工學(xué)晶體缺陷

工學(xué)晶體缺陷第1頁/共77頁2晶體缺陷：實(shí)際晶體中與理想的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)發(fā)生偏差的區(qū)域；不影響晶體結(jié)構(gòu)的基本特性，少數(shù)原子排列特征發(fā)生改變，周期性勢(shì)場(chǎng)畸變。點(diǎn)缺陷：0維，空位、間隙原子異類原子線缺陷：一維，位錯(cuò)面缺陷：二維，晶界、相界、表面第2頁/共77頁34.1點(diǎn)缺陷1.大的置換原子；2.Schottky空位；3.異類間隙原子；4.復(fù)合空位；5.Frenkel空位；6.小的置換原子一、類型

空位、間隙質(zhì)點(diǎn)、雜質(zhì)質(zhì)點(diǎn)第3頁/共77頁41.Schottky空位：原子移至表界面或者進(jìn)入其他空位（離子晶體要保持電荷平衡）

第4頁/共77頁52.間隙原子：原子擠入結(jié)點(diǎn)的間隙。3.Frenkel缺陷：間隙原子與相應(yīng)的空位統(tǒng)稱。第5頁/共77頁64.雜質(zhì)缺陷：亦稱為組成缺陷，是由外加雜質(zhì)的引入所產(chǎn)生的缺陷。形成間隙和置換（取決于大?。┏叽纭㈦娯?fù)性差異引起點(diǎn)陣畸變，內(nèi)能升高

第6頁/共77頁75.離子晶體缺陷第7頁/共77頁8熱振動(dòng)的原子，一定溫度下原子熱振動(dòng)能量一定，呈統(tǒng)計(jì)分布，在瞬間一些能量大的原子克服周圍原子對(duì)它的束縛，遷移至別處，形成空位。空位形成能（ΔEV）為形成一個(gè)空位所需能量?？瘴恍纬梢瘘c(diǎn)陣畸變，亦會(huì)割斷鍵力，故空位形成需能量。熱力學(xué)穩(wěn)定：在一定溫度下，晶體中有一定平衡數(shù)量的空位和間隙原子，其數(shù)量可近似算出。C與T呈指數(shù)關(guān)系，溫度升高，空位濃度增大空位形成能ΔEV大，空位濃度小二、空位形成熱力學(xué)第8頁/共77頁9平衡點(diǎn)缺陷:原子熱振動(dòng)平均動(dòng)能E=3/2KT,當(dāng)能量大于激活能，則原子脫離原位置，形成缺陷。某溫度下能量存在最小值，即缺陷平衡值。點(diǎn)缺陷引起點(diǎn)陣畸變，體系內(nèi)能增大點(diǎn)缺陷使混亂度增大，熵增大，系統(tǒng)能量下降（振動(dòng)熵和排列熵）二者的綜合效應(yīng)。第9頁/共77頁10過飽和點(diǎn)缺陷：缺陷數(shù)目遠(yuǎn)大于平衡值。淬火空位(不能運(yùn)動(dòng)至界面)輻照（高能粒子使原子離位，部分回歸）冷加工第10頁/共77頁11三、點(diǎn)缺陷在外力作用下的運(yùn)動(dòng)點(diǎn)缺陷的產(chǎn)生與復(fù)合始終處于動(dòng)態(tài)平衡，缺陷的相互作用與運(yùn)動(dòng)是材料動(dòng)力學(xué)過程的物理基礎(chǔ)。無外場(chǎng)作用時(shí)，缺陷的遷移運(yùn)動(dòng)完全無序。在外場(chǎng)（可以是力場(chǎng)、電場(chǎng)、濃度場(chǎng)等）作用下，缺陷可以定向遷移。傳輸過程（離子導(dǎo)電、傳質(zhì)等）高溫動(dòng)力學(xué)過程（擴(kuò)散、燒結(jié)、表面化學(xué)處理，均勻化，退火正火，時(shí)效硬化，表面氧化與燒結(jié)）第11頁/共77頁12力學(xué)性能：形成空位片與位錯(cuò)等作用，提高強(qiáng)度，脆性增大。物理性能：電子傳導(dǎo)時(shí)散射增多，電阻增大。密度減小，體積增大。四、點(diǎn)缺陷與材料性能第12頁/共77頁134.2位錯(cuò)

