線缺陷和面缺陷

1、3.2 線缺陷,位錯(cuò)：晶體中某處一列或若干列原子有規(guī)律的錯(cuò)排,位錯(cuò)是晶體中普遍存在的線缺陷，它的特點(diǎn)是在一維方向的尺寸較長(zhǎng)，另外二維方向上尺寸很小，從宏觀看位錯(cuò)是線狀的。從微觀角度看，位錯(cuò)是管狀的。位錯(cuò)對(duì)晶體的生長(zhǎng)、擴(kuò)散、相變、塑性變形、斷裂等許多物理、化學(xué)性質(zhì)及力學(xué)性質(zhì)都有很大影響。因此位錯(cuò)是材料科學(xué)基礎(chǔ)中一個(gè)重要內(nèi)容,圖2-4 電子顯微鏡下觀察到的位錯(cuò)線,3.2.1位錯(cuò)的基本類型 刃型位錯(cuò) ：正刃型位錯(cuò)（ ）、負(fù)刃型位錯(cuò)(,刃型位錯(cuò)的幾何特征： (1)位錯(cuò)線與其滑移矢量d垂直，刃型位錯(cuò)可以為任意形狀的曲線。 (2)有多余半原子面。 習(xí)慣上，把多余半原子面在滑移面以上的位錯(cuò)稱為正刃型位錯(cuò)，用

2、符號(hào)“”表示，反之為負(fù)刃型位錯(cuò)，用“”表示。刃型位錯(cuò)周圍的點(diǎn)陣畸變關(guān)于半原子面左右對(duì)稱,2)螺型位錯(cuò)：左螺型位錯(cuò)、右螺型位錯(cuò),螺位錯(cuò)具有如下的幾何特征： (1)螺位錯(cuò)線與其滑移矢量d平行，故純螺位錯(cuò)只能是直線。 (2)根據(jù)螺旋面的不同，螺位錯(cuò)可分左和右兩種，當(dāng)螺旋面為右手螺旋時(shí)，為右螺位錯(cuò)，反之為左螺位錯(cuò)。 (3)螺位錯(cuò)沒有多余原子面，它周圍只引起切應(yīng)變而無體應(yīng)變,3) 混合型位錯(cuò),位錯(cuò)的性質(zhì)： 形狀：不一定是直線，位錯(cuò)及其畸變區(qū)是一條管道。 是已滑移區(qū)與未滑移區(qū)的邊界。 不能中斷于晶體內(nèi)部。可在表面露頭，或中止于晶界和相界，或與其它位錯(cuò)相交，或自行封閉成環(huán),位錯(cuò)的易動(dòng)性,3.2.2 柏氏矢量

3、,1939年柏格斯(Brugers)提出，把形成一個(gè)位錯(cuò)的滑移矢量定義為位錯(cuò)矢量，并稱為柏氏矢量（或柏矢量），以b表示，它是位錯(cuò)的特征標(biāo)志,柏氏矢量 （1）確定方法 a 規(guī)定位錯(cuò)線指出屏幕（紙面）為正 b 在位錯(cuò)周圍沿著點(diǎn)陣結(jié)點(diǎn)形成右螺旋的封閉回路。（柏氏回路） c 在理想晶體中按同樣順序作同樣大小的回路。 （不能閉合） d 在理想晶體中從終點(diǎn)到起點(diǎn)的矢量即為柏氏矢量,N,O,Q,P,N,O,Q,P,柏氏矢量 （1）確定方法 a 在位錯(cuò)周圍沿著點(diǎn)陣結(jié)點(diǎn)形成右螺旋的封閉回路。（柏氏回路） b 在理想晶體中按同樣順序作同樣大小的回路。 c 在理想晶體中從終點(diǎn)到起點(diǎn)的矢量即為柏氏矢量,2)柏氏矢量的

