晶體缺陷PPT學(xué)習(xí)教案

1、會(huì)計(jì)學(xué)1 晶體缺陷晶體缺陷 一、多晶體結(jié)一、多晶體結(jié) 構(gòu)構(gòu) 單晶體單晶體: : 一塊晶體材料，其內(nèi)部的晶體位向完全一致時(shí)，即整個(gè)材料是一個(gè)晶體，這塊晶體就稱之為一塊晶體材料，其內(nèi)部的晶體位向完全一致時(shí)，即整個(gè)材料是一個(gè)晶體，這塊晶體就稱之為“單晶體單晶體”，實(shí)用材料中如半導(dǎo)體集成電路用的單晶硅、專門制造的金須和其他一些供研究用的材料。，實(shí)用材料中如半導(dǎo)體集成電路用的單晶硅、專門制造的金須和其他一些供研究用的材料。 第1頁(yè)/共49頁(yè) 第一節(jié)第一節(jié) 材料的實(shí)際晶體結(jié)構(gòu)材料的實(shí)際晶體結(jié)構(gòu) 多晶體多晶體: : 實(shí)際應(yīng)用的工程材料中，那怕是一塊尺寸很小材料，絕大多數(shù)包含著許許多多的小晶體，每個(gè)小晶體的內(nèi)

2、部，晶格位向是均勻一致的，而各個(gè)小晶體之間，彼此的位向卻不相同。稱這種由多個(gè)小晶體組成的晶體結(jié)構(gòu)稱之為實(shí)際應(yīng)用的工程材料中，那怕是一塊尺寸很小材料，絕大多數(shù)包含著許許多多的小晶體，每個(gè)小晶體的內(nèi)部，晶格位向是均勻一致的，而各個(gè)小晶體之間，彼此的位向卻不相同。稱這種由多個(gè)小晶體組成的晶體結(jié)構(gòu)稱之為“多晶體多晶體”。 第2頁(yè)/共49頁(yè) 第一節(jié)第一節(jié) 材料的實(shí)際晶體結(jié)構(gòu)材料的實(shí)際晶體結(jié)構(gòu) 晶粒：晶粒：多晶體材料中每個(gè)小晶體的外形多為不規(guī)則的顆粒狀，通常把它們叫做多晶體材料中每個(gè)小晶體的外形多為不規(guī)則的顆粒狀，通常把它們叫做“晶粒晶?！薄?晶界：晶界：晶粒與晶粒之間的分界面叫晶粒與晶粒之間的分界面叫“

3、晶粒間界晶粒間界”，或簡(jiǎn)稱，或簡(jiǎn)稱“晶界晶界”。為了適應(yīng)兩晶粒間不同晶格位向的過(guò)渡，在晶界處的原子排列總是不規(guī)則的。為了適應(yīng)兩晶粒間不同晶格位向的過(guò)渡，在晶界處的原子排列總是不規(guī)則的。 第3頁(yè)/共49頁(yè) 第一節(jié)第一節(jié) 材料的實(shí)際晶體結(jié)構(gòu)材料的實(shí)際晶體結(jié)構(gòu) 偽各向同性：偽各向同性：多晶體材料中，盡管每個(gè)晶粒內(nèi)部象單晶體那樣呈現(xiàn)各向異性，每個(gè)晶粒在空間取向是隨機(jī)分布，大量晶粒的綜合作用，整個(gè)材料宏觀上不出現(xiàn)各向異性，這個(gè)現(xiàn)象稱為多晶體的偽各向同性。多晶體材料中，盡管每個(gè)晶粒內(nèi)部象單晶體那樣呈現(xiàn)各向異性，每個(gè)晶粒在空間取向是隨機(jī)分布，大量晶粒的綜合作用，整個(gè)材料宏觀上不出現(xiàn)各向異性，這個(gè)現(xiàn)象稱為多晶

4、體的偽各向同性。 組織：組織： 性能：性能： 組織敏感的性能組織敏感的性能 組織不敏感的性能組織不敏感的性能 第4頁(yè)/共49頁(yè) 第一節(jié)第一節(jié) 材料的實(shí)際晶體結(jié)構(gòu)材料的實(shí)際晶體結(jié)構(gòu) 晶體缺陷：晶體缺陷：即使在每個(gè)晶粒的內(nèi)部，也并不完全象即使在每個(gè)晶粒的內(nèi)部，也并不完全象 晶體學(xué)中論述的晶體學(xué)中論述的( (理想晶體理想晶體) )那樣，原子完全呈那樣，原子完全呈 現(xiàn)周期性的規(guī)則重復(fù)的排列。把實(shí)際晶體中原現(xiàn)周期性的規(guī)則重復(fù)的排列。把實(shí)際晶體中原 子排列與理想晶體的差別稱為晶體缺陷。晶體子排列與理想晶體的差別稱為晶體缺陷。晶體 中的缺陷的數(shù)量相當(dāng)大，但因原子的數(shù)量很多中的缺陷的數(shù)量相當(dāng)大，但因原子的數(shù)量

5、很多 ，在晶體中占有的比例還是很少，材料總體具，在晶體中占有的比例還是很少，材料總體具 有晶體的相關(guān)性能特點(diǎn)，而缺陷的數(shù)量將給材有晶體的相關(guān)性能特點(diǎn)，而缺陷的數(shù)量將給材 料的性能帶來(lái)巨大的影響。料的性能帶來(lái)巨大的影響。 第5頁(yè)/共49頁(yè) 第一節(jié)第一節(jié) 材料的實(shí)際晶體結(jié)構(gòu)材料的實(shí)際晶體結(jié)構(gòu) 晶體缺陷按范圍分類：晶體缺陷按范圍分類： 1.點(diǎn)缺陷點(diǎn)缺陷 在三維空間各方向上尺寸都很小，在在三維空間各方向上尺寸都很小，在 原子尺寸大小的晶體缺陷。原子尺寸大小的晶體缺陷。 2.線缺陷線缺陷 在三維空間的一個(gè)方向上的尺寸很大在三維空間的一個(gè)方向上的尺寸很大( ( 晶粒數(shù)量級(jí)晶粒數(shù)量級(jí)) )，另外兩個(gè)方向上的

6、尺寸很小，另外兩個(gè)方向上的尺寸很小( (原原 子尺寸大小子尺寸大小) )的晶體缺陷。其具體形式就是晶的晶體缺陷。其具體形式就是晶 體中的位錯(cuò)體中的位錯(cuò)Dislocation 3.面缺陷面缺陷 在三維空間的兩個(gè)方向上的尺寸很大在三維空間的兩個(gè)方向上的尺寸很大( ( 晶粒數(shù)量級(jí)晶粒數(shù)量級(jí)) )，另外一個(gè)方向上的尺寸很小，另外一個(gè)方向上的尺寸很小( (原原 子尺寸大小子尺寸大小) )的晶體缺陷。的晶體缺陷。 第6頁(yè)/共49頁(yè) 點(diǎn)缺陷：點(diǎn)缺陷：在三維空間各方向上尺寸都很小，在原子尺寸大小在三維空間各方向上尺寸都很小，在原子尺寸大小 的晶體缺陷。的晶體缺陷。 一、點(diǎn)缺陷的類型一、點(diǎn)缺陷的類型 ： 1)1

