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1、材料科學(xué)基礎(chǔ)-第三章 晶體缺陷一.點缺陷二.位錯三.表面及界面 楊祥鶴 夏涵羿 龍廣東在實際晶體中，由于原子（或離子、分子）的熱運動，以及其他因素的影響，實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、點缺陷 2、線缺陷 3、面缺陷三維空間的各個方向尺寸很小，又稱零維缺陷，包括空位、間隙原子、雜質(zhì)或溶質(zhì)原子等在兩個方向上尺寸很小，另一個方向延伸較長，也稱一維缺陷，如各種位錯。在一個方向上尺寸很小，另外兩個方向上擴展較大，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 點缺陷原子的三個去處：一、晶體中原

2、子或離子由正常點陣位置轉(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)一個格點的 原子（或 離子）離開格點位置，成為 間隙原子（或離子），并在其原先占據(jù)的格點處留下一個空位，這樣的 空位-間隙對就稱為 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。點缺陷的形成：當(dāng)某一原子具有足夠大的振動能而使振幅增大到一定限度時，就可以克服周圍原子對它的制約作用，跳離其原來的位置，使點陣中形成空結(jié)點，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缺陷的平衡濃度 由于點缺陷的存在，一方面造成點陣畸變，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頻率，引起組態(tài)熵和振動熵的改變，使晶體熵值增大，增加了晶體的熱力學(xué)穩(wěn)定性。這也就使得點缺陷在一定溫度下有一定的平衡濃度。 二 位錯 晶體的線缺陷表現(xiàn)為各種類型的位錯。位錯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、刃型位錯一、刃型位錯（1）刃型位錯有額外的半個原子面。（2）刃型位錯線可理解為晶體中已滑移區(qū)與未滑移區(qū)的邊界線。（3）滑移面必定是同時包含有位錯線和滑移矢量的平面。位錯的基本類型和特征二、螺型位錯（1）螺型位錯原

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

5、。 將含有位錯的實際晶體和理想的完整晶體相比較。 在實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，自路線終點向起點的矢量，即“柏氏矢量”。下圖為刃型位錯的柏氏回路和柏氏矢量下圖為螺型位錯的柏氏回路和柏氏矢量柏氏矢量的表示方法(1)柏氏矢量對于柏氏矢量b 沿晶向uvw的位錯： (2)柏氏矢量的模柏氏矢量的模的計算就是矢量模的計算，同第二章中介紹的晶向長度計算。對于立方晶系： 柏氏矢量的守恒性一條不分岔的位錯線只有一個柏氏矢量；如果數(shù)條位錯線交于一節(jié)點，則流入節(jié)點的各位錯線的柏氏矢量和等于流出節(jié)點的各位錯線柏氏矢量之和。即： bi0 (3-311)位錯的運動位錯最重要的性質(zhì)之一是

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

7、滑移的方式運動，它是沒有攀移運動的。刃型位錯的攀移運動位錯的交割當(dāng)一位錯在某一滑移面上滑動時，會與穿過滑移面的其它位錯交割。位錯的交割對材料強化有重要影響。 a、割階和扭折 b. 幾種典型的位錯交割運動位錯的交割a、割階和扭折 當(dāng)位錯在滑移面上運動時，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的滑移面時，稱為“扭折扭折”。若該曲折線段垂直于位錯的滑移面時，稱為“割階割階”。當(dāng)然，扭折和割階也可由位錯之間交割而形成。運動位錯的交割 b. 幾種典型的位錯交割（1）. 兩個柏氏矢量互相垂直的刃型位錯交割（2）. 兩個柏氏矢量互相平行的刃型位錯交割（3）兩

8、個柏氏矢量相垂直的刃型位錯和螺型位錯交割。（4）兩個柏氏矢量相垂直的兩螺型位錯交割。位錯的彈性性質(zhì)位錯的應(yīng)力場單元體上的應(yīng)力分量位錯的應(yīng)力場螺型位錯的應(yīng)力場螺型位錯的應(yīng)力場位錯的應(yīng)力場刃型位錯的應(yīng)力場刃型位錯的應(yīng)力場位錯的應(yīng)力場 刃型位錯的應(yīng)力場具有的特點位錯的應(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)域的面積位錯的線張力線張力是位錯的一種彈性性質(zhì).當(dāng)位錯受力發(fā)生彎曲時,線張力線張力使位錯線盡量拉直.因為位錯的能量與其長度成正比,位錯彎曲使位錯線增長,其能量也增高,因此位錯線張力有盡量縮短位錯長度使位錯變直的趨勢。位錯的增殖位錯的密度為了簡便起

9、見把位錯看作直線，且從晶體的一端平行地延伸至另一端。則有：單位體積中位錯線的總長度單位面積穿過的位錯線數(shù)目位錯的增殖弗蘭克-里德源動作：位錯的增殖雙交滑移機制實際晶體中的位錯實際晶體中位錯的柏氏矢量實際柏氏矢量的表示方法堆垛層錯不全位錯 若堆垛層錯不是發(fā)生在晶體的整個原子面上而只是部分區(qū)域存在，那么，在層錯與完整晶體的交界處就存在柏氏矢量b不等于點陣矢量的不全位錯。在面心立方晶體中，有兩種重要的不全位錯：肖克萊（Shockley）不全位錯和弗蘭克（Frank）不全位錯。肖克萊不全位錯： 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，即有層錯存在，層錯與完整晶體的邊

10、界就是肖克萊位錯，系刃型不全位錯。弗蘭克不全位錯 圖為抽去半層密排面形成的弗蘭克不全位錯。與抽出型層錯聯(lián)系的不全位錯通常稱負(fù)弗蘭克不全位錯，而與插人型層錯相聯(lián)系的不全位錯稱為正弗蘭克不全位錯。它們的柏氏矢量都屬于 。弗蘭克位錯屬純?nèi)行臀诲e。位錯反應(yīng)位錯反應(yīng)位錯反應(yīng)的兩的兩個個條件條件幾何條件： ，即反應(yīng)前后位錯在三維方向的 矢量之和必須相等。 能量條件： ，即位錯反應(yīng)后應(yīng)變能必須降 低， 這是反應(yīng)進(jìn)行的驅(qū)動力。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或數(shù)個原子層的區(qū)域。由于表面粒子（分子或原子）沒有鄰居粒子，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、錯層及相界面等。界面通常包含幾個原子層厚的區(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。每個晶粒有時又由若干個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。對稱傾斜晶界不對稱傾斜晶界扭轉(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，這就致了晶界的運動。晶粒長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