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1.1.1 晶体缺陷
晶体缺陷对于晶体结构来说规则完整排列是主要的,而非完整性是次要的；对一些对结构敏感的性能来说，起主要作用的是晶体的完整性,而完整性是次要的；一些相变、扩散变形等都与晶体缺陷有关。
晶体缺陷分类及特征：
1.点缺陷：特征是三维空间的各个方面上尺寸都很小，尺寸范围约为一个或几个原子尺度，又称零维缺陷，包括空位、间隙原子、杂质和溶质原子。
2.线缺陷：特征是在两个方向上尺寸很小,另外一个方面上很大，又称一维缺陷，如各类位错。
3.面缺陷：特征是在一个方面上尺寸很小,另外两个方面上很大，又称二维缺陷，包括表面、晶界、亚晶界、相界、孪晶界等。
1.1.2 点缺陷
点缺陷的形成及类型
离开平衡位置的原子有三个去处:
形成Schottky空位：原子迁移到晶体表面或内表面的正常结点位置上，而使晶体内部留下空位，称为肖特基空位；
形成Frankely缺陷：挤入点阵的间隙位置，在晶体中同时形成数目相等的空位和间隙原子，这种空位叫弗兰克尔空位；
跑到其它空位上使空位消失或移位。另外，在一定条件下，晶体表面上的原子也可能跑到晶体内部的间隙位置形成间隙原子。
点缺陷的类型：空位、间隙原子（异类）、自间隙原子(同类) 、外来杂质原子、置换原子
点缺陷的平衡浓度
通过热力学分析，在绝对零度以上的任何温度，晶体中最稳定的状态是含有一定浓度的点缺陷的状态，这个浓度称为该温度下晶体中点缺陷的平衡浓度。
经热力学推导：
C = n/N = exp（△Sf/k）exp（－△Ev/kT）= Aexp（－△Ev/kT）
C与T、Ev之间呈指数关系。T上升、C升高。
点缺陷对结构和性能的影响
点缺陷引起晶格畸变，能量升高，结构不稳定，易发生转变。
点缺陷的存在会引起性能的变化：
(1)物理性质：如R、V、ρ 等；
(2)力学性能：采用高温急冷(如淬火),大量的冷变形,高能粒子辐照等方法可获得过饱和点缺陷；
(3)影响固态相变，化学热处理等。
1.1.1 线缺陷——位错
位错是一种线缺陷,它是晶体中某处一列或若干列原子发生了有规律错排现象；错排区是细长的管状畸变区,长度可达几百至几万个原子间距,宽仅几个原子间距。
位错的类型：
刃型位错
螺型位错
混合位错
刃型位错
刃型位错的产生
完整晶体滑移的理论剪切强度要远高于实际晶体滑移的对应强度
刃型位错线：多余半原子面与滑移面的交线。
刃型位错特征：
a、刃型位错有一个额外的（多余）半原子面。正刃型位错用“⊥”表示，负刃型位错用“┬”表示；其正负只是相对而言。判断用右手定则：食指指向位错线方向，中指指向柏氏矢量方向，拇指指向多余半原子面方向。
b、刃型位错是直线、折线或曲线。它与滑移方向、柏氏矢量垂直。
c、滑移面必须是同时包含有位错线和滑移矢量的平面。位错线与滑移矢量互相垂直,它们构成平面只有一个。
d、晶体中存在刃位错后,位错周围的点阵发生弹性畸变,既有正应变,也有负应变。点阵畸变相对于多余半原子面是左右对称的，其程度随距位错线距离增大而减小。就正刃型位错而言,上方受压,下方受拉。
e、在位错线周围的畸变区每个原子具有较大的平均能量。畸变区是一个狭长的管道。
螺型位错
螺型位错的特点：
a、螺位错线与滑移矢量平行，因此由位错线与滑 移矢量构成的滑移面不是唯一的。而位错线的 移动方向与晶体滑移方向（滑移矢量）垂直。
b、把螺位错不引起体积膨胀和收缩，但产生平行于 位错线的剪切畸变而无正应变，从而在位错线 附近产生应力场。
c、螺位错是包含几个原子宽度的线缺陷。
