第三章 晶体缺陷-2打印版

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1、1,第三章 晶体缺陷,蒲锡鹏 2008,2,本章章节结构,3.1 点缺陷 3.2 位错 3.3 表面及界面,3,本章学习重点与难点,点缺陷的形成与浓度 柏氏矢量 位错的基本类型和特征 滑移和攀移 交割，形成的扭折及割阶 螺、刃的应力场及特点,位错的受力及相互作用 位错的增殖 堆垛层错及不全位错 位错反应的条件 小角和大角晶界模型 晶界能与晶界特性 孪晶界与相界,4,为什么要讲晶体缺陷？,日常生活中不可缺少的，有用，所以要研究。 不可避免的，有害，研究怎么去控制。,5,晶体缺陷是不可缺少的!,日常荧光灯照明 （与白炽灯相比节电80%） 充惰性气体和汞蒸气，主要发紫外光，激发内壁中的荧光粉（三基色

2、，主要是稀土掺杂的无机粉体） 通过调节荧光粉的比例及厚度得到白光,6,白色LED照明 (White Light Emitting Diodes),白色LED光源结构 发光原理： 蓝色黄色,7,Oxynitride and nitride phosphors excited under blacklight (365 nm).,8,封装好的LED,不同颜色的LED,9,CRT彩色显示器 每个点，由红绿蓝三个点组成，每个点都刷上三种不同的荧光粉。,10,材料变形时，位错的运动 所以变形的微观机制与位错的产生和运动有关,11,晶体缺陷也是不可避免的,完美晶体：质点严格按照空间点阵排列。 实际晶体：由

3、于晶格热振动、加工过程的受力、杂质等因素，都会使晶格排列不规整，缺陷。 在实际的晶体结构中，原子（离子、原子团）并非完整地完全有规律排列的，存在各种不完整性。即晶体缺陷。,人无完人,12,晶体缺陷的分类,线缺陷,晶体缺陷,面缺陷,点缺陷,几何形态,13,3.1、 点缺陷,空位 间隙原子 错位原子或离子 外来原子或离子 双空位等复合体,点缺陷 （零维缺陷）,作用范围,14,各种点缺陷 2与5的区别,影响范围 结点上和邻近微观的区域,15,16,热缺陷质点的热振动引起，与温度有关系。 一定温度下，缺陷的数量总是处于饱和、热力学稳定的，是动态平衡状态。 过饱和状态：由于淬火、加工和高能粒子辐照 淬火

4、后，缺陷的数量是过饱和的，热力学不稳定的，但是动力学上稳定的。,点缺陷产生的原因,怎么消除这种过饱和的点缺陷？,退火处理！,17,高分子晶体中特有的缺陷: 链中的异常键合、链的交换、链折叠 图3.2 离子晶体中 电中性，空位及间隙也会迁移，所以会引起电导的变化。 电荷缺陷：电子摆脱原子核的束缚，成为载流子。成为电子及电子空穴缺陷，引起周围势场的畸变。色心,不同材料中的一些特殊缺陷,18,在一定温度下，热缺陷是处在不断地产生和消失的过程中，当单位时间产生和复合而消失的数目相等时，系统达到平衡，热缺陷的数目保持不变。,单纯由晶格热振动而引起的晶体缺陷,19,晶体中引入点缺陷后： 1、造成点阵畸变，

5、使晶体的内能升高，降低了晶体的热力学稳定性 2、引起组态熵和振动熵的改变，使晶体熵值增大，增加了晶体的热力学稳定性。 这两个相互矛盾的因素使得晶体中的点缺陷在一定的温度下有一定的平衡浓度。,点缺陷的热力学分析,20,设自由能 F=UTS U为内能，S为系统熵（包括振动熵Sf和排列熵SC） 设在温度T时，含有N个结点的晶体中形成n个空位，与无空位晶体相比 F=nEVTS S=SCnSf n个空位引入，可能的原子排列方式,21,22,23,24,在同一温度下，晶体中间隙原子的平衡浓度C 要比空位的平衡浓度C低得多。 相对于空位，间隙原子可以忽略不计；但是在高能粒子辐照后，产生大量的弗兰克尔缺陷，间

