《晶體結(jié)構(gòu)缺陷》課件

1、晶體結(jié)構(gòu)缺陷,第二章 晶體結(jié)構(gòu)缺陷, 2.1 晶體結(jié)構(gòu)缺陷的類型 2.2 點(diǎn)缺陷 2.3 線缺陷 2.4 面缺陷,晶體結(jié)構(gòu)缺陷,缺陷的含義：通常把晶體點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)中周期性勢場的畸變稱為晶體的結(jié)構(gòu)缺陷。 理想晶體：質(zhì)點(diǎn)嚴(yán)格按照空間點(diǎn)陣排列。 實(shí)際晶體：存在著各種各樣的結(jié)構(gòu)的不完整性。 缺陷對材料性能的影響,晶體結(jié)構(gòu)缺陷,2.1 晶體結(jié)構(gòu)缺陷的類型,分類方式： 幾何形態(tài)：點(diǎn)缺陷、線缺陷、面缺陷等 形成原因：熱缺陷、雜質(zhì)缺陷、非化學(xué)計(jì)量缺陷等,晶體結(jié)構(gòu)缺陷,1.點(diǎn)缺陷（零維缺陷） 缺陷尺寸處于原子大小的數(shù)量級上，即三維方向上缺陷的尺寸都很小。包括： 空位(vacancy) 間隙質(zhì)點(diǎn)(interstiti

2、al particle) 雜質(zhì)質(zhì)點(diǎn)(foreign particle)，如圖2-1所示。 點(diǎn)缺陷與材料的電學(xué)性質(zhì)、光學(xué)性質(zhì)、材料的高溫動力學(xué)過程等有關(guān)。,一、按缺陷的幾何形態(tài)分類,晶體結(jié)構(gòu)缺陷,圖2-1 晶體中的點(diǎn)缺陷,(a)空位 (弗侖克爾缺陷和肖特基缺陷),(b)雜質(zhì)質(zhì)點(diǎn) (置換),(c)間隙質(zhì)點(diǎn),晶體結(jié)構(gòu)缺陷,2.線缺陷（一維缺陷）,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，另外二維方向上很短。如各種位錯(cuò)（dislocation），如圖2-2所示。 線缺陷的產(chǎn)生及運(yùn)動與材料的韌性、脆性密切相關(guān)。,晶體結(jié)構(gòu)缺陷,圖2-2 (a)刃位錯(cuò) (b)螺

3、位錯(cuò),(a),(b),晶體結(jié)構(gòu)缺陷,3.面缺陷,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、表面、堆積層錯(cuò)、鑲嵌結(jié)構(gòu)等。 面缺陷的取向及分布與材料的斷裂韌性有關(guān)。,晶體結(jié)構(gòu)缺陷,圖2-3面缺陷晶界,晶體結(jié)構(gòu)缺陷,圖2-4 面缺陷堆積層錯(cuò)面心立方晶體中的抽出型層錯(cuò)(a)和插入型層錯(cuò)(b),晶體結(jié)構(gòu)缺陷,圖面缺陷共格晶面面心立方晶體中111面反映孿晶,晶體結(jié)構(gòu)缺陷,二、按缺陷產(chǎn)生的原因分類,1. 熱缺陷 2. 雜質(zhì)缺陷 3. 非化學(xué)計(jì)量缺陷 4. 其它原因，如電荷缺陷，輻照缺陷等,晶體結(jié)構(gòu)缺陷,1.熱

4、缺陷,定義:熱缺陷亦稱為本征缺陷，是指由熱起伏的原因所產(chǎn)生的空位或間隙質(zhì)點(diǎn)（原子或離子）。 類型:弗侖克爾缺陷（Frenkel defect）和肖特基缺陷（Schottky defect） 熱缺陷濃度與溫度的關(guān)系:溫度升高時(shí)，熱缺陷濃度增加,晶體結(jié)構(gòu)缺陷,圖2-6 熱缺陷產(chǎn)生示意圖,(a)弗侖克爾缺陷的形成(空位與間隙質(zhì)點(diǎn)成對出現(xiàn)),(b)單質(zhì)中的肖特基缺陷的形成（只形成空位）,晶體結(jié)構(gòu)缺陷,2.雜質(zhì)缺陷,定義:亦稱為組成缺陷，是由外加雜質(zhì)的引入所產(chǎn)生的缺陷（原位質(zhì)點(diǎn)被雜質(zhì)質(zhì)點(diǎn)所取代）。 特征:如果雜質(zhì)的含量在固溶體的溶解度范圍內(nèi)，則雜質(zhì)缺陷的濃度與溫度無關(guān)。 雜質(zhì)缺陷對材料性能的影響,晶體結(jié)

