《材料科学基础配套课件第三章缺陷》由会员分享，可在线阅读，更多相关《材料科学基础配套课件第三章缺陷（109页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第三章 固态中的缺陷 Imperfections in Solids,W样品的场离子(Field ion)显微分析照片,学 习 内 容,点缺陷 线缺陷 面缺陷 微观探测,并不存在实际的理想晶体，材料中普遍存在大 量的缺陷（热运动、加工条件、杂质等因素造成）； 缺陷影响材料性质，有些是有利于材料的利用（电阻率、磁导率、屈服强度、塑性等）； 缺陷的形式与角色（点、线、面缺陷；扩散、相变、再结晶、氧化、烧结等） 例如：合金sterling silver（92.5%Ag, 7.5%Cu，标准纯银，可以看作有缺陷），硬度比纯silver（可以看作理想晶体）提高 例如：集成电路中对缺陷的控制,缺陷的作用,
2、缺 陷 种 类 Imperfections, Defects,点缺陷（Point defects）：最简单的晶体缺陷，在结点上或邻近的微观区域内偏离晶体结构的正常排列。在空间三维方向上的尺寸都很小，约为一个、几个原子间距，又称零维缺陷。 包括空位、间隙原子、杂质、溶质原子等。 线缺陷（Linear defects）：在一个方向上的缺陷扩展很大，其它两个方向上尺寸很小，也称为一维缺陷。主要为位错。 面缺陷（Interfacial defects）：在两个方向上的缺陷扩展很大，其它一个方向上尺寸很小，也称为二维缺陷。 包括晶界、相界、孪晶界、堆垛层错等。,点缺陷 Point Defects 空位
3、vacancy,空位：指未被原子占据的晶格结点。空位产生后，其周围原子相互间的作用力失去平衡，因而它们朝空位方向稍有移动，形成一个涉及几个原子间距范围的弹性畸变区，即晶格畸变。,空位,空 位 种 类,肖脱基（Schottky）空位：原子迁移到晶体表面或内表面的正常结点位置，使晶体内部留下空位。,弗兰克尔（Frenkel）缺陷：在晶体中形成数目相等的空位和间隙原子。,点缺陷 Point Defects 间隙原子 self-interstitial,间隙原子：指处于晶格间隙位置的间隙原子。同样会使周围点阵产生弹性畸变，而且畸变程度要比空位引起的畸变大的多，因此，形成能大，在晶体中的浓度很低。,间隙
4、原子,点缺陷对晶体性能的影响 点缺陷破坏了原子的平衡状态，使晶格发生扭曲，称晶格畸变。 从而使强度、硬度提高，塑性、韧性下降；电阻升高，密度减小等。,点缺陷的形成条件 原子热运动,点缺陷的平衡浓度： 设由N个原子组成的晶体中含有n个空位，形成一个空位所需能量为Ev，振动熵为Sf，k为波尔兹曼常数，则空位在T温度时的空位平衡浓度C： 类似的，间隙原子平衡浓度C ： 一般，晶体中间隙原子的形成能比空位的形成能大3-4倍，间隙原子的量与空位相比可以忽略。 热平衡缺陷（thermal equilibrium defects） ：由于热起伏促使原子脱离点阵位置而形成的点缺陷。,点缺陷的形成条件 外部条件
5、,除晶体内原子的热运动的内部条件外，形成点缺陷的外部条件包括高温淬火、冷变形加工、高能粒子辐照等，这时的点缺陷浓度超过了平衡浓度，称为过饱和的点缺陷(supersaturated point defects) 。,高分子晶体点缺陷,除空位、间隙原子、杂质原子等点缺陷外，还有其特有的点缺陷： （a）分子链上的异常键合 （b）分子链位置交换 （c）分子链相对方向折叠,陶瓷（离子晶体）的点缺陷,要满足电中性的要求，为维持电的中性需产生正离子、负离子的空位、或空位对。例如，正常的FeO结构与NaCl相同，但由于部分Fe2+被Fe3+取代，因此为了平衡2个Fe3+引起的多余电荷，必然出现1个Fe2+空位