7、)空位空位 在晶格結(jié)點(diǎn)位置應(yīng)有原子在晶格結(jié)點(diǎn)位置應(yīng)有原子 的地方空缺，這種缺陷稱為的地方空缺，這種缺陷稱為“空空 位位”。 2)2)間隙原子間隙原子 在晶格非結(jié)點(diǎn)位置，在晶格非結(jié)點(diǎn)位置， 往往是晶格的間隙，出現(xiàn)了多余往往是晶格的間隙，出現(xiàn)了多余 的原子。它們可能是同類原子，的原子。它們可能是同類原子， 也可能是異類原子。也可能是異類原子。 3)3)異類原子異類原子 在一種類型的原子組在一種類型的原子組 成的晶格中，不同種類的原子替成的晶格中，不同種類的原子替 換原有的原子占有其應(yīng)有的位置換原有的原子占有其應(yīng)有的位置 。 第7頁(yè)/共49頁(yè) 弗侖克耳缺陷：原子離開(kāi)平衡位置進(jìn)入間隙，形成等量的空 位

8、和間隙原子。 肖特基缺陷：只形成空位不形成間隙原子。（構(gòu)成新的晶面 ） 金屬： 離子晶體： 1 負(fù)離子不 能到間隙 2 局部電中 性要求 第8頁(yè)/共49頁(yè) Kroger-Vink提出了一套描寫點(diǎn)缺陷的記號(hào)，并發(fā)展了應(yīng)用質(zhì)量作用定律等來(lái)處理晶格缺陷間關(guān)系的缺陷化學(xué)。以MO為例： 空位 Vacancy VM，VO 間隙原子 Interstitial Mi，Oi 錯(cuò)位原子 MO，OM 溶質(zhì)原子（外來(lái)原子）LM，Li 自由電子及電子空穴 e,，h 帶電荷的缺陷 VM,，VO 第9頁(yè)/共49頁(yè) 缺陷方程三原則: 質(zhì)量守恒, 電荷平衡, 正負(fù)離子格點(diǎn)成比例增減。 肖特基缺陷生成：0VM,+ VO 弗侖克爾

9、缺陷生成： 0VM,+ Mi 非計(jì)量氧化物： 不等價(jià)參雜： 第10頁(yè)/共49頁(yè) 第二節(jié)第二節(jié) 點(diǎn)缺陷點(diǎn)缺陷 熱力學(xué)分析表明，在高于熱力學(xué)分析表明，在高于0K0K的任何溫度下，晶體最穩(wěn)定的狀態(tài)的任何溫度下，晶體最穩(wěn)定的狀態(tài) 是含有一定濃度點(diǎn)缺陷的狀態(tài)。此濃度稱為點(diǎn)缺陷的平衡濃度是含有一定濃度點(diǎn)缺陷的狀態(tài)。此濃度稱為點(diǎn)缺陷的平衡濃度 。 空位形成能空位形成能 空位的出現(xiàn)破壞了其周圍的結(jié)合狀態(tài)，因而造成空位的出現(xiàn)破壞了其周圍的結(jié)合狀態(tài)，因而造成 局部能量的升高，由空位的出現(xiàn)而高于沒(méi)有空位時(shí)的那一部分局部能量的升高，由空位的出現(xiàn)而高于沒(méi)有空位時(shí)的那一部分 能量稱為能量稱為“空位形成能空位形成能”。 在

10、一摩爾的晶體中如存在在一摩爾的晶體中如存在n n個(gè)空位，晶體中有個(gè)空位，晶體中有N=6.023X10N=6.023X1023 23個(gè)晶 個(gè)晶 格位置，這是空位的濃度為格位置，這是空位的濃度為x=n/Nx=n/N，系統(tǒng)熵值為：，系統(tǒng)熵值為： 空位的出現(xiàn)提高了體系的熵值空位的出現(xiàn)提高了體系的熵值 第11頁(yè)/共49頁(yè) 設(shè)每個(gè)空位的形成能為設(shè)每個(gè)空位的形成能為u u，空位濃度為，空位濃度為x x時(shí)自由能的變化為：時(shí)自由能的變化為： 第12頁(yè)/共49頁(yè) 第二節(jié)第二節(jié) 點(diǎn)缺陷點(diǎn)缺陷 第13頁(yè)/共49頁(yè) 第二節(jié)第二節(jié) 點(diǎn)缺陷點(diǎn)缺陷 例如例如： CuCu晶體得空位形成能為晶體得空位形成能為0.9ev/atom

11、 =1.44X100.9ev/atom =1.44X10-19 -19J/atom J/atom ，在，在500500時(shí)計(jì)算可得出平衡空位的濃度為時(shí)計(jì)算可得出平衡空位的濃度為1.4X101.4X10-6 -6( (很低 很低) )，而，而 在每立方米的銅晶體存在在每立方米的銅晶體存在1.2X101.2X1023 23個(gè)空位 個(gè)空位( (數(shù)量很多數(shù)量很多) )。 過(guò)飽和空位過(guò)飽和空位 晶體中含點(diǎn)缺陷的數(shù)目明顯超過(guò)平衡值。如高溫下停留平衡時(shí)晶體中存在一平衡空位，快速冷卻到一較低的溫度，晶體中的空位來(lái)不及移出晶體，就會(huì)造成晶體中的空位濃度超過(guò)這時(shí)的平衡值。過(guò)飽和空位的存在是一非平衡狀態(tài)，有恢復(fù)到平衡

12、態(tài)的熱力學(xué)趨勢(shì)，在動(dòng)力學(xué)上要到達(dá)平衡態(tài)還要一時(shí)間過(guò)程。晶體中含點(diǎn)缺陷的數(shù)目明顯超過(guò)平衡值。如高溫下停留平衡時(shí)晶體中存在一平衡空位，快速冷卻到一較低的溫度，晶體中的空位來(lái)不及移出晶體，就會(huì)造成晶體中的空位濃度超過(guò)這時(shí)的平衡值。過(guò)飽和空位的存在是一非平衡狀態(tài)，有恢復(fù)到平衡態(tài)的熱力學(xué)趨勢(shì)，在動(dòng)力學(xué)上要到達(dá)平衡態(tài)還要一時(shí)間過(guò)程。 第14頁(yè)/共49頁(yè) 第二節(jié)第二節(jié) 點(diǎn)缺陷點(diǎn)缺陷 原因：原因：無(wú)論那種點(diǎn)缺陷的存在，都會(huì)使其附近的原子稍微偏離原結(jié)無(wú)論那種點(diǎn)缺陷的存在，都會(huì)使其附近的原子稍微偏離原結(jié) 點(diǎn)位置才能平衡，即造成小區(qū)域的晶格畸變。點(diǎn)位置才能平衡，即造成小區(qū)域的晶格畸變。 效果效果 1)1)提高材料的

