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1、材料科學(xué)基礎(chǔ)-第三章 晶體缺陷一.點(diǎn)缺陷二.位錯(cuò)三.表面及界面 楊祥鶴 夏涵羿 龍廣東在實(shí)際晶體中，由于原子（或離子、分子）的熱運(yùn)動(dòng)，以及其他因素的影響，實(shí)際晶體中原子不可能規(guī)則、完整地排列，常存在各種偏離理想結(jié)構(gòu)的情況，這就是晶體缺陷。根據(jù)晶體缺陷的幾何特征，可具體分為三類：1、點(diǎn)缺陷 2、線缺陷 3、面缺陷三維空間的各個(gè)方向尺寸很小，又稱零維缺陷，包括空位、間隙原子、雜質(zhì)或溶質(zhì)原子等在兩個(gè)方向上尺寸很小，另一個(gè)方向延伸較長(zhǎng)，也稱一維缺陷，如各種位錯(cuò)。在一個(gè)方向上尺寸很小，另外兩個(gè)方向上擴(kuò)展較大，也稱二維缺陷。晶界，相界，孿晶界和堆垛層等都屬于面缺陷。 一 點(diǎn)缺陷原子的三個(gè)去處：一、晶體中原

2、子或離子由正常點(diǎn)陣位置轉(zhuǎn)移到晶體表面或晶體中內(nèi)界面上所產(chǎn)生的點(diǎn)陣空位，稱為肖特基空位。二、晶體結(jié)構(gòu)中由于原先占據(jù)一個(gè)格點(diǎn)的 原子（或 離子）離開(kāi)格點(diǎn)位置，成為 間隙原子（或離子），并在其原先占據(jù)的格點(diǎn)處留下一個(gè)空位，這樣的 空位-間隙對(duì)就稱為 弗侖克爾缺陷。三、晶體中原子跑到其它空位中，使空位消失或空位移位。點(diǎn)缺陷的形成：當(dāng)某一原子具有足夠大的振動(dòng)能而使振幅增大到一定限度時(shí)，就可以克服周圍原子對(duì)它的制約作用，跳離其原來(lái)的位置，使點(diǎn)陣中形成空結(jié)點(diǎn)，稱為空位。肖特基缺陷肖特基缺陷弗倫特爾缺陷弗倫特爾缺陷兩種缺陷的差異兩種缺陷的差異點(diǎn)缺陷的平衡濃度 由于點(diǎn)缺陷的存在，一方面造成點(diǎn)陣畸變，使晶體內(nèi)能升

3、高，降低了晶體的熱力學(xué)穩(wěn)定性；另一方面，原子排列的混亂程度增加，并且改變了其周圍原子的振動(dòng)頻率，引起組態(tài)熵和振動(dòng)熵的改變，使晶體熵值增大，增加了晶體的熱力學(xué)穩(wěn)定性。這也就使得點(diǎn)缺陷在一定溫度下有一定的平衡濃度。 二 位錯(cuò) 晶體的線缺陷表現(xiàn)為各種類型的位錯(cuò)。位錯(cuò)理論不僅成為研究晶體力學(xué)性能的基礎(chǔ)理論，而且還廣泛地被用來(lái)研究固態(tài)相變，晶體的光、電、聲、磁和熱學(xué)性，以及催化和表面性質(zhì)等。一、刃型位錯(cuò)一、刃型位錯(cuò)（1）刃型位錯(cuò)有額外的半個(gè)原子面。（2）刃型位錯(cuò)線可理解為晶體中已滑移區(qū)與未滑移區(qū)的邊界線。（3）滑移面必定是同時(shí)包含有位錯(cuò)線和滑移矢量的平面。位錯(cuò)的基本類型和特征二、螺型位錯(cuò)（1）螺型位錯(cuò)原

4、子排列呈軸對(duì)稱。（2）位錯(cuò)線與柏氏矢量平行，且為直線。（3）螺型位錯(cuò)線的運(yùn)動(dòng)方向與柏氏矢量相垂直。位錯(cuò)的基本類型和特征三、混合位錯(cuò)在晶體位錯(cuò)線中，既不垂直也不平行于柏氏矢量b的位錯(cuò)線稱為混合位錯(cuò)。位錯(cuò)的基本類型和特征柏氏矢量為了便于描述晶體中的位錯(cuò)，以及更確切的表征不同類型位錯(cuò)的特征，1939年，伯格斯提出了采用柏氏回路來(lái)定義位錯(cuò)，借助一個(gè)規(guī)定的矢量即柏氏矢量可揭示位錯(cuò)的本質(zhì)。柏氏矢量是描述位錯(cuò)性質(zhì)的一個(gè)重要物理量，用b 表示。柏氏矢量的確定（方法與步驟） 人為假定位錯(cuò)線方向，一般是從紙背向紙面或由上向下為位錯(cuò)線正向。 用右手螺旋法則來(lái)確定柏格斯回路的旋轉(zhuǎn)方向，使位錯(cuò)線的正向與右螺旋的正向一致

