材料科学基础 第三章 晶体缺陷课件

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1、第 三章 晶体缺陷,主讲：赵建果,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、伯氏矢量、位错运动、滑移、(双)交滑移、多滑移、攀移、交割、割阶、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、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,二.本章重点及难点 1、点

2、缺陷的形成与平衡浓度 2、位错类型的判断及其特征、伯氏矢量的特征和物理意义 3、位错源、位错的增殖(F-R源、双交滑移机制等)和运动、交割 4、关于位错的应力场可作为一般了解 5、晶界的特性(大、小角度晶界)、孪晶界、相界的类型,4,维纳斯“无臂”之美更深入人心,处处留心皆学问,晶体结构的特点是长程有序。结构基元或者构成物体的粒子(原子、离子或分子等)完全按照空间点阵规则排列的晶体叫理想晶体。 在实际晶体中，粒子的排列不可能这样规则和完整，而是或多或少地存在着偏离理想结构的区域，出现了不完整性。 把实际晶体中偏离理想点阵结构的区域称为晶体缺陷。 实际晶体中虽然有晶体缺陷存在，但偏离平衡位置很大

3、的粒子数目是很少的，从总的来看，其结构仍可以认为是接近完整的。 ,根据几何形态特征，可以把晶体缺陷分为三类：点缺陷、线缺陷和面缺陷。 点缺陷（point defect）：特征是三维空间的各个方面上尺寸都很小，尺寸范围约为一个或几个原子尺度，又称零维缺陷，包括空位、间隙原子、杂质和溶质原子。 线缺陷（line defect）：特征是在两个方向上尺寸很小，另外一个方向上很大，又称一维缺陷，如各类位错。 面缺陷（planar defect）：特征是在一个方面上尺寸很小，另外两个方面上很大，又称二维缺陷，包括表面、晶界、亚晶界、相界、孪晶界等。,点缺陷的定义 点缺陷：在三维方向上尺寸都很小（远小于晶体

4、或晶粒的线度）的缺陷。 1.点缺陷的类型 常见的基本点缺陷有空位、间隙原子和置换（杂质）原子。 1.空位：正常结点位置出现的原子或离子的空缺；,3.1.1 点缺陷的类型及形成,第一节 点缺陷,3. 置换原子：位于晶体点阵位置的异类原子 。,2.间隙原子：指原子进入正常格点位置之间的空隙位置；,点缺陷形成最重要的环节是原子的振动 原子的热振动 （以一定的频率和振幅作振动） 原子被束缚在它的平衡位置上，但原子却在做着挣脱束缚的努力 点缺陷形成的驱动力：温度、离子轰击、冷加工 在外界驱动力作用下，哪个原子能够挣脱束缚，脱离平衡位置是不确定的，宏观上说这是一种几率分布,2.点缺陷的形成（本征缺陷的形成

5、）,空位的两种类型： 离位原子迁移到晶体的表面上，这样形成的空位通常称为肖特基缺陷； 可迁移到晶体点阵的间隙中，这样的空位称弗仑克尔缺陷。,图 晶体中的点缺陷(a) 肖特基空位 (b) 弗仑克尔空位,1.点缺陷的平衡浓度,3.1.2 点缺陷的运动及平衡浓度,晶体中点缺陷的存在，一方面造成点阵畸变，使晶 体的内能升高，增大了晶体的热力学不稳定性；另一 方面，由于增大了原子排列的混乱程度，并改变了其 周围原子的振动频率，又使晶体的熵值增大。熵值越 大，晶体便越稳定。,b. 由于存在着这两个互为矛盾的因素，晶体中的点缺陷在一定温度下有一定的平衡数目，这时点缺陷的浓度就称为它们在该温度下的热力学平衡浓

6、度。,c. 在一定温度下有一定的热力学平衡浓度，这是点缺 陷区别于其它类型晶体缺陷的重要特点。,图 空位-体系能量曲线,1.形成缺陷带来晶格应变，内能U增加，一个缺陷带来的内能 增加为u，所以内能增加 ，故内能增加是线性的。,2.缺陷存在使体系的混乱度增加，引起熵值增加，缺陷存在使 体系排列方式增加，即熵值显著增加。和缺陷数量变化呈非线 性的。,点缺陷并非固定不动，而是处在不断改变位置的运动过程中。 空位周围的原子，由于热振动能量的起伏，有可能获得足够的能量而跳入空位，并占据这个平衡位置，这时在这个原子的原来位置上，就形成一个空位。这一过程可以看作是空位向邻近结点的迁移。 在运动过程中，当间隙

