第二章 晶體的缺陷

第二章晶體的缺陷第1頁，課件共25頁，創(chuàng)作于2023年2月1點缺陷點缺陷的形成及類型形成：由結(jié)晶過程中高溫及輻射產(chǎn)生。

類型：肖脫基空位－－原子跑到晶體表面或晶界；

弗侖克爾空位－－原子跳到晶體間隙；

置換原子也可以看成點缺陷；

特點：三維尺寸小，僅引起幾個原子范圍的點陣結(jié)構(gòu)不完整。第2頁，課件共25頁，創(chuàng)作于2023年2月點缺陷的運動及平衡濃度熱運動使原子離開原位進入空位，原位形成空位，可看作空位的運動間隙原子與空位相遇消失－復(fù)合或湮滅

一定溫度下空位的平衡濃度

如：Cu:1300K,C=10-4;室溫，C=10-19

間隙平衡濃度C′與上式相似，間隙原子的形成能是空位形成能的3-4倍，故同一溫度下間隙原子的平衡濃度低很多－－一般晶體中的點缺陷是空位，產(chǎn)生弗侖克爾空位的幾率極?。篊u:1300K,C′

=10-153點缺陷對性能的影響

點缺陷使運動電子散射－－電阻增大點缺陷(空位)增加－－密度減小過飽和點缺陷－－提高金屬的屈服強度第3頁，課件共25頁，創(chuàng)作于2023年2月原子發(fā)生錯排時，在某一方向是幾百到上萬個原子間距，另外兩個方向僅有3-5個間距位錯對金屬強度、相變影響顯著主要討論刃形位錯、螺形位錯位錯的基本概念

（1）位錯學(xué)的產(chǎn)生

2.線缺陷第4頁，課件共25頁，創(chuàng)作于2023年2月

刃型位錯（2）位錯基本類型第5頁，課件共25頁，創(chuàng)作于2023年2月螺旋位錯第6頁，課件共25頁，創(chuàng)作于2023年2月（3）柏氏矢量

柏氏矢量的確定方法

位錯線由紙面向外為正，以大拇指指示，按右手螺旋定則確定柏氏回路：避開位錯嚴重畸變的區(qū)域作一回路，同樣方法在完整晶體作同一步數(shù)的回路，終點到起點的矢量就是柏氏矢量柏氏矢量與起點無關(guān)，與路徑無關(guān)－－一根不分叉的任何形狀的位錯只有一個柏氏矢量第7頁，課件共25頁，創(chuàng)作于2023年2月

同向為右螺旋，反向為左螺旋第8頁，課件共25頁，創(chuàng)作于2023年2月柏氏矢量的物理意義及特征

物理意義：柏氏矢量反映柏氏回路包含的位錯引起點陣畸變的總積累柏氏矢量－－位錯強度位錯能量、位錯的受力、應(yīng)力場、位錯反應(yīng)都與柏氏矢量有關(guān)柏氏矢量表示出晶體滑移的大小和方向柏氏矢量具有守恒型混合位錯

第9頁，課件共25頁，創(chuàng)作于2023年2月（3）位錯密度第10頁，課件共25頁，創(chuàng)作于2023年2月位錯的運動2.2.2位錯的運動

趨勢：從高能位置轉(zhuǎn)移到低能位置形式：滑移、攀移1.位錯的滑移－－位錯沿著滑移面的移動特點：晶體本身體積不變，稱為保守運動切應(yīng)力方向平行于柏氏矢量，位錯周圍原子只要移動很小的距離，就使位錯移動刃形位錯的滑移面是b、t決定的平面，滑移面一定螺形位錯移動方向與b垂直，b//t=>通過位錯線并包含b的所有晶面都可以成為滑移面，螺形位錯在原滑移面受阻時，可轉(zhuǎn)移到與之相交的另一滑移面－－交叉滑移

第11頁，課件共25頁，創(chuàng)作于2023年2月2.位錯的攀移

刃型位錯在垂直于滑移面上運動正攀移－－多余半原子面向上運動負攀移－－多余半原子面向下運動

攀移伴隨物質(zhì)的遷移，需要熱激活，比滑移需要更多能量攀移引起晶體體積變化－－非保守運動正應(yīng)力促進正攀移，拉應(yīng)力促進負攀移晶體中的過飽和空位有利于攀移割階－－原子最可能附著或脫離多余半原子面的地方，刃形位錯通過割階的運動實現(xiàn)攀移

第12頁，課件共25頁，創(chuàng)作于2023年2月2.2.4實際晶體中的位錯

實際晶體中的位錯由晶體結(jié)構(gòu)和能量條件決定1.實際晶體結(jié)構(gòu)中的單位位錯位錯能量正比于b2=>實際晶體中存在的柏氏矢量限于少數(shù)最短的平移矢量(最近鄰的原子間距)，具有這種柏氏矢量的位錯稱為單位位錯

單位位錯：面心立方α<110>/2，體心立方<111>α/2，密排六方α<1120>/3，平行于晶體的最密排方向，該位錯掃過之后滑移面上下原子排列整齊，故又稱全位錯或完整位錯

