線缺陷和面缺陷

線缺陷和面缺陷第1頁/共57頁刃型位錯的幾何特征：

(1)位錯線與其滑移矢量d垂直，刃型位錯可以為任意形狀的曲線。

(2)有多余半原子面。習慣上，把多余半原子面在滑移面以上的位錯稱為正刃型位錯，用符號“┻”表示，反之為負刃型位錯，用“┳”表示。刃型位錯周圍的點陣畸變關于半原子面左右對稱。第2頁/共57頁(2)螺型位錯：左螺型位錯、右螺型位錯第3頁/共57頁第4頁/共57頁

螺位錯具有如下的幾何特征：

(1)螺位錯線與其滑移矢量d平行，故純螺位錯只能是直線。

(2)根據(jù)螺旋面的不同，螺位錯可分左和右兩種，當螺旋面為右手螺旋時，為右螺位錯，反之為左螺位錯。

(3)螺位錯沒有多余原子面，它周圍只引起切應變而無體應變。第5頁/共57頁(3)混合型位錯第6頁/共57頁位錯的性質：形狀：不一定是直線，位錯及其畸變區(qū)是一條管道。是已滑移區(qū)與未滑移區(qū)的邊界。不能中斷于晶體內部。可在表面露頭，或中止于晶界和相界，或與其它位錯相交，或自行封閉成環(huán)。第7頁/共57頁位錯的易動性第8頁/共57頁3.2.2柏氏矢量

1939年柏格斯(Brugers)提出，把形成一個位錯的滑移矢量定義為位錯矢量，并稱為柏氏矢量（或柏矢量），以b表示，它是位錯的特征標志。

第9頁/共57頁柏氏矢量（1）確定方法a規(guī)定位錯線指出屏幕（紙面）為正b在位錯周圍沿著點陣結點形成右螺旋的封閉回路。（柏氏回路）c在理想晶體中按同樣順序作同樣大小的回路。（不能閉合）d在理想晶體中從終點到起點的矢量即為柏氏矢量。NOQ12345689101112137PMNOQ12345689101112137PM第10頁/共57頁第11頁/共57頁(2)柏氏矢量的表示方法a表示:b求模：全位錯：柏氏矢量的模等于該晶向上的原子間距的位錯，又叫單位位錯。不全位錯：柏氏矢量的模小于該晶向上的原子間距的位錯第12頁/共57頁(3)柏氏矢量的特性a代表位錯，并表示其特征（強度、畸變量）。b表示晶體滑移的方向和大?。篵平行于滑移方向c柏氏矢量的守恒性（唯一性）：一條位錯線具有唯一的柏氏矢量。d判斷位錯的類型：刃型位錯b垂直于位錯線，螺型位錯b平行于位錯線。e用柏氏回路求得的柏氏矢量為回路中包圍的所有位錯柏氏矢量的總和（矢量和）——可加性

第13頁/共57頁3.2.3位錯密度

（1）位錯密度的定義：單位體積中包含的位錯線的總長度，用ρv表示：ρv

＝L/VL為位錯線的總長度，V為晶體體積。穿過單位截面面積的位錯線數(shù)目，用ρs表示：

ρs

＝n/S嚴格地說ρv與ρs是不同的。一般來說ρv>ρs。

第14頁/共57頁3.2.3位錯密度

實驗結果給出下面的一些數(shù)量級的概念。

1.劇烈冷加工的晶體：ρs

=

1012cm-2。

2.充分退火的金屬晶體：ρs

=

104～108cm-2。

3.精心制備超純半導體：ρs=102cm-2。

但即使在ρs=1012cm-2的情況下，試樣的任一平面上，約每1000個原子中有一個位錯露頭，缺陷所占的比例仍然很小。第15頁/共57頁2023/4/2216

在位錯線附近，晶格是不完整的，晶格活化，晶格畸變，質點易移動位錯線上的原子價不飽和，因此有吸引雜質原子的傾向

雜質離子半徑與晶體基質不同，進入晶格引起應力實際晶體沿位錯線上應力集中，結合雜質離子有利于晶體內能降低3.2.3、位錯線附近雜質富集第16頁/共57頁2023/4/2217對正刃型位錯而言：

