第02章 晶體缺陷

1、第二章第二章 晶體缺陷晶體缺陷材料的實際晶體結(jié)構(gòu)材料的實際晶體結(jié)構(gòu)1點缺陷點缺陷2位錯的基本概念位錯的基本概念3晶體中的界面晶體中的界面5位錯的彈性特征位錯的彈性特征4第一節(jié)第一節(jié) 材料的實際晶體結(jié)構(gòu)材料的實際晶體結(jié)構(gòu)一、多晶體結(jié)構(gòu)一、多晶體結(jié)構(gòu)單晶體單晶體: : 一塊晶體材料，其內(nèi)部一塊晶體材料，其內(nèi)部的晶體位向完全一致時，即的晶體位向完全一致時，即整個材料是一個晶體，這塊整個材料是一個晶體，這塊晶體就稱之為晶體就稱之為“單晶體單晶體”，實用材料中如半導(dǎo)體集成電實用材料中如半導(dǎo)體集成電路用的單晶硅、專門制造的路用的單晶硅、專門制造的金須和其他一些供研究用的金須和其他一些供研究用的材料。材料。

2、 一、多晶體結(jié)構(gòu)一、多晶體結(jié)構(gòu)第一節(jié)第一節(jié) 材料的實際晶體結(jié)構(gòu)材料的實際晶體結(jié)構(gòu)多晶體多晶體: : 實際應(yīng)用的工程材實際應(yīng)用的工程材料中，那怕是一塊尺寸料中，那怕是一塊尺寸很小材料，絕大多數(shù)包很小材料，絕大多數(shù)包含著許許多多的小晶體，含著許許多多的小晶體，每個小晶體的內(nèi)部，晶每個小晶體的內(nèi)部，晶格位向是均勻一致的，格位向是均勻一致的，而各個小晶體之間，彼而各個小晶體之間，彼此的位向卻不相同。稱此的位向卻不相同。稱這種由多個小晶體組成這種由多個小晶體組成的晶體結(jié)構(gòu)稱之為的晶體結(jié)構(gòu)稱之為“多多晶體晶體”。 第一節(jié)第一節(jié) 材料的實際晶體結(jié)構(gòu)材料的實際晶體結(jié)構(gòu)一、多晶體結(jié)構(gòu)一、多晶體結(jié)構(gòu)第一節(jié)第一節(jié)

3、材料的實際晶體結(jié)構(gòu)材料的實際晶體結(jié)構(gòu)晶粒：晶粒：多晶體材料中每多晶體材料中每個小晶體的外形多為不個小晶體的外形多為不規(guī)則的顆粒狀，通常把規(guī)則的顆粒狀，通常把它們叫做它們叫做“晶粒晶?！薄?晶界：晶界：晶粒與晶粒之間晶粒與晶粒之間的分界面叫的分界面叫“晶粒間晶粒間界界”，或簡稱，或簡稱“晶界晶界”。為了適應(yīng)兩晶粒間不同為了適應(yīng)兩晶粒間不同晶格位向的過渡，在晶晶格位向的過渡，在晶界處的原子排列總是不界處的原子排列總是不規(guī)則的。規(guī)則的。 一、多晶體結(jié)構(gòu)一、多晶體結(jié)構(gòu)第一節(jié)第一節(jié) 材料的實際晶體結(jié)構(gòu)材料的實際晶體結(jié)構(gòu)一、多晶體結(jié)構(gòu)一、多晶體結(jié)構(gòu)二、多晶體的組織與性能：二、多晶體的組織與性能：第一節(jié)第一

4、節(jié) 材料的實際晶體結(jié)構(gòu)材料的實際晶體結(jié)構(gòu)偽各向同性：偽各向同性：多晶體材料中，盡管每個晶粒內(nèi)部象單多晶體材料中，盡管每個晶粒內(nèi)部象單晶體那樣呈現(xiàn)各向異性，每個晶粒在空間取向是隨機(jī)分晶體那樣呈現(xiàn)各向異性，每個晶粒在空間取向是隨機(jī)分布，大量晶粒的綜合作用，整個材料宏觀上不出現(xiàn)各向布，大量晶粒的綜合作用，整個材料宏觀上不出現(xiàn)各向異性，這個現(xiàn)象稱為多晶體的偽各向同性。異性，這個現(xiàn)象稱為多晶體的偽各向同性。 組織：組織：性能：性能：組織敏感的性能組織敏感的性能組織不敏感的性能組織不敏感的性能三、晶體中的缺陷概論三、晶體中的缺陷概論第一節(jié)第一節(jié) 材料的實際晶體結(jié)構(gòu)材料的實際晶體結(jié)構(gòu)晶體缺陷：晶體缺陷： 即

5、使在每個晶粒的內(nèi)部，也并不完全象即使在每個晶粒的內(nèi)部，也并不完全象晶體學(xué)中論述的晶體學(xué)中論述的(理想晶體理想晶體)那樣，原子完全那樣，原子完全呈現(xiàn)周期性的規(guī)則重復(fù)的排列。把實際晶體呈現(xiàn)周期性的規(guī)則重復(fù)的排列。把實際晶體中原子排列與理想晶體的差別稱為晶體缺陷。中原子排列與理想晶體的差別稱為晶體缺陷。晶體中的缺陷的數(shù)量相當(dāng)大，但因原子的數(shù)晶體中的缺陷的數(shù)量相當(dāng)大，但因原子的數(shù)量很多，在晶體中占有的比例還是很少，材量很多，在晶體中占有的比例還是很少，材料總體具有晶體的相關(guān)性能特點，而缺陷的料總體具有晶體的相關(guān)性能特點，而缺陷的數(shù)量將給材料的性能帶來巨大的影響。數(shù)量將給材料的性能帶來巨大的影響。三、晶

6、體中的缺陷概論三、晶體中的缺陷概論第一節(jié)第一節(jié) 材料的實際晶體結(jié)構(gòu)材料的實際晶體結(jié)構(gòu)晶體缺陷按范圍分類：晶體缺陷按范圍分類：點缺陷點缺陷 在三維空間各方向上尺寸都很小，在在三維空間各方向上尺寸都很小，在原子尺寸大小的晶體缺陷。原子尺寸大小的晶體缺陷。 線缺陷線缺陷 在三維空間的一個方向上的尺寸很大在三維空間的一個方向上的尺寸很大( (晶粒數(shù)量級晶粒數(shù)量級) )，另外兩個方向上的尺寸很小，另外兩個方向上的尺寸很小( (原子尺寸大小原子尺寸大小) )的晶體缺陷。其具體形式就的晶體缺陷。其具體形式就是晶體中的位錯是晶體中的位錯Dislocation 面缺陷面缺陷 在三維空間的兩個方向上的尺寸很大在三

7、維空間的兩個方向上的尺寸很大( (晶粒數(shù)量級晶粒數(shù)量級) )，另外一個方向上的尺寸很小，另外一個方向上的尺寸很小( (原子尺寸大小原子尺寸大小) )的晶體缺陷。的晶體缺陷。第二節(jié)第二節(jié) 點缺陷點缺陷 點缺陷：點缺陷：在三維空間各方向上尺寸都很小，在原子尺寸大小在三維空間各方向上尺寸都很小，在原子尺寸大小的晶體缺陷。的晶體缺陷。 一、點缺陷的類型一、點缺陷的類型 ：空位空位 在晶格結(jié)點位置應(yīng)有原子的在晶格結(jié)點位置應(yīng)有原子的地方空缺，這種缺陷稱為地方空缺，這種缺陷稱為“空位空位”。 間隙原子間隙原子 在晶格非結(jié)點位置，往在晶格非結(jié)點位置，往往是晶格的間隙，出現(xiàn)了多余的原往是晶格的間隙，出現(xiàn)了多余的