5、構(gòu)缺陷,晶體結(jié)構(gòu)缺陷,3.非化學(xué)計(jì)量缺陷,定義:指組成上偏離化學(xué)中的定比定律所形成的缺陷。它是由基質(zhì)晶體與介質(zhì)中的某些組分發(fā)生交換而產(chǎn)生。如Fe1xO、Zn1+xO等晶體中的缺陷。 特點(diǎn):其化學(xué)組成隨周圍氣氛的性質(zhì)及其分壓大小而變化。是一種半導(dǎo)體材料。,4. 其它原因，如電荷缺陷，輻照缺陷等,晶體結(jié)構(gòu)缺陷,2.2 點(diǎn)缺陷,本節(jié)介紹以下內(nèi)容： 一、點(diǎn)缺陷的符號表征：Kroger-Vink符號 二、缺陷反應(yīng)方程式的寫法,晶體結(jié)構(gòu)缺陷,一、點(diǎn)缺陷的符號表征:Kroger-Vink符號,以MX型化合物為例： 1.空位（vacancy）用V來表示，符號中的右下標(biāo)表示缺陷所在位置，VM含義即M原子位置是空

6、的。 2.間隙原子（interstitial）亦稱為填隙原子，用Mi、Xi來表示，其含義為M、X原子位于晶格間隙位置。 3. 錯(cuò)位原子 錯(cuò)位原子用MX、XM等表示，MX的含義是M原子占據(jù)X原子的位置。XM表示X原子占據(jù)M原子的位置。,晶體結(jié)構(gòu)缺陷,4. 自由電子(electron)與電子空穴 (hole) 分別用e，和h 來表示。其中右上標(biāo)中的一撇“，”代表一個(gè)單位負(fù)電荷，一個(gè)圓點(diǎn)“ ”代表一個(gè)單位正電荷。,5.帶電缺陷 在NaCl晶體中，取出一個(gè)Na+離子，會在原來的位置上留下一個(gè)電子e，寫成VNa ，即代表Na+離子空位，帶一個(gè)單位負(fù)電荷。同理，Cl離子空位記為VCl ，帶一個(gè)單位正電荷。

7、 即：VNa=VNae，VCl =VClh。,晶體結(jié)構(gòu)缺陷,其它帶電缺陷： 1)CaCl2加入NaCl晶體時(shí)， 若Ca2+離子位于Na+離子位置上，其缺陷符號為CaNa ，此符號含義為Ca2+離子占據(jù)Na+離子位置，帶有一個(gè)單位正電荷。 2)CaZr,表示Ca2+離子占據(jù)Zr4+離子位置，此缺陷帶有二個(gè)單位負(fù)電荷。 其余的缺陷VM、VX、Mi、Xi等都可以加上對應(yīng)于原陣點(diǎn)位置的有效電荷來表示相應(yīng)的帶電缺陷。,晶體結(jié)構(gòu)缺陷,6.締合中心 電性相反的缺陷距離接近到一定程度時(shí)，在庫侖力作用下會締合成一組或一群，產(chǎn)生一個(gè)締合中心， VM和VX發(fā)生締合,記為（VMVX）。,晶體結(jié)構(gòu)缺陷,二、缺陷反應(yīng)表示

8、法,對于雜質(zhì)缺陷而言，缺陷反應(yīng)方程式的一般式：,晶體結(jié)構(gòu)缺陷,1.寫缺陷反應(yīng)方程式應(yīng)遵循的原則,與一般的化學(xué)反應(yīng)相類似，書寫缺陷反應(yīng)方程式時(shí)，應(yīng)該遵循下列基本原則： （1）位置關(guān)系 （2）質(zhì)量平衡 （3）電中性,晶體結(jié)構(gòu)缺陷,（1）位置關(guān)系： 在化合物MaXb中，無論是否存在缺陷，其正負(fù)離子位置數(shù)（即格點(diǎn)數(shù)）的之比始終是一個(gè)常數(shù)a/b，即：M的格點(diǎn)數(shù)/X的格點(diǎn)數(shù)a/b。如NaCl結(jié)構(gòu)中，正負(fù)離子格點(diǎn)數(shù)之比為1/1，Al2O3中則為2/3。,晶體結(jié)構(gòu)缺陷,注意： 位置關(guān)系強(qiáng)調(diào)形成缺陷時(shí)，基質(zhì)晶體中正負(fù)離子格點(diǎn)數(shù)之比保持不變，并非原子個(gè)數(shù)比保持不變。 在上述各種缺陷符號中，VM、VX、MM、XX、

