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1、第三章第三章第三章第三章 晶体缺陷晶体缺陷晶体缺陷晶体缺陷第第 三三 章章 晶晶 体体 缺缺 陷陷 第三章第三章第三章第三章 晶体缺陷晶体缺陷晶体缺陷晶体缺陷本章要求掌握的主要内容本章要求掌握的主要内容一一. .需掌握的概念和术语需掌握的概念和术语1 1、点点缺缺陷陷、SchottkySchottky空空位位、FrankelFrankel空空位位、间间隙隙原原子子、置置换换原子原子2 2、线线缺缺陷陷、刃刃型型位位错错、螺螺型型位位错错、混混合合型型位位错错、柏柏氏氏矢矢量量、位位错错运运动动、滑滑移移、( (双双) )交交滑滑移移、多多滑滑移移、攀攀移移、交交割割、割割价价、扭扭折折、塞塞积
2、积；位位错错应应力力场场、应应变变能能、线线张张力力、作作用用在在位位错错上上的的力力、位位错错密密度度、位位错错源源、位位错错生生成成、位位错错增增殖殖、位位错错分分解解与合成、位错反应、全位错、不全位错、堆垛层错与合成、位错反应、全位错、不全位错、堆垛层错3 3、面缺陷、外表、界面、界面能、晶界、相界、面缺陷、外表、界面、界面能、晶界、相界4 4、关关于于位位错错的的应应力力场场、位位错错的的应应变变能能、线线张张力力等等可可作作为为一一般了解般了解5 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、相界的类型、孪晶界、相界的类型第三章第三章第三章第三章 晶体缺
3、陷晶体缺陷晶体缺陷晶体缺陷二二. .本章重点及难点本章重点及难点1 1、点缺陷的平衡浓度公式、点缺陷的平衡浓度公式2 2、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，3 3、位位错错源源、位位错错的的增增殖殖(F-R(F-R源源、双双交交滑滑移移机机制制等等) )和和运运动动、交割交割4 4、关关于于位位错错的的应应力力场场、位位错错的的应应变变能能、线线张张力力等等可可作作为为一一般了解般了解5 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、相界的类型、孪晶界、相界的类型第三章第三章第三章第三章 晶体缺陷晶体缺陷晶体缺陷晶
4、体缺陷概概 述述前前面面章章节节都都是是就就理理想想状状态态的的完完整整晶晶体体而而言言，即即晶晶体体中中所所有有的的原原子子都都在在各各自自的的平平衡衡位位置置，处处于于能能量量最最低低状状态态。然然而而在在实实际际晶晶体体中中原原子子的的排排列列不不可可能能这这样样规规则则和和完完整整，而而是是或或多多或或少少地地存存在在离离开开理理想想的的区区域域，出出现现不不完完整整性性。正正如如我我们们日日常常生生活活中中见见到到玉玉米米棒棒上上玉玉米米粒粒的的分分布布。通通常常把把这这种种偏偏离离完完整整性性的的区区域域称称为为晶晶体体缺缺陷陷(crystal defect, crystallin
5、e imperfection)。位位错错实实验验观观测测(dislocation.mpg) 图图为为透透射射电电子子显显微微镜镜下下观观察察到到不不 锈锈 钢钢 316L(00Cr17Ni14Mo2)316L(00Cr17Ni14Mo2)的位错线与位错缠结的位错线与位错缠结第三章第三章第三章第三章 晶体缺陷晶体缺陷晶体缺陷晶体缺陷完整不一定精彩完整不一定精彩 缺憾也是一种美缺憾也是一种美! !第三章第三章第三章第三章 晶体缺陷晶体缺陷晶体缺陷晶体缺陷 晶晶体体缺缺陷陷Crystal defect）通通常常把把晶晶体体点点阵阵结结构构中中周周期期性性势势场的畸变称为晶体的结构缺陷。场的畸变称为晶
6、体的结构缺陷。 晶晶体体缺缺陷陷对对于于晶晶体体结结构构来来说说规规则则完完整整排排列列是是主主要要的的,而而非非完完整整性性是是次次要要的的；对对一一些些对对结结构构敏敏感感的的性性能能来来说说，起起主主要要作作用用的的是是晶晶体体的的不不完完整整性性,而而完完整整性性是是次次要要的的；一一些些相相变变、扩扩散散变变形形等等都都与与晶晶体体缺缺陷陷有有关。关。晶体缺陷分类及特征：晶体缺陷分类及特征： 1点点缺缺陷陷point defect）：特特征征是是三三维维空空间间的的各各个个方方面面上上尺尺寸寸都都很很小小，尺尺寸寸范范围围约约为为一一个个或或几几个个原原子子尺尺度度，又又称称零零维维