5、。 將含有位錯(cuò)的實(shí)際晶體和理想的完整晶體相比較。 在實(shí)際晶體中作一柏氏回路，在完整晶體中按其相同的路線和步伐作回路，自路線終點(diǎn)向起點(diǎn)的矢量，即“柏氏矢量”。下圖為刃型位錯(cuò)的柏氏回路和柏氏矢量下圖為螺型位錯(cuò)的柏氏回路和柏氏矢量柏氏矢量的表示方法(1)柏氏矢量對(duì)于柏氏矢量b 沿晶向uvw的位錯(cuò)： (2)柏氏矢量的模柏氏矢量的模的計(jì)算就是矢量模的計(jì)算，同第二章中介紹的晶向長(zhǎng)度計(jì)算。對(duì)于立方晶系： 柏氏矢量的守恒性一條不分岔的位錯(cuò)線只有一個(gè)柏氏矢量；如果數(shù)條位錯(cuò)線交于一節(jié)點(diǎn)，則流入節(jié)點(diǎn)的各位錯(cuò)線的柏氏矢量和等于流出節(jié)點(diǎn)的各位錯(cuò)線柏氏矢量之和。即： bi0 (3-311)位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)位錯(cuò)最重要的性質(zhì)之一是

6、它可以在晶體中運(yùn)動(dòng)，而晶體宏觀的塑性變形是通過(guò)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。晶體的力學(xué)性能如強(qiáng)度、塑性和斷裂等均與位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)有關(guān)。位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)方式有兩種最基本的形式，即滑移和攀移。位錯(cuò)的滑移在剪應(yīng)力作用下，原子發(fā)生位錯(cuò)是在包含其伯格斯矢量的平面上運(yùn)動(dòng)，稱為位錯(cuò)滑移。其運(yùn)動(dòng)方式類似蠕蟲(chóng)爬行，是沿著滑移面逐步傳播、移動(dòng)的。位錯(cuò)滑移是指在外力作用下，位錯(cuò)線在期滑移面（即位錯(cuò)線與伯氏矢量b構(gòu)成的晶面）上的運(yùn)動(dòng)，結(jié)果導(dǎo)致晶體永久變形。刃型位錯(cuò)刃型位錯(cuò)的滑移的滑移螺型位錯(cuò)的滑移螺型位錯(cuò)的滑移位錯(cuò)的攀移刃型位錯(cuò)垂直于滑移面方向的運(yùn)動(dòng)。通常把多余原子面向上運(yùn)動(dòng)稱為正攀移，向下運(yùn)動(dòng)稱為負(fù)攀移。螺型位錯(cuò)不止一個(gè)滑移面，它只能以

7、滑移的方式運(yùn)動(dòng)，它是沒(méi)有攀移運(yùn)動(dòng)的。刃型位錯(cuò)的攀移運(yùn)動(dòng)位錯(cuò)的交割當(dāng)一位錯(cuò)在某一滑移面上滑動(dòng)時(shí)，會(huì)與穿過(guò)滑移面的其它位錯(cuò)交割。位錯(cuò)的交割對(duì)材料強(qiáng)化有重要影響。 a、割階和扭折 b. 幾種典型的位錯(cuò)交割運(yùn)動(dòng)位錯(cuò)的交割a、割階和扭折 當(dāng)位錯(cuò)在滑移面上運(yùn)動(dòng)時(shí)，可能在某處遇到障礙，這樣，有可能其中一部分線段首先進(jìn)行滑移，若由此造成的曲折線段就在位錯(cuò)的滑移面時(shí)，稱為“扭折扭折”。若該曲折線段垂直于位錯(cuò)的滑移面時(shí)，稱為“割階割階”。當(dāng)然，扭折和割階也可由位錯(cuò)之間交割而形成。運(yùn)動(dòng)位錯(cuò)的交割 b. 幾種典型的位錯(cuò)交割（1）. 兩個(gè)柏氏矢量互相垂直的刃型位錯(cuò)交割（2）. 兩個(gè)柏氏矢量互相平行的刃型位錯(cuò)交割（3）兩

8、個(gè)柏氏矢量相垂直的刃型位錯(cuò)和螺型位錯(cuò)交割。（4）兩個(gè)柏氏矢量相垂直的兩螺型位錯(cuò)交割。位錯(cuò)的彈性性質(zhì)位錯(cuò)的應(yīng)力場(chǎng)單元體上的應(yīng)力分量位錯(cuò)的應(yīng)力場(chǎng)螺型位錯(cuò)的應(yīng)力場(chǎng)螺型位錯(cuò)的應(yīng)力場(chǎng)位錯(cuò)的應(yīng)力場(chǎng)刃型位錯(cuò)的應(yīng)力場(chǎng)刃型位錯(cuò)的應(yīng)力場(chǎng)位錯(cuò)的應(yīng)力場(chǎng) 刃型位錯(cuò)的應(yīng)力場(chǎng)具有的特點(diǎn)位錯(cuò)的應(yīng)變能 據(jù)胡克定律，彈性體內(nèi)應(yīng)力與應(yīng)變成正比 而單位體積儲(chǔ)存的彈性能等于應(yīng)力應(yīng)變曲線上陰影區(qū)域的面積位錯(cuò)的線張力線張力是位錯(cuò)的一種彈性性質(zhì).當(dāng)位錯(cuò)受力發(fā)生彎曲時(shí),線張力線張力使位錯(cuò)線盡量拉直.因?yàn)槲诲e(cuò)的能量與其長(zhǎng)度成正比,位錯(cuò)彎曲使位錯(cuò)線增長(zhǎng),其能量也增高,因此位錯(cuò)線張力有盡量縮短位錯(cuò)長(zhǎng)度使位錯(cuò)變直的趨勢(shì)。位錯(cuò)的增殖位錯(cuò)的密度為了簡(jiǎn)便起

