《郑大材料科学基础CH3晶体缺陷剖析》由会员分享，可在线阅读，更多相关《郑大材料科学基础CH3晶体缺陷剖析（160页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第三章第三章晶体缺陷晶体缺陷授课朱世杰第第三三章章晶晶体体缺缺陷陷Date1第三章第三章晶体缺陷晶体缺陷授课朱世杰本章内容本章内容概述点缺陷线缺陷面缺陷Date2第三章第三章晶体缺陷晶体缺陷授课朱世杰本章要求掌握的主要内容本章要求掌握的主要内容一.需掌握的概念和术语1、点缺陷、Schottky空位、Frankel空位、间隙原子、置换原子2、线缺陷、刃型位错、螺型位错、混合型位错、柏氏矢量、位错运动、滑移、(双)交滑移、多滑移、攀移、交割、割价、扭折、塞积；位错应力场、应变能、线张力、作用在位错上的力、位错密度、位错源、位错生成、位错增殖、位错分解与合成、位错反应、全位错、不全位错、堆垛层错3、
2、面缺陷、表面、界面、界面能、晶界、相界4、关于位错的应力场、位错的应变能、线张力等可作为一般了解5、晶界的特性(大、小角度晶界)、孪晶界、相界的类型Date3第三章第三章晶体缺陷晶体缺陷授课朱世杰二二.本章重点及难点本章重点及难点1、点缺陷的平衡浓度公式点缺陷的平衡浓度公式22、位错类型的判断及其特征、柏氏矢量、位错类型的判断及其特征、柏氏矢量的特征，的特征，33、位错源、位错的增殖、位错源、位错的增殖(F-RF-R源、双交滑移机制等源、双交滑移机制等)和运和运动、交割动、交割44、关于位错的应力场、位错的应变能、线张力等可作、关于位错的应力场、位错的应变能、线张力等可作为一般了解为一般了解5
3、5、晶界的特性、晶界的特性(大、小角度晶界大、小角度晶界)、孪晶界、相界的类、孪晶界、相界的类型型Date4第三章第三章晶体缺陷晶体缺陷授课朱世杰概述前面章节都是就理想状态的完整晶体而言，即晶体中所有的原子都在各自的平衡位置，处于能量最低状态。然而在实际晶体中原子的排列不可能这样规则和完整，而是或多或少地存在离开理想的区域，出现不完整性。正如我们日常生活中见到玉米棒上玉米粒的分布。通常把这种偏离完整性的区域称为晶体缺陷(crystaldefectcrystallineimperfection)。位错实验观测(dislocation.mpg)图为透射电子显微镜下观察到不锈钢316L(00Cr17
4、Ni14Mo2)的位错线与位错缠结Date5第三章第三章晶体缺陷晶体缺陷授课朱世杰完美晶体：即组成晶体的所有原子或离子都排列在晶格中它们自己的位置上，没有晶格空位，也没有间隙原子或离子。晶格中的原子或离子都是化学分子式中的原子或离子，没有外来的杂质；晶体的原子之比符合化学计量比。实际晶体：与理想晶体有一些差异。如：处于晶体表面的原子或离子与体内的差异；晶体在形成时，常常是许多部位同时成核生长，结果形成的不是单晶而是许多细小晶粒按不规则排列组合起来的多晶体；在外界因素的作用下，原子或离子脱离平衡位置和杂质原子的引入等。晶体缺陷的存在，破坏了完美晶体的有序性，引起晶体内能U和熵S增加。Date6第
5、三章第三章晶体缺陷晶体缺陷授课朱世杰完整不一定精彩缺憾也是一种美!Date7第三章第三章晶体缺陷晶体缺陷授课朱世杰晶体缺陷（晶体缺陷（CrystalCrystaldefectdefect）通常把晶体点阵结构中周期性势场的畸变称为晶体的结构缺陷。晶体缺陷对于晶体结构来说规则完整排列是主要的而非完整性是次要的。对一些对结构敏感性能来说，起主要作用的是晶体的不完整性而完整性是次要的；一些相变、扩散变形等都与晶体缺陷有关。Date8第三章第三章晶体缺陷晶体缺陷授课朱世杰晶体结构缺陷的类型及特征缺陷的类型点缺陷(pointdefect)(pointdefect)线缺陷(linedefect)(lined