6、隙原子数就不能忽略了。 由于离子晶体中点缺陷的形成能很大，所以在平衡状态下浓度很小。,25,点缺陷的运动,缺陷的运行及物质的迁移 空位或间隙原子不断复合，不断产生，不断运动，从而造成了物质的迁移,26,通过迁移实现结构的变化，从而就有了相变、蠕变、烧结等。 结构发生变化性能变化。 电阻？，体积？，密度？，金属的屈服强度？,27,3.2、位错 (line defects ，dislocation ),位错模型的提出及背景 完整晶体塑性变形滑移模型金属晶体的理论强度理论强度比实测强度高出几个数量级 晶体缺陷的设想 线缺陷（位错）的模型 以位错滑移模型计算出的晶体强度，与实测值基本相符。,28,理想

7、晶体的滑移模型,29,实际晶体的滑移模型,30,拉伸变形及位错线,31,Ni-Cr-Ti-C中的位错网络,32,位错的分类,位错可以分为两类：刃位错和螺旋位错。 1、刃位错,33,ZnO中的 刃位错,34,氧化锌纳米线,35,36,刃位错示意图,位错线,滑移面,37,刃位错的结构特点： 1、表示方法；正负之分 2、位错线可以是折线或曲线，但它必与滑移方向（矢量）相垂直；（图） 3、滑移面的唯一性：由位错线滑移矢量确定 4、受力情况。张应力区和压应力区； 5、畸变区能量大，而且是个通道（不一定是直线）。,38,2、螺旋位错,39,40,41,螺旋位错的结构特点： 1、无额外半原子面。 2、 螺型

8、位错可分为右旋和左旋螺型位错。 3、螺型位错线一定是直线，而且位错线与与晶体滑移方向相平行。 4、纯螺型位错的滑移面不是唯一的。凡是包含螺型位错线的平面都可以作为它的滑移面。但实际上，滑移通常是在那些原子密排面上进行。 ,42,5、螺型位错线周围的点阵也发生了弹性畸变，但是，只有切应变而无正应变，即不会引起体积膨胀和收缩，且在垂直于位错线的平面投影上，看不到原子的位移，看不出有缺陷。 6、螺型位错周围的点阵畸变随离位错线距离的增加而急剧减少，故它也是包含几个原子宽度的线缺陷。 ,43,3、混合位错,44,7/19/2005,44,Screw,Edge,45,混合位错的结构特点： 1、滑移矢量既

9、不平行也不垂直于位错线，而与位错线相交成任意角度 2、混合位错线是一条曲线，可分解为刃型和螺型分量,46,位错线的连续性,位错线不能终止于晶体内部。 在晶体内部，要么自成环状回路，要么与其他位错相交于节点；要么穿过晶体终止于晶界或晶体表面。,47,位错环,48,大小 畸变的程度，滑移距离； 方向 什么类型的位错；滑移(错位)的方向。,柏格氏（Burgers）矢量,49,柏格氏（Burgers）矢量求法,做一个柏式回路 步骤： （1）确定位错线的正方向 （2）用右手螺旋定则确定回路。 （3）围绕位错做一右旋闭合回路。 （4）在完整晶体中按同样的方向和步数作相同的回路，如不闭合，则由终点向起点引一

10、矢量b，即为柏氏矢量。,50,位错的柏氏矢量，即位错的单位滑移矢量。滑移矢量是指晶体滑移过程中，在滑移面的滑移方向上，任一原子从一个位置移向另一个位置所引出的矢量。 刃位错的正负：右手法则，食位错线（正向），中柏氏矢量，拇指代表多余半原子面的位向，规定拇指向上为正，反之为负。 螺位错的左右：柏氏矢量与位错线正向平行的为右，反之为左。 位错矢量之间的关系（图）,51,刃型位错柏氏矢量的确定 (a) 有位错的晶体 (b) 完整晶体,M,N,O,P,Q,M,N,O,P,Q,柏氏矢量,52,螺型位错柏氏矢量的确定 (a) 有位错的晶体 (b) 完整晶体,柏氏矢量,53,混合位错的形成,混合位错分解为刃

11、位错和螺位错示意图,54,柏氏矢量的特性,1). 点阵畸变总累积的物理量。而该矢量的模|b|表示了畸变的程度，称为位错的强度。 2). 柏氏矢量是唯一的，这就是柏氏矢量的守恒性3). 一根位错线具有唯一的柏氏矢量。 4). 分解 5). 位错的连续性。即不能中断于晶体内部。,交点b=0,55,柏氏矢量的表示方法,柏氏矢量的大小和方向可以用它在晶轴上的分量，来表示。 具体做法是：将某个滑移矢量在晶胞坐标轴上的分量，依次填入 中，提取公因数k，使括号内的数字成为最小整数即可。,56,立方晶系晶体柏氏矢量表示方法,由于a=b=c，故可用与柏氏矢量b同向的晶向指数来表示。柏氏矢量可表示为： b=a/n

