第3章　晶体缺陷

一、选择题

1．在面心立方晶体中原子层沿[111]堆垛时，（　　）的堆垛称为孪晶。[上海交通大学2006研]

A．ABCACBA

B．ABCBCAB

C．ABABCAB

【答案】A

2．两平行螺型位错，当柏氏矢量同向时，其相互作用力（　　）。[华中科技大学2006研]

A．为零

B．相斥

C．相吸

【答案】B

3．弗伦克缺陷是（　　）。[浙江大学2007研]

A．原子移到表面外新的位置，原来位置则形成空位

B．原子离开平衡位置后，形成间隙原子，而原来位置上形成空位，成对产生

C．正、负离子的二元体系，原子移到表面新的位置，原来位置空位成对出现

【答案】B

4．间隙相和离子晶体（　　）。[东南大学2006研]

A．可以有相同的晶体结构

B．可以有相同的空间点阵，但不可能有相同的晶体结构

C．可以有相同的晶体结构，但不可能有相同的空间点阵

D．既不可能有相同的晶体结构，也不可能有相同的空间点阵

【答案】A

二、填空题

根据界面上原子排列结构不同，可把固体中的相界面分为 、 和 界面。[北京工业大学2008研]

【答案】共格；非共格；半共格

三、判断题

以界面能降低为晶粒长大驱动力时，晶界迁移总是向着晶界曲率中心方向。（　  ）[北京工业大学2008研]

【答案】√

四、名词解释

1．交滑移[北京理工大学2006研]

答：在晶体中，出现两个或多个滑移面沿着某个共同的滑移方向同时或交替滑移，这种滑移称为交滑移。发生交滑移时会出现曲折或波纹状的滑移带。最容易发生交滑移的是体心立方金属，因其可以在{110}{112}{123}晶面上滑移，而滑移方向总是[111]。交滑移产生的难易程度与晶体的层错能有关，层错能高的材料易发生交滑移。交滑移必须是纯螺型位错，因其滑移面不受限制。交滑移对晶体的塑性变形有重要影响。

2．全位错与不全位错[西安交通大学2009研]

答：全位错是指柏氏矢量等于点阵矢量或其整数倍的位错；不全位错是指柏氏矢量不等于点阵矢量整数倍的位错。

3．肖脱基空位[北京工业大学2008研]

答：离位原子迁移到外表面或内界面（如晶界等）处形成的空位称为肖脱基空位。

4．攀移[天津大学2009研]

答：位错攀移是指刃型位错在晶体内沿着垂直于滑移面方向上的运动。位错攀移是一种扩散过程，借助于空位或质点的扩散与运动，刃型位错向上、向下攀移一定的原子间距。

5．组分缺陷[南京工业大学2009研]

答：由于不等价离子的掺杂，为了保持晶体的电中性，必然会在晶体结构中产生空位或间隙离子的缺陷，这种缺陷称为“组分缺陷”。

6．柯氏气团[西安工业大学2009研]

答：间隙原子与位错线进行弹性交互作用时，间隙原子将在位错线附近聚集，形成小原子集团，称为柯氏气团。

7．刃型位错[重庆大学2010研]

答：在金属晶体中，由于某种原因，晶体的一部分相对于另一部分出现一个多余的半原子面，这个多余的半原子面犹如切入晶体的刀片，刀片的刃口线即为位错线，这种线缺陷称为刃型位错。半原子面在上面的称为正刃型位错，半原子面在下面的称为负刃型位错。

8．对称倾侧晶界[燕山大学2005研]

答：由一系列柏氏矢量互相平行的同号刃位错垂直排列而成，晶界两边对称，两晶粒位相差很小，是一种最简单的小角度晶界。对称倾斜晶界可看作把晶界两侧晶体互相倾斜的结果，由于相邻两晶粒的位向差θ角很小，其晶界可看作由一系列平行的刃型位错所构成，位错间距D与伯氏矢量之间的关系为：。

9．孪晶[湖南大学2007研]

答：在切应力作用下，晶体的一部分沿一定的晶面（称为孪生面）和晶向（称为孪生方向）相对于另一部分晶体作均匀的切变时所产生的变形。孪生变形后，相邻两部分晶体的取向不同，恰好以孪生面为对称面形成镜像对称，形成孪晶。