6、。,电荷缺陷：受激逃逸电子占据负离子空位，在原来位置形成带正电空位，这种构成的并发缺陷称为F心（色心）；空位进入正离子空位，形成V心（色心）。在卤化碱中经常出现，对导电性有明显影响；色心是能吸收可见光的晶体缺陷，使卤化碱晶体赋色。,点缺陷的运动,必然性：在一定温度下，点缺陷数目（浓度）一定，并处于不断的运动过程中。 迁移：晶格上的原子由于热运动，跳入空位中，形成另一个空位，原来空位消失。这一过程可以看作空位的移动，即空位迁移。同样，间隙原子可从一个位置移动到另一个位置，形成间隙原子迁移。 复合：间隙原子落入空位，使两者都消失。由于要求一定温度下的点缺陷平衡浓度保持一定，因此，又会产生新的间隙原
7、子、空位。,点缺陷运动的作用： 自扩散：点缺陷的运动导致晶体中原子的无规则运动，即自扩散，是固态相变、表面化学热处理、蠕变、烧结的基础 晶体性能的变化：体积、光学、磁性、导电性等改变,Example Problem,Calculate the equilibrium number of vacancies per cubic meter for copper （Cu）at 1000oC. The energy for vacancy formation（ Ev） is 0.9 eV/atom; the atomic weight（ ACu）and density（ ）(at 1000oC) f
8、or copper are 63.5 g/mol and 8.4 g/cm3, respectively. Solution: 为计算每立方米铜（ 1000oC）中的空位，需先了解在此体积内的铜原子个数N， N=(NA)/Acu = 8.0x1028 atoms/m3 其中NA为Avogadros number 根据空位平衡浓度公式 C = n/N =A exp(-Ev/kT) (按A=1考虑） 每立方米铜中的空位数（1000oC即1273K）为 NC =N exp(-Ev/kT ) = 2.2x1025 vacancies/m3 其中k为Boltzmans constant（1.38x10-
9、23 J/K或8.62x10-5 ev/K),线缺陷 Linear Defects 位错 Dislocation,线缺陷：是各种类型的位错，指晶体中的原子发生了有规律的错排现象 其特点是原子发生错排的范围只在一维方向上很大，是一个直径为35个原子间距，长数百个原子间距以上的管状原子畸变区 位错是一种极为重要的晶体缺陷，对金属强度、塑性变形、扩散和相变等有显著影响。 位错包括两种基本类型：刃型位错和 螺型位错,钛合金Titanium alloy中的位错 TEM 51450 x,位错理论的发展,起源：塑性变形(plastic deformation) 滑移(slip) 滑移线 最初模型：“刚性相对
10、滑动模型” 计算临界切应力 m = G/30 （G 切变模量） 纯铁的理论临界切应力：约3000MPa 纯铁的实际屈服强度： 1 10MPa 1934年，Taylor、Orowan、Polanyi提出“位错模型”， 滑移是通过称为位错的运动而进行的 1950年代，位错模型为试验所验证 现在，位错是晶体的性能研究中最重要的概念 固态相变、晶体光、电、声、磁、热力学，表面及催化等,位错基本类型、特征 1、刃型位错（edge dislocation）,刃型位错：一简单立方晶体，有一原子面在晶体内部中断，犹如用一把锋利的钢刀将晶体上半部分切开，沿切口硬插入一额外半原子面一样，将刃口处的原子列(AD)称
11、之为刃型位错。,刃型位错的特点,刃型位错线可以理解为已滑移区和未滑移区的分界线，它不一定是直线； 若额外半原子面位于晶体的上半部，则此处的位错线称为正刃型位错（ ），反之，则称为负刃型位错（ ）。,刃型位错的特点,滑移面是同时包括位错线和滑移矢量的平面，刃型位错的位错线和滑移矢量互相垂直，一个刃型位错所构成的滑移平面只有一个； 位错线上、下部临近范围内原子受到压应力、拉应力, 离位错线较远处原子排列恢复正常。,位错基本类型、特 征 2、螺型位错（screw dislocation）,螺型位错：位错附近的原子是按螺旋形排列的。 位错线（bb）：已滑移区和未滑移区的分界线。 畸变区（aabb）：约
