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1、第二章晶体的缺陷第1页，本讲稿共25页1点缺陷点缺陷点缺陷的形成及类型点缺陷的形成及类型形成：形成：由结晶过程中高温及辐射产生由结晶过程中高温及辐射产生。类型：类型：肖脱基空位原子跑到晶体表面或晶界；肖脱基空位原子跑到晶体表面或晶界；弗仑克尔空位原子跳到晶体间隙；弗仑克尔空位原子跳到晶体间隙；置换原子也可以看成点缺陷；置换原子也可以看成点缺陷；特点：特点：三维尺寸小，仅引起几个原子范围的点阵结构不完整。三维尺寸小，仅引起几个原子范围的点阵结构不完整。第2页，本讲稿共25页点缺陷的运动及平衡浓度点缺陷的运动及平衡浓度 热运动使原子离开原位进入空位，原位形成空位，可看作空位的运动热运动使原子离开原
2、位进入空位，原位形成空位，可看作空位的运动 间隙原子与空位相遇消失间隙原子与空位相遇消失复合或湮灭复合或湮灭 一定温度下空位的平衡浓度一定温度下空位的平衡浓度 如：如：Cu:1300K,Cu:1300K,C C=10=10-4-4;室温，室温，C C=10=10-19-19 间隙平衡浓度间隙平衡浓度 C C 与上式相似，间隙原子的形成能是空位形成能的与上式相似，间隙原子的形成能是空位形成能的 3-4 3-4 倍，故同一温度下间隙原子倍，故同一温度下间隙原子的平衡的平衡 浓度低很多一般晶体中的点缺陷是空位，产生弗仑克尔空位的几率极小：浓度低很多一般晶体中的点缺陷是空位，产生弗仑克尔空位的几率极小
3、：Cu:1300K,Cu:1300K,C=10=10-15-153点缺陷对性能的影响点缺陷对性能的影响点缺陷使运动电子散射电阻增大点缺陷使运动电子散射电阻增大点缺陷点缺陷(空位空位)增加密度减小增加密度减小过饱和点缺陷提高金属的屈服强度过饱和点缺陷提高金属的屈服强度第3页，本讲稿共25页原子发生错排时，在某一方向是几百到上万个原子间距，另外两个方向仅有3-5个间距位错对金属强度、相变影响显著主要讨论刃形位错、螺形位错位错的基本概念位错的基本概念 （1）位错学的产生位错学的产生 2.线缺陷线缺陷第4页，本讲稿共25页刃型位错刃型位错（2）位错基本类型位错基本类型第5页，本讲稿共25页螺旋位错螺旋
4、位错第6页，本讲稿共25页（3）柏氏矢量）柏氏矢量 柏氏矢量的确定方法柏氏矢量的确定方法位错线由纸面向外为正，以大拇指指示，按右手螺旋定则确定柏氏回路位错线由纸面向外为正，以大拇指指示，按右手螺旋定则确定柏氏回路：避开位错：避开位错严重畸变的区域作一严重畸变的区域作一回路，同样方法在完整晶体作同一步数的回路，终点到起点的矢回路，同样方法在完整晶体作同一步数的回路，终点到起点的矢量就是量就是 柏氏矢量柏氏矢量 柏氏矢量与起点无关，与路径无关一根不分叉的任何形状的位错只有一个柏氏矢柏氏矢量与起点无关，与路径无关一根不分叉的任何形状的位错只有一个柏氏矢量量第7页，本讲稿共25页同向为右螺旋，反向为左