12、 ，其中n为正整数。符合加减定律。 其中a为晶胞参数，uvw表示矢量方向，它与晶体滑移方向的晶向符合相同。,57,位错的强度： 就是错位的距离 同一晶体中，柏氏矢量愈大，表明该位错导致点阵畸变愈严重，它所处的能量也愈高。能量较高的位错通常倾向于分解为两个或多个能量较低的位错：b1b2b3，并满足|b1|2|b2|2|b3|2，以使系统的自由能下降。,58,位错的运动,宏观的塑性形变是位错运动的结果； 通过学习，可以深入理解材料的力学性能，并且改善之； 两种最基本的形式：滑移和攀移。,59,刃位错的滑移,位错的滑移是在外加切应力的作用下，通过位错中心附近的原子沿柏氏矢量方向象毛虫一样爬,60,6

13、1,螺型位错的滑移,滑移面选择很多 交滑移 双交滑移,62,沿各点的法线方向在滑移面上向外扩展。,混合位错的滑移,63,刃位错的运动,螺位错的运动,混合位错的运动,64,讨 论 和 练 习 位错的滑移特征,65,在垂直于滑移面的方向上运动，即发生攀移。正负攀移 。原子或空位扩散。 位错攀移需要热激活，较之滑移所需的能量更大。,刃型位错的攀移,66,刃位错攀移示意图,（a）正攀移（半原子面缩短）,(b)未攀移,（c）负攀移（半原子面伸长）,67,在位错的滑移运动过程中，其位错线往往很难同时实现全长的运动。 阻力或者位错间的交割 打弯： 扭折（处于滑移面上) 割阶（垂直于滑移面上）,运动位错的交割

14、,见图,68,图3.17 位错中出现的割阶与扭折示意图 (a) 刃型位错 （b）螺型位错,69,扭折和割阶的位错类型,根据位错线与柏氏矢量的关系 刃位错：扭折，螺位错 割阶，刃位错 螺位错：均为 刃位错,70,两个柏氏矢量互相垂直/平行的刃位错交割,垂直,平行,71,两个柏氏矢量互相垂直的刃螺位错的交割,72,两个柏氏矢量互相垂直的两螺位错的交割,73,交割总结,交割后，位错线上都可以产生扭折或割阶，其大小和方向由另一位错的b矢量决定 割阶都是刃型位错 扭折可随位错线一起运动，基本不产生阻力，而且在线张力下不易消失,74,割阶与原位错线不在同一滑移面上，如果不产生攀移，则阻力很大，产生割阶硬化

15、现象。 割阶的高度只有1-2个原子间距，可以被拖着走，后面留下一排点缺陷； 高度很大，20nm以上，以割阶为轴，在各处的滑称面上旋转 介于上面两种情况之间，位错不能拖着割阶运动，产生错偶,螺型位错中不同高度的割阶的行为,75,位错的弹性性质,为了计算方便，进行假设： 晶体是完全弹性体，服从虎克定律； 晶体是各向同性的； 晶体由连续介质组成，晶体中没有空隙；所以晶体中的应力、应变、位移等量是连续的，可用连续函数表示。,76,基本概念,正应力 切应力 应力场 坐标,77,螺型位错模型的建立,把中心部分挖掉？,能量较小； 力学性质与假设相差很远； 所推导的公式不能应用于位错中心位置。,78,不能应用

16、于位错中心位置,使用圆柱坐标,79,螺位错的应力场特点： 只有切应力分量； 不引起晶体的膨胀和收缩； 只与r有关（成反比），而与，z无关； 螺型位错的应力场是轴对称的。,80,刃型位错模型的建立,81,刃型位错应力场具有以下特点： 1) 正应力与切应力。 2) 各应力分量都是x，y的函数，而与z无关。 3) 对称于半原子面。 4) 滑移面上，无正应力，只有最大切应力。 5) 半原子面一侧受压应力，另一侧为张应力。 （应力的正向为离开作用面的方向） 6) x轴方向力的大小始终大于y轴方向的力。,82,螺、刃位错应力场的比较,83,位错的应变能,位错周围点阵畸变引起弹性应力场导致晶体能量增加 ，即位错的应变能。以单位长度计算 但是Ec一般很小，可以忽略。,84,单位长度刃型位错的应变能为 单位长度螺型位错的应变能为 注意R与r0 R为位错最大的作用范围，与变形范围不同。 r0为位错中心的尺寸大小。,85