一、理想晶粒的滑移晶體塑性變形時(shí)，產(chǎn)生滑移，出現(xiàn)滑移臺(tái)階。ττ第13頁/共77頁14理想晶體的理論切變強(qiáng)度滑移臨界切應(yīng)力m，是整個(gè)滑移面的原子從一個(gè)平衡位置移動(dòng)到另一個(gè)平衡位置時(shí)克服能壘所需要的切應(yīng)力。所施加的力必須足以使原子間的鍵斷裂，才能產(chǎn)生滑移，壓力大小約為G/30F實(shí)際晶體的滑移臨界切應(yīng)力遠(yuǎn)小于理論值？？？----位錯(cuò)第14頁/共77頁15位錯(cuò)：指在一維方向上偏離理想晶體中的周期性、規(guī)則性排列所產(chǎn)生的缺陷，即缺陷尺寸在一維方向較長(zhǎng)，另外二維方向上很短。TEM下的位錯(cuò)線第15頁/共77頁16二、位錯(cuò)模型1.刃型位錯(cuò)晶體在大于屈服值的切應(yīng)力作用下，以某晶面為滑移面發(fā)生滑移。晶體已滑移部分和未滑移部分的交線，猶如砍入晶體的一把刀的刀刃，即刃位錯(cuò)（或棱位錯(cuò)）。第16頁/共77頁17幾何特征：位錯(cuò)線與原子滑移方向相垂直；滑移面上部位錯(cuò)線周圍原子受壓應(yīng)力作用，原子間距小于正常晶格間距；滑移面下部位錯(cuò)線周圍原子受張應(yīng)力作用，原子間距大于正常晶格間距。

（）

（）分類：正刃位錯(cuò)，“”；負(fù)刃位錯(cuò)，“T”。符號(hào)中水平線代表滑移面，垂直線代表半個(gè)原子面。第17頁/共77頁18位錯(cuò)是滑移區(qū)和未滑移區(qū)的邊界，不一定是直線，滑移方向垂直于位錯(cuò)線，滑移面是位錯(cuò)線和滑移矢量所構(gòu)成的唯一平面。晶體形成過程中各種因素形成原子錯(cuò)排。（空位片，局部滑移）晶體內(nèi)部的半原子面破壞對(duì)稱性處于高能量狀態(tài)，不穩(wěn)定不可能中斷于晶體內(nèi)部（表面露頭，終止與晶界和相界，與其他位錯(cuò)相交，位錯(cuò)環(huán)）半原子面及周圍區(qū)域統(tǒng)稱為位錯(cuò)第18頁/共77頁192.螺位錯(cuò)晶體在大于屈服值的切應(yīng)力作用下，以某晶面為滑移面發(fā)生滑移。由于位錯(cuò)線周圍的一組原子面形成了一個(gè)連續(xù)的螺旋形坡面，故稱為螺位錯(cuò)。幾何特征：位錯(cuò)線與原子滑移方向相平行；位錯(cuò)線周圍原子的配置是螺旋狀的。分類：有左、右旋之分，它們之間符合左手、右手螺旋定則。第19頁/共77頁203.混合型位錯(cuò)在晶體內(nèi)部已滑移和未滑移部分的交線既不垂直也不平行滑移方向。位錯(cuò)線上任意一點(diǎn)，經(jīng)矢量分解后，可分解為刃位錯(cuò)和螺位錯(cuò)分量。第20頁/共77頁21三、Burgers矢量表示位錯(cuò)區(qū)域原子畸變特征（晶向和大?。┑奈锢砹縝反映了滑移區(qū)與未滑移區(qū)的邊界，產(chǎn)生相對(duì)移動(dòng)的大小和方向，即滑移矢量。