13、電阻提高材料的電阻 定向流動(dòng)的電子在點(diǎn)缺陷處受到定向流動(dòng)的電子在點(diǎn)缺陷處受到 非平衡力非平衡力( (陷阱陷阱) )，增加了阻力，加速運(yùn)動(dòng)提高局部，增加了阻力，加速運(yùn)動(dòng)提高局部 溫度溫度( (發(fā)熱發(fā)熱) )。 2)2)加快原子的擴(kuò)散遷移加快原子的擴(kuò)散遷移 空位可作為原子運(yùn)動(dòng)的周轉(zhuǎn)空位可作為原子運(yùn)動(dòng)的周轉(zhuǎn) 站。站。 3)3)形成其他晶體缺陷形成其他晶體缺陷 過(guò)飽和的空位可集中形成內(nèi)部過(guò)飽和的空位可集中形成內(nèi)部 的空洞，集中一片的塌陷形成位錯(cuò)。的空洞，集中一片的塌陷形成位錯(cuò)。 4)4)改變材料的力學(xué)性能改變材料的力學(xué)性能 空位移動(dòng)到位錯(cuò)處可造成刃空位移動(dòng)到位錯(cuò)處可造成刃 位錯(cuò)的攀移，間隙原子和異類原

14、子的存在會(huì)增加位位錯(cuò)的攀移，間隙原子和異類原子的存在會(huì)增加位 錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)阻力。會(huì)使強(qiáng)度提高，塑性下降、錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)阻力。會(huì)使強(qiáng)度提高，塑性下降、 第15頁(yè)/共49頁(yè) 線缺陷：線缺陷：在三維空間的一個(gè)方向上的尺寸很大在三維空間的一個(gè)方向上的尺寸很大( (晶粒數(shù)量級(jí)晶粒數(shù)量級(jí)) ) ，另外兩個(gè)方向上的尺寸很小，另外兩個(gè)方向上的尺寸很小( (原子尺寸大小原子尺寸大小) )的晶體缺陷的晶體缺陷 。其具體形式就是晶體中的位錯(cuò)。其具體形式就是晶體中的位錯(cuò)Dislocation 一、位錯(cuò)的原子模型一、位錯(cuò)的原子模型 將晶體的上半部分向左移動(dòng)一個(gè)原子間距，再按原子的將晶體的上半部分向左移動(dòng)一個(gè)原子間距，再按原子的

15、結(jié)合方式連接起來(lái)結(jié)合方式連接起來(lái)(b)。除分界線附近的一管形區(qū)域例外，其。除分界線附近的一管形區(qū)域例外，其 他部分基本都是完好的晶體。在分界線的上方將多出半個(gè)原他部分基本都是完好的晶體。在分界線的上方將多出半個(gè)原 子面，這就是刃型位錯(cuò)。子面，這就是刃型位錯(cuò)。 第16頁(yè)/共49頁(yè) 第三節(jié)第三節(jié) 位錯(cuò)的基本概念位錯(cuò)的基本概念 若將上半部分向上移動(dòng)一個(gè)原子間距，之間插入半個(gè)原子面若將上半部分向上移動(dòng)一個(gè)原子間距，之間插入半個(gè)原子面 ，再按原子的結(jié)合方式連接起來(lái)，得到和，再按原子的結(jié)合方式連接起來(lái)，得到和(b)(b)類似排列方式類似排列方式( ( 轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)9090度度) )，這也是刃型位錯(cuò)。，這也是刃型位

16、錯(cuò)。 第17頁(yè)/共49頁(yè) 第三節(jié)第三節(jié) 位錯(cuò)的基本概念位錯(cuò)的基本概念 若將晶體的上半部分向后若將晶體的上半部分向后 移動(dòng)一個(gè)原子間距，再按原子移動(dòng)一個(gè)原子間距，再按原子 的結(jié)合方式連接起來(lái)的結(jié)合方式連接起來(lái)(c)(c)，同，同 樣除分界線附近的一管形區(qū)域樣除分界線附近的一管形區(qū)域 例外，其他部分基本也都是完例外，其他部分基本也都是完 好的晶體。而在分界線的區(qū)域好的晶體。而在分界線的區(qū)域 形成一螺旋面，這就是螺型位形成一螺旋面，這就是螺型位 錯(cuò)。錯(cuò)。 第18頁(yè)/共49頁(yè) 第三節(jié)第三節(jié) 位錯(cuò)的基本概念位錯(cuò)的基本概念 位錯(cuò)的形式位錯(cuò)的形式 ： 若將上半部分向上移動(dòng)一個(gè)原子間距，之間插入半個(gè)原子若將上

17、半部分向上移動(dòng)一個(gè)原子間距，之間插入半個(gè)原子 面，再按原子的結(jié)合方式連接起來(lái)，得到和面，再按原子的結(jié)合方式連接起來(lái)，得到和(b)(b)類似排列類似排列 方式方式( (轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)9090度度) )，這也是刃型位錯(cuò)。，這也是刃型位錯(cuò)。 第19頁(yè)/共49頁(yè) 第三節(jié)第三節(jié) 位錯(cuò)的基本概念位錯(cuò)的基本概念 確定方法：確定方法： 首先在原子排列基本正常區(qū)域作一個(gè)包含位錯(cuò)的首先在原子排列基本正常區(qū)域作一個(gè)包含位錯(cuò)的 回路，也稱為柏氏回路，這個(gè)回路包含了位錯(cuò)發(fā)生的畸變回路，也稱為柏氏回路，這個(gè)回路包含了位錯(cuò)發(fā)生的畸變 。然后將同樣大小的回路置于理想晶體中，回路當(dāng)然不可。然后將同樣大小的回路置于理想晶體中，回路當(dāng)然不可

18、 能封閉，需要一個(gè)額外的矢量連接才能封閉，這個(gè)矢量就能封閉，需要一個(gè)額外的矢量連接才能封閉，這個(gè)矢量就 稱為該位錯(cuò)的柏氏稱為該位錯(cuò)的柏氏(Burgers)(Burgers)矢量。矢量。 說(shuō)明：這是一個(gè)并不十分準(zhǔn)確的定義方法。柏氏矢量的方向與位錯(cuò)線方向的定義有關(guān)，應(yīng)該 首先定義位錯(cuò)線的方向，再依據(jù)位錯(cuò)線的方向來(lái)定柏氏回路的方向，再確定柏氏矢量 的方向。在專門的位錯(cuò)理論中還會(huì)糾正。 第20頁(yè)/共49頁(yè) 第三節(jié)第三節(jié) 位錯(cuò)的基本概念位錯(cuò)的基本概念 柏氏矢量與位錯(cuò)類型的關(guān)系：柏氏矢量與位錯(cuò)類型的關(guān)系： 刃型位錯(cuò)刃型位錯(cuò) 柏氏矢量與位錯(cuò)線相互垂直。柏氏矢量與位錯(cuò)線相互垂直。( (依方向關(guān)系可依方向關(guān)系可