10．平衡空位浓度[南京理工大学2008研]

答：在晶体中，空位并非固定不变，它处于不断的产生和消失过程中，在晶体中，空位的数量通常用空位浓度衡量，指的是晶体中空位总数和结点总数的比值。根据统计热力学原理，空位浓度决定于温度，一定的温度对应于一定的平衡空位浓度。

五、简答题

1．有如图3-1（a）所示的位错线ABC及柏氏矢量，其中AB是极轴位错（不动），MNPQ为位错BC段的滑移面。请分析在切应力τ的作用下：（1）在图（a）、（b）、（c）、（d）四种情况下，位错BC、BC′、BC″、BC′″的受力及运动情况；（2）达到动态平衡时，位错线ABC会变成什么形状？（3）位错线在扫动时对晶体的塑性变形会产生什么影响？[清华大学2008研]

图3-1

答：（1）位错BC、BC′、BC″、BC′″的受力及运动情况如图3-2所示，图中v是位错线BC运动方向，同时也是受力方向。

图3-2

（2）达到动态平衡时，位错线ABC的形状如图3-3所示。

图3-3

（3）位错线在扫动时对晶体的塑性变形的影响如图3-4所示。

图3-4

2．形变孪晶和退火孪晶形成机制有何不同？试说明它们的显微组织特征。[江苏大学2006研]

答：（1）形变孪晶也称为机械孪晶，它是在外力作用下晶体发生的形变或相变过程中，如果晶体中一部分原子相对于其他部分发生有规律的集体位移形成一个与原来的晶体有相同晶体结构，但取向不同的新晶体。退火孪晶形成于回复阶段，是大角度界面的迁移结果。它的特征通常呈透镜状或片状，且形变孪晶通常在一个晶粒内部。

（2）退火孪晶是变形金属在其再结晶退火过程中形成的孪晶。其机制为退火孪晶在晶粒生长过程中形成的。当晶粒通过晶界移动而生长时，原子层在晶界角处（111）面上的堆垛顺序偶然错堆，就会出现一共格的孪晶界并随之而在晶界角处形成退火孪晶。它的特征为为平直界面的片状。

3．论述界面能对析出相的形貌的影响。[湖南大学2007研]

答：（1）单相组织。界面平直化与转动，减小界面能；界面平衡的热力学达到平衡时，晶界夹角均为120°。

（2）复相组织。第二相分布在基体晶粒内时，若相界的界面能无明显各向异性，则第二相为球状，这样界面面积最小，总相界能也最小；若相界的界面能有明显的各向异性，则第二相将形成以低能量晶面为相界的多面体。第二相分布在基体两晶粒的晶界上时，两相间形成非共格界面。

当第二相位于基体的界面上时，常呈双凸透镜的形貌，此时第二相的具体形状与界面能有密切关系。如果、两相间形成共格或半共格界面，则因为界面两侧的相晶粒有不同的位向，所以相如果和第一个相晶粒形成共格或半共格界面，则和第二个晶粒就不能共格。常见的情况是一个晶粒形成平直的共格或半共格界面，而另一个晶粒形成光滑的非共格界面。

4．简述产生非化学计量化合物结构缺陷的原因，并说明四种不同类型非化学计量化合物结构缺陷的形成条件及其特点。[南京工业大学2009研]

答：产生原因：含有变价元素，周围气氛的性质发生变化。

阴离子空位型：在还原性气氛下，高价态变成低价态，n型半导体。

阳离子填隙型：在还原性气氛下，高价态变成低价态，n型半导体。

阴离子填隙型：在氧化性气氛下，低价态变成高价态，P型半导体。

阳离子空位型：在氧化性气氛下，低价态变成高价态，P型半导体。

5．试分析在具有面心立方结构的金属晶体中，下列位错反应能否进行，说明反应前后的位错各属于什么类型。能否在滑移面上运动。[西安工业大学2009研]