9、見(jiàn)把位錯(cuò)看作直線，且從晶體的一端平行地延伸至另一端。則有：?jiǎn)挝惑w積中位錯(cuò)線的總長(zhǎng)度單位面積穿過(guò)的位錯(cuò)線數(shù)目位錯(cuò)的增殖弗蘭克-里德源動(dòng)作：位錯(cuò)的增殖雙交滑移機(jī)制實(shí)際晶體中的位錯(cuò)實(shí)際晶體中位錯(cuò)的柏氏矢量實(shí)際柏氏矢量的表示方法堆垛層錯(cuò)不全位錯(cuò) 若堆垛層錯(cuò)不是發(fā)生在晶體的整個(gè)原子面上而只是部分區(qū)域存在，那么，在層錯(cuò)與完整晶體的交界處就存在柏氏矢量b不等于點(diǎn)陣矢量的不全位錯(cuò)。在面心立方晶體中，有兩種重要的不全位錯(cuò)：肖克萊（Shockley）不全位錯(cuò)和弗蘭克（Frank）不全位錯(cuò)。肖克萊不全位錯(cuò)： 圖中左邊晶體按BCABC正常順序堆垛，而右邊晶體是按ABCBCAB順序堆垛，即有層錯(cuò)存在，層錯(cuò)與完整晶體的邊

10、界就是肖克萊位錯(cuò)，系刃型不全位錯(cuò)。弗蘭克不全位錯(cuò) 圖為抽去半層密排面形成的弗蘭克不全位錯(cuò)。與抽出型層錯(cuò)聯(lián)系的不全位錯(cuò)通常稱負(fù)弗蘭克不全位錯(cuò)，而與插人型層錯(cuò)相聯(lián)系的不全位錯(cuò)稱為正弗蘭克不全位錯(cuò)。它們的柏氏矢量都屬于 。弗蘭克位錯(cuò)屬純?nèi)行臀诲e(cuò)。位錯(cuò)反應(yīng)位錯(cuò)反應(yīng)位錯(cuò)反應(yīng)的兩的兩個(gè)個(gè)條件條件幾何條件： ，即反應(yīng)前后位錯(cuò)在三維方向的 矢量之和必須相等。 能量條件： ，即位錯(cuò)反應(yīng)后應(yīng)變能必須降 低， 這是反應(yīng)進(jìn)行的驅(qū)動(dòng)力。表面及界面界面包括外表面和內(nèi)界面。表面是指固體表層一個(gè)或數(shù)個(gè)原子層的區(qū)域。由于表面粒子（分子或原子）沒(méi)有鄰居粒子，使其物理性和化學(xué)性與固體內(nèi)部明顯不同。內(nèi)界面可分為晶粒邊界和晶內(nèi)的亞晶界

11、、孿晶界、錯(cuò)層及相界面等。界面通常包含幾個(gè)原子層厚的區(qū)域，該區(qū)域的原子排列甚至化學(xué)成分往往不同于晶體內(nèi)部，又因它系二維分布，也稱為晶體的面缺陷。晶界和亞晶界多數(shù)晶體物質(zhì)由許多晶粒組成，屬于同一固相但位向不同的晶粒之間的界面稱為晶界，這是一種內(nèi)晶界。每個(gè)晶粒有時(shí)又由若干個(gè)位向稍有差異的亞晶粒所組成，相鄰亞晶粒間的界面稱為亞晶界。如下圖所示晶界結(jié)構(gòu)小角度晶界的結(jié)構(gòu) 相鄰亞晶粒之間的位相差小于10，這種亞晶粒間的晶界稱為小角度晶界，一般小于2，可分為傾斜晶界、扭轉(zhuǎn)晶界、重合晶界等。對(duì)稱傾斜晶界不對(duì)稱傾斜晶界扭轉(zhuǎn)晶界大角度晶界的結(jié)構(gòu)晶界的特性界面能越高，則晶界越不穩(wěn)定。高的界面能就具有向低的界面能轉(zhuǎn)化的趨勢(shì)，這就致了晶界的運(yùn)動(dòng)。晶粒長(zhǎng)大和晶界的平直化都可減少晶界的總面積，從而降低晶界的總能量。大角度晶界的界面能遠(yuǎn)髙于小角度晶界的