19、 分正刃和負(fù)刃型位錯(cuò)分正刃和負(fù)刃型位錯(cuò)) ) 螺型位錯(cuò)螺型位錯(cuò) 柏氏矢量與位錯(cuò)線相互平行。柏氏矢量與位錯(cuò)線相互平行。( (依方向關(guān)系可依方向關(guān)系可 分左螺和右螺型位錯(cuò)分左螺和右螺型位錯(cuò)) ) 混合位錯(cuò)混合位錯(cuò) 柏氏矢量與位錯(cuò)線的夾角非柏氏矢量與位錯(cuò)線的夾角非0 0或或9090度。度。 柏氏矢量守恒：柏氏矢量守恒： 同一位錯(cuò)的柏氏矢量與柏氏回路的大小和走向無(wú)關(guān)。同一位錯(cuò)的柏氏矢量與柏氏回路的大小和走向無(wú)關(guān)。 位錯(cuò)不可能終止于晶體的內(nèi)部，只能到表面、晶界和其他位位錯(cuò)不可能終止于晶體的內(nèi)部，只能到表面、晶界和其他位 錯(cuò)，在位錯(cuò)網(wǎng)的交匯點(diǎn)，必然錯(cuò)，在位錯(cuò)網(wǎng)的交匯點(diǎn)，必然 第21頁(yè)/共49頁(yè) 第三節(jié)第三

20、節(jié) 位錯(cuò)的基本概念位錯(cuò)的基本概念 滑移面滑移面：過(guò)位錯(cuò)線并和柏氏矢量平行的平：過(guò)位錯(cuò)線并和柏氏矢量平行的平 面面(晶面晶面)是該位錯(cuò)的滑移面。是該位錯(cuò)的滑移面。 位錯(cuò)的滑移運(yùn)動(dòng)位錯(cuò)的滑移運(yùn)動(dòng)：位錯(cuò)在滑移面上的運(yùn)動(dòng)：位錯(cuò)在滑移面上的運(yùn)動(dòng) 。 第22頁(yè)/共49頁(yè) 第三節(jié)第三節(jié) 位錯(cuò)的基本概念位錯(cuò)的基本概念 刃型位錯(cuò)的滑移運(yùn)動(dòng)：在圖示的晶體上施加一切應(yīng)力，當(dāng)應(yīng)力刃型位錯(cuò)的滑移運(yùn)動(dòng)：在圖示的晶體上施加一切應(yīng)力，當(dāng)應(yīng)力 足夠大時(shí)，有使晶體上部向有發(fā)生移動(dòng)的趨勢(shì)。假如晶體足夠大時(shí)，有使晶體上部向有發(fā)生移動(dòng)的趨勢(shì)。假如晶體 中有一刃型位錯(cuò)，顯然位錯(cuò)在晶體中發(fā)生移動(dòng)比整個(gè)晶體中有一刃型位錯(cuò)，顯然位錯(cuò)在晶體中發(fā)

21、生移動(dòng)比整個(gè)晶體 移動(dòng)要容易。因此，位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)在外加切應(yīng)力的作用下移動(dòng)要容易。因此，位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)在外加切應(yīng)力的作用下 發(fā)生；位錯(cuò)移動(dòng)的方向和位錯(cuò)線垂直；運(yùn)動(dòng)位錯(cuò)掃過(guò)發(fā)生；位錯(cuò)移動(dòng)的方向和位錯(cuò)線垂直；運(yùn)動(dòng)位錯(cuò)掃過(guò) 的區(qū)域晶體的兩部分發(fā)生了柏氏矢量大小的相對(duì)運(yùn)動(dòng)的區(qū)域晶體的兩部分發(fā)生了柏氏矢量大小的相對(duì)運(yùn)動(dòng)( (滑滑 移移) )；位錯(cuò)移出晶體表面將在晶體的表面上產(chǎn)生柏氏矢；位錯(cuò)移出晶體表面將在晶體的表面上產(chǎn)生柏氏矢 量大小的臺(tái)階。量大小的臺(tái)階。 第23頁(yè)/共49頁(yè) 第三節(jié)第三節(jié) 位錯(cuò)的基本概念位錯(cuò)的基本概念 螺型位錯(cuò)的滑移：在圖示的晶體上施加一切應(yīng)力，當(dāng)應(yīng)力足夠螺型位錯(cuò)的滑移：在圖示的晶體上施加一切

22、應(yīng)力，當(dāng)應(yīng)力足夠 大時(shí)，有使晶體的左右部分發(fā)生上下移動(dòng)的趨勢(shì)。假如晶體中大時(shí)，有使晶體的左右部分發(fā)生上下移動(dòng)的趨勢(shì)。假如晶體中 有一螺型位錯(cuò)，顯然位錯(cuò)在晶體中向后發(fā)生移動(dòng)，移動(dòng)過(guò)的區(qū)有一螺型位錯(cuò)，顯然位錯(cuò)在晶體中向后發(fā)生移動(dòng)，移動(dòng)過(guò)的區(qū) 間右邊晶體向下移動(dòng)一柏氏矢量。因此，螺位錯(cuò)也是在外加間右邊晶體向下移動(dòng)一柏氏矢量。因此，螺位錯(cuò)也是在外加 切應(yīng)力的作用下發(fā)生運(yùn)動(dòng)；位錯(cuò)移動(dòng)的方向總是和位錯(cuò)線垂切應(yīng)力的作用下發(fā)生運(yùn)動(dòng)；位錯(cuò)移動(dòng)的方向總是和位錯(cuò)線垂 直；運(yùn)動(dòng)位錯(cuò)掃過(guò)的區(qū)域晶體的兩部分發(fā)生了柏氏矢量大小直；運(yùn)動(dòng)位錯(cuò)掃過(guò)的區(qū)域晶體的兩部分發(fā)生了柏氏矢量大小 的相對(duì)運(yùn)動(dòng)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)( (滑移滑移) )；位

23、錯(cuò)移過(guò)部分在表面留下部分臺(tái)階，全；位錯(cuò)移過(guò)部分在表面留下部分臺(tái)階，全 部移出晶體的表面上產(chǎn)生柏氏矢量大小的完整臺(tái)階。這四點(diǎn)同部移出晶體的表面上產(chǎn)生柏氏矢量大小的完整臺(tái)階。這四點(diǎn)同 刃型位錯(cuò)。刃型位錯(cuò)。 第24頁(yè)/共49頁(yè) 第三節(jié)第三節(jié) 位錯(cuò)的基本概念位錯(cuò)的基本概念 刃、螺型位錯(cuò)滑移的比較：刃、螺型位錯(cuò)滑移的比較： 因?yàn)槲诲e(cuò)線和柏氏矢量平行，所以螺型位錯(cuò)可以有多個(gè)滑因?yàn)槲诲e(cuò)線和柏氏矢量平行，所以螺型位錯(cuò)可以有多個(gè)滑 移面，螺型位錯(cuò)無(wú)論在那個(gè)方向移動(dòng)都是滑移。移面，螺型位錯(cuò)無(wú)論在那個(gè)方向移動(dòng)都是滑移。 晶體兩部分的相對(duì)移動(dòng)量決定于柏氏矢量的大小和方向，晶體兩部分的相對(duì)移動(dòng)量決定于柏氏矢量的大小和方