12、几个原子间距宽、上下层原子位置不相吻合的过渡区，原子的正常排列遭破坏。螺型位错也是线缺陷。,螺型位错的特点,螺型位错无额外半原子面，原子错排呈轴对称； 根据位错线附近，呈螺旋形排列的原子的旋转方向不同，可分为右旋和左旋螺型位错；,螺型位错的特点,螺型位错的位错线，与滑移矢量平行，因此是直线；位错线的移动方向与晶体滑移方向互相垂直 纯螺型位错的滑移面不是唯一的；位错在原子密排面上进行 螺型位错周围的点阵发生弹性畸变，只有切应变，无正应变,位错基本类型、特 征 3、混合位错（ mixed dislocation ）,混合位错：一种更为普遍的位错形式，其滑移矢量既不平行也不垂直于位错线，而与位错线相
13、交成任意角度。可看作是刃型位错和螺型位错的混合形式,混合位错的特点,混合位错线是一条曲线； 位错线不能终止于晶体内部，而只能露头于晶体表面（晶界）； 位错线若终止于晶体内部，则必与其他位错线相连接，或形成封闭的位错环。,柏氏矢量 Burgers vector,柏氏矢量 b: 用于表征不同类型位错的特征的一个物理参量，是决定晶格偏离方向与大小的向量，可揭示位错的本质，是1939年柏格斯(J.M. Burgers）提出采用柏氏回路来定义的。,柏氏矢量的确定,1）选定位错线的正向 2）在实际晶体中，从任一原子出发，围绕位错以一定的部数作一右旋闭合回路； 3) 在完整晶体中，按同样方法和部数作相应的回
14、路，该回路不闭合，由终点向起点引 一矢量b，使该回路闭合。 矢量b就是该位错的柏氏矢量,混合位错,位错的特征,刃型位错,螺型位错,柏氏矢量的特性,物理量：是一个反映位错周围点阵畸变总积累的物理量 位错是柏氏矢量不为零的晶体缺陷 矢量方向：表示位错的性质与取向，表示位错运动导致晶体滑移的方向 矢量的模 b：表示该位错畸变的程度（或称位错的强度），也可表示该位错 导致的晶体滑移的大小 模的平方b2 ：位错的畸变能与柏氏矢量的模的平方的大小成正比 守恒性：柏氏矢量与回路起点及具体途径无关 唯一性：一根不分叉的位错线具有唯一的柏氏矢量，与位错的类型、 形状、是否运动无关 矢量计算：柏氏矢量可分解、求和
15、，满足矢量运算 位错的连续性：位错不能中断于晶体内部，但可以形成一个封闭的位 错环，或连接于晶界、位错结点，或终于表面,柏氏矢量的表示,柏氏矢量的表示与晶向指数uvw相似，但需要在晶向指数的基础上 把矢量的模也表示出来， 在立方晶系中，柏氏矢量可表示为： （n为正整数） 位错的强度： 如果位错b是位错 b1、b2之矢量和， 则： 同一晶体中，柏氏矢量越大，该位错的点阵畸变越严重，其能量越高。 能量较高的位错，趋于分解为多个能量较低的位错。 如果 b b1 + b2； 则 b2 b12 +b22,位错的运动 Dislocation motion,位错运动是位错的重要性质之一，它与晶体的力学性能，
16、如强度、塑性、断裂等密切相关 位错的运动方式主要是： 滑移 slip 攀移 climb 位错的滑移（守恒运动）：在外加切应力作用下，位错中心附近的原子沿柏氏矢量方向在滑移面上不断作少量位移（小于一个原子间距）而逐步实现,刃型位错滑移,螺型位错滑移,交滑移：由于螺型位错可有多个滑移面，螺型位错在原滑移面上运动受阻时，可转移到与之相交的另一个滑移面上继续滑移。,晶带定律！,混合型位错滑移,混合型位错,刃型位错 螺型位错,位错滑移的特点,1) 刃型位错滑移的切应力方向与位错线垂直，而螺型位错滑移的切应力方向与位错线平行； 2) 无论刃型位错还是螺型位错，位错的运动方向总是与位错线垂直的；（柏氏矢量方向代表晶体的滑移方向） 3) 刃型位错引起的晶体的滑移方向与位错运动方向一致，而螺型位错引起的晶体的滑移方向与位错运动方向垂直； 4) 使位错滑移的切应力方向与柏氏矢量一致；位错滑移后，滑移面两侧晶体的相对位移与柏氏矢量一致。 5) 对螺型位错，如果在