7、原子与一个空位相遇时，它将落入这个空位，而使两者都消失，这一过程称为复合，或湮没。,2.点缺陷的运动,（a）原来位置； （b）中间位置； （c）迁移后位置 图 空位从位置A迁移到B,点缺陷从一个平衡位置到另一个平衡位置的移动，必须 获得足够的能量来克服周围势垒的障碍，故称这一增大 的能量为点缺陷的迁移能 。,为点缺陷周围原子的振动频率 为点缺陷周围原子的配位数 为点缺陷的迁移熵,3.1.3 点缺陷对性能的影响,点缺陷的存在使晶体体积膨胀，密度减小。 点缺陷引起电阻的增加，这是由于晶体中存在点缺陷时，对传导电子产生了附加的电子散射，使电阻增大。 空位对金属的许多过程有着影响，特别是对高温下进行的

8、过程起着重要的作用。,金属的扩散、高温塑性变形的断裂、退火、沉淀、表面化学热处理、表面氧化、烧结等过程都与空位的存在和运动有着密切的联系。,过饱和点缺陷（如淬火空位、辐照缺陷）还提高了 金属的屈服强度。,例1：Cu晶体的空位形成能Ev为1.4410-19J/atom, 材料常数A取为1，波尔兹曼常数为k=1.3810-23J/K， 计算： 1）在500下，每立方米Cu中的空位数目； 2）500下的平衡空位浓度。 （已知Cu的摩尔质量63.54，500 Cu的密度为 8.96106g/m3),解：首先确定1m3体积内原子Cu原子总数 （已知Cu的摩尔质量MCu=63.54g/mol, 500 下

9、Cu的密度为.96106g/m3）.,1)将N代入，计算空位数目ne,2)计算空位浓度,即在500时，每106个原子中才有1.4个空位。,例2：Nb的晶体结构为bcc，其晶格常 数为0.3294nm， 密度为8.57g/cm3，试求每106Nb中 所含的空位数目。,解：设单个晶胞内空位分数为x，,作业：,1. 已知bcc的Fe的密度为7.87g/cm3，求一个晶胞内 包含的空位数为多少？每cm3中包含的空位数为多 少？（铁的点阵常数为2.86610-8cm，铁原子的摩 尔质量为55.847g）,2. 已知某晶体中形成一个空位所需要的激活能为 0.3210-18J。在800时，1104个原子中有

10、一个 空位。在何种温度时103个原子中含有一个空位？,3. MgO为NaCl型结构，其密度为3.58g/cm3，点阵 常数为0.42nm，Mg的相对质量为24.305，O为 15.9994。试求每个MgO单胞内包含的肖特基缺陷数。,第二节 线缺陷,线缺陷就是在两个方向上尺寸很小，在一个方向上尺寸很大的缺陷。 线缺陷是各种类型的位错。 位错是晶体内部一种有规律的管状畸变区。原子发生错排的范围，在一个方向上尺寸较大，而另外两个方向上尺寸较小，是一个直径为35个原子间距，长几百到几万个原子间距的管状原子畸变区。 最简单的位错是刃型位错和螺型位错。,3.2.1 位错的基本概念,1.位错学说的产生 19

11、26年弗仑克尔利用理想晶体的模型估算了理论抗剪屈服强度，与实验结果相比相差34个数量级。 1934年泰勒，波朗依和奥罗万三人几乎同时提出晶体中位错的概念。 泰勒等把位错与晶体塑变的滑移联系起来，认为位错在切应力作用下发生运动，依靠位错的逐步传递完成了滑移。 与刚性滑移不同，位错的移动只需邻近原子作很小距离的弹性偏移就能实现，而晶体其他区域的原子仍处在正常位置，因此滑移所需的临界切应力大为减小。,图 理想晶体的滑移模型和刃型位错的滑移过程,1939年伯格斯提出用伯氏矢量来表征位错的特性，同时引入螺型位错。 1947年柯垂耳利用溶质原子与位错的交互作用解释了低碳钢的屈服现象。 1950年弗兰克与瑞