4、表示方法 a 表示: b 求模,3)柏氏矢量的特性 a 代表位錯(cuò)，并表示其特征（強(qiáng)度、畸變量）。 b 表示晶體滑移的方向和大小：b平行于滑移方向 c 柏氏矢量的守恒性（唯一性）：一條位錯(cuò)線具有唯一的柏氏矢量。 d 判斷位錯(cuò)的類型：刃型位錯(cuò)b垂直于位錯(cuò)線，螺型位錯(cuò)b平行于位錯(cuò)線。 e 用柏氏回路求得的柏氏矢量為回路中包圍的所有位錯(cuò)柏氏矢量的總和（矢量和） 可加性,3.2.3 位錯(cuò)密度,1）位錯(cuò)密度的定義： 單位體積中包含的位錯(cuò)線的總長(zhǎng)度，用v 表示： v L / V L為位錯(cuò)線的總長(zhǎng)度，V為晶體體積。 穿過單位截面面積的位錯(cuò)線數(shù)目，用s表示： s n / S 嚴(yán)格地說v與s是不同的。一般來說vs

5、,3.2.3 位錯(cuò)密度,實(shí)驗(yàn)結(jié)果給出下面的一些數(shù)量級(jí)的概念。 1.劇烈冷加工的晶體：s = 1012 cm-2。 2.充分退火的金屬晶體：s = 104108 cm-2。 3.精心制備超純半導(dǎo)體：s = 102 cm-2。 但即使在s=1012 cm-2的情況下，試樣的任一平面上，約每1000個(gè)原子中有一個(gè)位錯(cuò)露頭，缺陷所占的比例仍然很小,25.01.2021,17,在位錯(cuò)線附近，晶格是不完整的，晶格活化，晶格畸變，質(zhì)點(diǎn)易移動(dòng) 位錯(cuò)線上的原子價(jià)不飽和，因此有吸引雜質(zhì)原子的傾向 雜質(zhì)離子半徑與晶體基質(zhì)不同，進(jìn)入晶格引起應(yīng)力 實(shí)際晶體沿位錯(cuò)線上應(yīng)力集中，結(jié)合雜質(zhì)離子有利于晶體內(nèi)能降低,3.2.3、

6、位錯(cuò)線附近雜質(zhì)富集,25.01.2021,18,對(duì)正刃型位錯(cuò)而言： A、在位錯(cuò)線之上，原子受擠壓，傾向于吸引原子半徑小的雜質(zhì) B、在位錯(cuò)線之下，原子受擴(kuò)張，傾向于吸引原子半徑大的雜質(zhì) C、位錯(cuò)處是雜質(zhì)富集 的地方.故位錯(cuò)的存在影 響雜質(zhì)在晶格中的擴(kuò)散,25.01.2021,19,位錯(cuò)的存在并非靜止，位錯(cuò)介穩(wěn)狀態(tài)，較小應(yīng)力即可使位錯(cuò)運(yùn)動(dòng) (1)、滑移 位錯(cuò)使晶體容易沿滑移系統(tǒng)滑移, 滑移系統(tǒng)滑移面滑移方向 低指數(shù)晶面（大面間距、面網(wǎng)密度大,3.2.4、位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng),與b矢量平行的切應(yīng)力使刃位錯(cuò)滑移 只需很小能量即可使滑移傳播（始于有限區(qū)域,刃位錯(cuò)滑移 原子模型,Eg.】為何金屬具有延展性、而陶瓷表