7、缺缺陷陷，包包括括空位、间隙原子、杂质和溶质原子。空位、间隙原子、杂质和溶质原子。 2线线缺缺陷陷line defect）：特特征征是是在在两两个个方方向向上上尺尺寸寸很很小小,另另外外一一个方面上很大，又称一维缺陷，如各类位错。个方面上很大，又称一维缺陷，如各类位错。 3面面缺缺陷陷planar defect）：特特征征是是在在一一个个方方面面上上尺尺寸寸很很小小,另另外外两两个个方方面面上上很很大大，又又称称二二维维缺缺陷陷，包包括括表表面面、晶晶界界、亚亚晶晶界界、相相界、孪晶界等。界、孪晶界等。 4体体缺缺陷陷: 如如果果晶晶体体内内部部质质点点排排列列的的规规律律性性在在三三维维空空
8、间间一一定定的的尺尺度度范范围围内内遭遭到到破破坏坏，就就称称为为体体缺缺陷陷，例例如如亚亚结结构构嵌嵌镶镶块块）、沉淀相、层错四面体、晶粒内的气孔和第二相夹杂物等，三维缺陷。沉淀相、层错四面体、晶粒内的气孔和第二相夹杂物等，三维缺陷。第三章第三章第三章第三章 晶体缺陷晶体缺陷晶体缺陷晶体缺陷3.1 3.1 点点点点 缺缺缺缺 陷陷陷陷3.1.1 3.1.1 点缺陷的形成及类型点缺陷的形成及类型点缺陷的形成及类型点缺陷的形成及类型 点缺陷点缺陷point defectpoint defect是在晶体晶格结点上或邻近区域偏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
9、，在三维空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。间各个方向上尺寸都很小，范围约为一个或几个原子尺度。 由于某种原因，原子脱离了正常格点，而在原来的位置上留由于某种原因，原子脱离了正常格点，而在原来的位置上留下了原子空位，即空位就是未被占据的原子位置。下了原子空位，即空位就是未被占据的原子位置。 离开平衡位置的原子有三个去处离开平衡位置的原子有三个去处: : (1) (1)形成形成SchottkySchottky空位：迁移到表面空位：迁移到表面或内表面留下的空位。或内表面留下的空位。 (2) (2)形成形成FrankelyFra
10、nkely缺陷：挤入点阵间缺陷：挤入点阵间隙而形成的空位，并出现间隙原子。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跑到其它空位上使空位消失或移位。位。 点缺陷的类型有哪些？点缺陷的类型有哪些？ 第三章第三章第三章第三章 晶体缺陷晶体缺陷晶体缺陷晶体缺陷点缺陷的类型：点缺陷的类型：点缺陷的类型：点缺陷的类型： (1) (1)置换原子置换原子置换原子置换原子(substitutional atom)(substitutional atom)：占据在原来基体原子：占据在原来基体原子：占据在原来基体原子：占据在原来基体原子平衡位置上的异类原子平衡位置上的异类原子平衡
11、位置上的异类原子平衡位置上的异类原子 。 (2) (2)空位空位空位空位(vacancy)(vacancy)：未被占据的原子位置：未被占据的原子位置：未被占据的原子位置：未被占据的原子位置 。 (3) (3)间隙原子间隙原子间隙原子间隙原子(interstital atom(interstital atom） 异类间隙原子：原子半径很小的异类间隙原子：原子半径很小的外来原子，外来杂质原子。外来原子，外来杂质原子。 自间隙原子自间隙原子(self-interstital atom) (同类同类)：形成佛兰克尔空位时出现的：形成佛兰克尔空位时出现的间隙原子间隙原子 。 第三章第三章第三章第三章 晶
12、体缺陷晶体缺陷晶体缺陷晶体缺陷 高分子晶体中的点缺陷：（高分子晶体中的点缺陷：（1分子链上的异常键结合；（分子链上的异常键结合；（2分子链位置发生交换；（分子链位置发生交换；（3分子链向相对方向折叠。分子链向相对方向折叠。 离子晶体中的点缺陷：（离子晶体中的点缺陷：（1Schottky缺陷：一个正负离子缺陷：一个正负离子空位对。（空位对。（2） Frenkel缺陷：一个空位间隙离子对。缺陷：一个空位间隙离子对。离子晶体点缺陷类型离子晶体点缺陷类型离子晶体点缺陷类型离子晶体点缺陷类型第三章第三章第三章第三章 晶体缺陷晶体缺陷晶体缺陷晶体缺陷3.1.2 3.1.2 点缺陷的平衡浓度点缺陷的平衡浓度