12、德同时提出了位错增殖机制FR位错源。 50年代后，透射电镜直接观测到了晶体中位错的存在、运动、增殖。 今天，位错理论已经成为塑性变形及强化的理论基础。,图 刃型位错与螺型位错,2.位错的基本类型 位错可分为刃性位错和螺型位错。,（1）刃型位错,图 含有刃型位错的晶体,刃型位错的概念： 在某一水平面以上多出了垂直方向的原子面，犹如插入的刀刃一样，EF称为刃型位错线。位错线附近区域发生了原子错排，因此称为“刃型位错” 。 把多余半原子面在滑移面以上的位错称为正刃型位错，用符号“”表示，反之为负刃型位错，用“”表示。 含有多余半原子面的晶体受压，原子间距小于正常点阵常数；不含多余半原子面的晶体受张力

13、，原子间距大于正常点阵常数。 位错在晶体中引起的畸变在位错线中心处最大，随着离位错中心距离的增大，晶体的畸变逐渐减小 。,刃型位错的特点： 1).刃型位错有一个额外的半原子面。其实正、负之分只具相对意义而无本质的区别。 2).刃型位错线可理解为晶体中已滑移区与未滑移区的边界线。它不一定是直线，也可以是折线或曲线，但它必与滑移方向相垂直，也垂直于滑移矢量。,图 不同形状的刃型位错,3).滑移面必定是同时包含有位错线和滑移矢量的平面，在其它面上不能滑移。由于在刃型位错中，位错线与滑移矢量互相垂直，因此，由它们所构成的平面只有一个。 4).晶体中存在刃型位错之后，位错周围的点阵发生弹性畸变，既有切应

14、变，又有正应变。就正刃型位错而言，滑移面上方点阵受到压应力，下方点阵受到拉应力；负刃型位错与此相反。 5).在位错线周围的过渡区（畸变区）每个原子具有较大的平均能量。但该区只有几个原子间距宽，畸变区是狭长的管道，所以刃型位错是线缺陷。,（a）立体图； （b）顶视图 图 螺型位错的原子组态,（2）螺型位错,图 螺型位错原子模型及其形成示意,螺型位错的结构特征 无额外的半原子面，原子错排呈轴对称，分右旋和左旋螺型位错； 位错线一定是直线，与滑移矢量平行，位错线移动方向与晶体滑移方向垂直； 滑移面不是唯一的，包含螺型位错线的平面都可以作为它的滑移面； 位错周围点阵也发生弹性畸变，但只有平行于位错线的

15、切应变而无正应变，即不引起体积的膨胀和收缩； 位错畸变区也是几个原子间距宽度，同样是线位错。,螺型位错与刃型位错的区别,（1）螺型位错中不存在多余半原子面，而是垂直于位错线的原子平面发生了螺旋状的扭曲。 （2）螺位错线的b与其位错线相平行，而刃位错线的b与其位错线相互垂直，这是区别螺位错与刃位的主要依据。 （3）螺型位错可分为左螺型位错和右螺型位错，与正负刃位错不同，左右螺型位错是不能相互转化的，不管从哪个方向看，旋转的方向是不会变的。 （4）刃型位错的位错线可以是直线、折线和缺陷而螺型位错的位错线只能是直线。,（3）混合位错 晶体中已滑移区与未滑移区的边界线（即位错线）既不平行也不垂直于滑移

16、方向，即滑移矢量与位错线成任意角度，这种晶体缺陷称为混合型位错。 混合型位错可分解为刃型位错分量和螺型位错分量。,图 晶体局部滑移形成混合位错,图 混合位错的原子组态,（1）伯氏矢量的确定方法 先确定位错线的方向(一般规定位错线垂直纸面时，由纸面向外为正向)，按右手法则做伯氏回路，右手大拇指指位错线正向，回路方向按右手螺旋方向确定。 从实际晶体中任一原子出发，避开位错附近的严重畸变区作一闭合回路，回路每一步连接相邻原子。按同样方法在完整晶体中做同样回路，步数、方向与上述回路一致，这时终点和起点不重合，由终点到起点引一矢量即为伯氏矢量b。,3.伯氏矢量,图 刃型位错伯氏矢量的确定,图 螺型位错伯氏矢量的确定,（2）伯氏矢量的物理意义及特征,伯氏矢量的物理意义: 是一个反映位错性质以及由位错引起的晶格畸变大小的物 理量。是对位错周围晶体点阵畸变的叠加，b越大，位错 引起的晶体弹性能越高,方向表示位错的性质与取向，即晶体滑移的方向。,位错的许多性质如位错的能量，所受的力，应力场，位错 反应等均与其有关。,伯氏矢量特征,(1)用伯氏矢量可以表示位错区域