9、MX、XM等位于正常格點(diǎn)上，對格點(diǎn)數(shù)的多少有影響，而Mi、Xi、e，、h等不在正常格點(diǎn)上，對格點(diǎn)數(shù)的多少無影響。 形成缺陷時(shí)，基質(zhì)晶體中的原子數(shù)會發(fā)生變化，外加雜質(zhì)進(jìn)入基質(zhì)晶體時(shí)，系統(tǒng)原子數(shù)增加，晶體尺寸增大；基質(zhì)中原子逃逸到周圍介質(zhì)中時(shí)，晶體尺寸減小。,晶體結(jié)構(gòu)缺陷,（2）質(zhì)量平衡：與化學(xué)反應(yīng)方程式相同，缺陷反應(yīng)方程式兩邊的質(zhì)量應(yīng)該相等。需要注意的是缺陷符號的右下標(biāo)表示缺陷所在的位置，對質(zhì)量平衡無影響。 （3）電中性：電中性要求缺陷反應(yīng)方程式兩邊的有效電荷數(shù)必須相等。,晶體結(jié)構(gòu)缺陷,2.缺陷反應(yīng)實(shí)例,(1)雜質(zhì)(組成)缺陷反應(yīng)方程式雜質(zhì)在基質(zhì)中的溶解過程 雜質(zhì)進(jìn)入基質(zhì)晶體時(shí)，一般遵循雜質(zhì)的正

10、負(fù)離子分別進(jìn)入基質(zhì)的正負(fù)離子位置的原則，這樣基質(zhì)晶體的晶格畸變小，缺陷容易形成。在不等價(jià)替換時(shí)，會產(chǎn)生間隙質(zhì)點(diǎn)或空位。,晶體結(jié)構(gòu)缺陷,例1寫出NaF加入YF3中的缺陷反應(yīng)方程式,以正離子為基準(zhǔn)，反應(yīng)方程式為：,以負(fù)離子為基準(zhǔn)，反應(yīng)方程式為：,晶體結(jié)構(gòu)缺陷,以正離子為基準(zhǔn)，缺陷反應(yīng)方程式為,例2寫出CaCl2加入KCl中的缺陷反應(yīng)方程式,以負(fù)離子為基準(zhǔn)，則缺陷反應(yīng)方程式為,晶體結(jié)構(gòu)缺陷,基本規(guī)律： 低價(jià)正離子占據(jù)高價(jià)正離子位置時(shí)，該位置帶有負(fù)電荷，為了保持電中性，會產(chǎn)生負(fù)離子空位或間隙正離子。 高價(jià)正離子占據(jù)低價(jià)正離子位置時(shí)，該位置帶有正電荷，為了保持電中性，會產(chǎn)生正離子空位或間隙負(fù)離子。,晶體

11、結(jié)構(gòu)缺陷,例3 MgO形成肖特基缺陷 MgO形成肖特基缺陷時(shí)，表面的Mg2+和O2-離子遷移到表面新位置上，在晶體內(nèi)部留下空位:,（2）熱缺陷反應(yīng)方程式,MgMg surface+OO surface MgMg new surface+OO new surface +,以零O（naught）代表無缺陷狀態(tài)，則：,晶體結(jié)構(gòu)缺陷,例4 AgBr形成弗侖克爾缺陷 其中半徑小的Ag+離子進(jìn)入晶格間隙，在其格點(diǎn)上留下空位，方程式為：,晶體結(jié)構(gòu)缺陷,當(dāng)晶體中剩余空隙比較小，如NaCl型結(jié)構(gòu)，容易形成肖特基缺陷； 當(dāng)晶體中剩余空隙比較大時(shí)，如螢石CaF2型結(jié)構(gòu)等，容易產(chǎn)生弗侖克爾缺陷。,一般規(guī)律：,晶體結(jié)構(gòu)