第21頁/共77頁22刃位錯(cuò)b與位錯(cuò)線垂直任意一根位錯(cuò)線上各點(diǎn)b相同，同一位錯(cuò)只有一個(gè)b。有大小的晶向指數(shù)表示模正負(fù)右旋螺位錯(cuò)b與位錯(cuò)線平行左旋第22頁/共77頁23Burgers矢量合成與分解：如果幾條位錯(cuò)線在晶體內(nèi)部相交（交點(diǎn)稱為節(jié)點(diǎn)），則指向節(jié)點(diǎn)的各位錯(cuò)的伯氏矢量之和，必然等于離開節(jié)點(diǎn)的各位錯(cuò)的伯氏矢量之和。OIIIIII第23頁/共77頁24四、位錯(cuò)密度體密度：ρ=S/V,單位體積內(nèi)位錯(cuò)線總長(zhǎng)度（m/m3）面密度：ρ=n/A,單位面積內(nèi)位錯(cuò)線總根數(shù)（1/m2）超純金屬：109-1010m/m3晶須：10m/cm3第24頁/共77頁25五、位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)

位錯(cuò)只有在切應(yīng)力的作用下進(jìn)行滑移。位錯(cuò)的滑移：指位錯(cuò)在外力作用下，在滑移面上的運(yùn)動(dòng)，結(jié)果導(dǎo)致永久形變。位錯(cuò)的攀移：指在熱缺陷的作用下，刃位錯(cuò)在垂直滑移的方向運(yùn)動(dòng)，結(jié)果導(dǎo)致空位或間隙原子的增值或減少。第25頁/共77頁261.位錯(cuò)的滑移位錯(cuò)在滑移時(shí)是通過位錯(cuò)線或位錯(cuò)附近的原子逐個(gè)移動(dòng)很小的距離完成的第26頁/共77頁27刃位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)第27頁/共77頁28螺位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)第28頁/共77頁29混合位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)第29頁/共77頁30位錯(cuò)的滑移特點(diǎn)刃位錯(cuò)滑移方向與外力及伯氏矢量b平行；螺位錯(cuò)滑移方向與外力及伯氏矢量b垂直；混合位錯(cuò)滑移方向與外力及伯氏矢量b成一定角度（即沿位錯(cuò)線法線方向滑移）；晶體的滑移方向與外力及位錯(cuò)的伯氏矢量b相一致，但并不一定與位錯(cuò)的滑移方向相同第30頁/共77頁312.位錯(cuò)滑移作用力把各種力簡(jiǎn)化為沿位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)方向的力。切應(yīng)力對(duì)位錯(cuò)做功：dw=τ(dsdl)b=Fds單位長(zhǎng)度位錯(cuò)受力：Fd=τb垂直于位錯(cuò)線，指向位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)方向。代替切應(yīng)力。第31頁/共77頁32（a）正攀移（半原子面縮短）(b)未攀移（c）負(fù)攀移（半原子面伸長(zhǎng)）3.位錯(cuò)的攀移第32頁/共77頁333.位錯(cuò)的攀移正攀移（半原子面縮短）未攀移負(fù)攀移（半原子面伸長(zhǎng)）第33頁/共77頁34攀移的實(shí)質(zhì)：通過原子擴(kuò)散實(shí)現(xiàn)半原子面的向上（正）向下（負(fù)）移動(dòng)，多余半原子面的伸長(zhǎng)或縮短，位錯(cuò)線隨之運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)方向垂直于b。螺位錯(cuò)沒有多余半原子面，故無攀移運(yùn)動(dòng)。

由于原子是逐個(gè)加入，所以位錯(cuò)線在攀移過程中存在很多割階。只有在高溫下才可能發(fā)生:蠕變、回復(fù)、單晶拉制攀移作用力第34頁/共77頁35六、位錯(cuò)應(yīng)變能位錯(cuò)原子偏移正常位置，產(chǎn)生畸變應(yīng)力，處于高能量狀態(tài)，但偏移量很小，晶格為彈性應(yīng)變。位錯(cuò)心部應(yīng)變較大，超出彈性范圍，但這部分能量所占比例較小，<10%，可以近似忽略。第35頁/共77頁36假設(shè)：1.完全服從虎克定律，即不存在塑性變形2.各向同性3.連續(xù)介質(zhì)，不存在結(jié)構(gòu)間隙1.理論基礎(chǔ)：連續(xù)彈性介質(zhì)模型單位體積彈性能：第36頁/共77頁37

