材料科學概論-雷源源課件第2節(jié)晶體缺陷

線缺陷面缺陷點缺陷在實際晶體中，由于原子（或離子、分子）的熱運動，以及晶體的形成條件，冷熱加工過程和其他輻射、雜質等因素的影響，實際晶體中原子的排列不可能那樣規(guī)則、完整，常存在各種偏離理想結構的情況，即晶體缺陷。晶體缺陷對晶體的性能，特別是對那些結構敏感的性能，如屈服強度、斷裂強度、塑性、電阻率、磁導率等都有很大影響。另外，晶體缺陷還與擴散、相變、塑性變形、再結晶、氧化、燒結等都有密切關系。根據(jù)晶體缺陷的幾何特征，可將它們分為三類：第二節(jié)晶體缺陷點缺陷點缺陷是最簡單的晶體缺陷，它是在結點上或鄰近的微觀區(qū)域內偏離晶體結構正常排列的一種缺陷。晶體點缺陷包括：空位置換原子雜質間隙原子材料科學基礎第二章點缺陷引起晶格畸變,能量升高，結構不穩(wěn)定，易發(fā)生轉變。點缺陷的存在會引起性能的變化：(1)物理性質、如R、V、ρ等；(2)力學性能：采用高溫急冷(如淬火,大量的冷變形）,高能粒子輻照等方法可獲得過飽和點缺陷，如使σS提高；(3)影響固態(tài)相變,化學熱處理等。點缺陷對結構和性能的影響材料科學基礎第二章位錯位錯的起源：位錯的概念最早是在研究晶體滑移過程時提出來的。剛性相對滑動模型：

τm=G/30

純鐵：G≈100GPa

純鐵的理論臨界切應力：約3000MPa

純鐵的實際屈服強度：10MPa

1934年

Taylor、Orowan、Polanyi提出位錯模型，滑移是通過稱為位錯的運動而進行的1950年代位錯模型為試驗所驗證現(xiàn)在，位錯是晶體的性能研究中最重要的概念。材料科學基礎第二章位錯的間接觀測：若材料中的位錯線與材料表面相交（俗稱位錯“露頭”），則交點處附近由于位錯應力場的存在，其化學穩(wěn)定性將低于表面的其它部分。若用酸性腐蝕劑（如氫氟酸和硝酸的混合溶液）對這樣的表面進行腐蝕，則位錯“露頭”處的腐蝕速度將遠高于其它部分，可形成一個“腐蝕坑”。再利用一些表面顯微觀察技術（如掃描電子顯微鏡、干涉顯微鏡等等）便可以觀察到位錯的“露頭”位置。圖6中展示了在干涉顯微鏡下，經上述方法制備得到硅片表面位錯腐蝕坑的形態(tài)，根據(jù)腐蝕坑邊緣的形狀可以確定硅片的晶體學取向——橢圓形代表硅片表面為(100)晶面，三角形代表硅片表面為(111)晶面。位錯的直接觀測：利用透射電子顯微鏡（TransmissionElectronMicroscope，簡稱TEM）可直接觀察到材料微結構中的位錯。TEM觀察的第一步是將金屬樣品加工成電子束可以穿過的薄膜。在沒有位錯存在的區(qū)域，電子通過等間距規(guī)則排列的各晶面時將可能發(fā)生衍射，其衍射角、晶面間距及電子波長之間滿足布拉格定律（Bragg'slaw）。而在位錯存在的區(qū)域附近，晶格發(fā)生了畸變，因此衍射強度亦將隨之變化，于是位錯附近區(qū)域所成的像便會與周圍區(qū)域形成襯度反差，這就是用TEM觀察位錯的基本原理，因上述原因造成的襯度差稱為衍射襯度。在圖7和圖8中，中間稍亮區(qū)域（晶粒）里的暗線就是所觀察到位錯的像。由于多晶材料中不同晶粒的晶體學取向不同，因此晶粒之間亦存在襯度差別，這就是圖7和圖8中中間區(qū)域較周圍區(qū)域更亮的原因。值得注意的是，圖中位錯像所具有的“蜿蜒”的形態(tài)，這是位錯線在厚度方向穿過試樣（薄膜）的位錯在TEM下的典型形態(tài)；還需注意的是圖中位錯像的終結處實際上是因為位錯線到達了試樣表面，而非終結在了試樣內部。所有位錯都只能以位錯環(huán)的形式終結于晶粒的內部。2.3.1位錯的基本類型和特征1、刃型位錯刃型位錯形成過程原子排列具體模型多余的半原子面與滑移面的交線就稱為刃型位錯線刃型位錯線也可理解為晶體中已滑移區(qū)與未滑移區(qū)的邊界線刃型位錯的特征2、螺型位錯3、混合位錯除了上面介紹的兩種基本型位錯外，還有一種形式更為普遍的位錯，其滑移矢量既不平行也不垂直于位錯線，而是與位錯線相交成任意角度，這種位錯稱為混合位錯。插入混合位錯的形成過程動畫2.3.3位錯的運動位錯的運動方式有兩種最基本形式:位錯最重要的性質之一是它可在晶體中運動，而晶體宏觀的塑性變形是通過位錯運動來實現(xiàn)的。晶體的力學性能如強度、塑性和斷裂等均與位錯的運動有關。滑移攀移2.3.5位錯的生成和增殖

