第2章节晶体缺陷幻灯片.pptx

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材料科学基础,主讲教师：

王亚男,第2章晶体缺陷,点缺陷线缺陷面缺陷小结思考题,缺陷的含义：

通常把晶体点阵结构中周期性势场的畸变称为晶体的结构缺陷。

理想晶体：

质点严格按照空间点阵排列。

实际晶体：

存在着各种各样的结构的不完整性。

研究缺陷的意义：

由于缺陷的存在，才使晶体表现出各种各样的性质，使材料加工、使用过程中的各种性能得以有效控制和改变，使材料性能的改善和复合材料的制备得以实现。

因此，了解缺陷的形成及其运动规律，对材料工艺过程的控制，对材料性能的改善，对于新型材料的设计、研究与开发具有重要意义。

1.根据缺陷作用范围把真实晶体缺陷分为四类：

点缺陷（pointdefect）：

特征是三维空间各个方向上的尺寸都很小，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。

线缺陷（linedefect）：

特征是在两个方向上尺寸很小，另外一个方向上尺寸很大，又称一维缺陷，如各类位错。

晶体缺陷的分类方式：

面缺陷（planardefect）：

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

体缺陷:

在三维方向上缺陷尺寸都较大。

如镶嵌块、空洞等。

2、根据缺陷的形成原因热缺陷；杂质缺陷；非化学计量缺陷等。

2.1点缺陷,原子热振动,部分原子获得足够高的能量克服约束,迁移到新的位置,空位,间隙原子,形成,引起局部点阵畸变,引起,点缺陷的形成:

点缺陷与材料的电学性质、光学性质、材料的高温动力学过程等有关。

1.金属晶体中的点缺陷常见的点缺陷有：

空位（vacancy）间隙原子（interstitialatom）置换原子（sbustitutionalatom）,一、点缺陷的类型,图2-2点缺陷的类型,大的置换原子肖特基空位异类间隙原子,复合空位弗兰克尔空位小的置换原子,空位是一种热平衡缺陷，即在一定温度下，空位有一定的平衡浓度。

空位在晶体中的位置不是固定不变的，而是不断运动变化的。

空位是由原子脱离其平衡位置而形成的，脱离平衡位置的原子大致有三个去处：

（1）迁移到晶格的间隙中，这样所形成的空位叫弗仑克尔空位；

（2）迁移到晶体表面上，这样所产生的空位叫肖特基空位；（3）迁移到其他空位处，这样虽然不产生新的空位，但可以使空位变换位置。

（1）空位,图2-1热缺陷产生示意图,（a）单质中弗仑克尔缺陷的形成（空位与间隙原子成对出现，无体积变化）,（b）单质中肖特基缺陷的形成（脱位原子跑到晶体表面，有体积变化）,V,空位的运动,图2-3点缺陷类型1,处于晶格间隙中的原子即为间隙原子。

在形成弗仑克尔空位的同时，也形成一个间隙原子，另外溶质原子挤入溶剂的晶格间隙中后，也称为间隙原子，他们都会造成严重的晶体畸变。

间隙原子也是一种热平衡缺陷，在一定温度下有一平衡浓度，对于异类间隙原子来说，常将这一平衡浓度称为固溶度或溶解度。

（2）间隙原子,占据在原来基体原子平衡位置上的异类原子称为置换原子。

由于原子大小的区别也会造成晶格畸变，置换原子在一定温度下也有一个平衡浓度值，一般称之为固溶度或溶解度，通常置换原子比间隙原子的固溶度要大的多。

（3）置换原子,弗仑克尔缺陷：

一个正离子跳入离子晶体的间隙位置，则出现了一个正离子空位，这种空位间隙离子对。

肖特基缺陷：

在离子晶体中，由于要维持电价平衡，因此一个正离子产生空位，则邻近必有一个负离子空位，这样的一个正负离子空位对；,2.离子晶体中点缺陷,图2-5离子晶体中的点缺陷,（a）离子晶体中的弗仑克尔缺陷的形成（空位与间隙质点成对出现）,（b）离子晶体中的肖特基缺陷的形成（正负离子空位对成对出现）,V,V+,V-,点缺陷类型,二.点缺陷的平衡浓度,晶体在一定温度下空位或间隙原子的平衡浓度C与C式中：