5、螺旋同向为右螺旋，反向为左螺旋第8页，本讲稿共25页柏氏矢量的物理意义及特征柏氏矢量的物理意义及特征物理意义：物理意义：柏氏矢量反映柏氏回路包含的位错引起点阵畸变的总积累柏氏矢量反映柏氏回路包含的位错引起点阵畸变的总积累柏氏矢量位错强度柏氏矢量位错强度位错能量、位错的受力、应力场、位错反应都与柏氏矢量有关位错能量、位错的受力、应力场、位错反应都与柏氏矢量有关柏氏矢量表示出晶体滑移的大小和方向柏氏矢量表示出晶体滑移的大小和方向柏氏矢量具有守恒型柏氏矢量具有守恒型混合位错混合位错第9页，本讲稿共25页（3）位错密度）位错密度第10页，本讲稿共25页位错的运动位错的运动2.2.2 位错的运动位错的运
6、动 趋势：从高能位置转移到低能位置趋势：从高能位置转移到低能位置形式：滑移、攀移形式：滑移、攀移1.位错的滑移位错的滑移位错沿着滑移面的移动位错沿着滑移面的移动特点：晶体本身体积不变，称为保守运动特点：晶体本身体积不变，称为保守运动切应力方向平行于柏氏矢量，位错周围原子只要移动很小的距离，就使切应力方向平行于柏氏矢量，位错周围原子只要移动很小的距离，就使位错移动位错移动刃形位错的滑移面是刃形位错的滑移面是b、t 决定的平面，决定的平面，滑移面一定滑移面一定螺形位错移动方向与螺形位错移动方向与b 垂直，垂直，b/t=通通过位错线并包含过位错线并包含b 的所有晶面都可以成为滑的所有晶面都可以成为滑
7、移面，螺形位错在原滑移面受阻时，可转移移面，螺形位错在原滑移面受阻时，可转移到与之相交的到与之相交的另一滑移面另一滑移面交叉滑移交叉滑移第11页，本讲稿共25页2.位错的攀移位错的攀移 刃型位错在垂直于滑移面上运动刃型位错在垂直于滑移面上运动正攀移多余半原子面向上运动正攀移多余半原子面向上运动负攀移多余半原子面向下运负攀移多余半原子面向下运动动攀移伴随物质的迁移，需要热激活，比攀移伴随物质的迁移，需要热激活，比滑移需要更多能量滑移需要更多能量攀移引起晶体体积变化非保守运动攀移引起晶体体积变化非保守运动正应力促进正攀移，拉应力促进负攀移正应力促进正攀移，拉应力促进负攀移晶体中的过饱和空位有利于攀
8、移晶体中的过饱和空位有利于攀移割阶割阶原子最可能附着或脱离多余半原原子最可能附着或脱离多余半原子面的地方，刃形位错通过割阶的运动实子面的地方，刃形位错通过割阶的运动实现攀移现攀移第12页，本讲稿共25页2.2.4 实际晶体中的位错实际晶体中的位错 实际晶体中的位错由晶体结构和能量条件决定实际晶体中的位错由晶体结构和能量条件决定1.实际晶体结构中的单位位错实际晶体结构中的单位位错 位错能量正比于位错能量正比于b2=实际晶体中存在的柏氏矢量限于少数最短的平移矢量实际晶体中存在的柏氏矢量限于少数最短的平移矢量(最近邻的原子间距最近邻的原子间距)，具有这种柏氏矢量的位错称为，具有这种柏氏矢量的位错称为
9、单位位错单位位错单位位错：面心立方单位位错：面心立方/2，体心立方，体心立方/2，密排六方，密排六方/3，平行于晶体的最密排方，平行于晶体的最密排方向，该位错扫过之后滑移面上下原子排列整齐，向，该位错扫过之后滑移面上下原子排列整齐，故又故又称全位错或完整位错称全位错或完整位错第13页，本讲稿共25页2.不全位错不全位错部分位错部分位错柏氏矢量小于最短的平移矢量柏氏矢量小于最短的平移矢量不全位错不全位错柏氏矢量不等于最短的平移矢量的整数倍柏氏矢量不等于最短的平移矢量的整数倍不全位错扫过之后，滑移面上下原子产生错排，形成不全位错扫过之后，滑移面上下原子产生错排，形成层错层错堆垛层错堆垛层错正常的堆