d、左、右旋分别用左(右)法则来判断：拇指指向螺旋前进的方向，而其余四指代表旋转方向，凡符合右手法则的称为右螺旋型位错，凡符合左手法则的称为左螺旋位错。二者无本质区别，无论将晶体如何放置都会改变其左、右的性质。
e、错位线周围的应力场呈轴对称分布。
混合型位错
如果晶体中已滑移区和未滑移区的交界线是曲线。其位错线与滑移矢量既不平行又不垂直，称为混合型位错。结构特点: 位错线与滑移方向既不平行也不垂直，其原子排列介于刃、螺位错之间。可分解成刃型和螺型分量。
1.1.1 柏氏回路及柏氏矢量 — 描述位错的物理量
柏氏矢量的确定
a、 选定位错线的正方向ξ 。
b、 在含有位错的晶体中，绕位错线沿好区作右旋的闭合回路。
c、 在完整晶体中作同样回路，它必然不能闭合。
d、从终点连向起点得 b。
刃型位错完整的柏氏回路
螺型位错完整的柏氏回路
用柏氏矢量判断位错类型
(1) 刃型位错 ξ⊥b
右手法则:食指指向位错线方向，中指指向柏氏矢量方向，拇指指向代表多余半面子面位向，向上为正，向下为负。
(2) 螺型位错 ξ∥b
正向（方向相同）为右螺旋位错，负向（方向相反）为左螺旋位错。
(3) 混合位错 柏氏矢量与位错线方向成夹角φ、刃型分量、螺型分量
用矢量图解法表示位错:数量积、向量积等
柏氏矢量特性
柏氏矢量的物理意义: 是一个反映位错性质以及由位错引起的晶格畸变大小的物理量。
柏氏矢量特性:
(1) 用柏氏矢量可以表示位错区域晶格畸变总量的大小。柏氏矢量可表示位错性质和取向,即晶体滑移方向。柏氏矢量越大,位错周围晶体畸变越严重。
(2) 柏氏矢量具有守恒性。即一条位错线的柏氏矢量恒定不变。
(3) 柏氏矢量的唯一性。即一根位错线具有唯一的柏氏矢量。
(4) 柏氏矢量守恒定律。① 位错分解 ② 位错交于一点
(5) 位错的连续性:可以形成位错环、连接于其他位错、终止于晶界或露头于表面,但不能中断于晶体内.
(6) 可用柏氏矢量判断位错类型
刃型位错: ξe⊥be，右手法则判断正负
螺型位错: ξs∥bs，二者同向右旋,反向左旋
(7) 柏氏矢量表示晶体滑移方向和大小.大小|b|，方向为柏氏矢量方向。
(8) 刃型位错滑移面为ξ与柏氏矢量所构成的平面,只有一个；螺型位错滑移面不定,多个。
(9) 柏氏矢量可以定义为:位错为柏氏矢量不为0的晶体缺陷。
1.3.5 位错的运动
基本形式:滑移和攀移
滑移
攀移
交割和扭折
位错的滑移:
任何类型的位错均可进行滑移。
(1) 刃位错的滑移过程 T∥b、b⊥ds、滑移方向⊥ x、滑移方向∥b，单一滑移面。
(2) 螺型位错的滑移过程 t∥b、b ∥ ds、滑移方向⊥ s、滑移方向⊥ b ，非单一滑移面。可发生交滑移。
混合位错的滑移过程：沿位错线各点的法线方向在滑移面上扩展，滑动方向垂直于位错线方向。但滑动方向与柏氏矢量有夹角。
位错的攀移:在垂直于滑移面方向上运动
攀移的实质:刃位错多余半原子面的扩大和缩小。
刃位错的攀移过程:正攀移,向上运动；负攀移, 向下运动
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
位错的交滑移
由于螺位错的滑移面不是唯一的，在它运动过程中， 一旦前方受阻，螺位错的运动将由原来的滑移面转移到另一个滑移面继续滑移 — 交滑移。交滑移是螺位错的滑移特性，刃位错不可进行交滑移。
位错的交割：
割阶与扭折
割阶：曲折段垂直于位错的滑移面时
扭折：曲折段在位错的滑移面上时
注：刃型位错的割阶仍为刃型位错,扭折为螺型位错。螺型位错的割阶和扭折均为刃型位错。