8、原子。它們可能是同類原子，也可能子。它們可能是同類原子，也可能是異類原子。是異類原子。 異類原子異類原子 在一種類型的原子組成在一種類型的原子組成的晶格中，不同種類的原子替換原的晶格中，不同種類的原子替換原有的原子占有其應(yīng)有的位置。有的原子占有其應(yīng)有的位置。 二、點缺陷的形成二、點缺陷的形成弗侖克耳缺陷：原子離開平衡位置進(jìn)入間隙，形成等量弗侖克耳缺陷：原子離開平衡位置進(jìn)入間隙，形成等量的空位和間隙原子。的空位和間隙原子。肖特基缺陷：只形成空位不形成間隙原子。（構(gòu)成新的肖特基缺陷：只形成空位不形成間隙原子。（構(gòu)成新的晶面）晶面）金屬：金屬：離子晶體：離子晶體：1 負(fù)離子不負(fù)離子不能到間隙能到間隙

9、2 局部電中局部電中性要求性要求第二節(jié)第二節(jié) 點缺陷點缺陷第二節(jié)第二節(jié) 點缺陷點缺陷二、點缺陷的形成二、點缺陷的形成熱力學(xué)分析表明，在高于熱力學(xué)分析表明，在高于0K0K的任何溫度下，晶體最穩(wěn)定的任何溫度下，晶體最穩(wěn)定的狀態(tài)是含有一定濃度點缺陷的狀態(tài)。此濃度稱為點缺的狀態(tài)是含有一定濃度點缺陷的狀態(tài)。此濃度稱為點缺陷的平衡濃度。陷的平衡濃度。 空位形成能空位形成能 空位的出現(xiàn)破壞了其周圍的結(jié)合狀態(tài)，因空位的出現(xiàn)破壞了其周圍的結(jié)合狀態(tài)，因而造成局部能量的升高，由空位的出現(xiàn)而高于沒有空位而造成局部能量的升高，由空位的出現(xiàn)而高于沒有空位時的那一部分能量稱為時的那一部分能量稱為“空位形成能空位形成能”。

10、在一摩爾的晶體中如存在在一摩爾的晶體中如存在n n個空位，晶體中有個空位，晶體中有N=6.023X10N=6.023X102323個晶格位置，這是空位的濃度為個晶格位置，這是空位的濃度為x=n/Nx=n/N，系，系統(tǒng)熵值為：統(tǒng)熵值為： 空位的出現(xiàn)提高了體系的熵值空位的出現(xiàn)提高了體系的熵值 三、點缺陷的平衡濃度三、點缺陷的平衡濃度第二節(jié)第二節(jié) 點缺陷點缺陷 設(shè)每個空位的形成能為設(shè)每個空位的形成能為u，空位濃度為，空位濃度為x時時自由能的變化為：自由能的變化為： )1ln()1(ln()ln)(ln()ln(ln)()ln()(lnln)!ln(!ln!ln)!(!ln(lnxxxxRSNnNNn

11、NNnNnkNSnNnNnNnnnNNNkSnNnNknNnNkkS 即即 第二節(jié)第二節(jié) 點缺陷點缺陷三、點缺陷的平衡濃度三、點缺陷的平衡濃度第二節(jié)第二節(jié) 點缺陷點缺陷三、點缺陷的平衡濃度三、點缺陷的平衡濃度1A)exp(0)1ln(, 1)1( , 00)1ln(11)1(ln1)1ln()1(ln AkTuANnxxxxxxxxxxkNTuNxGxxxxRTuxNGSTHG在上推導(dǎo)中在上推導(dǎo)中為材料常數(shù)，為材料常數(shù)，其中其中的數(shù)目相比小得多，的數(shù)目相比小得多，由于空位的數(shù)目與晶格由于空位的數(shù)目與晶格 例如：例如： CuCu晶體得空位形成能為晶體得空位形成能為0.9ev/atom =1.44

12、X100.9ev/atom =1.44X10- -1919J/atomJ/atom，在，在500500時計算可得出平衡空位的濃度為時計算可得出平衡空位的濃度為1.4X101.4X10-6-6( (很低很低) )，而在每立方米的銅晶體存在，而在每立方米的銅晶體存在1.2X101.2X102323個個空位空位( (數(shù)量很多數(shù)量很多) )。 過飽和空位過飽和空位 晶體中含點缺陷的數(shù)目明顯超過平晶體中含點缺陷的數(shù)目明顯超過平衡值。如高溫下停留平衡時晶體中存在一平衡空衡值。如高溫下停留平衡時晶體中存在一平衡空位，快速冷卻到一較低的溫度，晶體中的空位來位，快速冷卻到一較低的溫度，晶體中的空位來不及移出晶體

13、，就會造成晶體中的空位濃度超過不及移出晶體，就會造成晶體中的空位濃度超過這時的平衡值。過飽和空位的存在是一非平衡狀這時的平衡值。過飽和空位的存在是一非平衡狀態(tài)，有恢復(fù)到平衡態(tài)的熱力學(xué)趨勢，在動力學(xué)上態(tài)，有恢復(fù)到平衡態(tài)的熱力學(xué)趨勢，在動力學(xué)上要到達(dá)平衡態(tài)還要一時間過程。要到達(dá)平衡態(tài)還要一時間過程。 第二節(jié)第二節(jié) 點缺陷點缺陷三、點缺陷的平衡濃度三、點缺陷的平衡濃度四、點缺陷的表示四、點缺陷的表示與金屬中的點缺陷相比，離子晶體中的點缺陷與金屬中的點缺陷相比，離子晶體中的點缺陷的一個重要特點是它們往往都是帶電的。帶電的的一個重要特點是它們往往都是帶電的。帶電的原子類點缺陷以及電子類點缺陷之間有電中性

14、的原子類點缺陷以及電子類點缺陷之間有電中性的約束，例如，離子晶體中形成肖特基缺陷時，陽約束，例如，離子晶體中形成肖特基缺陷時，陽離子空位和陰離子空位形成的比例必須符合化學(xué)離子空位和陰離子空位形成的比例必須符合化學(xué)計量比以保持晶體的電中性。因此離子晶體中的計量比以保持晶體的電中性。因此離子晶體中的點缺陷的形成比較復(fù)雜，人們建立了一套專門的點缺陷的形成比較復(fù)雜，人們建立了一套專門的符號系統(tǒng)來描述離子晶體中的點缺陷，并發(fā)展了符號系統(tǒng)來描述離子晶體中的點缺陷，并發(fā)展了應(yīng)用質(zhì)量作用定律等來處理晶體缺陷關(guān)系的缺陷應(yīng)用質(zhì)量作用定律等來處理晶體缺陷關(guān)系的缺陷化學(xué)，它們已經(jīng)成為研究離子晶體點缺陷的有效化學(xué)，它們

15、已經(jīng)成為研究離子晶體點缺陷的有效工具。工具。 第二節(jié)第二節(jié) 點缺陷點缺陷 克魯格維克符號是描述離子晶體缺陷的一種標(biāo)準(zhǔn)符號，它包含三個部分：符號的主體顯示缺陷是一個空位（V）還是一個離子（例如Mg），下標(biāo)說明缺陷所處的位置，或者是晶格的格點，或者是晶格的間隙位置（i），而上標(biāo)則表示缺陷相對于完整晶格的有效電荷（或者相對電荷），其中代表正電荷， 代表負(fù)電荷，x表示電中性。例如 ，V表示空位，下標(biāo)Mg表示缺陷處于晶格中Mg所占據(jù)的格點，而上標(biāo) 表示相對于完整晶格，該空位帶兩個負(fù)電，這是由于晶格中的Mg2+缺失造成的。Al 則表示處于晶格間隙位置的Al3+，上標(biāo)表示相對于完整晶格Al3+的存在使間隙位