n平衡空位数（或为间隙原子数）；N晶体中阵点总数；每增加一个空位的能量变化；K玻尔兹曼常数，1.3810-23J/K；A与振动熵有关的常数，在1-10之间。

间隙原子的平衡浓度C，与上式相似，但间隙原子的形成能大约是空位形成能的3-4倍，因此同一温度下，间隙原子的平衡浓度比空位平衡浓度低得多。

在点缺陷的平衡浓度下晶体的自由能最低，系统最稳定。

当在一定的温度下，晶体中点缺陷的数目明显超过其平衡浓度时，这些点缺陷称为过饱和点缺陷，通常它的产生方式有三种：

淬火；冷加工；辐照。

三、过饱和点缺陷的产生,1.淬火高温时晶体中的空位浓度很高，经过淬火后，空位来不及通过扩散达到平衡浓度，在低温下仍保持了较高的空位浓度。

2.冷加工金属在室温下进行压力加工时，由于位错交割所形成的割阶发生攀移，从而使金属晶体内空位浓度增加。

3.辐照当金属受到高能粒子（中子、质子、粒子、电子等）辐照时，晶体中的原子将被击出，挤入晶格间隙中，由于被击出的原子具有很高的能量，因此还有可能发生连锁作用，在晶体中形成大量的空位和间隙原子。

晶体中的点缺陷并不是固定不动的，而是处于不断的运动过程中。

三种运动形式：

空位周围的原子，由于热激活，某个原子有可能获得足够的能量而跳入空位中，并占据这个平衡位置。

这时，在该原子的原来位置上，就形成了一个空位。

这一过程可以看作空位向邻近阵点位置的迁移（空位的运动）。

四.点缺陷的运动,由于热运动，晶体中的间隙原子也可由一个间隙位置迁移到另一个间隙位置（间隙原子的运动）。

在热运动过程中，当间隙原子与一个空位相遇时，它将落入该空位，而使两者都消失，这一过程称为复合。

图2-7点缺陷运动示意图,空位的运动,间隙原子的运动和复合,一般情形下，点缺陷主要影响晶体的物理性质，如比容、比热容、电阻率、扩散系数、介电常数等。

比容：

形成肖特基空位时，原子迁移到晶体表面上的新位置，导致晶体体积增加。

比热容：

形成点缺陷需向晶体提供附加的能量（空位生成焓），因而引起附加比热容。

五.点缺陷对晶体材料性能的影响,3.电阻率：

金属的电阻主要来源于离子对传导电子的散射。

正常情况下，电子基本上在均匀电场中运动，在有缺陷的晶体中，晶格的周期性被破坏，电场急剧变化，因而对电子产生强烈散射，导致晶体的电阻率增大。

点缺陷对金属力学性能的影响较小，它只通过与位错的交互作用，阻碍位错运动而使晶体强化。

但在高能粒子辐照的情形下，由于形成大量的点缺陷而能引起晶体显著硬化和脆化（辐照硬化）。

2.2线缺陷,线缺陷：

指二维尺寸小，第三维尺寸大的缺陷。

位错：

晶体中一列或数列原子发生有规律的错排现象。

位错也引起晶格畸变，对晶体的性能影响也很大。

位错的基本类型主要有：

刃型位错、螺型位错和混合型位错。

图2-8,晶体局部滑移造成的刃型位错,1.刃型位错的形成,一.刃型位错,G,A,晶体中已滑移区与未滑移区的边界线（即位错线）若垂直于滑移方向，则会存在一多余半排原子面，它象一把刀刃插入晶体中，使此处上下两部分晶体产生原子错排，这种晶体缺陷称为刃型位错（edgedislocation）。

多余半排原子面在滑移面上方的称正刃型位错，记为“”；相反，半排原子面在滑移面下方的称负刃型位错，记为“”特点：

滑移方向与位错线垂直。

正负刃型位错,有一额外的半原子面，分正和负刃型位错；可理解为是已滑移区与未滑移区的边界线，可是直线也可是折线和曲线，但它们必与滑移方向和滑移矢量垂直；,2.刃型位错的结构特征,只能在同时包含有位错线和滑移矢量的滑移平面上滑移，即滑移面是唯一的；位错周围点阵发生弹性畸变，有切应变，也有正应变；位错畸变区只有几个原子间距，是狭长的管道，故是线缺陷。

图2-10晶体局部滑移造成的螺型位错,二.螺型位错,1.螺型位错的形成,图2-11螺型位错示意图,晶体中已滑移区与未滑移区的边界线（即位错线）若平行于滑移方向，则在该处附近原子平面已扭曲为螺旋面，即位错线附近的原子是按螺旋形式排列的，这种晶体缺陷称为螺型位错（screwdislocation）。