刃型位错的扭折是可动螺位错,割阶也是可动的刃位错。螺型位错的扭折是可动的刃型位错,割阶是不可动的刃型位错。
1.3.6 位错的应力场及位错与晶体缺陷的交互作用
刃位错的应力场
刃型位错应力场具有以下特点：
同时存在正应力和分量和剪应力分量，大小与G 和b成正比，与r成反比，即随着位错距离的增大， 应力的绝对值减小。各应力分量都是x,y的函数，而与z无关。这表明在平行与位错线的直线上，任意一点的应力均相同。刃型位错的应力场对称于多余的半原子面，即对称于y轴。
螺位错的应力场
在位错中心区域应变很大，不能用虎克定律讨论，只有在较远处才能用其作近似讨论。取各向同性的空心圆柱体，圆柱中线选为z轴，沿xz平面切开后, 使之位移b，再把它胶合起来，相当于制造一个螺位错。
1.3.7 位错的萌生和增殖
位错的萌生
产生原因：
凝固过程中枝晶碰撞，液流冲击，使表 面产生长大台阶发生错排。
空位群的崩塌。
各种原因造成的应力集中，产生位错。
位错的增殖
弗兰克-里德位错源
随着晶体的塑性变形，位错扫出晶体，在表面上形成台阶，由此晶体中的位错应越来越多。
双交滑移增殖机制
运动位错的交割和带割阶位错的运动
对于滑移面上运动的位错 来说，穿过此滑移面的其它位错称为林位错。
林位错会阻碍位错的运动， 但若应力足够大，滑移位错将切过林位错继续前进。
位错线互相切割的过程，称为位错的交割。
两刃位错的交割
一个刃位错和一个螺位错
带割阶位错的运动
扭折在形成时需一定的能量，但 在运动中并不增加多大的阻力。刃位错带割阶的运动割阶的滑移方向恰好和原位 错线运动方向平行，因而位错可以带着割阶在原运动方向滑移。只是割阶的滑移面未必是晶体的密排面，滑动时所受的点阵阻力要大些。
螺位错带割阶的运动
小割阶：如果位错沿原方向运动，割阶只能攀移，因此它将阻碍位错的运动。温度高和外力足够大，位错拖着割阶一起运动 ，结果在割阶经过的地方留下一串空位或间隙原子。
中割阶：中割阶的高度从几个到20个原子间距，这时位错不可能拖着割阶一起运动。当滑移面上作用的切应力大到一定值时，位错自己向前滑移，位错与割阶连结点O、P被拉长，形成两条符号相反的刃型位错线OO′与PP′ ，称为位错偶，如图所示。位错偶达到一定长度，即与原位错脱离，形成一个长位错环，并分裂 成若干小的位错环。原位错又恢复到带割阶的原来状态。
大割阶：大割阶的长度在20个原子间距以上，它对位错线的钉扎作用更明显。由于割阶较长，割阶两端的位错相距较 远，彼此间相互作用较小，在切应力作用下，它们可以在各自的滑移面上以割阶为轴而发生滑移运动，如图：
位错交割的结果，将产生割阶或扭折的小段新位错，其形成时需一定的能量，需增加外力。带割阶位错的运动，将受到割阶的阻碍，需增加外应力即割阶强化。晶体材料随塑性变形增加，位错密度上升，形变抗力增加即加工硬化。
1.3.8 位错的塞积
在切应力下，由同一位错源产生的许多位错，先后在同一滑移面上运动。如果前方遇到障碍物（面缺陷），位错就会形成塞积。
脆性材料容易沿晶破裂；塑性材料则容易变形。晶粒越小，应力集中较小。反映在性能上，屈服强度、断裂强度越高。由此模型可导出有名的Hall-petch公式。
当有弥散分布的第二相质点时，位错塞积长度就小， 应力集中也会缓解，强度也要升高即细晶强化和弥散强化的理论基础，细化晶粒不仅强度高，而且材料的塑性也好。因为细小的晶粒内负荷均衡，变形均匀。
位错与第二相粒子的交互作用（弥散强化）第二相质点都将对位错的运动起阻碍作用， 需要外力做功，表现为材料的强度增加 —— 弥散强化。
1.3.9 材料强化四种方式
