【2017年整理】材料科学基础7晶体缺陷

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1、晶 体 缺 陷,概念及分类,0,点缺陷,1,位错的基本知识,2,位错的运动,3,位错的生成与增殖,5,位错的弹性性质,4,实际晶体中的位错,6,缺陷的概念及分类,平移对称性的示图,一、缺陷的概念,平移对称性的破坏,缺陷的概念及分类,特点：晶体缺陷普遍存在晶体缺陷数量上微不足道 例如，20时，Cu的空位浓度为3.810-17；充分退火后Fe中的位错密度为1012m-2。（空位、位错都是将要介绍的缺陷形态）。对某些结构敏感性能影响巨大,二、缺陷的分类,缺陷的概念及分类,按照破坏区域的几何特征，缺陷可以分为四类：,点缺陷(Point Defect)：在三维方向上尺寸都很小，又称零维缺陷。（空位、间隙

2、原子及杂质原子等）； 线缺陷(Line Defect)：在空间两个方向尺寸很小，一个方向尺寸较大，又称一维缺陷。（位错，本章重点讨论对象）； 面缺陷(Plane Defect)：在空间一个方向尺寸很小，另两个方向尺寸较大，又称二维缺陷。（晶界、相界、晶体表面及层错等）； 体缺陷：在三维方向上尺度都较大，又称三维缺陷。（沉淀相、气孔等）。,缺陷的概念及分类,多晶体中的常见缺陷模拟图,7.1 点缺陷(Point Defect),7.1.1 点缺陷的形成一、点缺陷的类型 在点阵节点上或邻近的区域内偏离晶体结构，包括空位、自间隙原子、外来间隙原子、置换原子等。,1、空位 原子脱离了正常格点，在原来的位

3、置上留下了空节点。2、间隙原子 进入点阵间隙中的原子。,7.1 点缺陷(Point Defect),空位和间隙原子作为缺陷，会引起点阵对称性的破坏，并引起晶格畸变。,7.1 点缺陷(Point Defect),二、点缺陷的形成 热运动，具有足够能量的原子离开原来位置。离位原子迁移到晶体的表面或晶界-肖脱基空位；离位原子挤入晶体的间隙位置，在晶体内部同时形 成数目相等的空位和间隙原子-弗兰克空位。,7.1 点缺陷(Point Defect),三、离子晶体中的点缺陷 肖脱基缺陷：为了维持电性的中性，出现空位团，空位团由正离子和负离子空位组成。,7.1 点缺陷(Point Defect),弗兰克缺陷

4、：在离子晶体中把离子从正常位置移入附近的间隙位置，这样就形成弗兰克缺陷对。,7.1 点缺陷(Point Defect),7.1.2 点缺陷的平衡浓度 晶体中出现点缺陷后，对体系存在两种相反的影响：造成点阵畸变，使晶体的内能增加，提高了系统的自由能，降低了晶体的稳定性；增加了点阵排列的混乱度，系统的微观状态数目发生变化，使体系的组态熵增加，引起自由能下降。,7.1 点缺陷(Point Defect),当内能和组态熵达到统一时，系统就达到平衡。由此确定的点缺陷浓度即为该温度下的平衡浓度。,7.1 点缺陷(Point Defect),系统的自由能FUTS 设一完整晶体中总共有N个同类原子排列在N个阵

5、点上。若将其中n个原子从晶体内部移至晶体表面，则可形成n个肖脱基空位，假定空位的形成能为Ef，则晶体内能将增加DUnEf。 另一方面，空位形成后，由于晶体比原来增加了n个空位，因此晶体的组态熵（混合熵）增大。 根据统计热力学原理，组态熵可表示为：Sc = klnW 其中k为玻尔兹曼常数(1.3810-23J/K), W为微观状态数：,7.1 点缺陷(Point Defect),由于(N+n)!/(N!n!)中各项的数目都很大(Nn1)，可用斯特林(Stirling)近似公式lnx!xlnxx(x1时)将上式简化：,7.1 点缺陷(Point Defect),此时系统自由能变化DF：,在平衡态，