6、efect)面缺陷(planardefect)(planardefect)其特点是在三维方向上的尺寸都很小，缺陷的尺寸处在一或几个原子大小的级别，又称零维缺陷，例如空位，间隙原子和杂质原子等。其特点是仅在一维方向上的尺寸较大，而另外二维方向上的尺寸都很小，也称一维缺陷，通常是指各类位错。其特点是仅在二维方向上的尺寸较大，而另外一维方向上的尺寸很小，故也称二维缺陷，例如晶体表面、晶界、亚晶界、孪晶界和相界面等。Date9第三章第三章晶体缺陷晶体缺陷授课朱世杰3.13.1点缺陷点缺陷Date10第三章第三章晶体缺陷晶体缺陷授课朱世杰3.1.13.1.1点缺陷的形成及类点缺陷的形成及类型型点缺陷点缺
7、陷(pointdefect)(pointdefect)是在晶体晶格结点上或邻近区域偏离其正常结构的一种缺陷，它是最简单的晶体缺陷，在三维空间各个方向上尺寸都很小，范围约为一个或几个原子尺度。Date11第三章第三章晶体缺陷晶体缺陷授课朱世杰离开平衡位置的原子有三个去处:(1)(1)形成形成SchottkySchottky空位：空位：迁移到表面或内表面留下的空位。(2)(2)形成形成FrankelyFrankely缺陷：缺陷：挤入点阵间隙而形成的空位，并出现间隙原子。(3)(3)跑到其它空位上使空位消失或移位。跑到其它空位上使空位消失或移位。点缺陷的类型有哪些？点缺陷的类型有哪些？Date12第
8、三章第三章晶体缺陷晶体缺陷授课朱世杰FrankelyFrankely缺陷缺陷：在晶格内原子或离子热振动时，一些能量足够大的原子离开平衡位置后，进入晶格点的间隙位置，变成间隙原子，而在原来的位置上形成一个空位。那么晶体中将存在等浓度的晶格空位和填隙原子，这种空位-间隙原子对称为Frankely缺陷。SchottkySchottky空位空位：如果正常格点上的原子或离子，热起伏过程中获得能量离开平衡位置，跳跃到晶体的表面，在原正常格点上留下空位。Frankely缺陷Schottky空位Date13第三章第三章晶体缺陷晶体缺陷授课朱世杰点缺陷的类型点缺陷的类型：(1)置换原子(substitution
9、alatom)：占据在原来基体原子平衡位置上的异类原子。(2)空位(vacancy)：在晶格结点位置未被占据的原子位置。(3)间隙原子(interstitalatom）晶格正常节点的的间隙中多余的原子。它们可能是同类原子，也可能是异类原子。(4)杂质原子：外来原子进入晶格，就成为晶体中的杂质。异类间隙原子：原子半径很小的外来原子，外来杂质原子。自间隙原子(self-interstitalatom)(同类)：形成弗兰克尔空位时出现的间隙原子。Date14第三章第三章晶体缺陷晶体缺陷授课朱世杰高分子晶体中的点缺陷：（1）分子链上的异常键结合；（2）分子链位置发生交换；（3）分子链向相对方向折叠。离
10、子晶体中的点缺陷：（1）Schottky缺陷：一个正负离子空位对。（2）Frenkel缺陷：一个空位间隙离子对。离子晶体离子晶体点缺陷点缺陷类型类型Date15第三章第三章晶体缺陷晶体缺陷授课朱世杰3.1.23.1.2点缺陷的平衡浓度点缺陷的平衡浓度点缺陷是热力学稳定的缺陷：点缺陷与线、面缺陷的区别之一是后者为热力学不稳定的缺陷而在一定温度下，晶体中有一定平衡数量的空位和间隙原子，其数量可近似算出。空位形成时系统自由能的变化：F=U-TSU为内能，S为系统熵（包括振动熵SV和排列熵SC）空位的引入，一方面由于弹性畸变使晶体内能增加；另一方面又使晶体中混乱度增加，使熵增加。而熵的变化包括两部分：
11、空位改变它周围原子的振动引起振动熵，SV.空位在晶体点阵中的排列可有许多不同的几何组态，使排列熵SC增加。Date16第三章第三章晶体缺陷晶体缺陷授课朱世杰空位-体系能量曲线Date17第三章第三章晶体缺陷晶体缺陷授课朱世杰内能(Internalenergy)变化U。n个内能为u的点缺陷使系统内能增加总量为:UnEv空位形成能(vacancyationenergy):形成一个空位时引起系统能量的增加，记为EvTS与组态熵变化有关：点缺陷的存在使体系混乱程度增大，大大增加了系统的熵值。通过热力学分析，在绝对零度以上的任何温度，晶体中最稳定的状态是含有一定浓度的点缺陷的状态，这个浓度称为该温度下晶