螺型位错可分为左螺型和右螺型位错,通常用拇指代表螺旋前进方向，其余四指代表螺旋方向，符合右手法则的称右螺旋位错；符合左手法则的称为左螺旋位错。

特点：

滑移方向与位错线平行。

无额外的半原子面，原子错排是呈轴对称的；分右旋和左旋螺型位错；螺型位错线与滑移矢量平行，一定是直线，位错线移动方向与晶体滑移方向垂直；滑移面不是唯一的，包含螺型位错线的平面都可以作为它的滑移面；位错周围点阵也发生弹性畸变，但只有平行于位错线的切应变而无正应变，即不引起体积的膨胀和收缩；位错畸变区也是几个原子间距宽度，同样是线位错。

2.螺型位错的结构特征,三.混合型位错,位错线与b既不平行、也不垂直的位错为混合型位错。

混合型位错可分解为：

（a）混合位错的形成,（b）混合位错分解为刃位错和螺位错示意图,（c）混合位错线附近原子滑移透视图,例如：

混合型位错环,有纯刃型位错环，无纯螺型位错环！

即：

刃型位错线可以是直线，曲线；螺型位错线只能是直线，不能是曲线。

1、柏氏矢量（Burgersvector）的确定首先选定位错线的正向（）,通常规定出纸面的方向为位错线的正方向。

在实际晶体中,从任一原子出发,围绕位错（避开位错线附近的严重畸变区）以一定的步数作一右旋回路（柏氏回路）。

在完整晶体中，按同样的方向和步数作相同的回路，该回路并不封闭，由终点向起点引一矢量，使该回路闭合，这个矢量就是实际晶体中位错的柏氏矢量。

四.柏氏矢量,图2-13柏氏回路与柏氏矢量a-有位错晶体b-完整晶体,N,O,QM,P,M,N,O,P,Q,

（1）柏氏矢量的确定,图2-5刃型位错柏氏矢量的确定（a）实际晶体的柏氏回路（b）完整晶体的相应回路,例如：

含一个螺型位错时,柏氏矢量的确定。

图2-6螺型位错柏氏矢量的确定（a）实际晶体的柏氏回路（b）完整晶体的相应回路在有缺陷区作回路，定出步数，闭合；在无缺陷区走同样的步数，始点、终点不闭合。

终点Q到始点M的大小和方向为。

1）用柏氏矢量可判断位错的类型。

柏氏矢量与位错线垂直者为刃型位错，平行者为螺型位错，既不垂直又不平行者为混合位错。

2）柏氏矢量反映位错区域点阵畸变总累积的大小。

柏氏矢量越大，位错周围晶体畸变越严重。

3）用柏氏矢量可以表示晶体滑移的方向和大小。

位错运动导致晶体滑移时，滑移量大小即柏氏矢量的大小，滑移方向即为柏氏矢量的方向。

2、柏氏矢量的特征,4）一条位错线具有唯一的柏氏矢量。

它与柏氏回路的大小和回路在位错线上的位置无关，位错在晶体中运动或改变方向时，其柏氏矢量不变。

5）若位错可分解，则分解后各分位错的柏氏矢量之和等于原位错的柏氏矢量。

6）位错可定义为柏氏矢量不为零的晶体缺陷，它具有连续性，不能中断于晶体内部。

其存在形态可形成一个闭合的位错环，或连接于其他位错，或终止在晶界，或露头于晶体表面。

位错的正负,螺型位错：

右螺：

与位错线同向平行；左螺：

与位错线逆向平行。

刃型位错：

右手三指定则多的半排原子面在滑移面上侧为正刃；在下侧为负刃。

举例位错环,3、柏氏矢量的表示法,柏氏矢量的大小和方向要用它在各个晶轴上的分量，即点阵矢量a，b，c来表示。

对于立方晶系，由于a=b=c，故柏氏矢量可表示为其中n为正整数。

通常用,来表示位错的强度。

同一晶体中，柏氏矢量越大，表明该位错导致点阵畸变越严重，能量也越高。

能量高的位错倾向于分解为两个或多个能量较低的位错：

b1b2+b3，并满足,如果一个柏氏矢量b是另外两个柏氏矢量和之和，则有,五.位错的运动,位错运动的基本形式有两种：

滑移（slip）和攀移（climb）1.位错的滑移在外加切应力作用下，通过位错中心附近的原子沿柏氏矢量方向在滑移面上不断地作少量位移（小于一个原子间距）而逐步实现的。

刃位错的运动在外加切应力的作用下发生；,刃位错移动的方向和位错线垂直（与柏氏矢量平行）；运动刃位错扫过的区域，晶体的两部分发生了柏氏矢量大小的相对运动（滑移）；刃位错移出晶体表面，将在晶体的表面上产生柏氏