6、自由能应为最小，即:,7.1 点缺陷(Point Defect),将上式中指数的分子分母同乘以阿伏加德罗常数NA：式中Qf为形成1mol空位所需作的功(空位形成激活能），R为气体常数（8.31J/mol）。 按照类似的方法，也可求得间隙原子的平衡浓度：,可得空位平衡浓度：,7.1 点缺陷(Point Defect),间隙原子与空位相比数量可忽略不计；肖脱基空位形成远比弗兰克空位更容易。,7.1 点缺陷(Point Defect),7.1.3 点缺陷的运动,空位迁移,7.1 点缺陷(Point Defect),间隙原子移动,7.1 点缺陷(Point Defect),7.1.4 点缺陷对材料性能

7、的影响1、电阻率的变化,2.密度的变化 晶体体积膨胀，密度减小。 例如，形成一个肖脱基空位，晶体增加一个原子体积。考虑空位周围原子收缩，约增大0.5倍原子体积。 一个间隙原子引起12倍原子体积膨胀。,7.1 点缺陷(Point Defect),7.1.5 热力学非平衡点缺陷1、淬火：将晶体加热到高温急冷，使空位在冷却过程中来不及消失，在低温时保留下来，形成过饱和空位；2、辐照：高能粒子轰击，形成弗兰克缺陷。 如：每个直接被快中子(1Mev)击中的原子，大约可产生100200对空位和间隙原子；3、塑性变形：晶体塑性变形时，通过位错的相互作用也可产生大量的过饱和点缺陷。,7.2 位错 (Dislo

8、cation),晶体生长和相变过程常常依赖位错进行,金刚砂晶体生长的螺线,7.2 位错 (Dislocation),晶体的力学性能与位错密切相关,7.2 位错的基本知识,7.2.1 位错概念的产生 是对晶体塑性变形过程研究的结果,钴单晶形变扫描电镜图,7.2 位错的基本知识,滑移系,研究结果表明晶体塑性变形与晶体结构存在相关性： 滑移面 滑移方向 临界切应力：导致滑移的滑移面滑移方向上最小切应力。,7.2 位错的基本知识,上述过程的宏观特征：,上述过程的微观特征：,7.2 位错的基本知识,1926年晶体屈服强度的计算：弗兰克(Frenkel)的刚体模型晶体：完整的简单结构，平行于滑移面的原子面

9、间距为a。,7.2 位错的基本知识,假定t是x的正弦函数： 其中tm对应正弦函数的振幅，a是周期。tm估计： 一方面，考虑位移很小(xa)的情况： 另一方面，形变很小时，应力和应变满足虎克定律，即: t = Gg = Gx/b G为切变模量，g为切应变。,7.2 位错的基本知识,比较上述公式，有：,当a = b时，有：,即tm的数量级为0.1G。,7.2 位错的基本知识,计算结果与实验值相距甚远,7.2 位错的基本知识,很多人对此模型进行了仔细修正（主要是考虑了原子间力的短程性），计算出的m仍有约G/30，与实验值相差依然很大。,7.2 位错的基本知识,1934年M.Polanyi，E.Oro

10、wan和G.Taylor差不多同时提出了位错的局部滑移理论：,此后一段时间内由于缺乏实验手段验证，存在争议。1956年门特(J.W.Menter)用电子显微镜(TEM)直接观察到铂钛花青晶体中的位错。,7.2 位错的基本知识,TEM观察到的钛合金中的位错,TEM观察到的位错与第二相相互作用,A crack in Si (Dark line) emits a number of dislocations on thermal cycling. The dislocations were formed to relieve thermal stresses.,7.2 位错的基本知识,位错的观察,氟

11、化锂表面浸蚀出的位错露头的浸蚀坑,KCl晶体是透明的，用杂质辍饰后可以见到白色的“位错”。,7.2 位错的基本知识,位错在哪里？假设在滑移面上有部分面积已经滑移，上下侧相对滑移了一个矢量，在已滑移区和未滑移区的交界处必然存在很大畸变这就是位错！,7.2 位错的基本知识,7.2.2 位错的基本类型和柏氏矢量一、刃型位错(Edge Dislocation)刃型位错的原子组态：,7.2 位错的基本知识,产生刃型位错的过程：EF：位错线ABCD：滑移面滑移矢量多余半原子面,滑移矢量:晶体滑移过程中，在滑移面的滑移方向上，原子从一个位置移向另一个位置所引出的矢量。,7.2 位错的基本知识,刃型位错的几何