2.螺位錯(cuò)應(yīng)變能取微元環(huán)r，厚度dr，總的剪切應(yīng)變大小為b，均勻分布在整個(gè)周長(zhǎng)上各點(diǎn)切應(yīng)變：切應(yīng)力：微元環(huán)：?jiǎn)挝婚L(zhǎng)度螺位錯(cuò)：第37頁/共77頁383.刃位錯(cuò)應(yīng)變能簡(jiǎn)寫為：a=0.5(//)~1.0(┴)

高位錯(cuò)能儲(chǔ)存在晶體內(nèi)，驅(qū)動(dòng)位錯(cuò)反應(yīng)，與其他缺陷作用第38頁/共77頁39七、位錯(cuò)線張力位錯(cuò)具有應(yīng)變能，具有自我降低的趨勢(shì)，使位錯(cuò)線自動(dòng)縮短至直線的趨勢(shì)。類似于在位錯(cuò)線兩端施加了線張力。線張力T（N）和位錯(cuò)能U(Jm-1)在數(shù)值上相等，表現(xiàn)形式不同。單根位錯(cuò)趨于直線保持最短長(zhǎng)度。多根位錯(cuò)結(jié)點(diǎn)處線張力平衡，呈空間網(wǎng)絡(luò)狀。彎曲時(shí)一定有力的作用。第39頁/共77頁40彎曲位錯(cuò)一定受到外力的作用，并且外力與線張力平衡與曲率成反比第40頁/共77頁41八、位錯(cuò)應(yīng)力場(chǎng)及交互作用1.位錯(cuò)應(yīng)力場(chǎng)螺位錯(cuò)：純剪切、應(yīng)變徑向?qū)ΨQ、且與到中心距離成反比位錯(cuò)存在應(yīng)力場(chǎng)，使其他缺陷運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生交互作用，降低系統(tǒng)能量。能量：體系穩(wěn)定程度和變化趨勢(shì)力：體系變化途徑和變化過程第41頁/共77頁42刃位錯(cuò)：插入半原子面，位錯(cuò)上方，原子間距變小，產(chǎn)生壓應(yīng)變，下方原子間距變大，拉應(yīng)變。過渡處切應(yīng)變，滑移面處有最大切應(yīng)力，正應(yīng)力為0。xyo第42頁/共77頁432.位錯(cuò)與點(diǎn)缺陷溶質(zhì)大原子，周圍原子受壓，溶質(zhì)小原子，周圍原子受拉。存在應(yīng)力，與位錯(cuò)交互作用。與刃位錯(cuò)作用明顯。大原子聚集在刃位錯(cuò)下方，小原子在上方，溶質(zhì)原子和位錯(cuò)對(duì)周圍原子的應(yīng)力場(chǎng)互相抵消，能量降低。符合熱力學(xué)條件。溶質(zhì)原子中間隙原子（C、N）尺寸小，擴(kuò)散能力強(qiáng)，交互作用明顯。符合動(dòng)力學(xué)條件。溶質(zhì)原子與位錯(cuò)交互作用，在位錯(cuò)周圍偏聚的現(xiàn)象，成為氣團(tuán)（Cottrell氣團(tuán)等），釘扎位錯(cuò)。交互作用使系統(tǒng)能量降低，位錯(cuò)穩(wěn)定性升高，不易開動(dòng)，抗塑性變性能力提高。第43頁/共77頁443.位錯(cuò)交互作用螺位錯(cuò)：同號(hào)位錯(cuò)相互排斥，異號(hào)位錯(cuò)相互吸引，互毀。刃位錯(cuò)：平行于滑移面與螺位錯(cuò)一致，垂直滑移面時(shí)相反

