3點缺陷及位錯1

1、第三章 晶體缺陷 第一章講的晶體學(xué)基礎(chǔ)，都是假設(shè)晶體完全處于理想狀態(tài)，即晶體嚴(yán)格地按周期性的有規(guī)則的排列。 然而，對于現(xiàn)實中使用的材料來說，其原子或離子的排列不可能是完全規(guī)則的，即存在著晶體缺陷。晶體缺陷有其不可避免性。晶體缺陷的存在對于材料性能的影響是的，有時人們要盡量避免、減少缺陷的存在；有時人們又要有目的地引入某種缺陷以改進材料的性能。對于這些原子或離子排列上的缺陷，我們必須用一分為二的觀點來對待它。 3.0 晶體缺陷的分類1第三章 晶體缺陷 按照缺陷區(qū)相對于晶體的大小，將晶體缺陷分為4類：（1） 點缺陷 典型代表有空位與間隙原子等點缺陷在三維空間各方向上的尺寸都很小，所以也稱為零維缺陷

2、。如果晶格中某格點上的原子空缺了，則稱為空位，這是晶體中最重要的點缺陷。脫位原子有可能擠入格點的間隙位置，形成間隙原子。 （2） 線缺陷 即位錯 線缺陷在兩個方向上的尺寸都很小，在另一個方向上延伸較長，也稱為一維缺陷。（3）面缺陷 如晶界、相界、孿晶界、堆垛層錯等 面缺陷在兩個方向上的尺寸都很大，在另一個方向上尺度較小，也稱為二維缺陷。（4）體缺陷 如沉積相、孔洞、氣泡等 體缺陷在三維空間各方向上的尺寸都很大，所以也稱為三維缺陷。 這些缺陷在晶體中的濃度很低，但是對晶體性質(zhì)的影響卻很大。他們經(jīng)常共存，并相互聯(lián)系，相互制約，在一定的條件下可以相互轉(zhuǎn)化。3.0 晶體缺陷的分類2第三章 晶體缺陷 點

3、缺陷是最簡單的晶體缺陷，它是在結(jié)點上或鄰近的微觀區(qū)域內(nèi)偏離晶體結(jié)構(gòu)的正常排列的一種缺陷。晶體點缺陷包括空位、間隙原子、雜質(zhì)或溶質(zhì)原子，以及由它們組成的復(fù)雜點缺陷，如空位對、空位團和空位-溶質(zhì)原子對等。 空位和間隙原子是由于原子的熱運動而產(chǎn)生的，屬于熱力學(xué)平衡缺陷。 點缺陷與線、面缺陷的區(qū)別之一是后者為熱力學(xué)不穩(wěn)定的缺陷。3.1 點缺陷 3.1.1 點缺陷的形成3第三章 晶體缺陷3.1 點缺陷 3.1.1 點缺陷的形成一是遷移到晶體表面或內(nèi)表面的正常結(jié)點位置上，而使晶體內(nèi)部留下空位，稱為肖脫基（Schottky）空位；43.1 點缺陷 3.1.1 點缺陷的形成第三章 晶體缺陷二是擠人點陣的間隙位

4、置，而在晶體中同時形成數(shù)目相等的空位和間隙原子，則稱為弗蘭克爾（Frenkel）缺陷；5第三章 晶體缺陷3.1 點缺陷 3.1.1 點缺陷的形成三是跑到其他空位中，使空位消失或使空位移位。另外，在一定條件下，晶體表面上的原子也可能跑到晶體內(nèi)部的間隙位置形成間隙原子 63.1 點缺陷 3.1.2 點缺陷的平衡濃度第三章 晶體缺陷 點缺陷形成的驅(qū)動力與溫度有關(guān)，在一定的溫度場下，能夠使原子離位形成點缺陷，那么點缺陷的數(shù)目會無限制增加嗎？ 從理論上分析可以知道：一定溫度下，點缺陷的數(shù)目是一定的，這就是點缺陷的平衡濃度。73.1 點缺陷 3.1.2 點缺陷的平衡濃度第三章 晶體缺陷 對點缺陷的平衡濃度

5、如何來理解？從熱力學(xué)的觀點：點缺陷平衡濃度是矛盾雙方的統(tǒng)一。(1)一方面，晶體中點缺陷的形成引起了點陣的畸變，使晶體的內(nèi)能增加，提高了系統(tǒng)的自由能。(2)另一方面，由于點缺陷的形成，增加了點陣排列的混亂度，系統(tǒng)的微觀狀態(tài)數(shù)目發(fā)生變化，使體系的組態(tài)熵增加，引起自由能下降。當(dāng)這對矛盾達到統(tǒng)一時，系統(tǒng)就達到平衡。因為系統(tǒng)都具有最小自由能的傾向，由此確定的點缺陷濃度即為該溫度下的平衡濃度。83.1 點缺陷 3.1.3 過飽和點缺陷的形成第三章 晶體缺陷a. 熱平衡點缺陷：由熱起伏促使原子脫離點陣位置而形成的點缺陷，體系自由能最低。b.過飽和點缺陷：利用某些手段使晶體中形成的點缺陷濃度超過了熱平衡濃度，