10、垛顺序被扰乱正常的堆垛顺序被扰乱层错破坏了晶体的周期性，使能量增加，但层错不产生点阵畸变，层错能比晶界能低得多层错破坏了晶体的周期性，使能量增加，但层错不产生点阵畸变，层错能比晶界能低得多层错破坏了晶体的周期性，使能量增加，但层错不产生点阵畸变，层错能比晶界能低得多层错破坏了晶体的周期性，使能量增加，但层错不产生点阵畸变，层错能比晶界能低得多铝的层错能高，看不到层错，铜的层错能低，有大量位错；晶体中的层错区与好区的交铝的层错能高，看不到层错，铜的层错能低，有大量位错；晶体中的层错区与好区的交界就是不全位错。界就是不全位错。第14页，本讲稿共25页3.位错反应及汤普逊四面体位错反应及汤普逊四面体
11、位错之间的互相转化称为位错之间的互相转化称为位错反应位错反应。(1)必须满足几何条件即柏氏矢量的守恒性，反应前后诸位错的柏氏矢量和相等。必须满足几何条件即柏氏矢量的守恒性，反应前后诸位错的柏氏矢量和相等。(2)必须满足能量条件，即反应后诸位错的总能量应小于反应前诸位错的总能量。必须满足能量条件，即反应后诸位错的总能量应小于反应前诸位错的总能量。位错反应条件：位错反应条件：第15页，本讲稿共25页汤普逊四面体汤普逊四面体第16页，本讲稿共25页第17页，本讲稿共25页练习：第18页，本讲稿共25页2.3面缺陷面缺陷固态材料的界面：表面、晶界、亚晶界、相界固态材料的界面：表面、晶界、亚晶界、相界2
12、.3.1外表面外表面由于另一侧无原子，配位数少于晶体内部，表面几层由于另一侧无原子，配位数少于晶体内部，表面几层原子点阵畸变，能量高于晶体内部原子点阵畸变，能量高于晶体内部表面能表面能晶体表面单位面积能量的增加，与表面晶体表面单位面积能量的增加，与表面张力张力相等相等不同的晶面为外表面时，被破坏的结合键的数目不同不同的晶面为外表面时，被破坏的结合键的数目不同=表面能各向异性表面能各向异性密排面的表面能低：体心立方密排面的表面能低：体心立方110与与100，面心，面心立方立方111与与100表面能最低表面能最低外表面杂质的吸附显著影响表面能外表面杂质的吸附显著影响表面能T杂质在外表面的杂质在外表
13、面的物理吸附物理吸附(分子键分子键)，化学吸附，化学吸附(离子键、共价键离子键、共价键)第19页，本讲稿共25页2.3.2 晶界与亚晶界晶界与亚晶界 多晶体中，每一个晶粒就是一个小单晶多晶体中，每一个晶粒就是一个小单晶相邻晶粒的位向不同，交界面叫相邻晶粒的位向不同，交界面叫晶粒界晶粒界，简称，简称晶界晶界晶粒内部位向差极小的亚结构，交界为晶粒内部位向差极小的亚结构，交界为亚晶界亚晶界晶界的结构、性质与相邻晶粒的位向差有关。位向差小晶界的结构、性质与相邻晶粒的位向差有关。位向差小于于10o，小角度晶界小角度晶界；10o以上，以上，大度角晶界大度角晶界晶界处原子排列紊乱，能量增高晶界处原子排列紊乱