位錯(cuò)墻：同號(hào)位錯(cuò)在垂直于滑移面的方向上排列，上下位錯(cuò)拉、壓應(yīng)力場(chǎng)重疊部分抵消，降低系統(tǒng)能量，形成穩(wěn)定排列方式。第44頁/共77頁45九、位錯(cuò)反應(yīng)—合成與分解由于位錯(cuò)間相互作用力的存在，使得位錯(cuò)之間有可能發(fā)生相互轉(zhuǎn)化或相互作用，以使能量降低，此即位錯(cuò)反應(yīng)。幾何條件：三維方向矢量和相同能量條件：能量降低，反應(yīng)的驅(qū)動(dòng)力1.反應(yīng)條件第45頁/共77頁462.實(shí)際晶體b全位錯(cuò)：b等于點(diǎn)陣矢量的位錯(cuò)fcc:a/2<110>;bcc:a/2<111>;hcp:a/3<1120>不全位錯(cuò)：b小于點(diǎn)陣矢量的位錯(cuò)，從一個(gè)原子到某結(jié)點(diǎn)

fcc:a/6<112>,a/3<111>bcc:a/3<111>,a/8<110>hcp:c/2<0001>

第46頁/共77頁473.面心立方晶體全位錯(cuò)分解滑移面{111}上的a/2<110>可以分解為兩個(gè)a/6<112>分位錯(cuò)a/2[110]a/6[121]+a/6[211]

a/6<112>分位錯(cuò)在面心立方晶體塑性變形中有重要作用，稱為：Schockly分位錯(cuò)第47頁/共77頁48ABCABCABC……全位錯(cuò)滑移ABCACCABC……不全位錯(cuò)滑移堆垛層錯(cuò)C第48頁/共77頁49擴(kuò)展位錯(cuò)平衡寬度d:層錯(cuò)能和位錯(cuò)對(duì)斥力綜合作用unslippedunfaultedslipped(faulted)zonesIIIIII擴(kuò)展位錯(cuò)：一對(duì)不全位錯(cuò)以及中間層錯(cuò)之和。第49頁/共77頁504.3晶體中的界面

面缺陷又稱為二維缺陷，是指在二維方向上偏離理想晶體中的周期性、規(guī)則性排列而產(chǎn)生的缺陷，即缺陷尺寸在二維方向上延伸，在第三維方向上很小。如晶界、相界、堆垛層錯(cuò)、表面等。第50頁/共77頁51多晶體中空間取向或位向不同的相鄰晶粒之間的界面。1.晶界小角度晶界：位相差<10。由位錯(cuò)協(xié)調(diào)，密度∽位相差。對(duì)稱傾斜晶界：兩側(cè)晶粒相對(duì)于晶界對(duì)稱傾斜一小角度。刃位錯(cuò)扭轉(zhuǎn)晶界：晶體一部分垂直于某晶向方向旋轉(zhuǎn)一小角度。螺位錯(cuò)第51頁/共77頁52

最簡(jiǎn)單的小角度晶界是對(duì)稱傾斜晶界，這種晶界的結(jié)構(gòu)是由一系列平行等距離排列的同號(hào)刃位錯(cuò)所構(gòu)成。位錯(cuò)間距離D、伯氏矢量b與取向差θ之間滿足下列關(guān)系

由上式知，當(dāng)θ小時(shí)，位錯(cuò)間距較大，若b=0.25nm，θ=1o，則D=14nm；若θ＞10o，則位錯(cuò)間距太近，位錯(cuò)模型不再適應(yīng)。第52頁/共77頁53大角度晶界：位相差>10。