位错与线缺陷交互作用: 加工硬化
位错与点缺陷交互作用 :固溶强化
位错与体缺陷交互作用 :弥散强化
位错与面缺陷交互作用 :细晶强化
1.3.10 位错的分解与合成
1、结构条件：反应前后柏氏矢量要守恒
2、能量条件: 反应后体系能量应降低
1.3.11 全位错
由一个原子平衡位置指向另一个原子平衡位置的位错称为全位错。等于点阵矢量或其整数倍。
等于最小原子间距的位错称为单位位错。特征：全位错扫过晶体后，晶体内部全部复原。 其他较大的位错，一般都能分解成单位位错。
1.3.12 偏位错（不全位错）
位错的绝对值小于相邻原子间距，扫过晶体后产生层错的位错称为偏位错或不全位错。
1.3.13 层错
偏位错扫过晶体后，滑移面上下原子不再占有原有位置，出现原子堆垛层次错乱，该原子面称层错。层错的产生将引起电子的附加散射，能量提高，因而 具有层错能。层错的边界就是偏位错。
1.3.14 扩展位错
由单位位错分解的两个偏位错，由于它们之间的斥力而分开，中间便夹了一层层错，这种由两个偏位错夹住一层层错的组态称为扩展位错。
1.3.15 材料中面缺陷
晶体中两相邻部分的取向、结构、或点阵常数不同，在它们的接触处将形成界面。界面是一种二维缺陷，对材料的许多性能有重要影响。
界面：分为外表面和内表面，内表面又分为晶界和亚晶界、孪晶和层错、相界面。
晶界：多晶材料内部结构相同，而取向不同的晶粒之间的界面。
亚晶界：晶粒内部位相差< 10°的微区称亚结构或亚晶，其界面称亚晶界。
孪晶界：晶粒内部具有特殊取向的两相邻区域，原子相对某晶面呈镜面对称排列，这两相邻区组成一对孪晶。其界面叫孪晶界。
相界：具有不同晶体结构，不同化学成分的两相之间的界面。
孪晶面分为共格孪晶界非共格孪晶界
晶界的界面结构
小角度晶界：两相邻晶粒的位相差<10°的晶界。亚晶界通常属于小角晶界。
对称倾斜晶界：由一系列相隔一定距离的刃型位错垂直排列而成，一般称为位错墙，从能量上讲是稳定的。
D=b/θ，当θ = 1° b = 0.25 nm 则: D = 14 nm，若θ > 10°时, D < 1.4 nm 位错相太近，不适用。
非对称倾斜晶界：晶界相对于两侧晶体不对称
扭转晶界：扭转晶界是由两组交叉的螺位错二维网络构成。
大角度晶界：相邻晶粒位相差>10°的晶界叫做大角晶界即高缺陷区域。
大角晶界的界面能很高，大致在0.5～0.6 J/m2 ,且与相邻晶粒的取向差无关。
晶界能
晶界能：形成单位面积界面时，系统的自由能变化。
小角度界面能随位向差的增大而增大。
界面上的张力平衡
两晶粒 — 平直化
三晶粒 — 交角≈120°
四晶粒 — 棱间交角≈109°28′或分解为两个三叉晶界。
堆垛层错
层错是一种典型的共格界面。虽然原子配位关系并没有破坏，但因原子堆垛层次错乱，将引起电子的附加散射，能量提高，因而具有层错能。
层错在所有表面能中能量最低，与孪晶界面能同级。
相界 （异相界面）
具有不同结构的两相
完全共格界面：界面能最低
界面上的原子为相邻两个晶粒所共有。
当两晶区晶面间距相等或稍有错配时才可能形成。理想完全共格界面一般少见，在实际晶体中，界面两侧的晶面间距稍有错配时，界面附近有应变。
半共格界面：（界面能中等）
当相邻晶粒的晶面间距相差较大时，将由若干位错来补偿其错配，出现共格区与非共格区相间界面。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。
非共格界面：（界面能高）
当两相邻的晶粒的晶面间距相差很大时，界面上的原子排列完全不吻合，出现高缺陷分布的界面。