16、置多了3個正電荷。 則表示雜質(zhì)離子Fe2+占據(jù)晶格Mg2+的格點。過渡金屬元素常常有多種價態(tài)。例如在TiO2中，鈦離子的氧化態(tài)主要是+4，其中如果出現(xiàn)+3價的鈦離子，則可以描述成一個帶負(fù)電的點缺陷： 。離子晶體中的自由電子或自由空穴，則分別用e和h 表示。 MgVixMgFeTiTi第二節(jié)第二節(jié) 點缺陷點缺陷四、點缺陷的表示四、點缺陷的表示用克魯格維克符號可以描述離子晶體中的點缺陷的形成，即缺陷化學(xué)方程。除了滿足一般化學(xué)方程所需要滿足的質(zhì)量平衡和電荷平衡以外，缺陷化學(xué)方程還必須滿足晶格格點的平衡。格點平衡是指晶體中的陽離子格點對陰離子格點的比例必須保持不變，而晶格格點的總數(shù)可以增加或者減少。而

17、為了保持電荷平衡，缺陷化學(xué)方程中的缺陷的總有效電荷必須保持平衡。下面介紹幾類離子晶體中常見的點缺陷形成的缺陷化學(xué)方程。對于正負(fù)離子尺寸差異較大、結(jié)構(gòu)配位數(shù)較低的離子晶體，小離子比較容易進(jìn)入相鄰晶格間隙，形成弗侖克爾缺陷。AgCl和AgBr中常見的缺陷就是Ag+進(jìn)入間隙位置形成的弗侖克爾缺陷： CaF2中則是陰離子進(jìn)入晶格間隙，這種陰離子形成的弗侖克爾缺陷也稱為反弗侖克爾缺陷：對于結(jié)構(gòu)配位數(shù)高，即排列比較密集的晶體，如NaCl，肖特基缺陷則更容易形成： AgixAgVAgAgiFxFFVFClNaVV)( 0 零第二節(jié)第二節(jié) 點缺陷點缺陷四、點缺陷的表示四、點缺陷的表示五、熱缺陷平衡方程五、熱缺

18、陷平衡方程 先考慮MO型氧化物，包括MgO、BeO、CaO等中的肖特基缺陷，其缺陷化學(xué)方程為 OMVV)( 0 零根據(jù)化學(xué)平衡原理，若濃度用 表示，則該式的平衡常數(shù)為VVKOMS 因為 SSKlnkTG kTGVVKSOMS2exp2/1 因此 此處 是肖特基缺陷的形成自由能。因此無論是通過缺陷化學(xué)方程還是通過熱力學(xué)計算都能得到相同的點缺陷濃度。 SG第二節(jié)第二節(jié) 點缺陷點缺陷 對于正陰離子尺寸差異較大、結(jié)構(gòu)配位數(shù)較低的離子晶體，小離子比較容易進(jìn)入相鄰晶格間隙，形成弗侖克爾缺陷。AgCl和AgBr中常見的缺陷就是Ag+進(jìn)入間隙位置形成的弗侖克爾缺陷：AgixAgVAgAgAgVAgKAgAgi

19、F平衡常數(shù) 若缺陷濃度低時，則AgAgiAgAgAg接近于1 VAgKAgiF 與肖特基缺陷類似，弗侖克爾缺陷也可表示為kTGexpVAgKFAgi/F221 第二節(jié)第二節(jié) 點缺陷點缺陷五、熱缺陷平衡方程五、熱缺陷平衡方程 組成缺陷方程 CaF2中則是陰離子進(jìn)入晶格間隙，這種陰離子形成的弗侖克爾缺陷也稱為反弗侖克爾缺陷： iFxFFVF 離子晶體常常通過摻雜引入雜質(zhì)原子進(jìn)行改性。絕大多數(shù)雜質(zhì)原子形成的都是替位式雜質(zhì)原子，因此這里我們只考慮雜質(zhì)原子占據(jù)晶格格點的摻雜。如果摻入的離子與被替代的離子價態(tài)相等，則稱為等價摻雜，例如在MgO中摻入NiO： xOxMgONiNiO 第二節(jié)第二節(jié) 點缺陷點缺

20、陷五、熱缺陷平衡方程五、熱缺陷平衡方程 而如果摻入的離子與被替代的離子價態(tài)不相等，則稱為不等價摻雜。不等價摻雜的雜質(zhì)原子是帶電的點缺陷，因此必須產(chǎn)生其它的帶電缺陷以保持電荷平衡，通常稱為電荷補(bǔ)償。對于主族金屬元素，由于它們只有一個價態(tài)，其氧化物組成嚴(yán)格維持化學(xué)計量比，不等價摻不等價摻雜通常都是通過帶電的原子缺陷進(jìn)行補(bǔ)償?shù)碾s通常都是通過帶電的原子缺陷進(jìn)行補(bǔ)償?shù)?。例如在MgO中摻入Al2O3 MgxOMg32V3O2AlOAl而在Al2O3中摻入MgO OxOAlV2O2Mg2MgO第二節(jié)第二節(jié) 點缺陷點缺陷五、熱缺陷平衡方程五、熱缺陷平衡方程 過渡金屬離子晶體中的不等價摻雜情況則比較復(fù)雜。以Ti

21、O2中摻入Nb2O5為例，既可能發(fā)生原子缺陷補(bǔ)償： TixOTi52V10O4NbO2Nb也有可能發(fā)生電子缺陷補(bǔ)償 2xOTi52O212e4O2NbONb當(dāng)發(fā)生電子補(bǔ)償時，由于有自由電子產(chǎn)生，可使離子晶體的電導(dǎo)率增加；而發(fā)生原子缺陷補(bǔ)償時，其電導(dǎo)則沒有什么變化。因此對離子晶體的不等價摻雜，在不同的條件下可以得到完全不同的結(jié)果。第二節(jié)第二節(jié) 點缺陷點缺陷五、熱缺陷平衡方程五、熱缺陷平衡方程 非化學(xué)計量缺陷化學(xué)方程1. 陽離子過剩而產(chǎn)生陰離子空位非化學(xué)計量化合物中，陰離子與陽離子的比例，并不是一個簡單的固定的比例關(guān)系。由于在化學(xué)組成上偏離化學(xué)計量而產(chǎn)生的晶體缺陷，可分為以下四種類型： TiO2、

22、ZrO2就會產(chǎn)生這種缺陷，其分子式可以寫為TiO2-x、ZrO2-x。從化學(xué)計量的觀點，在這種化合物中，陽離子與陰離子的比例是1:2，但由于氧離子不足，在晶體中存在氧空位，使得金屬離子與化學(xué)式量比較起來顯得過剩。對于TiO2失去氧變成TiO2-x，其缺陷化學(xué)方程為：2212OeVOOO第二節(jié)第二節(jié) 點缺陷點缺陷五、熱缺陷平衡方程五、熱缺陷平衡方程 在TiO2-x中，過剩電子被束縛在 周圍，成為準(zhǔn)自由電子，這種結(jié)構(gòu)通常稱為F-色心，準(zhǔn)自由電子能吸收一定波長的光而從基態(tài)到激發(fā)態(tài)，使氧化鈦從黃色變成藍(lán)色直至灰黑色。在電場的作用下，準(zhǔn)自由電子也能參與導(dǎo)電，因此存在氧空位的氧化鈦是一種n型半導(dǎo)體，不能作