24、向， 與位錯(cuò)線的移動(dòng)方向無(wú)關(guān)。與位錯(cuò)線的移動(dòng)方向無(wú)關(guān)。 第25頁(yè)/共49頁(yè) 第三節(jié)第三節(jié) 位錯(cuò)的基本概念位錯(cuò)的基本概念 分析一位錯(cuò)環(huán)的運(yùn)動(dòng)分析一位錯(cuò)環(huán)的運(yùn)動(dòng) 第26頁(yè)/共49頁(yè) 第三節(jié)第三節(jié) 位錯(cuò)的基本概念位錯(cuò)的基本概念 綜合位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)綜合位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)：以位錯(cuò)環(huán)為例來(lái)說(shuō)明。在一個(gè)滑移面上存在：以位錯(cuò)環(huán)為例來(lái)說(shuō)明。在一個(gè)滑移面上存在 一位錯(cuò)環(huán)，如圖所示，簡(jiǎn)化為一多邊型。前后為刃位錯(cuò)，在切一位錯(cuò)環(huán)，如圖所示，簡(jiǎn)化為一多邊型。前后為刃位錯(cuò)，在切 應(yīng)力應(yīng)力的作用下，后部的半原子面在上方向后移動(dòng)；前部的半的作用下，后部的半原子面在上方向后移動(dòng)；前部的半 原子面在下方，向前運(yùn)動(dòng)。左右為螺位錯(cuò)，但螺旋方向相反

25、，原子面在下方，向前運(yùn)動(dòng)。左右為螺位錯(cuò)，但螺旋方向相反， 左邊向左，右邊向右運(yùn)動(dòng)；其他為混合位錯(cuò)，均向外運(yùn)動(dòng)。所左邊向左，右邊向右運(yùn)動(dòng)；其他為混合位錯(cuò)，均向外運(yùn)動(dòng)。所 有運(yùn)動(dòng)都使上部晶體向后移動(dòng)了一個(gè)原子間距。所有位錯(cuò)移出有運(yùn)動(dòng)都使上部晶體向后移動(dòng)了一個(gè)原子間距。所有位錯(cuò)移出 晶體，整個(gè)晶體上部移動(dòng)了一個(gè)原子間距?？梢?jiàn)無(wú)論那種位錯(cuò)晶體，整個(gè)晶體上部移動(dòng)了一個(gè)原子間距。可見(jiàn)無(wú)論那種位錯(cuò) ，最后達(dá)到的效果是一樣的。如果外加切應(yīng)力相反，位錯(cuò)環(huán)將，最后達(dá)到的效果是一樣的。如果外加切應(yīng)力相反，位錯(cuò)環(huán)將 縮小，最后消失。位錯(cuò)環(huán)存在時(shí)，環(huán)所在區(qū)間原子已經(jīng)偏后一縮小，最后消失。位錯(cuò)環(huán)存在時(shí)，環(huán)所在區(qū)間原子已經(jīng)

26、偏后一 原子間距，環(huán)縮小到消失，表明這個(gè)偏移的消失，而環(huán)擴(kuò)大表原子間距，環(huán)縮小到消失，表明這個(gè)偏移的消失，而環(huán)擴(kuò)大表 明其他區(qū)間向后移動(dòng)?？梢?jiàn)位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)都將使掃過(guò)的區(qū)間兩邊明其他區(qū)間向后移動(dòng)。可見(jiàn)位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)都將使掃過(guò)的區(qū)間兩邊 的原子層發(fā)生柏氏矢量大小的相對(duì)滑動(dòng)。的原子層發(fā)生柏氏矢量大小的相對(duì)滑動(dòng)。 第27頁(yè)/共49頁(yè) 第三節(jié)第三節(jié) 位錯(cuò)的基本概念位錯(cuò)的基本概念 刃位錯(cuò)的攀移運(yùn)動(dòng)：刃位錯(cuò)的攀移運(yùn)動(dòng)：刃型位錯(cuò)在垂直于滑移面方向上的運(yùn)動(dòng)。刃型位錯(cuò)在垂直于滑移面方向上的運(yùn)動(dòng)。 刃位錯(cuò)發(fā)生攀移運(yùn)動(dòng)時(shí)相當(dāng)于半原子面的伸長(zhǎng)或縮短，通常把刃位錯(cuò)發(fā)生攀移運(yùn)動(dòng)時(shí)相當(dāng)于半原子面的伸長(zhǎng)或縮短，通常把 半原子面縮短稱

27、為正攀移，反之為負(fù)攀移。半原子面縮短稱為正攀移，反之為負(fù)攀移。 滑移時(shí)不涉及單個(gè)原子遷移，即擴(kuò)散。刃型位錯(cuò)發(fā)生正攀滑移時(shí)不涉及單個(gè)原子遷移，即擴(kuò)散。刃型位錯(cuò)發(fā)生正攀 移將有原子多余，大部分是由于晶體中空位運(yùn)動(dòng)到位錯(cuò)線上的移將有原子多余，大部分是由于晶體中空位運(yùn)動(dòng)到位錯(cuò)線上的 結(jié)果，從而會(huì)造成空位的消失；而負(fù)攀移則需要外來(lái)原子，無(wú)結(jié)果，從而會(huì)造成空位的消失；而負(fù)攀移則需要外來(lái)原子，無(wú) 外來(lái)原子將在晶體中產(chǎn)生新的空位?？瘴坏倪w移速度隨溫度的外來(lái)原子將在晶體中產(chǎn)生新的空位?？瘴坏倪w移速度隨溫度的 升高而加快，因此刃型位錯(cuò)的攀移一般發(fā)生在溫度較高時(shí)；另升高而加快，因此刃型位錯(cuò)的攀移一般發(fā)生在溫度較高時(shí)

28、；另 外，溫度的變化將引起晶體的平衡空位濃度的變化，這種空位外，溫度的變化將引起晶體的平衡空位濃度的變化，這種空位 的變化往往和刃位錯(cuò)的攀移相關(guān)。切應(yīng)力對(duì)刃位錯(cuò)的攀移是無(wú)的變化往往和刃位錯(cuò)的攀移相關(guān)。切應(yīng)力對(duì)刃位錯(cuò)的攀移是無(wú) 效的，正應(yīng)力的存在有助于攀移效的，正應(yīng)力的存在有助于攀移( (壓應(yīng)力有助正攀移，拉應(yīng)力壓應(yīng)力有助正攀移，拉應(yīng)力 有助負(fù)攀移有助負(fù)攀移) )，但對(duì)攀移的總體作用甚小。，但對(duì)攀移的總體作用甚小。 第28頁(yè)/共49頁(yè) 第三節(jié)第三節(jié) 位錯(cuò)的基本概念位錯(cuò)的基本概念 位錯(cuò)在晶體表面的露頭位錯(cuò)在晶體表面的露頭 拋光后的拋光后的 試樣在侵蝕時(shí)，由于易侵蝕而出現(xiàn)試樣在侵蝕時(shí)，由于易侵蝕而出