A、在位錯線之上，原子受擠壓，傾向于吸引原子半徑小的雜質

B、在位錯線之下，原子受擴張，傾向于吸引原子半徑大的雜質

C、位錯處是雜質富集的地方.故位錯的存在影響雜質在晶格中的擴散

第17頁/共57頁2023/4/2218

位錯的存在并非靜止，位錯－介穩(wěn)狀態(tài)，較小應力即可使位錯運動(1)、滑移

位錯使晶體容易沿滑移系統(tǒng)滑移,

滑移系統(tǒng)－滑移面＋滑移方向低指數(shù)晶面（大面間距、面網(wǎng)密度大）3.2.4、位錯的運動第18頁/共57頁與b矢量平行的切應力使刃位錯滑移只需很小能量即可使滑移傳播（始于有限區(qū)域）第19頁/共57頁刃位錯滑移原子模型第20頁/共57頁【Eg.】為何金屬具有延展性、而陶瓷表現(xiàn)出脆性？金屬滑移系統(tǒng)多：金屬鍵無方向性，；陶瓷滑移系統(tǒng)少：共價鍵、離子鍵具有方向性，離子晶體滑移時具有選擇性，同號離子相遇產(chǎn)生極大斥力阻礙滑移第21頁/共57頁(2)、攀移刃型位錯除了在滑移面上運動外，還可以發(fā)生垂直于滑移方向的運動，稱為位錯的攀移。位錯攀移時，伴隨著空位/填隙原子的產(chǎn)生/消失

第22頁/共57頁

對正刃型位錯：位錯線向上攀移時，消除空位/產(chǎn)生填隙原子；向下攀移時，產(chǎn)生空位/消除填隙原子

第23頁/共57頁(3)、位錯塞積

位錯運動→障礙：位錯堆積一群塞積的位錯－位錯群：前密后稀Dislocationpile-upinSteel第24頁/共57頁【Eg.】多晶材料中在晶界前形成位錯塞積晶界處晶粒的位相差→鄰近晶?；葡到y(tǒng)取向不一致（離子/共價晶體滑移系統(tǒng)少，更易發(fā)生）Dislocationpileupsatgrainboundariesindicatetheseboundariesareverystrongobstaclestodislocationmotion第25頁/共57頁位錯在空間沿折線運動所需能量大，外加切應力在新滑移方向上不一定超過臨界應力，造成位錯在晶界前停滯塞積障礙前塞積的位錯可能造成微裂紋第26頁/共57頁§3.3面缺陷面缺陷：晶體偏離周期性點陣結構的二維缺陷稱~類型：表面（surface)

內界面（interface）：晶界、亞晶界、孿晶界、相界、堆垛層錯第27頁/共57頁界面構成晶態(tài)固體組織的重要組成部分；是二維晶體缺陷。結構不同于晶體內部，因而有很多重要的不同于晶體內部的性質，影響晶體的一系列物理化學過程，且對晶體整體性能也具有重要影響。例如晶體生長、外延生長、摩擦、潤滑、磨蝕、表面鈍化、催化、吸附、擴散以及各種表面的熱粘附、光吸收和反射、熱電子和光電子的吸收和反射等；晶體中的界面遷動、異類原子在晶界的偏聚、界面的擴散率、材料的力學和物理性能等也都和界面結構有直接的關系。是現(xiàn)代材料學科中一個活躍的課題。第28頁/共57頁靜態(tài)表面原子狀態(tài)和表面結構靜態(tài)：指原子不動（無熱激活）清潔表面區(qū)電子密度分布的變化/現(xiàn)象一垂直表面方向上晶體內部周期性遭到破壞，因而在表面附近的電子分布發(fā)生變化，影響表面原子排列。在表面形成一層稀薄的電子云，形成一個偶電層。3.3.1晶體表面第29頁/共57頁

