線滑移運動的結果，其中刃位錯，其位錯線方向為，柏氏矢量為，滑移運動方向為。對于螺位錯，其位錯線方向為，柏氏矢量為，滑移運動方向為。

（4）由于滑移線是晶體的滑移面與晶體外表面的交線，而且與晶體的滑移方向不平行。根據向量平行法則有：不平行于，。所以滑移線的方向為。

2．鋁單晶的晶體結構為面心立方，柏氏矢量為的全位錯可以在哪些晶面上發生滑移？如果滑移需要的臨界分切應力為0.79 MPa，沿[110]方向進行拉伸，需加多大的拉應力才會在哪個晶面開始發生滑移運動？[華中科技大學2005研]

解：鋁單晶滑移系共有12組，分別是：

(111)[10]　 (11)[01]　  (11)[10]　  (11)[10]

(111)[10]　 (11)[101] (11)[110] (11)[101]

(111)[01]　 (11)[110] (11)[011] (11)[011]

由此易知，包含的滑移面為（111）和（11），該位錯可以在（111）和（11）上發生滑移。

若，設滑移面法線與拉伸方向夾角為，滑移方向與拉伸方向夾角為，則：

（1）在（111）面上，。

（a）[10]方向，，所以可以滑移，且：

MPa

（b）[10]方向，，所以不可以滑移。

（c）[01]方向，，所以可以滑移，且。

（2）在(11)面上，，所以不可以滑移。

（3）在（11）面上，，所以不可以滑移。

（4）在(11)面上，。

（a）[10]方向，，所以不可以滑移。

（b）[101]方向，，所以可以滑移。

（c）[011]方向，，所以可以滑移，且。

綜上所述，當沿[110]拉伸時，需加的拉應力才會在(111)[10]、(111)[01]及(11)[101]、(11)[011]滑移系上滑移。

3．實驗中發現，在中可以通過反應形成位錯，在Fe的晶胞中表示這一反應，并證明此位錯反應可以發生。[北京工業大學2008研]

證：如圖3-5所示。

圖3-5

因此反應可以發生。