29、現(xiàn) 侵蝕坑，其特點(diǎn)是坑為規(guī)則的多邊侵蝕坑，其特點(diǎn)是坑為規(guī)則的多邊 型且排列有一定規(guī)律。只能在晶粒型且排列有一定規(guī)律。只能在晶粒 較大，位錯(cuò)較少時(shí)才有明顯效果。較大，位錯(cuò)較少時(shí)才有明顯效果。 薄膜透射電鏡觀察薄膜透射電鏡觀察 將試將試 樣減薄到幾十到數(shù)百個(gè)原樣減薄到幾十到數(shù)百個(gè)原 子層子層(500nm(500nm以下以下) )，利用，利用 透射電鏡進(jìn)行觀察，可見(jiàn)透射電鏡進(jìn)行觀察，可見(jiàn) 到位錯(cuò)線。到位錯(cuò)線。 第29頁(yè)/共49頁(yè) 第三節(jié)第三節(jié) 位錯(cuò)的基本概念位錯(cuò)的基本概念 表示晶體中含有位錯(cuò)數(shù)量的參數(shù)。表示晶體中含有位錯(cuò)數(shù)量的參數(shù)。 位錯(cuò)密度位錯(cuò)密度用單位體積位錯(cuò)線的總長(zhǎng)度表示。用單位體積位錯(cuò)線的總

30、長(zhǎng)度表示。 在金屬材料中，退火狀態(tài)下，接近平衡狀態(tài)所得到的材料，這時(shí)位錯(cuò)的密度較低，約在在金屬材料中，退火狀態(tài)下，接近平衡狀態(tài)所得到的材料，這時(shí)位錯(cuò)的密度較低，約在106的數(shù)量級(jí)；的數(shù)量級(jí)； 經(jīng)過(guò)較大的冷塑性變形，位錯(cuò)的密度可達(dá)經(jīng)過(guò)較大的冷塑性變形，位錯(cuò)的密度可達(dá)1010-12的數(shù)量級(jí)。詳細(xì)內(nèi)容到塑性變形一章再論述。的數(shù)量級(jí)。詳細(xì)內(nèi)容到塑性變形一章再論述。 位錯(cuò)密度位錯(cuò)密度 第30頁(yè)/共49頁(yè) 一、位錯(cuò)的應(yīng)變能一、位錯(cuò)的應(yīng)變能 來(lái)源：來(lái)源：位錯(cuò)應(yīng)變能主要是彈性應(yīng)變能。彈簧或其他彈性體的彈性位能位錯(cuò)應(yīng)變能主要是彈性應(yīng)變能。彈簧或其他彈性體的彈性位能 0.5kx2。同樣在單位體積內(nèi)彈性位能，正應(yīng)力

31、引起的為。同樣在單位體積內(nèi)彈性位能，正應(yīng)力引起的為 0.50.5，而切應(yīng)力引起的為，而切應(yīng)力引起的為0.50.5。 在位錯(cuò)線的周圍存在內(nèi)應(yīng)力，例如刃型位錯(cuò)，在多余半原在位錯(cuò)線的周圍存在內(nèi)應(yīng)力，例如刃型位錯(cuò)，在多余半原 子面區(qū)域?yàn)閴簯?yīng)力，而缺少半原子面的區(qū)域存在著拉應(yīng)力；在子面區(qū)域?yàn)閴簯?yīng)力，而缺少半原子面的區(qū)域存在著拉應(yīng)力；在 螺位錯(cuò)周圍存在的是切應(yīng)力。所以位錯(cuò)周圍存在彈性應(yīng)變能。螺位錯(cuò)周圍存在的是切應(yīng)力。所以位錯(cuò)周圍存在彈性應(yīng)變能。 可見(jiàn)由于位錯(cuò)的存在，在其周圍存在一應(yīng)力場(chǎng)，應(yīng)力場(chǎng)的分布可見(jiàn)由于位錯(cuò)的存在，在其周圍存在一應(yīng)力場(chǎng)，應(yīng)力場(chǎng)的分布 有機(jī)會(huì)進(jìn)一步學(xué)習(xí)時(shí)再分析。有機(jī)會(huì)進(jìn)一步學(xué)習(xí)時(shí)再分析。

32、 位錯(cuò)線周圍的原子偏離了平衡位置，處于較高的能量狀態(tài)，高出的能量稱為位錯(cuò)的應(yīng)變能，或簡(jiǎn)稱位錯(cuò)線周圍的原子偏離了平衡位置，處于較高的能量狀態(tài)，高出的能量稱為位錯(cuò)的應(yīng)變能，或簡(jiǎn)稱位錯(cuò)能位錯(cuò)能。 第31頁(yè)/共49頁(yè) 第三節(jié)第三節(jié) 位錯(cuò)的彈性特征位錯(cuò)的彈性特征 位錯(cuò)應(yīng)變能的大小，以單位長(zhǎng)度位錯(cuò)線上的應(yīng)變能來(lái)表示，單位為位錯(cuò)應(yīng)變能的大小，以單位長(zhǎng)度位錯(cuò)線上的應(yīng)變能來(lái)表示，單位為J JM M-1-1。 在數(shù)值上在數(shù)值上U=GbU=Gb2 2，其中，其中b為柏氏矢量的大小，為柏氏矢量的大小，G為材料的剪切變模量。為材料的剪切變模量。為常數(shù)，螺位錯(cuò)為為常數(shù)，螺位錯(cuò)為0.550.73，常用，常用0.5來(lái)簡(jiǎn)算；刃

33、型位錯(cuò)為來(lái)簡(jiǎn)算；刃型位錯(cuò)為0.811.09，常用，常用1.0來(lái)簡(jiǎn)算。來(lái)簡(jiǎn)算。 由于位錯(cuò)存在應(yīng)變能，為減小這能量，位錯(cuò)線的分布一方由于位錯(cuò)存在應(yīng)變能，為減小這能量，位錯(cuò)線的分布一方 面在可能的情況下盡量減小單位長(zhǎng)度上的能量，由位錯(cuò)結(jié)果決面在可能的情況下盡量減小單位長(zhǎng)度上的能量，由位錯(cuò)結(jié)果決 定的，只要晶體結(jié)構(gòu)條件容許，柏氏矢量盡量小。另一方面就定的，只要晶體結(jié)構(gòu)條件容許，柏氏矢量盡量小。另一方面就 是減小位錯(cuò)線的長(zhǎng)度，兩點(diǎn)之間只要結(jié)構(gòu)容許，以直線分布。是減小位錯(cuò)線的長(zhǎng)度，兩點(diǎn)之間只要結(jié)構(gòu)容許，以直線分布。 好像沿位錯(cuò)線兩端作用了一個(gè)線張力。線張力和位錯(cuò)的能量在好像沿位錯(cuò)線兩端作用了一個(gè)線張力。線