23、為介質(zhì)材料使用。 OV根據(jù)質(zhì)量作用定律，平衡時Oe PVKOOO2212注意到晶體中氧離子的濃度基本不變，而過剩電子的濃度是氧空位的兩倍，則可簡化為612PVOO可見氧壓力越大則氧空位的濃度越小。在燒結(jié)含鈦的陶瓷時，要注意控制氧的壓力。 第二節(jié)第二節(jié) 點缺陷點缺陷五、熱缺陷平衡方程五、熱缺陷平衡方程 第二節(jié)第二節(jié) 點缺陷點缺陷Electrochemical Photolysis of Water at a Semiconductor Electrode五、熱缺陷平衡方程五、熱缺陷平衡方程 2. 陽離子過剩而產(chǎn)生間隙陽離子 Zn1+xO、Cd1+xO屬于這種類型。過剩的金屬離子進(jìn)入間隙位置，它是

24、帶正電的，為了保持電中性，等價的電子被束縛在間隙金屬離子的周圍，這也是一種色心。例如ZnO在鋅蒸汽中加熱，顏色會逐漸加深變化，就是形成這種缺陷的緣故。其缺陷方程如下：eZn)g(Zni2按質(zhì)量作用定律PeZnKZni2間隙鋅離子的濃度與鋅蒸汽壓的關(guān)系為31PZnZni第二節(jié)第二節(jié) 點缺陷點缺陷五、熱缺陷平衡方程五、熱缺陷平衡方程 如果鋅離子化程度不足，可以有eZn)g(Zni這種情況下21PZnZni ZnO究竟屬于什么樣的缺陷模型，要經(jīng)過實驗才能確定。由于電導(dǎo)率與自由電子的濃度成比例關(guān)系，因此，ZnO的電導(dǎo)率也和帶電的間隙鋅的濃度成正比。通過測定ZnO的電導(dǎo)率與氧分壓的關(guān)系，可以導(dǎo)出單電荷間

25、隙鋅的模型，且與實驗相符。因為鋅蒸汽與氧壓的關(guān)系為 ZnOOgZn221)(ZnOOeZni221212PeZnZnOKOi412Pe O實驗中測得的ZnO在650C時的電導(dǎo)率與氧分壓的關(guān)系式滿足該式。 第二節(jié)第二節(jié) 點缺陷點缺陷五、熱缺陷平衡方程五、熱缺陷平衡方程 3. 陰離子過剩而產(chǎn)生間隙陰離子 目前只發(fā)現(xiàn)UO2+x具有這樣的缺陷。當(dāng)在晶格中存在間隙陰離子時，為了保持電中性，結(jié)構(gòu)中引入電子空穴，相應(yīng)的陽離子升價。電子空穴在電場下會運動，因此，這種材料是p型半導(dǎo)體。對于UO2+x中的缺陷反應(yīng)可以表示為： hOOi2212根據(jù)質(zhì)量作用定律可以得到612POOi 顯然，隨著氧壓力的增大，間隙氧濃

26、度增大。第二節(jié)第二節(jié) 點缺陷點缺陷五、熱缺陷平衡方程五、熱缺陷平衡方程 由于存在陽離子空位，為了保持電中性，在陽離子空位的周圍捕獲電子空穴。因此，它也是p型半導(dǎo)體。Cu2O、FeO、CoO屬于這種類型的化合物。以FeO為例，可以寫成Fe1-xO。其缺陷的生成反應(yīng)為： 4. 陰離子過剩而產(chǎn)生陽離子空位 hVO)g(OFeO2212第二節(jié)第二節(jié) 點缺陷點缺陷五、熱缺陷平衡方程五、熱缺陷平衡方程 鐵離子空位本身帶負(fù)電，為了保持電中性， 兩個電子空穴被吸引到這空位的周圍，形成一種V-色心。根據(jù)質(zhì)量作用定律2122PhVOKOFeO 根據(jù)電中性條件要求 hVFe 2由此可得 612PhO隨著氧壓力的增大

27、，電子空穴的濃度增大，電導(dǎo)率也相應(yīng)增大。 非化學(xué)計量缺陷的濃度與氣氛的性質(zhì)及大小有關(guān)，這非化學(xué)計量缺陷的濃度與氣氛的性質(zhì)及大小有關(guān)，這是它和別的缺陷的最大不同之處。此外，這種缺陷的濃度是它和別的缺陷的最大不同之處。此外，這種缺陷的濃度也與溫度有關(guān)，這從平衡常數(shù)也與溫度有關(guān)，這從平衡常數(shù)K與溫度的關(guān)系中反映出來。與溫度的關(guān)系中反映出來。 第二節(jié)第二節(jié) 點缺陷點缺陷五、熱缺陷平衡方程五、熱缺陷平衡方程 氧化鋯測氧原理 當(dāng)電解質(zhì)兩側(cè)氧濃度不同時，高濃度側(cè)(空氣)的氧分子被吸附在鉑電極上與電子（4e）結(jié)合形成氧離子O2-，使該電極帶正電，O2-離子通過電解質(zhì)中的氧離子空位遷移到低氧濃度側(cè)的Pt電極上放

28、出電子，轉(zhuǎn)化成氧分子，使該電極帶負(fù)電。 參比側(cè)：O2+4e2O2- 測量側(cè)：2O2-4eO2 如能測出氧探頭的輸出電動勢E和被測氣體的絕對溫度T，即可算出被測氣體的氧分壓（濃度）P1 10lnppnFRTEOOZrVOYOY3232第二節(jié)第二節(jié) 點缺陷點缺陷五、熱缺陷平衡方程五、熱缺陷平衡方程 六、點缺陷對材料性能的影響六、點缺陷對材料性能的影響原因：原因：無論那種點缺陷的存在，都會使其附近的原子稍無論那種點缺陷的存在，都會使其附近的原子稍微偏離原結(jié)點位置才能平衡，即造成小區(qū)域的晶格畸變。微偏離原結(jié)點位置才能平衡，即造成小區(qū)域的晶格畸變。 效果效果提高材料的電阻提高材料的電阻 定向流動的電子在

29、點缺陷處定向流動的電子在點缺陷處受到非平衡力受到非平衡力( (陷阱陷阱) )，增加了阻力，加速運動，增加了阻力，加速運動提高局部溫度提高局部溫度( (發(fā)熱發(fā)熱) )。 加快原子的擴(kuò)散遷移加快原子的擴(kuò)散遷移 空位可作為原子運動的空位可作為原子運動的周轉(zhuǎn)站。周轉(zhuǎn)站。 形成其他晶體缺陷形成其他晶體缺陷 過飽和的空位可集中形成過飽和的空位可集中形成內(nèi)部的空洞，集中一片的塌陷形成位錯。內(nèi)部的空洞，集中一片的塌陷形成位錯。 改變材料的力學(xué)性能改變材料的力學(xué)性能 空位移動到位錯處可造空位移動到位錯處可造成刃位錯的攀移，間隙原子和異類原子的存在成刃位錯的攀移，間隙原子和異類原子的存在會增加位錯的運動阻力。會使