12、体中点缺陷的平衡浓度点缺陷的平衡浓度(equilibriumconsistence)。经热力学推导：C=nN=C=nN=exp(Sexp(Sffk)exp(k)exp(EvkTEvkT)=Aexp(Aexp(EvkTEvkT)C与T、Ev之间呈指数关系(下页表）。T上升、C升高。Date18第三章第三章晶体缺陷晶体缺陷授课朱世杰EvEv对对CC的影响的影响金属种类类PbAlMgAuCuPtWEv10-8J0.080.120.140.150.170.240.56C9.210-62.810-81.510-93.610-102.010-117.810-165.710-36由公式可得：晶体中空位在热力
13、学上是稳定的，一定温度T对应一平衡浓度C。C与T呈指数关系，温度升高，空位浓度增大。空位形成能EV大，空位浓度小。Date19第三章第三章晶体缺陷晶体缺陷授课朱世杰3.1.33.1.3点缺陷的运动点缺陷的运动点缺陷的运动方式:(1)空位运动空位缺陷的运动实质上是原子的迁移过程，它构成了晶体中原子传输的基础。(2)间隙原子迁移(3)空位和间隙原子相遇，两缺陷同时消失，称为点缺陷点缺陷的复合的复合(4)逸出晶体到表面，或移到晶界，点缺陷消失。Date20第三章第三章晶体缺陷晶体缺陷授课朱世杰3.1.43.1.4点缺陷对结构和性能的影响点缺陷对结构和性能的影响无论那种点缺陷的存在，都会使其附近的原子
14、稍微偏离原结点位置才能平衡，即引起晶格畸变晶格畸变(distortionoflattice)能量升高，结构不稳定，易发生转变。点缺陷的存在会引起性能的变化：(1)物理性质、如R、V、等；(2)力学性能：采用高温急冷(如淬火quenching)大量的冷变形(coldworking)高能粒子辐照(radiation)等方法可获得过饱和点缺陷，如使S提高；(3)影响固态相变化学热处理(chemicalheattreatment)等Date21第三章第三章晶体缺陷晶体缺陷授课朱世杰本节小节空位的类型空位的平衡浓度及其公式Date22第三章第三章晶体缺陷晶体缺陷授课朱世杰3.23.2位位错错Date23
15、第三章第三章晶体缺陷晶体缺陷授课朱世杰位错（位错（dislocationdislocation）是一种线缺陷它是晶体中某处一列或若干列原子发生了有规律错排现象；错排区是细长的管状畸变区长度可达几百至几万个原子间距宽仅几个原子间距。如右图是位错的一种。特点:在一维方向的尺寸较长，另外二维方向上尺寸很小，从宏观看缺陷是线状的。从微观角度看，位错是管状的。Date24第三章第三章晶体缺陷晶体缺陷授课朱世杰完整晶体滑移和实际晶体滑移：完整晶体滑移的理论剪切强度要远高于实际晶体滑移的对应强度，实验上所测得的临界切应力远小于计算值。理论值大了约100010000倍。从而促进了位错理论的产生和发展。Orow
16、an把晶体的滑移过程比喻为蠕虫的运动。位错理论位错理论是上世纪材料科学最杰出成就之一。Date25第三章第三章晶体缺陷晶体缺陷授课朱世杰理想晶体的滑移模型和刃型位错的滑移过程Date26第三章第三章晶体缺陷晶体缺陷授课朱世杰晶体的理论切应力与实验值的比较（单位：晶体的理论切应力与实验值的比较（单位：MPaMPa）金属理论论切应应力实验值实验值切变变模量Al38300.78624400Ag39800.37225000Cu64800.49040700-Fe110002.7568950Mg26300.39316400Date27第三章第三章晶体缺陷晶体缺陷授课朱世杰3.2.13.2.1位错的基本类型和特征位错的基本类型和特征位错的类型：刃型位错（edgedislocation）螺型位错（screwdislocation）混合位错（mixeddislocation）可分解为刃型位错分量和螺型位错分量刃型位错与螺型位