34、張力和位錯(cuò)的能量在 數(shù)量上是等價(jià)的。數(shù)量上是等價(jià)的。 第32頁(yè)/共49頁(yè) 第三節(jié)第三節(jié) 位錯(cuò)的彈性特征位錯(cuò)的彈性特征 晶體內(nèi)同時(shí)含由位錯(cuò)和點(diǎn)缺陷時(shí)晶體內(nèi)同時(shí)含由位錯(cuò)和點(diǎn)缺陷時(shí)( (特別時(shí)溶入的異類原子特別時(shí)溶入的異類原子) ) ，它們會(huì)發(fā)生交互作用。，它們會(huì)發(fā)生交互作用。 異類原子在刃位錯(cuò)處會(huì)聚集，如小原子到多出半原子面處，大異類原子在刃位錯(cuò)處會(huì)聚集，如小原子到多出半原子面處，大 原子到少半原子面處，而異類原子則溶在位錯(cuò)的間隙處。原子到少半原子面處，而異類原子則溶在位錯(cuò)的間隙處。 空位會(huì)使刃位錯(cuò)發(fā)生攀移運(yùn)動(dòng)。空位會(huì)使刃位錯(cuò)發(fā)生攀移運(yùn)動(dòng)。 第33頁(yè)/共49頁(yè) 第三節(jié)第三節(jié) 位錯(cuò)的彈性特征位錯(cuò)的彈

35、性特征 每條位錯(cuò)線周圍存在應(yīng)力場(chǎng)，對(duì)附近的其他位錯(cuò)有力的作每條位錯(cuò)線周圍存在應(yīng)力場(chǎng)，對(duì)附近的其他位錯(cuò)有力的作 用和影響，這個(gè)影響較復(fù)雜，下面僅對(duì)簡(jiǎn)單情況加以說(shuō)明。用和影響，這個(gè)影響較復(fù)雜，下面僅對(duì)簡(jiǎn)單情況加以說(shuō)明。 一對(duì)在同一滑移面上平行刃位錯(cuò)，當(dāng)其方向相同時(shí)，表現(xiàn)一對(duì)在同一滑移面上平行刃位錯(cuò)，當(dāng)其方向相同時(shí)，表現(xiàn) 為互相排斥，有條件時(shí)相互移動(dòng)來(lái)增加其距離。當(dāng)其方向相反為互相排斥，有條件時(shí)相互移動(dòng)來(lái)增加其距離。當(dāng)其方向相反 時(shí)，表現(xiàn)為互相吸引，有條件時(shí)相互靠近，最后可能互相中和時(shí)，表現(xiàn)為互相吸引，有條件時(shí)相互靠近，最后可能互相中和 而消失。而消失。 第34頁(yè)/共49頁(yè) 第三節(jié)第三節(jié) 位錯(cuò)的彈性

36、特征位錯(cuò)的彈性特征 一對(duì)平行的螺位錯(cuò)，按幾何規(guī)律，其共有面可作為其滑移一對(duì)平行的螺位錯(cuò)，按幾何規(guī)律，其共有面可作為其滑移 面。當(dāng)其方向相同時(shí)，也表現(xiàn)為互相排斥，有條件時(shí)相互移動(dòng)面。當(dāng)其方向相同時(shí)，也表現(xiàn)為互相排斥，有條件時(shí)相互移動(dòng) 來(lái)增加其距離。當(dāng)其方向相反時(shí)，也表現(xiàn)為互相吸引，有條件來(lái)增加其距離。當(dāng)其方向相反時(shí)，也表現(xiàn)為互相吸引，有條件 時(shí)相互靠近，最后可能互相中和而消失。時(shí)相互靠近，最后可能互相中和而消失。 處在其他情況下的位錯(cuò)間的相互作用較為復(fù)雜，暫時(shí)還難處在其他情況下的位錯(cuò)間的相互作用較為復(fù)雜，暫時(shí)還難 簡(jiǎn)單的說(shuō)清楚，上例僅提供一分析的方向。簡(jiǎn)單的說(shuō)清楚，上例僅提供一分析的方向。 第3

37、5頁(yè)/共49頁(yè) 第36頁(yè)/共49頁(yè) 面缺陷：面缺陷：在三維空間的兩個(gè)方向上的尺寸很大在三維空間的兩個(gè)方向上的尺寸很大( (晶粒數(shù)量級(jí)晶粒數(shù)量級(jí)) ) ，另外一個(gè)方向上的尺寸很小，另外一個(gè)方向上的尺寸很小( (原子尺寸大小原子尺寸大小) )的晶體缺陷的晶體缺陷 。 一、表面及表面能一、表面及表面能 1.1.晶體的表面晶體的表面：就是晶體的外表面，一般是指晶體與氣體：就是晶體的外表面，一般是指晶體與氣體(氣相或液相氣相或液相)的分界面。的分界面。 2.2.晶體的表面能：晶體的表面能：同體積晶體的表面高出晶體內(nèi)部的能量稱為晶體的表面自由能或表面能。計(jì)量單位為同體積晶體的表面高出晶體內(nèi)部的能量稱為晶體

38、的表面自由能或表面能。計(jì)量單位為J/m2。表面能就是表面張力，單位為。表面能就是表面張力，單位為N/m。晶體的表面能在有些意義和大家已知液體表面張力是一樣的。晶體的表面能在有些意義和大家已知液體表面張力是一樣的。 第37頁(yè)/共49頁(yè) 第五節(jié)第五節(jié) 晶體中的界面晶體中的界面 3.3.表面能的來(lái)源：表面能的來(lái)源：材料表面的原子和內(nèi)部原子所處的環(huán)境不同，內(nèi)部在均勻的力場(chǎng)中，能量較低，而表面的原子有一個(gè)方向沒(méi)有原子結(jié)合，處在與內(nèi)部相比較高的能量水平。另一種設(shè)想為一完整的晶體，按某晶面為界切開(kāi)成兩半，形成兩個(gè)表面，切開(kāi)時(shí)為破壞原有的結(jié)合鍵單位面積所吸收的能量。由于不同的晶面原子的排列方式不同，切開(kāi)破壞的

39、化學(xué)鍵的量也不同，所以用不同的晶面作表面對(duì)應(yīng)的表面能也不相同，一般以原子的排列面密度愈高，對(duì)應(yīng)的表面能較小。材料表面的原子和內(nèi)部原子所處的環(huán)境不同，內(nèi)部在均勻的力場(chǎng)中，能量較低，而表面的原子有一個(gè)方向沒(méi)有原子結(jié)合，處在與內(nèi)部相比較高的能量水平。另一種設(shè)想為一完整的晶體，按某晶面為界切開(kāi)成兩半，形成兩個(gè)表面，切開(kāi)時(shí)為破壞原有的結(jié)合鍵單位面積所吸收的能量。由于不同的晶面原子的排列方式不同，切開(kāi)破壞的化學(xué)鍵的量也不同，所以用不同的晶面作表面對(duì)應(yīng)的表面能也不相同，一般以原子的排列面密度愈高，對(duì)應(yīng)的表面能較小。 第38頁(yè)/共49頁(yè) 第五節(jié)第五節(jié) 晶體中的界面晶體中的界面 4.4.表面能與晶體形狀之間的關(guān)