30、強(qiáng)度提高，塑性會增加位錯的運動阻力。會使強(qiáng)度提高，塑性下降。下降。 第二節(jié)第二節(jié) 點缺陷點缺陷例題一例題一一塊一塊Al2O3中以置換固溶的方式固溶中以置換固溶的方式固溶0.5mol%NiO和和0.02mol%Cr2O3. (1)試確定其缺陷反應(yīng)方程及固溶體分子式；試確定其缺陷反應(yīng)方程及固溶體分子式； (2)給出這種固溶體的化學(xué)式，并考慮固溶前后體積不給出這種固溶體的化學(xué)式，并考慮固溶前后體積不變，計算固溶前后的密度變化百分比；變，計算固溶前后的密度變化百分比； （分子量：（分子量：Al2O3:102, NiO:74.7,Cr2O3:152） 第二節(jié)第二節(jié) 點缺陷點缺陷分子式：Al1.9946

31、Ni0.005 Cr0.0004 O2.9975)（2）1 0.005 0.0002 = 0.99480.005NiO0.0002Cr2O30.9948Al2O3含有0.0025mol氧空位，相當(dāng)于0.00083mol的Al2O3的氧空位，由于固溶前后體積不變，應(yīng)該假定摻雜前有0.00083mol的Al2O3空缺。(1) 2NiO2NiAl + 2OO + VOCr2O3 2CrAl + 3OO Al: 20.0004 0.005 = 1.9946 VO: 3 0.0025 = 2.9975第二節(jié)第二節(jié) 點缺陷點缺陷2 32 32 3NiO0.005M0.00020.994899.95895%

32、0.99917CrOAl OAl OMMM摻雜前密度: 0.99917MAl2O3 / V摻雜后密度: (0.005MNiO + 0.0002MCr2O3 + 0.9948MAl2O3) / V第二節(jié)第二節(jié) 點缺陷點缺陷第三節(jié)第三節(jié) 位錯位錯 一、位錯的原子模型一、位錯的原子模型 將晶體的上半部分向左移動一個原子間距，再按原子的將晶體的上半部分向左移動一個原子間距，再按原子的結(jié)合方式連接起來結(jié)合方式連接起來(b)。除分界線附近的一管形區(qū)域例外，其。除分界線附近的一管形區(qū)域例外，其他部分基本都是完好的晶體。在分界線的上方將多出半個原他部分基本都是完好的晶體。在分界線的上方將多出半個原子面，這就是

33、刃型位錯。子面，這就是刃型位錯。 線缺陷：線缺陷：在三維空間的一個方向上的尺寸很大在三維空間的一個方向上的尺寸很大(晶粒數(shù)量級晶粒數(shù)量級)，另，另外兩個方向上的尺寸很小外兩個方向上的尺寸很小(原子尺寸大小原子尺寸大小)的晶體缺陷。其具體形的晶體缺陷。其具體形式就是晶體中的位錯式就是晶體中的位錯Dislocation第三節(jié)第三節(jié) 位錯位錯一、位錯的原子模型一、位錯的原子模型若將上半部分向上移動一個原子間距，之間插入半個原若將上半部分向上移動一個原子間距，之間插入半個原子面，再按原子的結(jié)合方式連接起來，得到和子面，再按原子的結(jié)合方式連接起來，得到和(b)(b)類似排類似排列方式列方式( (轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)90

34、90度度) )，這也是刃型位錯。，這也是刃型位錯。 第三節(jié)第三節(jié) 位錯位錯一、位錯的原子模型一、位錯的原子模型 若將晶體的上半部分向后若將晶體的上半部分向后移動一個原子間距，再按原子移動一個原子間距，再按原子的結(jié)合方式連接起來的結(jié)合方式連接起來(c)(c)，同樣，同樣除分界線附近的一管形區(qū)域例除分界線附近的一管形區(qū)域例外，其他部分基本也都是完好外，其他部分基本也都是完好的晶體。而在分界線的區(qū)域形的晶體。而在分界線的區(qū)域形成一螺旋面，這就是螺型位錯。成一螺旋面，這就是螺型位錯。 第三節(jié)第三節(jié) 位錯位錯一、位錯的原子模型一、位錯的原子模型位錯的形式位錯的形式 ：若將上半部分向上移動一個原子間距，之

35、間插入半個原若將上半部分向上移動一個原子間距，之間插入半個原子面，再按原子的結(jié)合方式連接起來，得到和子面，再按原子的結(jié)合方式連接起來，得到和(b)(b)類似排類似排列方式列方式( (轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)9090度度) )，這也是刃型位錯。，這也是刃型位錯。 第三節(jié)第三節(jié) 位錯位錯 二、柏氏矢量二、柏氏矢量 說明：這是一個并不十分準(zhǔn)確的定義方法。柏氏矢量的方向與位錯說明：這是一個并不十分準(zhǔn)確的定義方法。柏氏矢量的方向與位錯線方向的定義有關(guān)，應(yīng)該首先定義位錯線的方向，再依據(jù)位錯線方向的定義有關(guān)，應(yīng)該首先定義位錯線的方向，再依據(jù)位錯線的方向來定柏氏回路的方向，再確定柏氏矢量的方向。在專線的方向來定柏氏回路的方向，再

36、確定柏氏矢量的方向。在專門的位錯理論中還會糾正。門的位錯理論中還會糾正。 第三節(jié)第三節(jié) 位錯位錯確定方法：確定方法： 首先在原子排列基本正常區(qū)域作一個包含位首先在原子排列基本正常區(qū)域作一個包含位錯的回路，也稱為柏氏回路，這個回路包含了位錯發(fā)生錯的回路，也稱為柏氏回路，這個回路包含了位錯發(fā)生的畸變。然后將同樣大小的回路置于理想晶體中，回路的畸變。然后將同樣大小的回路置于理想晶體中，回路當(dāng)然不可能封閉，需要一個額外的矢量連接才能封閉，當(dāng)然不可能封閉，需要一個額外的矢量連接才能封閉，這個矢量就稱為該位錯的柏氏這個矢量就稱為該位錯的柏氏(Burgers)矢量。矢量。二、柏氏矢量二、柏氏矢量 柏氏矢量與

37、位錯類型的關(guān)系：柏氏矢量與位錯類型的關(guān)系： 柏氏矢量守恒：柏氏矢量守恒： 同一位錯的柏氏矢量與柏氏回路的大小和走向無關(guān)。同一位錯的柏氏矢量與柏氏回路的大小和走向無關(guān)。位錯不可能終止于晶體的內(nèi)部，只能到表面、晶界和位錯不可能終止于晶體的內(nèi)部，只能到表面、晶界和其他位錯，在位錯網(wǎng)的交匯點，必然其他位錯，在位錯網(wǎng)的交匯點，必然 第三節(jié)第三節(jié) 位錯位錯刃型位錯刃型位錯 柏氏矢量與位錯線相互垂直。柏氏矢量與位錯線相互垂直。(依方向關(guān)系可分正刃和依方向關(guān)系可分正刃和負(fù)刃型位錯負(fù)刃型位錯) 螺型位錯螺型位錯 柏氏矢量與位錯線相互平行。柏氏矢量與位錯線相互平行。(依方向關(guān)系可分左螺和依方向關(guān)系可分左螺和右螺型

38、位錯右螺型位錯) 混合位錯混合位錯 柏氏矢量與位錯線的夾角非柏氏矢量與位錯線的夾角非0或或90度。度。0 ib第三節(jié)第三節(jié) 位錯位錯三、位錯的運動三、位錯的運動 滑移面滑移面：過位錯線并和柏氏矢量平行的平面：過位錯線并和柏氏矢量平行的平面(晶面晶面)是該位錯的滑移面。是該位錯的滑移面。位錯的滑移運動位錯的滑移運動：位錯在滑移面上的運動。：位錯在滑移面上的運動。 第三節(jié)第三節(jié) 位錯位錯三、位錯的運動三、位錯的運動 第三節(jié)第三節(jié) 位錯位錯刃型位錯的滑移運動：在圖示的晶體上施加一切應(yīng)力，當(dāng)應(yīng)力刃型位錯的滑移運動：在圖示的晶體上施加一切應(yīng)力，當(dāng)應(yīng)力足夠大時，有使晶體上部向有發(fā)生移動的趨勢。假如晶體中有