第13頁，課件共25頁，創(chuàng)作于2023年2月2.不全位錯部分位錯－－柏氏矢量小于最短的平移矢量不全位錯－－柏氏矢量不等于最短的平移矢量的整數(shù)倍不全位錯掃過之后，滑移面上下原子產(chǎn)生錯排，形成層錯

堆垛層錯－－正常的堆垛順序被擾亂層錯破壞了晶體的周期性，使能量增加，但層錯不產(chǎn)生點陣畸變，層錯能比晶界能低得多

層錯破壞了晶體的周期性，使能量增加，但層錯不產(chǎn)生點陣畸變，層錯能比晶界能低得多

鋁的層錯能高，看不到層錯，銅的層錯能低，有大量位錯；晶體中的層錯區(qū)與好區(qū)的交界就是不全位錯。

第14頁，課件共25頁，創(chuàng)作于2023年2月3.位錯反應(yīng)及湯普遜四面體位錯之間的互相轉(zhuǎn)化稱為位錯反應(yīng)。(1)必須滿足幾何條件即柏氏矢量的守恒性，反應(yīng)前后諸位錯的柏氏矢量和相等。(2)必須滿足能量條件，即反應(yīng)后諸位錯的總能量應(yīng)小于反應(yīng)前諸位錯的總能量。位錯反應(yīng)條件：第15頁，課件共25頁，創(chuàng)作于2023年2月湯普遜四面體第16頁，課件共25頁，創(chuàng)作于2023年2月第17頁，課件共25頁，創(chuàng)作于2023年2月練習(xí)：第18頁，課件共25頁，創(chuàng)作于2023年2月2.3面缺陷

固態(tài)材料的界面：表面、晶界、亞晶界、相界2.3.1外表面由于另一側(cè)無原子，配位數(shù)少于晶體內(nèi)部，表面幾層原子點陣畸變，能量高于晶體內(nèi)部表面能γ－－晶體表面單位面積能量的增加，與表面張力σ相等不同的晶面為外表面時，被破壞的結(jié)合鍵的數(shù)目不同=>表面能各向異性密排面的表面能低：體心立方{110}與{100}，面心立方{111}與{100}表面能最低外表面雜質(zhì)的吸附顯著影響表面能T雜質(zhì)在外表面的物理吸附(分子鍵)，化學(xué)吸附(離子鍵、共價鍵)第19頁，課件共25頁，創(chuàng)作于2023年2月2.3.2晶界與亞晶界

多晶體中，每一個晶粒就是一個小單晶相鄰晶粒的位向不同，交界面叫晶粒界，簡稱晶界晶粒內(nèi)部位向差極小的亞結(jié)構(gòu)，交界為亞晶界晶界的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)與相鄰晶粒的位向差有關(guān)。位向差小于10o，小角度晶界；10o以上，大度角晶界晶界處原子排列紊亂，能量增高=>晶界能

第20頁，課件共25頁，創(chuàng)作于2023年2月小角度晶界對稱傾側(cè)晶界是最簡單的小角度晶界

當(dāng)q很小時，晶界中位錯間距D≈b/q，當(dāng)接近10o時，得到的位錯密度太大，模型不適用同號位錯垂直排列，刃位錯的壓應(yīng)力場和拉應(yīng)力場抵消，能量很低2.大角度晶界

晶界中原子過于密集的區(qū)域為壓應(yīng)力區(qū)，原子過于松散的區(qū)域為拉應(yīng)力區(qū)大角度晶界晶界能較高，在0.5-0.6J/m2，與相鄰位向無關(guān)第21頁，課件共25頁，創(chuàng)作于2023年2月3.孿晶界孿晶：指相鄰兩晶?；蛞粋€晶粒內(nèi)部相鄰兩部分沿一個公共晶面(孿晶界)構(gòu)成鏡面對稱的位向關(guān)系。

孿晶界是最簡單的一種晶界孿晶界與堆垛層錯有密切關(guān)系具有不同晶體結(jié)構(gòu)的兩相之間的分界叫相界。相結(jié)構(gòu)有三種：共格界面、半共格晶面和共格晶面。4.相界第22頁，課件共25頁，創(chuàng)作于2023年2月共格界面半共格界面非共格界面共格界面：兩相必須有特殊的位向關(guān)系，而且原子的排列、晶面間距相差不大，大多數(shù)情況下共格界面產(chǎn)生彈性應(yīng)變和應(yīng)力，使界面原子匹配半共格界面：相鄰晶面間距相差較大，界面上原子不能完全對應(yīng)失配度δ＝(aa-ab)/aa

失配度越大，界面位錯間距D越小：

δ<0.05為完全共格。δ=0.05~0.25為半共格界面

非共格界面：δ>0.25，完全失去匹配能力，成為非共格界面。共格界面界面能最低，非共格界面界面能最高，半共格界面界面能居中第23頁，課件共25頁，創(chuàng)作于2023年2月5.晶界特性當(dāng)晶體中存在能降低界面能的異類原子時，這些原子將向晶界偏聚－－內(nèi)吸附；晶界上原子具有較高的能量，且存在較多的晶體缺陷，使原子的擴散速度比晶粒內(nèi)部快得多；常溫下，晶界對位錯運動起阻礙作用，故金屬材料的晶粒越細，則單位