7、現(xiàn)出脆性？ 金屬滑移系統(tǒng)多：金屬鍵無方向性，； 陶瓷滑移系統(tǒng)少：共價(jià)鍵、離子鍵具有方向性，離子晶體滑移時(shí)具有選擇性，同號(hào)離子相遇產(chǎn)生極大斥力阻礙滑移,2)、攀移 刃型位錯(cuò)除了在滑移面上運(yùn)動(dòng)外，還可以發(fā)生垂直于滑移方向的運(yùn)動(dòng)，稱為位錯(cuò)的攀移。位錯(cuò)攀移時(shí)，伴隨著空位/填隙原子的產(chǎn)生/消失,對(duì)正刃型位錯(cuò)：位錯(cuò)線向上攀移時(shí)，消除空位/產(chǎn)生填隙原子；向下攀移時(shí)，產(chǎn)生空位/消除填隙原子,3)、位錯(cuò)塞積 位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)障礙：位錯(cuò)堆積 一群塞積的位錯(cuò)位錯(cuò)群：前密后稀,Dislocation pile-up in Steel,Eg.】多晶材料中在晶界前形成位錯(cuò)塞積 晶界處晶粒的位相差鄰近晶粒滑移系統(tǒng)取向不一致（離子/

8、共價(jià)晶體滑移系統(tǒng)少，更易發(fā)生,Dislocation pileups at grain boundaries indicate these boundaries are very strong obstacles to dislocation motion,位錯(cuò)在空間沿折線運(yùn)動(dòng)所需能量大，外加切應(yīng)力在新滑移方向上不一定超過臨界應(yīng)力，造成位錯(cuò)在晶界前停滯塞積 障礙前塞積的位錯(cuò)可能造成微裂紋,3.3 面缺陷,面缺陷：晶體偏離周期性點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的二維缺陷稱 類型：表面（surface) 內(nèi)界面（interface）：晶界、亞晶界、 孿晶界、相界、堆垛層錯(cuò),界面構(gòu)成晶態(tài)固體組織的重要組成部分；是二維晶體缺

9、陷。 結(jié)構(gòu)不同于晶體內(nèi)部，因而有很多重要的不同于晶體內(nèi)部的性質(zhì)，影響晶體的一系列物理化學(xué)過程，且對(duì)晶體整體性能也具有重要影響。 例如晶體生長(zhǎng)、外延生長(zhǎng)、摩擦、潤(rùn)滑、磨蝕、表面鈍化、催化、吸附、擴(kuò)散以及各種表面的熱粘附、光吸收和反射、熱電子和光電子的吸收和反射等；晶體中的界面遷動(dòng)、異類原子在晶界的偏聚、界面的擴(kuò)散率、材料的力學(xué)和物理性能等也都和界面結(jié)構(gòu)有直接的關(guān)系。 是現(xiàn)代材料學(xué)科中一個(gè)活躍的課題,靜態(tài)表面原子狀態(tài)和表面結(jié)構(gòu)靜態(tài)：指原子不動(dòng)（無熱激活） 清潔表面區(qū)電子密度分布的變化/現(xiàn)象一,垂直表面方向上晶體內(nèi)部周期性遭到破壞，因而在表面附近的電子分布發(fā)生變化，影響表面原子排列。在表面形成一層稀

10、薄的電子云，形成一個(gè)偶電層,3.3.1 晶體表面,外表面：表面原子的排列與內(nèi)部有較為明顯的差別，表面處原子周期性排列中斷，形成附加表面能。 為減小表面能，原子排列必須作相應(yīng)調(diào)整。對(duì)晶體而言，經(jīng)過46層后，原子排列與晶體內(nèi)基本接近(晶格常數(shù)差小于0.1A,表面能(）：晶體表面單位面積自由能的增加 影響的因素： (1) 與晶體表面原子排列的致密程度有關(guān)。原子 密排的表面具有最小的表面能。 (2)還與晶體表面曲率有關(guān)。曲率半徑小,曲率 大,愈大。 (3)外部介質(zhì)的性質(zhì)。介質(zhì)不同,則不同。 (4)還與晶體性質(zhì)有關(guān)。晶體本身結(jié)合能高，則大,晶體材料的表面由最密排面和次密排面組成， 表面的不飽和鍵數(shù)最少，