外表面：表面原子的排列與內部有較為明顯的差別，表面處原子周期性排列中斷，形成附加表面能。為減小表面能，原子排列必須作相應調整。對晶體而言，經(jīng)過4－6層后，原子排列與晶體內基本接近(晶格常數(shù)差小于0.1A)第30頁/共57頁表面能(γ）：晶體表面單位面積自由能的增加影響γ的因素：

(1)與晶體表面原子排列的致密程度有關。原子密排的表面具有最小的表面能。

(2)γ還與晶體表面曲率有關。曲率半徑小,曲率大,γ愈大。

(3)外部介質的性質。介質不同,則γ不同。

(4)還與晶體性質有關。晶體本身結合能高，則γ大晶體材料的表面由最密排面和次密排面組成，表面的不飽和鍵數(shù)最少，能量最低。第31頁/共57頁

在實際的表面上存在著大量的平臺(Terrace)、臺階(Ledge)和扭折(Kink，亦稱為斷口)。該結構稱為TLK模型

高低不平＋微裂紋

第32頁/共57頁TerraceLedgeKink第33頁/共57頁實際存在的表面，表面上能量高、活性大，發(fā)生大量的吸附與化合等

表面點缺陷主要是原子熱運動造成的表面空位或空位團簇(Cluster)

第34頁/共57頁晶界：位向不同的相鄰的晶粒之間的界面有序到無序的過渡區(qū)域亞晶界：每個晶粒可分為若干個更小的亞晶粒，相鄰亞晶粒之間的界面3.3.2晶界和亞晶界

第35頁/共57頁entiresampleCrystallatticestructurewithinasinglegrainBreakdownofatomicsymmetryatgrainboundariesGrainsseparatedbyagrainboundaries第36頁/共57頁晶?？臻g位向不同空間過渡：atomsimulationofSigrainboundaryTEMimageshowinggrainboundariesGrainBoundaryHRTEM第37頁/共57頁確定晶界位置用：(1)兩晶粒的位向差θ

按θ的大小分類：小角度晶界θ<10o

大角度晶界θ>10o第38頁/共57頁第39頁/共57頁(2)小角度晶界小角度晶界：由一系列相隔一定距離的刃型位錯所組成。分類：

(1)對稱傾斜界面：晶界平面為兩個相鄰晶粒的對稱面。是由一列平行的刃型位錯所組成。(2)不對稱傾斜界面：兩晶粒不以二者晶界為對稱的晶界，看成兩組互相垂直的刃型位錯排列而成的。

(3)扭轉晶界：將一塊晶體沿橫斷面切開,并使上下部分晶體繞軸轉動θ角,再與下部分不動晶體粘在一起形成?？煽闯墒怯苫ハ嘟徊娴穆菸诲e所組成。所有的小角度晶界均由位錯組成，位錯密度隨位向差增大而增大。第40頁/共57頁第41頁/共57頁不對稱傾側晶界扭轉晶界第42頁/共57頁(3)大角度晶界

大角度晶界為原子呈不規(guī)則排列的一過渡層。大多數(shù)晶粒之間的晶界都屬于大角度晶界。重合位置點陣該模型說明，在大角度晶界結構中將存在一定數(shù)量重合點陣原子。

第43頁/共57頁大角度晶界第44頁/共57頁第45頁/共57頁(4)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陷。原子在晶界處擴散比晶內快得多。（4）固態(tài)相變時易在晶界處形成新核。（5）晶界上富集雜質原子多，熔點低，加熱時容易過燒。（6）晶界腐蝕速度比晶內快。（7）晶界具有不同與晶內的物理性質。

(8)亞晶界屬與小角度晶界，為各種亞結構的交界，大小和尺寸與熱加工條件有關。第46頁/共57頁(5)孿晶界孿晶的定義：孿晶分類：①共格孿晶面②非共格孿晶面孿晶的形成常常與晶體中的堆垛層錯有密切關系，γ高不易形成孿晶。

fcc結構孿晶面為{111}bcc結構孿晶面為