2-3個(gè)原子厚的過渡層，原子排列無序稀疏。

第53頁/共77頁54孿晶：晶體沿某公共晶面（孿晶面）構(gòu)成鏡面對(duì)稱。第54頁/共77頁55晶界能：晶界位置由原子偏離產(chǎn)生的高出晶粒內(nèi)部的能量。小角度晶界隨位錯(cuò)能改變大角度晶界為與材料本身相關(guān)的常數(shù)。與位相關(guān)系不大。第55頁/共77頁56第56頁/共77頁572.晶體相界具有不同晶體結(jié)構(gòu)的兩相之間的界面。失配度δ，<0.05完全共格，>0.25非共格，其間為部分共格第57頁/共77頁583.堆垛層錯(cuò)指正常堆垛順序中引入不正常順序堆垛的原子面而產(chǎn)生的一類面缺陷(以下簡(jiǎn)稱層錯(cuò))抽出型(或內(nèi)稟)層錯(cuò)插入型(或外稟)層錯(cuò)第58頁/共77頁594.晶體表面晶體表面原子弛豫和重構(gòu)，產(chǎn)生偶極矩，活性強(qiáng)，形成吸附（物理和化學(xué)）、高能態(tài)、表面密排、各向異性、元素偏聚和貧化等現(xiàn)象。表面:表面是指固體與真空的界面。界面:相鄰兩個(gè)結(jié)晶空間的交界面。第59頁/共77頁60理想表面d忽略了晶體內(nèi)部周期性勢(shì)場(chǎng)在晶體表面中斷的影響，忽略了表面原子的熱運(yùn)動(dòng)、熱擴(kuò)散和熱缺陷等，忽略了外界對(duì)表面的物理化學(xué)作用等，理論上結(jié)構(gòu)完整的二維點(diǎn)陣平面。原子的位置及其結(jié)構(gòu)的周期性，與晶體內(nèi)部完全一樣。第60頁/共77頁61清潔表面不存在任何吸附、催化反應(yīng)、雜質(zhì)擴(kuò)散等物理化學(xué)效應(yīng)的表面?；瘜W(xué)組成與體內(nèi)相同周期結(jié)構(gòu)可以與體內(nèi)不同根據(jù)表面原子的排列，清潔表面又可分為臺(tái)階表面、弛豫表面、重構(gòu)表面等。第61頁/共77頁62臺(tái)階表面：臺(tái)階表面不是一個(gè)平面，是由有規(guī)則的或不規(guī)則的臺(tái)階所組成的表面，由密排面構(gòu)成[112][111][110](001)周期Pt（557）有序原子臺(tái)階表面第62頁/共77頁63弛豫表面：由于固相的三維周期性在固體表面處突然中斷，表面上原子產(chǎn)生的相對(duì)于正常位置存在上、下位移d0d第63頁/共77頁64重構(gòu)表面：表面原子層在水平方向上的周期性不同于體內(nèi)，但垂直方向的層間距則與體內(nèi)相同d0d0asa第64頁/共77頁65吸附表面也稱界面，它是在清潔表面上有來自體內(nèi)擴(kuò)散到表面的雜質(zhì)和來自表面周圍空間吸附在表面上的質(zhì)點(diǎn)所構(gòu)成的表面。根據(jù)原子在基底上的吸附位置，一般可分為四種吸附情況，即頂吸附、橋吸附、填充吸附和中心吸附等。第65頁/共77頁66固體的表面自由能和表面張力與液體相比：固體的表面自由能中包含了彈性能。表面張力在數(shù)值上不等于表面自由能；固體的表面張力是各向異性的。實(shí)際固體的表面絕大多數(shù)處于非平衡狀態(tài)，決定固體表面形態(tài)的主要是形成固體表面時(shí)的條件以及它所經(jīng)歷的歷史。固體的表面自由能和表面張力的測(cè)定困難。第66頁/共77頁675.潤(rùn)濕與粘附潤(rùn)濕是一種流體從固體表面置換另一種流體的過程。最常見的潤(rùn)濕現(xiàn)象是一種液體從固體表面置換空氣，如水在玻璃表面置換空氣并展開。1930年Osterhof和Bartell把潤(rùn)濕現(xiàn)象分成沾濕、浸濕和鋪展三種類型。第67頁/共77頁68

沾濕：液體在固體表面上的粘附SLv沾濕的粘附功Wa：Wa≥0，則（ΔG）TP≤0，沾濕過程可自發(fā)進(jìn)行其粘附功總是大于零，不管對(duì)什么液體和固體沾濕過程總是可自發(fā)進(jìn)行的第68頁/共77頁69浸濕SVL浸潤(rùn)功Wi只有固體的表面自由能比固一液的界面自由能大時(shí)浸濕過程才能自發(fā)進(jìn)行第69頁/共77頁70鋪展：恒溫恒壓下，置于固體表面的液滴在固體表面上自動(dòng)展開形成液膜，則稱此過程為鋪展?jié)櫇瘛ｄ佌瓜禂?shù)SL/SWc是液體的內(nèi)聚功只要液