12、缺陷,三、點(diǎn)缺陷的平衡濃度 （1）點(diǎn)缺陷是熱力學(xué)平衡的缺陷在一定溫度下，晶體中總是存在著一定數(shù)量的點(diǎn)缺陷（空位），這時(shí)體系的能量最低具有平衡點(diǎn)缺陷的晶體比理想晶體在熱力學(xué)上更為穩(wěn)定。（原因：晶體中形成點(diǎn)缺陷時(shí)，體系內(nèi)能的增加將使自由能升高，但體系熵值也增加了，這一因素又使自由能降低。其結(jié)果是在G-n曲線上出現(xiàn)了最低值，對應(yīng)的n值即為平衡空位數(shù)。） （2）點(diǎn)缺陷的平衡濃度 平衡時(shí)的空位(或間隙原子)數(shù):,晶體結(jié)構(gòu)缺陷,（2）點(diǎn)缺陷的平衡濃度推導(dǎo)過程 包含N個(gè)原子晶體的中存在n個(gè)空位時(shí)的自由能函數(shù)為: F=U-TS 根據(jù)F取極小值的平衡條件 來確定統(tǒng)計(jì)平衡時(shí)的空位數(shù)n。 令w表示形成一個(gè)空位的能量

13、，則晶體中含n個(gè)空位時(shí)，內(nèi)能將增加 U = n w 晶格中含n 空位時(shí)，整個(gè)晶體將包含N+n個(gè)格點(diǎn)，N個(gè)相同的原子排在格點(diǎn)上的排列方式可以有：,晶體結(jié)構(gòu)缺陷,這將使熵增加S,所以N個(gè)原子的晶體中含n個(gè)空位時(shí)，自由能函數(shù)的改變量為：,應(yīng)用平衡條件，并考慮到只有F與n有關(guān),得到：,實(shí)際上一般只有少數(shù)格點(diǎn)為空位，即nN，所以由上式可得：,上式同樣適用與平衡時(shí)間隙原子的數(shù)目。,晶體結(jié)構(gòu)缺陷,四、點(diǎn)缺陷的產(chǎn)生及其運(yùn)動 1.點(diǎn)缺陷的產(chǎn)生 平衡點(diǎn)缺陷：熱振動中的能力起伏。 過飽和點(diǎn)缺陷：外來作用，如高溫淬火、輻照、冷加工等。 2.點(diǎn)缺陷的運(yùn)動（遷移、復(fù)合濃度降低；聚集濃度升高塌陷）,晶體結(jié)構(gòu)缺陷,五、點(diǎn)缺陷

14、與材料行為 （1）結(jié)構(gòu)變化：晶格畸變（如空位引起晶格收縮，間隙原子引起晶格膨脹，置換原子可引起收縮或膨脹。） （2）性能變化：物理性能（如電阻率增大，密度減小。） 力學(xué)性能（屈服強(qiáng)度提高。）,晶體結(jié)構(gòu)缺陷,位錯(cuò)模型提出的背景 完整晶體塑性變形-滑移的模型-金屬晶體的理論強(qiáng)度-理論強(qiáng)度比實(shí)測強(qiáng)度高出幾個(gè)數(shù)量級-晶體缺陷的設(shè)想-線缺陷（位錯(cuò)）的模型-以位錯(cuò)滑移模型計(jì)算出的晶體強(qiáng)度，與實(shí)測值基本相符。,2.3 線缺陷（line defects ，dislocation ）,晶體結(jié)構(gòu)缺陷,一、晶體的塑性和強(qiáng)度 二、位錯(cuò)的類型 三、位錯(cuò)的伯格斯矢量(Burgers vector) 及位錯(cuò)的性質(zhì) 四、位錯(cuò)

15、的應(yīng)力場與應(yīng)變能 五、位錯(cuò)的運(yùn)動 六、位錯(cuò)的反應(yīng),晶體結(jié)構(gòu)缺陷,一、晶體的塑性和強(qiáng)度,（一）完整晶體的塑性變形方式 1.晶體在外力作用下的滑移 2.晶體在外力作用下的孿生 （二）完整晶體的理論切變強(qiáng)度,晶體結(jié)構(gòu)缺陷,（一）完整晶體的塑性變形方式,1.晶體在外力作用下的滑移（圖） 滑移：晶體的一部分相對于另一部分產(chǎn)生的相對移動. 滑移的結(jié)果：使晶體的尺寸沿受力方向拉長。 滑移的可能性（滑移系統(tǒng)）：在最密排晶面（稱為滑移面）的最密排晶向（稱為滑移方向）上進(jìn)行。 晶體滑移的臨界分切應(yīng)力（c）：開動晶體滑移系統(tǒng)所需的最小分切應(yīng)力。 2.晶體在外力作用下的孿生 在外力作用下，晶體的一部分相對于另一部分，