39、足夠大時，有使晶體上部向有發(fā)生移動的趨勢。假如晶體中有一刃型位錯，顯然位錯在晶體中發(fā)生移動比整個晶體移動要容一刃型位錯，顯然位錯在晶體中發(fā)生移動比整個晶體移動要容易。因此，位錯的運動在外加切應(yīng)力的作用下發(fā)生；位錯易。因此，位錯的運動在外加切應(yīng)力的作用下發(fā)生；位錯移動的方向和位錯線垂直；運動位錯掃過的區(qū)域晶體的兩部移動的方向和位錯線垂直；運動位錯掃過的區(qū)域晶體的兩部分發(fā)生了柏氏矢量大小的相對運動分發(fā)生了柏氏矢量大小的相對運動(滑移滑移)；位錯移出晶體表；位錯移出晶體表面將在晶體的表面上產(chǎn)生柏氏矢量大小的臺階。面將在晶體的表面上產(chǎn)生柏氏矢量大小的臺階。第三節(jié)第三節(jié) 位錯位錯三、位錯的運動三、位錯的

40、運動 滑移的實質(zhì)是位錯的運動滑移的實質(zhì)是位錯的運動 對應(yīng)于位錯運動，在滑對應(yīng)于位錯運動，在滑移的過程中，只需要位錯中移的過程中，只需要位錯中心上面的兩列原子（實際為心上面的兩列原子（實際為兩個半原子面兩個半原子面）向右作微量向右作微量的位移，位錯中心下面的一的位移，位錯中心下面的一列原子向左作微量的位移，列原子向左作微量的位移，位錯中心便會發(fā)生一個原子位錯中心便會發(fā)生一個原子間距的右移。由此可見，通間距的右移。由此可見，通過位錯運動方式的滑移，并不需要整個晶體上半部的原過位錯運動方式的滑移，并不需要整個晶體上半部的原子相對于其下半部一起位移，而僅需位錯中心附近的極子相對于其下半部一起位移，而僅

41、需位錯中心附近的極少量的原子作微量的位移即可，所以它所需要的臨界切少量的原子作微量的位移即可，所以它所需要的臨界切應(yīng)力便遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于整體剛性滑移。應(yīng)力便遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于整體剛性滑移。 螺型位錯的滑移：在圖示的晶體上施加一切應(yīng)力，當(dāng)應(yīng)力足螺型位錯的滑移：在圖示的晶體上施加一切應(yīng)力，當(dāng)應(yīng)力足夠大時，有使晶體的左右部分發(fā)生上下移動的趨勢。假如晶夠大時，有使晶體的左右部分發(fā)生上下移動的趨勢。假如晶體中有一螺型位錯，顯然位錯在晶體中向后發(fā)生移動，移動體中有一螺型位錯，顯然位錯在晶體中向后發(fā)生移動，移動過的區(qū)間右邊晶體向下移動一柏氏矢量。因此，螺位錯也過的區(qū)間右邊晶體向下移動一柏氏矢量。因此，螺位錯也是在外加切應(yīng)力的

42、作用下發(fā)生運動；位錯移動的方向總是是在外加切應(yīng)力的作用下發(fā)生運動；位錯移動的方向總是和位錯線垂直；運動位錯掃過的區(qū)域晶體的兩部分發(fā)生了和位錯線垂直；運動位錯掃過的區(qū)域晶體的兩部分發(fā)生了柏氏矢量大小的相對運動柏氏矢量大小的相對運動( (滑移滑移) )；位錯移過部分在表面留；位錯移過部分在表面留下部分臺階，全部移出晶體的表面上產(chǎn)生柏氏矢量大小的完下部分臺階，全部移出晶體的表面上產(chǎn)生柏氏矢量大小的完整臺階。這四點同刃型位錯。整臺階。這四點同刃型位錯。 第三節(jié)第三節(jié) 位錯位錯三、位錯的運動三、位錯的運動 刃、螺型位錯滑移的比較：刃、螺型位錯滑移的比較：因為位錯線和柏氏矢量平行，所以螺型位錯可以有多因為

43、位錯線和柏氏矢量平行，所以螺型位錯可以有多個滑移面，螺型位錯無論在那個方向移動都是滑移。個滑移面，螺型位錯無論在那個方向移動都是滑移。晶體兩部分的相對移動量決定于柏氏矢量的大小和方晶體兩部分的相對移動量決定于柏氏矢量的大小和方向，與位錯線的移動方向無關(guān)。向，與位錯線的移動方向無關(guān)。 第三節(jié)第三節(jié) 位錯位錯三、位錯的運動三、位錯的運動 分析一位錯環(huán)的運動分析一位錯環(huán)的運動第三節(jié)第三節(jié) 位錯位錯三、位錯的運動三、位錯的運動 綜合位錯的運動綜合位錯的運動：以位錯環(huán)為例來說明。在一個滑：以位錯環(huán)為例來說明。在一個滑移面上存在一位錯環(huán)，如圖所示，簡化為一多邊型。前移面上存在一位錯環(huán)，如圖所示，簡化為一多

44、邊型。前后為刃位錯，在切應(yīng)力后為刃位錯，在切應(yīng)力的作用下，后部的半原子面在的作用下，后部的半原子面在上方向后移動；前部的半原子面在下方，向前運動。左上方向后移動；前部的半原子面在下方，向前運動。左右為螺位錯，但螺旋方向相反，左邊向左，右邊向右運右為螺位錯，但螺旋方向相反，左邊向左，右邊向右運動；其他為混合位錯，均向外運動。所有運動都使上部動；其他為混合位錯，均向外運動。所有運動都使上部晶體向后移動了一個原子間距。所有位錯移出晶體，整晶體向后移動了一個原子間距。所有位錯移出晶體，整個晶體上部移動了一個原子間距?？梢姛o論那種位錯，個晶體上部移動了一個原子間距?？梢姛o論那種位錯，最后達(dá)到的效果是一樣

45、的。如果外加切應(yīng)力相反，位錯最后達(dá)到的效果是一樣的。如果外加切應(yīng)力相反，位錯環(huán)將縮小，最后消失。位錯環(huán)存在時，環(huán)所在區(qū)間原子環(huán)將縮小，最后消失。位錯環(huán)存在時，環(huán)所在區(qū)間原子已經(jīng)偏后一原子間距，環(huán)縮小到消失，表明這個偏移的已經(jīng)偏后一原子間距，環(huán)縮小到消失，表明這個偏移的消失，而環(huán)擴(kuò)大表明其他區(qū)間向后移動?？梢娢诲e的運消失，而環(huán)擴(kuò)大表明其他區(qū)間向后移動?？梢娢诲e的運動都將使掃過的區(qū)間兩邊的原子層發(fā)生柏氏矢量大小的動都將使掃過的區(qū)間兩邊的原子層發(fā)生柏氏矢量大小的相對滑動。相對滑動。 第三節(jié)第三節(jié) 位錯位錯三、位錯的運動三、位錯的運動 刃位錯的攀移運動：刃位錯的攀移運動：刃型位錯在垂直于滑移面方向上刃