11、能量最低,在實(shí)際的表面上存在著大量的平臺(tái)(Terrace)、臺(tái)階(Ledge)和扭折(Kink，亦稱為斷口)。該結(jié)構(gòu)稱為TLK模型 高低不平微裂紋,實(shí)際存在的表面，表面上能量高、活性大，發(fā)生大量的吸附與化合等 表面點(diǎn)缺陷主要是原子熱運(yùn)動(dòng)造成的表面空位或空位團(tuán)簇(Cluster,晶界：位向不同的相鄰的晶粒之間的界面 有序到無序的過渡區(qū)域 亞晶界：每個(gè)晶粒可分為若干個(gè)更小的亞晶粒， 相鄰亞晶粒之間的界面,3.3.2晶界和亞晶界,entire sample,Crystal lattice structure within a single grain,Break down of atomic sym

12、metry at grain boundaries,Grains separated by a grain boundaries,晶?？臻g位向不同,空間過渡：atom simulation of Si grain boundary,TEM image showing grain boundaries,Grain Boundary HRTEM,確定晶界位置用： (1)兩晶粒的位向差 按的大小分類： 小角度晶界10,2) 小角度晶界,小角度晶界：由一系列相隔一定距離的刃型位錯(cuò)所組成。 分類： (1)對(duì)稱傾斜界面：晶界平面為兩個(gè)相鄰晶粒的對(duì)稱面。是由一列平行的刃型位錯(cuò)所組成。 (2)不對(duì)稱傾斜界面：

13、兩晶粒不以二者晶界為對(duì)稱的晶界，看成兩組 互相垂直的刃型位錯(cuò)排列而成的。 (3)扭轉(zhuǎn)晶界：將一塊晶體沿橫斷面切開,并使上下部分晶體繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)角,再與下部分不動(dòng)晶體粘在一起形成?？煽闯墒怯苫ハ嘟徊娴穆菸诲e(cuò)所組成。 所有的小角度晶界均由位錯(cuò)組成，位錯(cuò)密度隨位向差增大而增大,不對(duì)稱傾側(cè)晶界,扭轉(zhuǎn)晶界,3) 大角度晶界,大角度晶界為原子呈不規(guī)則排列的一過渡層。大多數(shù)晶粒之間的晶界都屬于大角度晶界。 重合位置點(diǎn)陣該模型說明，在大角度晶界結(jié)構(gòu)中將存在一定數(shù)量重合點(diǎn)陣原子,大角度晶界,4) 晶界特征,1）晶界處點(diǎn)畸變大，存在晶界能。 （2）常溫下晶界的存在會(huì)對(duì)位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)起阻礙運(yùn)動(dòng)，使塑型變形抗力提高，使晶體（

14、材料）的硬度和強(qiáng)度提高。 （3）晶界處原子具有較高的動(dòng)能，且晶界處存在大量缺陷。原子在晶界處擴(kuò)散比晶內(nèi)快得多。 （4）固態(tài)相變時(shí)易在晶界處形成新核。 （5）晶界上富集雜質(zhì)原子多，熔點(diǎn)低，加熱時(shí)容易過燒。 （6）晶界腐蝕速度比晶內(nèi)快。 （7）晶界具有不同與晶內(nèi)的物理性質(zhì)。 (8) 亞晶界屬與小角度晶界，為各種亞結(jié)構(gòu)的交界，大小和尺寸與熱加工條件有關(guān),5)孿晶界,孿晶的定義： 孿晶分類： 共格孿晶面 非共格孿晶面 孿晶的形成常常與晶體中的堆垛層錯(cuò)有密切關(guān) 系，高不易形成孿晶。 fcc結(jié)構(gòu) 孿晶面為111 bcc結(jié)構(gòu) 孿晶面為112 依照形成原因不同分為：變形孿晶、生長(zhǎng)孿晶、 退火孿晶,相界 相指物理、化學(xué)性質(zhì)均一的體系 相界為相體系之間的分界面 按相界面上原子間匹配程度分為： 共格界面、半共格界面、非共格界面 1.共格界面： 特征：