16、沿著一定的晶面和晶向發(fā)生切變，切變之后，兩部分晶體的位向以切變面為鏡面呈對稱關(guān)系。,晶體結(jié)構(gòu)缺陷,圖2-6 外力作用下晶體滑移示意圖（微觀）,晶體結(jié)構(gòu)缺陷,圖2-7 單晶試棒在拉伸應(yīng)力作用下的變化（宏觀）,（a）變形前,（b）變形后,晶體結(jié)構(gòu)缺陷,圖2-8 面心立方晶體（111）孿生示意圖,(b)（ ）晶面：孿生過程中 （111）晶面的移動情況,(a)孿生面、孿生方向 的方位,晶體結(jié)構(gòu)缺陷,按照完整晶體滑移模型，使晶體滑移所需的臨界切應(yīng)力，即使整個(gè)滑移面的原子從一個(gè)平衡位置移動到另一個(gè)平衡位置時(shí)，克服能壘所需要的切應(yīng)力，晶面間的滑移是滑移面上所有原子整體協(xié)同移動的結(jié)果，這樣可以把晶體的相對滑移

17、簡化為兩排原子間的滑移，晶體的理論切變強(qiáng)度m為： Gx/a=msin（2x/）=m2x/ 當(dāng)x很小時(shí)，于是， m=G/（2a） 對于簡單立方晶體，a=，則 m=G/（2）,（二）完整晶體的理論切變強(qiáng)度,晶體結(jié)構(gòu)缺陷,滑移機(jī)理：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 E/15,F,晶體結(jié)構(gòu)缺陷,二、位錯(cuò)的類型,晶體在不同的應(yīng)力狀態(tài)下，其滑移方式不同。根據(jù)原子的滑移方向和位錯(cuò)線取向的幾何特征不同，位錯(cuò)分為刃位錯(cuò)、螺位錯(cuò)和混合位錯(cuò)。,晶體結(jié)構(gòu)缺陷,形成及定義（圖2-11） ： 晶體在大于屈服值的切應(yīng)力作用下，以ABCD面為滑移面發(fā)生滑移。EF是晶體已滑移部分和未滑移部分的交線，

18、猶如砍入晶體的一把刀的刀刃，即刃位錯(cuò)（或棱位錯(cuò)）。 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” 。符號中水平線代表滑移面，垂直線代表半個(gè)原子面。,（一）、刃位錯(cuò),晶體結(jié)構(gòu)缺陷,圖2-11 刃位錯(cuò)示意圖,晶體結(jié)構(gòu)缺陷,晶體結(jié)構(gòu)缺陷,形成及定義（圖2-12） ： 晶體在外加切應(yīng)力作用下，沿ABCD面滑移，圖中EF線為已滑移區(qū)與未滑移區(qū)的分界處。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

19、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，分別以符號“”和“”表示。其中小圓點(diǎn)代表與該點(diǎn)垂直的位錯(cuò)，旋轉(zhuǎn)箭頭表示螺旋的旋轉(zhuǎn)方向。它們之間符合左手、右手螺旋定則。,（二）、螺位錯(cuò),晶體結(jié)構(gòu)缺陷,圖2-12 螺位錯(cuò)形成示意圖,晶體結(jié)構(gòu)缺陷,圖 2-13,（a）與螺位錯(cuò)垂直的晶面的形狀,（b）螺位錯(cuò)滑移面兩側(cè)晶面上原子的滑移情況,晶體結(jié)構(gòu)缺陷,螺位錯(cuò)與晶體生長,晶體結(jié)構(gòu)缺陷,在外力作用下，兩部分之間發(fā)生相對滑移，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（伯氏矢量b），這樣的位錯(cuò)稱為混合位錯(cuò)。如圖2-14所示。 位錯(cuò)線上任意一點(diǎn)，經(jīng)矢量分解后，可分解為刃