答：首先分析该反应式的几何条件：

反应前

和反应后完全一样，满足位错反应的几何条件。

再来分析该反应式的能量条件：

反应前的能量

反应后的能量能量条件

可见，反应前位错体系所具有的能量是反应后位错体系所具有能量的两倍，符合能量减小的原则。因此，从位错反应的几何条件和能量条件来判断，该位错反应是可以进行的。

反应前：是位于滑移面上的单位位错，而是位于滑移面上的肖克莱不全位错。这两者都可以在滑移面上运动，属于可动位错。

反应后的位错柏氏矢量垂直于（111）面，属于不可动的弗兰克不全位错。

6．金属材料生长形态的影响因素有哪些？在相同的温度梯度下纯金属和固溶体合金的生长形态是否相同？请说明原因。[西安理工大学2009研]

答：影响金属材料生长形态的因素主要有：液固界面中固体的界面结构、液固界面前沿的液体中温度梯度的分布。

在相同温度梯度下，纯金属和固溶体结构的生长形态不一定相同。例如正温度梯度下，纯金属往往形成平面状的晶体形态，而固溶体由于选分结晶现象导致出现成分过冷现象，造成其晶体形态往往是树枝晶状态的。

7．合金中有哪几类相界面？各具有什么样的结构特征？[北京理工大学2006研]

答：具有不同结构的两相之间的分界面称为相界。按结构特点，相界面可分为共格、半共格和非共格相界三种类型。

（1）共格晶界，是指界面上的原子同时位于两相晶格的结点上，即两相的晶格是彼此衔接的界面上的原子为两者共有，其特征是：界面两侧的保持一定的位向关系，沿界面两相具有相同或近似的原子排列，两相在界面上原子匹配得好，界面上能量高。

（2）半共格界面，若两相邻晶体在相界面处的晶面间距相差较大，则在相界面上不可能做到完全的一一对应，于是在界面上将产生一些位错，以降低界面的弹性应变能，这时界面上两相原子部分地保持匹配，这样的界面称为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离产生一个刃型位错，除刃型位错线上的原子外，其余原子都是共格的。所以半共格界面是由共格区和非共格区相间组成。

（3）非共格相界的特征是，两相在相界面上的原子排列相差很大，即错配度很大。

六、计算题

1．在晶格常数为a的体心立方单晶体的[123]方向进行压缩变形，已知其屈服强度为。（1）写出晶体的始滑移系及其可能的交滑移系；（2）计算晶体开始滑移的临界分切应力；（3）分别写出屈服时晶体中所开动的刃位错和螺位错的位错线方向及柏氏矢量，以及它们滑移运动的方向；（4）若该压缩试样的一个自由表面为，写出该面上滑移线的方向。[西安交通大学2008研]

解：（1）体心立方晶体共有12个可能的滑移系。由于作用在滑移系上的分切应力，且施密特因子最大的滑移系为最易滑移的软取向，称为始滑移系，因此晶体始滑移系为(101)。始滑移系可能的交滑移系是12个滑移系中与始滑移系有相同滑移方向但不同滑移面的那些滑移系，故根据比较得到，可能的交滑移系为(110)和。

（2）根据临界分切应力公式，可得晶体开始滑移的临界分切应力为：

（3）晶体的滑移是晶体滑移面内柏氏矢量与晶体滑移方向相同的位错线滑移运动的结果，其中刃位错，其位错线方向为，柏氏矢量为，滑移运动方向为。对于螺位错，其位错线方向为，柏氏矢量为，滑移运动方向为。

（4）由于滑移线是晶体的滑移面与晶体外表面的交线，而且与晶体的滑移方向不平行。根据向量平行法则有：不平行于，。所以滑移线的方向为。

2．铝单晶的晶体结构为面心立方，柏氏矢量为的全位错可以在哪些晶面上发生滑移？如果滑移需要的临界分切应力为0.79 MPa，沿[110]方向进行拉伸，需加多大的拉应力才会在哪个晶面开始发生滑移运动？[华中科技大学2005研]

解：铝单晶滑移系共有12组，分别是：

(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，包含的滑移面为（111）和（11），该位错可以在（111）和（11）上发生滑移。

若，设滑移面法线与拉伸方向夹角为，滑移方向与拉伸方向夹角为，则：

（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。

综上所述，当沿[110]拉伸时，需加的拉应力才会在(111)[10]、(111)[01]及(11)[101]、(11)[011]滑移系上滑移。

3．实验中发现，在中可以通过反应形成位错，在Fe的晶胞中表示这一反应，并证明此位错反应可以发生。[北京工业大学2008研]

证：如图3-5所示。

图3-5

因此反应可以发生。