46、型位錯在垂直于滑移面方向上的運動。刃位錯發(fā)生攀移運動時相當(dāng)于半原子面的伸長的運動。刃位錯發(fā)生攀移運動時相當(dāng)于半原子面的伸長或縮短，通常把半原子面縮短稱為正攀移，反之為負(fù)攀或縮短，通常把半原子面縮短稱為正攀移，反之為負(fù)攀移。移。 滑移時不涉及單個原子遷移，即擴(kuò)散。刃型位錯發(fā)滑移時不涉及單個原子遷移，即擴(kuò)散。刃型位錯發(fā)生正攀移將有原子多余，大部分是由于晶體中空位運動生正攀移將有原子多余，大部分是由于晶體中空位運動到位錯線上的結(jié)果，從而會造成空位的消失；而負(fù)攀移到位錯線上的結(jié)果，從而會造成空位的消失；而負(fù)攀移則需要外來原子，無外來原子將在晶體中產(chǎn)生新的空位。則需要外來原子，無外來原子將在晶體中產(chǎn)生新

47、的空位?？瘴坏倪w移速度隨溫度的升高而加快，因此刃型位錯的空位的遷移速度隨溫度的升高而加快，因此刃型位錯的攀移一般發(fā)生在溫度較高時；另外，溫度的變化將引起攀移一般發(fā)生在溫度較高時；另外，溫度的變化將引起晶體的平衡空位濃度的變化，這種空位的變化往往和刃晶體的平衡空位濃度的變化，這種空位的變化往往和刃位錯的攀移相關(guān)。切應(yīng)力對刃位錯的攀移是無效的，正位錯的攀移相關(guān)。切應(yīng)力對刃位錯的攀移是無效的，正應(yīng)力的存在有助于攀移應(yīng)力的存在有助于攀移( (壓應(yīng)力有助正攀移，拉應(yīng)力有助壓應(yīng)力有助正攀移，拉應(yīng)力有助負(fù)攀移負(fù)攀移) )，但對攀移的總體作用甚小。，但對攀移的總體作用甚小。 第三節(jié)第三節(jié) 位錯位錯三、位錯的運

48、動三、位錯的運動 四、位錯的觀察四、位錯的觀察 位錯在晶體表面的露頭位錯在晶體表面的露頭 拋光拋光后的試樣在侵蝕時，由于易侵后的試樣在侵蝕時，由于易侵蝕而出現(xiàn)侵蝕坑，其特點是坑蝕而出現(xiàn)侵蝕坑，其特點是坑為規(guī)則的多邊型且排列有一定為規(guī)則的多邊型且排列有一定規(guī)律。只能在晶粒較大，位錯規(guī)律。只能在晶粒較大，位錯較少時才有明顯效果。較少時才有明顯效果。 薄膜透射電鏡觀察薄膜透射電鏡觀察 將試將試樣減薄到幾十到數(shù)百個原樣減薄到幾十到數(shù)百個原子層子層(500nm(500nm以下以下) )，利用透，利用透射電鏡進(jìn)行觀察，可見到射電鏡進(jìn)行觀察，可見到位錯線。位錯線。 第三節(jié)第三節(jié) 位錯位錯第三節(jié)第三節(jié) 位錯位

49、錯四、位錯的觀察四、位錯的觀察 第三節(jié)第三節(jié) 位錯位錯四、位錯的觀察四、位錯的觀察 表示晶體中含有位錯數(shù)量的參數(shù)。表示晶體中含有位錯數(shù)量的參數(shù)。位錯密度位錯密度用單位體積位錯線的總長度表示。用單位體積位錯線的總長度表示。 在金屬材料中，退火狀態(tài)下，接近平衡狀態(tài)在金屬材料中，退火狀態(tài)下，接近平衡狀態(tài)所得到的材料，這時位錯的密度較低，約在所得到的材料，這時位錯的密度較低，約在106的數(shù)量級；的數(shù)量級； 經(jīng)過較大的冷塑性變形，位錯的密度可達(dá)經(jīng)過較大的冷塑性變形，位錯的密度可達(dá)1010-12的數(shù)量級。詳細(xì)內(nèi)容到塑性變形一章再論的數(shù)量級。詳細(xì)內(nèi)容到塑性變形一章再論述。述。位錯密度位錯密度第三節(jié)第三節(jié) 位

50、錯位錯四、位錯的觀察四、位錯的觀察 五、位錯的彈性特征五、位錯的彈性特征 ( (一一) )位錯的應(yīng)變能位錯的應(yīng)變能 來源：來源：位錯應(yīng)變能主要是彈性應(yīng)變能。彈簧或其他彈性位錯應(yīng)變能主要是彈性應(yīng)變能。彈簧或其他彈性體的彈性位能體的彈性位能0.5kx2。同樣在單位體積內(nèi)彈性位能，正應(yīng)。同樣在單位體積內(nèi)彈性位能，正應(yīng)力引起的為力引起的為0.50.5，而切應(yīng)力引起的為，而切應(yīng)力引起的為0.50.5。 在位錯線的周圍存在內(nèi)應(yīng)力，例如刃型位錯，在多在位錯線的周圍存在內(nèi)應(yīng)力，例如刃型位錯，在多余半原子面區(qū)域為壓應(yīng)力，而缺少半原子面的區(qū)域存在余半原子面區(qū)域為壓應(yīng)力，而缺少半原子面的區(qū)域存在著拉應(yīng)力；在螺位錯周

51、圍存在的是切應(yīng)力。所以位錯周著拉應(yīng)力；在螺位錯周圍存在的是切應(yīng)力。所以位錯周圍存在彈性應(yīng)變能?？梢娪捎谖诲e的存在，在其周圍存圍存在彈性應(yīng)變能?？梢娪捎谖诲e的存在，在其周圍存在一應(yīng)力場，應(yīng)力場的分布有機(jī)會進(jìn)一步學(xué)習(xí)時再分析。在一應(yīng)力場，應(yīng)力場的分布有機(jī)會進(jìn)一步學(xué)習(xí)時再分析。 位錯線周圍的原子偏離了平衡位置，處于較位錯線周圍的原子偏離了平衡位置，處于較高的能量狀態(tài)，高出的能量稱為位錯的應(yīng)變能，高的能量狀態(tài)，高出的能量稱為位錯的應(yīng)變能，或簡稱或簡稱位錯能位錯能。 第三節(jié)第三節(jié) 位錯位錯( (一一) )位錯的應(yīng)變能位錯的應(yīng)變能 位錯應(yīng)變能的大小，以單位長度位錯線上的位錯應(yīng)變能的大小，以單位長度位錯線上

52、的應(yīng)變能來表示，單位為應(yīng)變能來表示，單位為J JM M-1-1。 在數(shù)值上在數(shù)值上U=GbU=Gb2 2，其中，其中b為柏氏矢量的大小，為柏氏矢量的大小，G為材料的剪切變模量。為材料的剪切變模量。為常數(shù)，螺位錯為為常數(shù)，螺位錯為0.550.73，常用，常用0.5來簡算；刃型位錯為來簡算；刃型位錯為0.811.09，常用，常用1.0來簡算。來簡算。 由于位錯存在應(yīng)變能，為減小這能量，位錯線的分由于位錯存在應(yīng)變能，為減小這能量，位錯線的分布一方面在可能的情況下盡量減小單位長度上的能量，布一方面在可能的情況下盡量減小單位長度上的能量，由位錯結(jié)果決定的，只要晶體結(jié)構(gòu)條件容許，柏氏矢量由位錯結(jié)果決定的，