20、位錯(cuò)和螺位錯(cuò)分量。晶體中位錯(cuò)線的形狀可以是任意的，但位錯(cuò)線上各點(diǎn)的伯氏矢量相同，只是各點(diǎn)的刃型、螺型分量不同而已。,（三）、混合位錯(cuò),晶體結(jié)構(gòu)缺陷,圖2-14 (1),（a）混合位錯(cuò)的形成,（b）混合位錯(cuò)分解為刃位錯(cuò)和螺位錯(cuò)示意圖,晶體結(jié)構(gòu)缺陷,圖2-14 (2),（c）混合位錯(cuò)線附近原子滑移透視圖,晶體結(jié)構(gòu)缺陷,三、位錯(cuò)的伯格斯矢量（Burgers vector）及位錯(cuò)的性質(zhì),伯格斯矢量：晶體中有位錯(cuò)存在時(shí)，滑移面一側(cè)質(zhì)點(diǎn)相對于另一側(cè)質(zhì)點(diǎn)的相對位移或畸變。 性質(zhì)：其大小表征了位錯(cuò)的單位滑移距離，方向與滑移方向一致。,晶體結(jié)構(gòu)缺陷,1.確定伯格斯矢量的步驟(避開嚴(yán)重畸變區(qū)) a 在位錯(cuò)周圍沿著

21、點(diǎn)陣結(jié)點(diǎn)形成封閉回路。 b 在理想晶體中按同樣順序作同樣大小的回路。 c 在理想晶體中從終點(diǎn)到起點(diǎn)的矢量即為。 如圖2-15所示。 2 .伯氏矢量的表示方法 b = auvw/n （轉(zhuǎn)下頁）,晶體結(jié)構(gòu)缺陷,圖2-15 簡單立方結(jié)構(gòu)中， 圍繞刃位錯(cuò)的伯格斯回路,晶體結(jié)構(gòu)缺陷,晶體結(jié)構(gòu)缺陷,晶體結(jié)構(gòu)缺陷,2 .伯氏矢量的表示方法 和晶向表示法類似，但是要加上表示伯氏矢量大小的“?！?， 即：,如右圖立方晶體中的Ob，其晶向指數(shù)為110，伯氏矢量 b1=1a+1b+1c, 可表示為b=a110,晶體結(jié)構(gòu)缺陷,3.柏氏矢量的物理意義 a 代表位錯(cuò)，并表示其特征（強(qiáng)度、畸變量）。 b 表示晶體滑移的方向和

22、大小。 c 柏氏矢量的守恒性（唯一性）： 一條位錯(cuò)線具有唯一的柏氏矢量。 d 判斷位錯(cuò)的類型。,晶體結(jié)構(gòu)缺陷,4 、位錯(cuò)密度及連續(xù)性 （1）單位體積中位錯(cuò)線的總長度， L / V 式中： 為位錯(cuò)密度, 單位為 m-2， L 為位錯(cuò)線總長度,單位為 m, V 為體積,單位為 m3。 （2）晶體強(qiáng)度與位錯(cuò)密度的關(guān)系 （3）位錯(cuò)觀察：浸蝕法、電境法。 （4）位錯(cuò)線的連續(xù)性：位錯(cuò)線不可能中斷于晶體內(nèi)部。在晶體內(nèi)部，位錯(cuò)線要么自成環(huán)狀回路，要么與其它位錯(cuò)相交于節(jié)點(diǎn)，要么穿過晶體終止于晶界或晶體表面。,晶體結(jié)構(gòu)缺陷,強(qiáng)度與位錯(cuò)密度的關(guān)系（-圖）,退火金屬中位錯(cuò)密度一般為10101012/m2 左右。位錯(cuò)的

23、存在極大地影響金屬的機(jī)械性能。當(dāng)金屬為理想晶體或僅含極少量位錯(cuò)時(shí), 金屬的屈服強(qiáng)度s很高, 當(dāng)含有一定量的位錯(cuò)時(shí), 強(qiáng)度降低。當(dāng)進(jìn)行形變加工時(shí), 位錯(cuò)密度增加, s將會增高。經(jīng)劇烈冷加工的金屬晶體中，為10141016/m2,晶體結(jié)構(gòu)缺陷,不銹鋼中的位錯(cuò)線(TEM像),晶體結(jié)構(gòu)缺陷,刃位錯(cuò)的高分辨像,晶體結(jié)構(gòu)缺陷,四、位錯(cuò)的應(yīng)力場與應(yīng)變能,理論基礎(chǔ)：連續(xù)彈性介質(zhì)模型 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。 位錯(cuò)的應(yīng)力場: 刃位錯(cuò)上面的原子處于壓應(yīng)力狀態(tài)，為壓應(yīng)力場，刃位錯(cuò)下面的原子處于張應(yīng)力狀態(tài)，為張應(yīng)力場。 圍繞一個(gè)螺位錯(cuò)的晶體圓柱體區(qū)