6、此時的點缺陷濃度成為過飽和點缺陷。體系自由能高，晶體處于非熱平衡狀態(tài)。93.1 點缺陷 3.1.3 過飽和點缺陷的形成第三章 晶體缺陷某些手段：高溫淬火高溫時產(chǎn)生大量的空位，急劇冷卻時被保留下來冷加工位錯交割高能輻照原子被撞擊，產(chǎn)生大量的空位和間隙原子。103.1 點缺陷 3.1.4 點缺陷對晶體性能的影響第三章 晶體缺陷 （1）結(jié)構(gòu)變化：晶格畸變（如空位引起晶格收縮，間隙原子引起晶格膨 脹，置換原子可引起收縮或膨脹。）（2）性能變化： 力學(xué)性能影響較小 屈服強度提高 物理性能影響較大 密度減小空位的產(chǎn)生使體積增大 電阻率增大缺陷區(qū)域?qū)﹄娮赢a(chǎn)生散射 比熱容形成點缺陷需要向晶體提供附加的能量 1

7、1第三章 晶體缺陷3.2 線缺陷-位錯 3.2.0 位錯的提出 “位錯”這個概念是在1934年提出的。是為了解釋晶體在切應(yīng)力作用下變形所受的力，實驗值大大低于理論值這個現(xiàn)象。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，在二十世紀(jì)五十年代末科學(xué)家們已能從晶體生長情況判斷出位錯的存在（上圖），并進而用透射電子顯微鏡觀察到了晶體中的位錯（下圖）。 完整晶體塑性變形滑移的模型金屬晶體的理論強度理論強度比實測強度高出幾個數(shù)量級（表） 晶體缺陷的設(shè)想 線缺陷（位錯）的模型 以位錯滑移模型計算出的晶體強度，與實測值基本相符。12第三章 晶體缺陷3.2 線缺陷-位錯 3.2.0 位錯的提出 晶體的一部分區(qū)域發(fā)生了一個原子間距的滑移，

8、另一部分不滑移，那么在以滑移區(qū)和未滑移區(qū)的交界處的原子就不可能“對齊”，必然產(chǎn)生嚴(yán)重的“錯配”，這個原子錯配的過渡區(qū)域，即為位錯，這個區(qū)域的寬度只有幾個或幾十個原子間距的寬度，長度可以達到晶體的宏觀尺寸，故位錯為一個線缺陷。13第三章 晶體缺陷3.2 線缺陷-位錯 3.2.1 位錯的基本類型和性質(zhì) 類型的劃分依據(jù)位錯線與位錯滑移方向之間的相互關(guān)系（1）刃型位錯位錯線垂直于位錯的滑移方向14刃型位錯的基本特征：存在一個對稱的半原子面。即在完整的晶體中插入半個原子面而形成的，半個原子面的邊緣 EF即刃位錯線，在EF處滑移面上下的原子嚴(yán)重錯配。通常將多出的半原子面在滑移面上面的刃型位錯稱為正刃型位錯

9、，記為 將多出的半原子面在滑移面下面的刃型位錯稱為負(fù)刃型位錯，記為第三章 晶體缺陷3.2 線缺陷-位錯 3.2.1 位錯的基本類型和性質(zhì) （1）刃型位錯15刃型位錯的基本特征：刃位錯線可以理解為已滑移區(qū)和未滑移區(qū)的分界線?？梢允侵本€、折線或曲線，但是必須與滑移方向垂直，也垂直于滑移矢量?；泼姹仨毷怯晌诲e線和滑移矢量所確定的平面，在其他晶面上不能產(chǎn)生滑移?；泼嫖ㄒ?。第三章 晶體缺陷3.2 線缺陷-位錯 3.2.1 位錯的基本類型和性質(zhì) （1）刃型位錯16刃型位錯的基本特征：刃位錯周圍的點陣發(fā)生彈性畸變，既有切應(yīng)變，也有正應(yīng)變。對正刃位錯而言，滑移面上方受到壓應(yīng)力、下方受拉應(yīng)力；對負(fù)刃位錯而言

10、，情況相反。在位錯線周圍的過渡區(qū)每個原子具有較大的平均能量，該過渡區(qū)只有幾個或十幾個原子的寬度。第三章 晶體缺陷3.2 線缺陷-位錯 3.2.1 位錯的基本類型和性質(zhì) （1）刃型位錯17第三章 晶體缺陷3.2 線缺陷-位錯 3.2.1 位錯的基本類型和性質(zhì) （1）刃型位錯18第三章 晶體缺陷3.2 線缺陷-位錯 3.2.1 位錯的基本類型和性質(zhì) （2）螺型位錯位錯線平行于滑移方向19螺型位錯的基本特征：螺型位錯無額外的半原子面，原子錯排呈軸對稱的。 根據(jù)位錯線附近呈螺旋形排列的原子的旋轉(zhuǎn)方向不同，螺型位錯分為右螺型位錯和左螺型位錯。螺型位錯線與滑移矢量平行，因此螺位錯線是直線，位錯線的移動方向與晶體的滑移方向互相垂直。第三章 晶體缺陷3.2 線缺陷-位錯 3.2.1 位錯的基本類型和性質(zhì) 20螺型位錯的基本特征：螺型位錯的滑移面不是唯一的。凡是包含位錯線的晶面都可以作為它的滑移面。但是在實際的滑移過程中，滑移通常在密排面上進行。螺型位錯線周圍的點陣同樣發(fā)生了彈性畸變，但是只存在切應(yīng)變、無正應(yīng)變，不會引起體積變化。在垂直于位錯線的平面上投影，看不到原子的位移，也看不到缺陷。螺型位錯周圍的點陣畸變也只有幾個或十幾個原子的寬度。第三章 晶體缺陷3.2 線缺陷-位錯 3.2.1 位錯的基本類型和性質(zhì) 21第三章 晶體