1.位錯的密度表達式：ρ=l/v

或ρ=n/A

單位:1/㎡2.位錯的生成晶體中位錯來源：(1)晶體生長過程中產生。(2)晶體中過飽和空位的聚集。(3)應力集中，產生局部區(qū)域滑移產生位錯3.位錯的增殖：為使F—R源動作，外應力需克服位錯線彎曲時線張力所引起的阻力，計算可知其臨界切應力為：4.位錯的塞積晶體塑性變形時往往發(fā)生這樣的情況，即在一個滑移面上有許多位錯被迫堆積在某種障礙物前，形成位錯群的塞積。這些位錯來自于同一位錯源，所以具有相同的柏氏矢量。從理論上分析位錯塞積群的分布，發(fā)現(xiàn)塞積群在垂直于位錯線方向的長度，對于刃型位錯為Nμb/πτ(1-υ),對于螺型位錯為Nμb/πτ，其中N為塞積群的位錯總數(shù)，τ為外加切應力（實際上應為減掉晶格阻力之后的有效切應力）?？梢娙e群的長度正比于N，反比于τ。位錯塞積群的一個重要效應是在它的前端引起應力集中。當有n個位錯被外加切應力τ推向障礙物時，在塞積群的前端將產生n倍于外力的應力集中。2.4材料中面缺陷

嚴格來說，界面包括外表面（自由表面）和內界面。表面是指固體材料與氣體或液體的分界面，它與摩擦、磨損、氧化、腐蝕、偏析、催化、吸附現(xiàn)象，以及光學、微電子學等均密切相關；而內界面可分為晶粒邊界和晶內的亞晶界、孿晶界、層錯及相界面等。

界面通常包含幾個原子層厚的區(qū)域，該區(qū)域內的原子排列甚至化學成分往往不同于晶體內部，又因它系二維結構分布，故也稱為晶體的面缺陷。界面的存在對晶體的力學、物理和化學等性能產生重要的影響。

2.4.1外表面

在晶體表面上，原子排列情況與晶內不同,表面原子會偏離其正常的平衡位置，并影響到鄰近的幾層原子，造成表層的點陣畸變，使它們的能量比內部原子高，這幾層高能量的原子層稱為表面。晶體表面單位面積自由能的增加稱為表面能（J/m2）。表面能也可理解為產生單位面積新表面所作的功：

式中dW為產生dS表面所作的功。表面能也可以單位長度上的表面張力(N/m)表示。

表面能與晶體表面原子排列致密程度有關，原子密排的表面具有最小的表面能。所以自由晶體暴露在外的表面通常是低表面能的原子密排晶面。2.4.2晶界和亞晶界

晶界亞晶界確定晶界位置用：(1)兩晶粒的位向差θ(2)晶界相對于一個點陣某一平面的夾角φ。

按θ的大小分類：小角度晶界θ<10o

大角度晶界θ>10o4.晶界特征

（1）晶界處點畸變大，存在晶界能。（2）常溫下晶界的存在會對位錯的運動起阻礙運動，使塑型變形抗力提高，使晶體（材料）的硬度和強度提高。（3）晶界處原子具有較高的動能，且晶界處存在大量缺