24、域也有應(yīng)力場存在。,晶體結(jié)構(gòu)缺陷,位錯(cuò)的應(yīng)變能Wtot 位錯(cuò)使其周圍點(diǎn)陣畸變，點(diǎn)陣能量增加，點(diǎn)陣所增加的能量即為位錯(cuò)的應(yīng)變能。包括兩部分：Wtot=Wcore+Wel （1）位錯(cuò)核心能Wcore ，在位錯(cuò)核心幾個(gè)原子間距ro=2|b|=2b以內(nèi)的區(qū)域，滑移面兩側(cè)原子間的錯(cuò)排能即相當(dāng)于位錯(cuò)核心能。錯(cuò)排能約占位錯(cuò)能的1/10，可忽略。 （2）彈性應(yīng)變能Wel ，在位錯(cuò)核心區(qū)以外，長程應(yīng)力場作用范圍所具有的能量，約占位錯(cuò)能的9/10。,晶體結(jié)構(gòu)缺陷,總之：（1）位錯(cuò)的彈性應(yīng)變能WellnR，即隨R緩慢地增加，所以位錯(cuò)具有長程應(yīng)力場。 （2）位錯(cuò)的能量是以單位長度的能量來定義的，直線位錯(cuò)更穩(wěn)定。 （3

25、）位錯(cuò)的彈性應(yīng)變能可進(jìn)一步簡化為一個(gè)簡單的函數(shù)式：W=Gb2。 式中W為單位長度位錯(cuò)線的彈性應(yīng)變能，G是剪切模量，b是柏氏矢量， =1/4lnR/r0 其中R是晶體的外徑、r0 是位錯(cuò)核心的半徑，系數(shù)由位錯(cuò)的類型、密度（R值）決定，其值的范圍為0.51.0。 意義：上式表明Wb2，故可用柏氏矢量的大小來判斷晶體哪些地方最容易形成位錯(cuò)。,晶體結(jié)構(gòu)缺陷,五、位錯(cuò)的運(yùn)動,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，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，位錯(cuò)在垂直滑移方向的運(yùn)動，結(jié)果導(dǎo)致空位或間隙原子的增值或減少。,晶體結(jié)構(gòu)缺陷,（一）位錯(cuò)的滑移,1.位錯(cuò)滑移的機(jī)理（圖2-16）

26、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)移動很小的距離完成的。,圖2-16 刃位錯(cuò)的滑移,（a）正刃位錯(cuò)滑移方向與外力方向相圖,（b）負(fù)刃位錯(cuò)滑移方向與外力方向相反,晶體結(jié)構(gòu)缺陷,多個(gè)位錯(cuò)的運(yùn)動導(dǎo)致晶體的宏觀變形。 比喻：地毯的挪動、蛇的爬行等。,晶體結(jié)構(gòu)缺陷,刃型位錯(cuò)的滑移：具有唯一的滑移面 切應(yīng)力方向與位錯(cuò)線垂直； 晶體滑移方向與位錯(cuò)運(yùn)動方向一致。,晶體結(jié)構(gòu)缺陷,螺型位錯(cuò)的滑移：具有多個(gè)滑移面。 切應(yīng)力方向與位錯(cuò)線平行； 晶體滑移方向與位錯(cuò)運(yùn)動方向垂直。,晶體結(jié)構(gòu)缺陷,從柏氏矢量角度，對任何位錯(cuò)： 切應(yīng)力方向與柏氏矢量一致； 晶體滑移與柏氏矢量一致。,圓形標(biāo)記在刃位錯(cuò)和螺位錯(cuò)滑移后的變

27、化,晶體結(jié)構(gòu)缺陷,刃位錯(cuò)的運(yùn)動,螺位錯(cuò)的運(yùn)動,混合位錯(cuò)的運(yùn)動,晶體結(jié)構(gòu)缺陷,2.位錯(cuò)的滑移特點(diǎn)總結(jié)： （1）刃位錯(cuò)滑移方向與外力及伯氏矢量b平行，正、負(fù)刃位錯(cuò)滑移方向相反。 （2）螺位錯(cuò)滑移方向與外力及伯氏矢量b垂直，左、右螺型位錯(cuò)滑移方向相反。 （3）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）。 （4）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。,晶體結(jié)構(gòu)缺陷,（二）、位錯(cuò)的攀移,位錯(cuò)的攀移指在熱缺陷或外力作用下，位錯(cuò)線在垂直其滑移面方向上的運(yùn)動，結(jié)果導(dǎo)致晶體中空位或間隙質(zhì)點(diǎn)的增殖或減少。使刃型位錯(cuò)多余半原子面的伸長或縮短。 攀移