14、，能量增高=晶界能晶界能第20页，本讲稿共25页1.小角度晶界小角度晶界 对称倾侧晶界对称倾侧晶界是最简单的小角度晶界是最简单的小角度晶界当当q q很小时，晶界中位错间距很小时，晶界中位错间距Db/q q，当，当接近接近10o时，得到的位错密度太大，时，得到的位错密度太大，模型不适用模型不适用同号位错垂直排列，刃位错的压应力场和拉应力同号位错垂直排列，刃位错的压应力场和拉应力场抵消，能量很低场抵消，能量很低2.大角度晶界大角度晶界 晶界中原子过于密集的区域为压应力区，原子过于松散的区域为拉应力区晶界中原子过于密集的区域为压应力区，原子过于松散的区域为拉应力区大角度晶界晶界能较高，在大角度晶界晶
15、界能较高，在0.5-0.6J/m2，与相邻位向无关，与相邻位向无关第21页，本讲稿共25页3.孪晶界孪晶界孪晶：孪晶：指相邻两晶粒或一个晶粒内部相邻两部分沿一个公共晶面指相邻两晶粒或一个晶粒内部相邻两部分沿一个公共晶面(孪孪晶界晶界)构成镜面对称的位向关系。构成镜面对称的位向关系。孪晶界是最简单的一种晶界孪晶界是最简单的一种晶界孪晶界与堆垛层错有密切关系孪晶界与堆垛层错有密切关系具有不同晶体结构的两相之间的分界叫相界。相结构有三种：具有不同晶体结构的两相之间的分界叫相界。相结构有三种：共格界面、半共格晶面和共格晶面。共格界面、半共格晶面和共格晶面。4.相界相界第22页，本讲稿共25页共格界面共
16、格界面半共格界面半共格界面非共格界面非共格界面共格界面共格界面：两相必须有特殊的位向关系，而且原子的排列、晶面间距相差不大，大多：两相必须有特殊的位向关系，而且原子的排列、晶面间距相差不大，大多数情况下共格界面产生弹性应变数情况下共格界面产生弹性应变和应力，使界面原子匹配和应力，使界面原子匹配半共格界面：半共格界面：相邻晶面间距相差较大，界面上原子不能完全对应相邻晶面间距相差较大，界面上原子不能完全对应失配度失配度(aa-ab b)/aa失配度越大，界面位错间距失配度越大，界面位错间距D 越小越小：0.25，完全失去匹配能力，成为非共格界面。共格界面界面能最低，完全失去匹配能力，成为非共格界面
17、。共格界面界面能最低，非共格界面界面能最高，半共格界面界面能居中非共格界面界面能最高，半共格界面界面能居中第23页，本讲稿共25页5.晶界特性晶界特性当晶体中存在能降低界面能的异类原子时，这些原子将向晶界偏聚内吸附；当晶体中存在能降低界面能的异类原子时，这些原子将向晶界偏聚内吸附；晶界上原子具有较高的能量，且存在较多的晶体缺陷，使原子的扩散速度比晶晶界上原子具有较高的能量，且存在较多的晶体缺陷，使原子的扩散速度比晶粒内部快得多；粒内部快得多；常温下，晶界对位错运动起阻碍作用，故金属材料的晶粒越细，则单位体积晶常温下，晶界对位错运动起阻碍作用，故金属材料的晶粒越细，则单位体积晶界面积越多，其强度
18、，硬度越高界面积越多，其强度，硬度越高；晶界比晶内更易氧化和优先腐蚀晶界比晶内更易氧化和优先腐蚀；大角度晶界界面能最高，故其晶界迁移速率最大。晶粒的长大及晶界平直化可大角度晶界界面能最高，故其晶界迁移速率最大。晶粒的长大及晶界平直化可减少晶界总面积，使晶界减少晶界总面积，使晶界能总量下降，故能总量下降，故晶粒长大是能量降低过程晶粒长大是能量降低过程，由于晶界，由于晶界迁移靠原子扩散，故只有在较高温度下才能进行；迁移靠原子扩散，故只有在较高温度下才能进行；由于晶界具有较高能量，固态相变时优先在母相晶界上形核由于晶界具有较高能量，固态相变时优先在母相晶界上形核第24页，本讲稿共25页第25页，本讲稿共25页