40、系：表面能與晶體形狀之間的關(guān)系：在晶體形成的過(guò)程中，為了在晶體形成的過(guò)程中，為了 使系統(tǒng)的自由能最低，盡量降低表面的總能量，即使系統(tǒng)的自由能最低，盡量降低表面的總能量，即AA最小最小 。為此一方面盡量讓。為此一方面盡量讓最小的晶面為表面，當(dāng)然也可能是表面最小的晶面為表面，當(dāng)然也可能是表面 能略高但能明顯減小表面積的晶面為表面。例如能略高但能明顯減小表面積的晶面為表面。例如fccfcc結(jié)構(gòu)的晶結(jié)構(gòu)的晶 體自由生長(zhǎng)就為體自由生長(zhǎng)就為1414面體。面體。 5.5.粗糙表面與平滑表面：粗糙表面與平滑表面：晶體的表面在宏觀為一能量較低的平晶體的表面在宏觀為一能量較低的平 面，但表面原子的缺陷，局部表面原

41、子的缺少或部分表面有多面，但表面原子的缺陷，局部表面原子的缺少或部分表面有多 余原子，以表面存在的陣點(diǎn)數(shù)與實(shí)有原子數(shù)的比余原子，以表面存在的陣點(diǎn)數(shù)與實(shí)有原子數(shù)的比x x來(lái)表示，這來(lái)表示，這 些缺陷的存在可提高表面的熵，是必然存在的。每種材料有特些缺陷的存在可提高表面的熵，是必然存在的。每種材料有特 定的定的x x值下表面能最低，其中值下表面能最低，其中x=0.5x=0.5的表面穩(wěn)定的稱為粗糙表面的表面穩(wěn)定的稱為粗糙表面 ，大多數(shù)的金屬材料是屬于粗糙表面；，大多數(shù)的金屬材料是屬于粗糙表面；x x值僅在值僅在0 0或或1 1附近穩(wěn)定附近穩(wěn)定 的稱為平滑表面，大多是非金屬材料。的稱為平滑表面，大多是

42、非金屬材料。 第39頁(yè)/共49頁(yè) 第五節(jié)第五節(jié) 晶體中的界面晶體中的界面 2.2.晶界的結(jié)構(gòu)：晶界的結(jié)構(gòu)：根據(jù)晶界兩側(cè)晶粒的位向差不同，晶界的結(jié)構(gòu)大致可分為三類。根據(jù)晶界兩側(cè)晶粒的位向差不同，晶界的結(jié)構(gòu)大致可分為三類。 1.1.晶界：晶界：晶界就是空間取向晶界就是空間取向( (或位向或位向) )不同的相鄰晶粒之間的分界面。不同的相鄰晶粒之間的分界面。 1 1）小角度晶界）小角度晶界 晶界兩側(cè)晶界兩側(cè) 的晶粒位向差很小?？煽吹木ЯＮ幌虿詈苄??？煽?成是一系列刃位錯(cuò)排列成成是一系列刃位錯(cuò)排列成 墻，晶界中位錯(cuò)排列愈密墻，晶界中位錯(cuò)排列愈密 ，則位向差愈大。，則位向差愈大。 第40頁(yè)/共49頁(yè) 第五

43、節(jié)第五節(jié) 晶體中的界面晶體中的界面 2 2）大角度晶界）大角度晶界 晶界兩側(cè)晶界兩側(cè) 的晶粒位向差較大，不能用的晶粒位向差較大，不能用 位錯(cuò)模型。關(guān)于大角度晶界位錯(cuò)模型。關(guān)于大角度晶界 的結(jié)構(gòu)說(shuō)法不一，晶界可視的結(jié)構(gòu)說(shuō)法不一，晶界可視 為為2 23(5)3(5)個(gè)原子的過(guò)渡層個(gè)原子的過(guò)渡層 ，這部分的原子排列盡管有，這部分的原子排列盡管有 其規(guī)律，但排列復(fù)雜，暫以其規(guī)律，但排列復(fù)雜，暫以 相對(duì)無(wú)序來(lái)理解。相對(duì)無(wú)序來(lái)理解。 第41頁(yè)/共49頁(yè) 第五節(jié)第五節(jié) 晶體中的界面晶體中的界面 3.3.界面能：界面能：晶界面上的原子相對(duì)正常晶體內(nèi)部的原子而言，均處于較高的能量狀態(tài)，因此，晶界也存在界面能。晶

44、界面上的原子相對(duì)正常晶體內(nèi)部的原子而言，均處于較高的能量狀態(tài)，因此，晶界也存在界面能。 界面能與結(jié)構(gòu)的關(guān)系界面能與結(jié)構(gòu)的關(guān)系： 第42頁(yè)/共49頁(yè) 第五節(jié)第五節(jié) 晶體中的界面晶體中的界面 4.4.晶界與雜質(zhì)原子的相互作用：晶界與雜質(zhì)原子的相互作用：在材料的研究中，發(fā)現(xiàn)少量雜質(zhì)或合金元素在晶體內(nèi)部的分布也是不均勻的，它們常偏聚于晶界，稱這種現(xiàn)象為晶界內(nèi)吸附。在材料的研究中，發(fā)現(xiàn)少量雜質(zhì)或合金元素在晶體內(nèi)部的分布也是不均勻的，它們常偏聚于晶界，稱這種現(xiàn)象為晶界內(nèi)吸附。 產(chǎn)生的原因可參見(jiàn)位錯(cuò)與點(diǎn)缺陷的作用，一般雜質(zhì)原子與晶體的尺寸或性質(zhì)差別愈大，這種偏聚愈嚴(yán)重。產(chǎn)生的原因可參見(jiàn)位錯(cuò)與點(diǎn)缺陷的作用，一

45、般雜質(zhì)原子與晶體的尺寸或性質(zhì)差別愈大，這種偏聚愈嚴(yán)重。 雜質(zhì)原子在晶界的偏聚對(duì)晶體的某些性能產(chǎn)生重要的影響，具體的影響到學(xué)習(xí)材料性能時(shí)要使用，這里先介紹內(nèi)吸附的概念。雜質(zhì)原子在晶界的偏聚對(duì)晶體的某些性能產(chǎn)生重要的影響，具體的影響到學(xué)習(xí)材料性能時(shí)要使用，這里先介紹內(nèi)吸附的概念。 第43頁(yè)/共49頁(yè) 第五節(jié)第五節(jié) 晶體中的界面晶體中的界面 2)2)相界面：相界面：兩種不同相的分界面。液體的表面是液相和氣相的兩種不同相的分界面。液體的表面是液相和氣相的 分界面；晶體的表面是晶體和氣相分界面；晶體的表面是晶體和氣相(或液相或液相)的分界面；兩個(gè)不的分界面；兩個(gè)不 同的固相之間的分界面也是相界面，在我們的課程中主要是指同的固相之間的分界面也是相界面，在我們的課程中主要是指 后者。后者。 1)1)相：相：在物理化學(xué)中已有了明確的解釋。它是指成分相同、在物理化學(xué)中已有了明確的解釋。它是指成分相同、(