28、的機(jī)制：通過原子的擴(kuò)散而實(shí)現(xiàn)（滑移與原子擴(kuò)散無關(guān)） 螺位錯(cuò)沒有多余半原子面，故無攀移運(yùn)動。 分類：正攀移（半原子面向上移動） 負(fù)攀移（半原子面向下移動）。,晶體結(jié)構(gòu)缺陷,特點(diǎn)：位錯(cuò)線跟著半原子面上下移動，所以位錯(cuò)線的運(yùn)動方向和伯氏矢量垂直 應(yīng)力的作用：只有正應(yīng)力才對位錯(cuò)的攀移才起作用，（半原子面?zhèn)龋簯?yīng)力有利于正攀移，拉應(yīng)力有利于負(fù)攀移。切應(yīng)力對位錯(cuò)的攀移無效。 對溫度的敏感性：位錯(cuò)攀移是一個(gè)熱激活過程高溫下攀移較多，常溫下攀移對位錯(cuò)的貢獻(xiàn)不大。 割階：攀移時(shí)位錯(cuò)線并不是同步向上或向下運(yùn)動，而是原子逐個(gè)加入，所以攀移時(shí)位錯(cuò)線上帶有很多臺階，這些臺階稱為割階。,晶體結(jié)構(gòu)缺陷,晶體結(jié)構(gòu)缺陷,晶體結(jié)

29、構(gòu)缺陷,圖2-17 刃位錯(cuò)攀移示意圖,（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）,晶體結(jié)構(gòu)缺陷,六、位錯(cuò)的反應(yīng),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，此即位錯(cuò)反應(yīng)。位錯(cuò)能否發(fā)生反應(yīng)，取決于兩個(gè)條件： 其一，必須滿足伯氏矢量的守恒性； 其二，必須滿足能量條件。,晶體結(jié)構(gòu)缺陷,在同一滑移面的兩個(gè)異向位錯(cuò)的相互作用，相互吸引、反應(yīng)導(dǎo)致位錯(cuò)消失，變成完整晶體。 兩個(gè)異向位錯(cuò)，在不同滑移面，上下錯(cuò)開一個(gè)原子間距，反應(yīng)結(jié)果生成一排空位。 同向位錯(cuò)，在不同滑移面，當(dāng)兩者所成角度45度時(shí)，壓應(yīng)力重疊，張應(yīng)力重疊，結(jié)果互相排斥，導(dǎo)致遠(yuǎn)離；當(dāng)兩者所成角

30、度45度時(shí)，結(jié)果互相吸引，導(dǎo)致接近。,晶體結(jié)構(gòu)缺陷,2.4 面缺陷（surface defects）,面缺陷是將材料分成若干區(qū)域的邊界，如表面、晶界、界面、層錯(cuò)、孿晶面等。 一、晶界（位錯(cuò)界面） (一)小角度晶界(small angle grainboundary) (二)亞晶界 (三)大角度晶界 二、堆積層錯(cuò) 三、反映孿晶界面,晶體結(jié)構(gòu)缺陷,一、晶界（位錯(cuò)界面）,(一)小角度晶界(small angle grain boundary) 晶界的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)與相鄰晶粒的取向差有關(guān)，晶粒位向差小于10度的晶界稱為小角度晶界。 根據(jù)形成晶界時(shí)的操作不同，晶界分為傾斜晶界(tilt boundary)和扭轉(zhuǎn)晶界(twist boundary)， 如圖2-18所示。,晶體結(jié)構(gòu)缺陷,圖2-18 傾斜晶界與扭轉(zhuǎn)晶界示意圖,晶體結(jié)構(gòu)缺陷,圖2-19是簡單立方結(jié)構(gòu)晶體中界面為（100）面的傾斜晶界在（001）面上的投影，其兩側(cè)晶體的位向差為，相當(dāng)于相鄰晶粒繞001軸反向各自旋轉(zhuǎn)/2而成。幾何特征是相鄰兩晶粒相對于晶界作旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)軸在晶界內(nèi)并與位錯(cuò)線平行。為了填補(bǔ)相鄰兩個(gè)晶粒取向之間的偏差，使原子的排列盡可能接近原來的完整晶格，每隔幾行就插入一片原子。,圖2-19 簡單立方晶體中的