53、只要晶體結(jié)構(gòu)條件容許，柏氏矢量盡量小。另一方面就是減小位錯線的長度，兩點之間只盡量小。另一方面就是減小位錯線的長度，兩點之間只要結(jié)構(gòu)容許，以直線分布。好像沿位錯線兩端作用了一要結(jié)構(gòu)容許，以直線分布。好像沿位錯線兩端作用了一個線張力。線張力和位錯的能量在數(shù)量上是等價的。個線張力。線張力和位錯的能量在數(shù)量上是等價的。 第三節(jié)第三節(jié) 位錯位錯( (二二) )位錯與點缺陷的交互作用位錯與點缺陷的交互作用 晶體內(nèi)同時含由位錯和點缺陷時晶體內(nèi)同時含由位錯和點缺陷時( (特別時溶入的異類特別時溶入的異類原子原子) )，它們會發(fā)生交互作用。，它們會發(fā)生交互作用。異類原子在刃位錯處會聚集，如小原子到多出半原子面

54、異類原子在刃位錯處會聚集，如小原子到多出半原子面處，大原子到少半原子面處，而異類原子則溶在位錯的處，大原子到少半原子面處，而異類原子則溶在位錯的間隙處。間隙處。 空位會使刃位錯發(fā)生攀移運動?？瘴粫谷形诲e發(fā)生攀移運動。 第三節(jié)第三節(jié) 位錯位錯五、位錯的彈性特征五、位錯的彈性特征 ( (三三) )位錯間的交互作用位錯間的交互作用 每條位錯線周圍存在應(yīng)力場，對附近的其他位錯有每條位錯線周圍存在應(yīng)力場，對附近的其他位錯有力的作用和影響，這個影響較復(fù)雜，下面僅對簡單情況力的作用和影響，這個影響較復(fù)雜，下面僅對簡單情況加以說明。加以說明。 一對在同一滑移面上平行刃位錯，當(dāng)其方向相同時，一對在同一滑移面上

55、平行刃位錯，當(dāng)其方向相同時，表現(xiàn)為互相排斥，有條件時相互移動來增加其距離。當(dāng)表現(xiàn)為互相排斥，有條件時相互移動來增加其距離。當(dāng)其方向相反時，表現(xiàn)為互相吸引，有條件時相互靠近，其方向相反時，表現(xiàn)為互相吸引，有條件時相互靠近，最后可能互相中和而消失。最后可能互相中和而消失。 第三節(jié)第三節(jié) 位錯位錯五、位錯的彈性特征五、位錯的彈性特征 ( (三三) )位錯間的交互作用位錯間的交互作用 一對平行的螺位錯，按幾何規(guī)律，其共有面可作為一對平行的螺位錯，按幾何規(guī)律，其共有面可作為其滑移面。當(dāng)其方向相同時，也表現(xiàn)為互相排斥，有條其滑移面。當(dāng)其方向相同時，也表現(xiàn)為互相排斥，有條件時相互移動來增加其距離。當(dāng)其方向相

56、反時，也表現(xiàn)件時相互移動來增加其距離。當(dāng)其方向相反時，也表現(xiàn)為互相吸引，有條件時相互靠近，最后可能互相中和而為互相吸引，有條件時相互靠近，最后可能互相中和而消失。消失。 處在其他情況下的位錯間的相互作用較為復(fù)雜，暫處在其他情況下的位錯間的相互作用較為復(fù)雜，暫時還難簡單的說清楚，上例僅提供一分析的方向。時還難簡單的說清楚，上例僅提供一分析的方向。 第三節(jié)第三節(jié) 位錯位錯(四四) 位錯的分解與合成位錯的分解與合成第三節(jié)第三節(jié) 位錯位錯位錯具有很高的能量，因此它是很不穩(wěn)定的，除了上述交互作用外，還常發(fā)生自發(fā)位錯具有很高的能量，因此它是很不穩(wěn)定的，除了上述交互作用外，還常發(fā)生自發(fā)反應(yīng)，由一根位錯分解成

57、兩根以上的位錯，或者兩根以上的位錯合并為一根位反應(yīng)，由一根位錯分解成兩根以上的位錯，或者兩根以上的位錯合并為一根位錯，這些統(tǒng)稱為位錯反應(yīng)，位錯反應(yīng)的結(jié)果是降低體系的自由能。錯，這些統(tǒng)稱為位錯反應(yīng)，位錯反應(yīng)的結(jié)果是降低體系的自由能。位錯反應(yīng)的條件位錯反應(yīng)的條件所有自發(fā)的位錯反應(yīng)必須滿足兩個條件：所有自發(fā)的位錯反應(yīng)必須滿足兩個條件：（1）幾何條件）幾何條件 = ，即反應(yīng)前后位錯在三維方向的分矢量之和必須相等。，即反應(yīng)前后位錯在三維方向的分矢量之和必須相等。（2 2）能量條件）能量條件 ，即位錯反應(yīng)后應(yīng)變能必須變低，這是反應(yīng)進(jìn)行的驅(qū)動力。，即位錯反應(yīng)后應(yīng)變能必須變低，這是反應(yīng)進(jìn)行的驅(qū)動力。前b b后

58、b b2前b b2后b b五、位錯的彈性特征五、位錯的彈性特征 第四節(jié)第四節(jié) 晶體中的界面晶體中的界面 一、表面及表面能一、表面及表面能 1.1.晶體的表面晶體的表面：就是晶體的外表面，一般是指晶體與：就是晶體的外表面，一般是指晶體與氣體氣體(氣相或液相氣相或液相)的分界面。的分界面。2.2.晶體的表面能：晶體的表面能：同體積晶體的表面高出晶體內(nèi)部的同體積晶體的表面高出晶體內(nèi)部的能量稱為晶體的表面自由能或表面能。計量單位為能量稱為晶體的表面自由能或表面能。計量單位為J/m2。表面能就是表面張力，單位為。表面能就是表面張力，單位為N/m。晶體的表。晶體的表面能在有些意義和大家已知液體表面張力是一

59、樣的。面能在有些意義和大家已知液體表面張力是一樣的。 面缺陷：面缺陷：在三維空間的兩個方向上的尺寸很大在三維空間的兩個方向上的尺寸很大(晶粒數(shù)量級晶粒數(shù)量級)，另外一個方向上的尺寸很小另外一個方向上的尺寸很小(原子尺寸大小原子尺寸大小)的晶體缺陷。的晶體缺陷。一、表面及表面能一、表面及表面能第四節(jié)第四節(jié) 晶體中的界面晶體中的界面3.3.表面能的來源：表面能的來源：材料表面的原子和內(nèi)部原子所材料表面的原子和內(nèi)部原子所處的環(huán)境不同，內(nèi)部在均勻的力場中，能量較低，處的環(huán)境不同，內(nèi)部在均勻的力場中，能量較低，而表面的原子有一個方向沒有原子結(jié)合，處在與而表面的原子有一個方向沒有原子結(jié)合，處在與內(nèi)部相比較

60、高的能量水平。另一種設(shè)想為一完整內(nèi)部相比較高的能量水平。另一種設(shè)想為一完整的晶體，按某晶面為界切開成兩半，形成兩個表的晶體，按某晶面為界切開成兩半，形成兩個表面，切開時為破壞原有的結(jié)合鍵單位面積所吸收面，切開時為破壞原有的結(jié)合鍵單位面積所吸收的能量。由于不同的晶面原子的排列方式不同，的能量。由于不同的晶面原子的排列方式不同，切開破壞的化學(xué)鍵的量也不同，所以用不同的晶切開破壞的化學(xué)鍵的量也不同，所以用不同的晶面作表面對應(yīng)的表面能也不相同，一般以原子的面作表面對應(yīng)的表面能也不相同，一般以原子的排列面密度愈高，對應(yīng)的表面能較小。排列面密度愈高，對應(yīng)的表面能較小。 單位面積表面能即單位面積表面吉布斯自