12、特征：位错线与其滑移矢量b垂直，刃型位错可以为任意形状的曲线；每根位错的滑移面唯一确定；,有多余半原子面，可分为正和负，多余半原子面在滑移面以上的位错称为正刃型位错，用“”表示，反之为负刃型位错，用“”表示；,点阵发生畸变，产生压缩和膨胀，形成应力场，随着远离中心而减弱；位错线缺陷是包含几个原子宽度的管形区域。,还可以采用什么方式构造出一个位错？,7.2 位错的基本知识,(何处发生压缩？何处发生膨胀？）,7.2 位错的基本知识,二、螺型位错 螺型位错的原子组态：,7.2 位错的基本知识,产生螺型位错的过程：EF：位错线ABCD：滑移面滑移矢量没有多余半原子面,7.2 位错的基本知识,7.2 位

13、错的基本知识,螺型位错方向的规定：,左旋螺型位错：符合左手定则,右旋螺型位错：符合右手定则,7.2 位错的基本知识,螺位错的几何特征：螺位错线与其滑移矢量b平行，故纯螺位错只能是直线； 每根螺位错的滑移面不唯一； 当螺卷面为右手螺旋时，为右螺位错，反之为左螺位错； 螺位错没有多余原子面，它周围只引起切应变而无体应变； 也是包含几个原子宽度的“管形”线缺陷。,7.2 位错的基本知识,三、混合型位错 位错线与滑移矢量呈一般的关系,滑移矢量,b,刃型分量,螺型分量,7.2 位错的基本知识,图中何处是刃位错和螺位错？,7.2 位错的基本知识,四、柏氏矢量 目的：借用晶体滑移量表示位错引起的晶体畸变。

14、柏格斯(Burgers)于1939年提出柏格斯矢量，简称柏氏矢量，b（表示形成一个位错的滑移矢量）。,7.2 位错的基本知识,1、柏氏回路 思路：有缺陷晶体与完整晶体比较。 柏氏回路：实际晶体中，在位错周围的“好”区内围绕位错线作的一任意大小闭合回路。 回路方向：右手螺旋法则。规定位错线指出屏幕为正，右手的拇指指向位错的正向，其余四指的指向就是柏氏回路的方向。,7.2 位错的基本知识,2、柏矢量的确定 在位错周围的“好”区内围绕位错线作一任意大小的闭合回路。 按照同样的作法在理想晶体中作同样的回路。 理想晶体中回路终点Q与起点M不重合，连接Q与M的矢量b即为柏氏矢量。,7.2 位错的基本知识,

15、7.2 位错的基本知识,刃型位错： 刃型位错的柏氏矢量与位错线相垂直； 刃型位错正负的判断：右手法则：食指位错线方向，中指柏氏矢量方向，拇指上正下负。螺型位错： 螺型位错的柏氏矢量与位错线平行； 柏氏矢量与位错线方向一致：右旋。 不一致：左旋,7.2 位错的基本知识,3、柏氏矢量的物理意义 柏氏回路实际上是将位错线周围原子排列的畸变迭加起来，用柏氏矢量来表示。 柏氏矢量的物理意义：b越大，位错周围的点阵畸变越严重，位错引起的晶体弹性能越高。 矢量模|b|表示畸变强度，称为位错强度。 位错的许多性质，如位错的能量，应力场，位错受力等，都与b有关。,7.2 位错的基本知识,4、柏氏矢量的表示方法 (1) 柏氏矢量： 对于柏氏矢量b沿晶向uvw的位错.对于立方晶系： (2) 柏氏矢量的模： 柏氏矢量的模的计算就是矢量模的计算。(3) 位错的加法按照矢量加法规则进行。,7.2 位错的基本知识,5、柏矢量的守恒性 由于在作柏氏回路时，只要求它保持在晶体的无缺陷区即可，对其形状和位置并没有限制，这意味着柏氏矢量的守恒性（回路大小、位置变化，柏氏矢量不变）。 由此可引出三条推论：,