13、点缺陷的平衡浓度点缺陷的平衡浓度 空位形成时系统自由能的变化：空位形成时系统自由能的变化：F=U-TS F=U-TS 内内能能(Internal (Internal energy)energy)变变化化UU。n n个个内内能能为为u u的的点点缺缺陷陷使系统内能增加总量为使系统内能增加总量为:U:UnEvnEv 空空位位形形成成能能(vacancy (vacancy formation formation energy):energy):形形成成一一个个空空位时引起系统能量的增加，记为位时引起系统能量的增加，记为Ev Ev TSTS与与组组态态熵熵变变化化有有关关：点点缺缺陷陷的的存存在在使使
14、体体系系混混乱乱程程度度增大，大大增加了系统的熵值。增大，大大增加了系统的熵值。 通通过过热热力力学学分分析析，在在绝绝对对零零度度以以上上的的任任何何温温度度，晶晶体体中中最最稳稳定定的的状状态态是是含含有有一一定定浓浓度度的的点点缺缺陷陷的的状状态态，这这个个浓浓度度称称为为 该该 温温 度度 下下 晶晶 体体 中中 点点 缺缺 陷陷 的的 平平 衡衡 浓浓 度度 (equilibrium (equilibrium consistence)consistence)。经热力学推导：。经热力学推导： C = n/N = exp(Sf/k)exp( C = n/N = exp(Sf/k)exp(
15、Ev/kT) Ev/kT) = Aexp( = Aexp(Ev/kT)Ev/kT) C C与与T T、EvEv之间呈指数关系之间呈指数关系( (下页表）。下页表）。T T上升、上升、C C升高。升高。第三章第三章第三章第三章 晶体缺陷晶体缺陷晶体缺陷晶体缺陷EvEv对对C C的影响的影响金属种类金属种类 Pb Al Mg Au Cu Pt WEv 10-8J0.080.120.140.150.170.240.56C9.2 10-62.8 10-81.5 10-93.6 10-102.0 10-117.8 10-165.7 10-36第三章第三章第三章第三章 晶体缺陷晶体缺陷晶体缺陷晶体缺陷第三
16、章第三章第三章第三章 晶体缺陷晶体缺陷晶体缺陷晶体缺陷第三章第三章第三章第三章 晶体缺陷晶体缺陷晶体缺陷晶体缺陷3.1.3 点缺陷的运动点缺陷的运动 点缺陷的运动方式点缺陷的运动方式: : (1) (1) 空位运动空位运动; ; 空空位位缺缺陷陷的的运运动动实实质质上上是是原原子子的的迁迁移移过过程程，它它构构成成了了晶晶体体中原子传输的基础。中原子传输的基础。 (2) (2) 间隙原子迁移间隙原子迁移; ; (3) (3) 空空位位和和间间隙隙原原子子相相遇遇，两两缺缺陷陷同同时时消消失失，称称为为点点缺缺陷陷的复合的复合 ; ; (4) (4) 逸出晶体到表面，或移到晶界，点缺陷消失。逸出
17、晶体到表面，或移到晶界，点缺陷消失。第三章第三章第三章第三章 晶体缺陷晶体缺陷晶体缺陷晶体缺陷3.1.4 点缺陷对结构和性能的影响点缺陷对结构和性能的影响 点点缺缺陷陷引引起起晶晶格格畸畸变变(distortion (distortion of of lattice),lattice),能能量升高，结构不稳定，易发生转变。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：点缺陷的存在会引起性能的变化： (1) (1)物理性质、如物理性质、如R R、V V、 等；等； (2)(2)力力 学学 性性 能能 ： 采采 用用 高高 温温 急急 冷冷 ( (如如 淬淬 火火 quenching),quenching),大大量量的的冷冷变变形形(cold (cold working),working),高高能能粒粒子子辐辐照照(radiation)(radiation)等等方方法法可可获获得得过过饱饱和和点点缺缺陷陷，如如使使SS提高；提高； (3)(3)影影响响固固态态相相变变, ,化化学学热热处处理理(chemical (chemical heat heat treatment)treatment)等。等。第三章第三章第三章第三章 晶体缺陷晶体缺陷晶体缺陷晶体缺陷本节小节空位的类型空位的类型空位的平衡浓度及其公式空位的平衡浓度及其公式 下一节下一节
