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1、第三章第三章 晶体缺陷晶体缺陷 第一章讲的晶体学基础，都是假设晶体完全处于理想状第一章讲的晶体学基础，都是假设晶体完全处于理想状态，即晶体严格地按周期性的有规则的排列。态，即晶体严格地按周期性的有规则的排列。然而，对于现实中使用的材料来说，其原子或离子的排然而，对于现实中使用的材料来说，其原子或离子的排列不可能是完全规则的，即存在着晶体缺陷。晶体缺陷有其列不可能是完全规则的，即存在着晶体缺陷。晶体缺陷有其不可避免性。晶体缺陷的存在对于材料性能的影响是不可避免性。晶体缺陷的存在对于材料性能的影响是有利有有利有弊弊的，有时人们要尽量避免、减少缺陷的存在；有时人们又的，有时人们要尽量避免、减少缺陷的
2、存在；有时人们又要有目的地引入某种缺陷以改进材料的性能。对于这些原子要有目的地引入某种缺陷以改进材料的性能。对于这些原子或离子排列上的缺陷，我们必须用一分为二的观点来对待它。或离子排列上的缺陷，我们必须用一分为二的观点来对待它。3.0 晶体缺陷的分类晶体缺陷的分类第三章第三章 晶体缺陷晶体缺陷 按照缺陷区相对于晶体的大小，将晶体缺陷分为按照缺陷区相对于晶体的大小，将晶体缺陷分为4类：类：（1）点缺陷点缺陷 典型代表有典型代表有空位与间隙原子等空位与间隙原子等点缺陷在三维空间各方向上的尺寸都很小，所以也称为零维缺陷。点缺陷在三维空间各方向上的尺寸都很小，所以也称为零维缺陷。如果晶格中某格点上的原
3、子空缺了，则称为如果晶格中某格点上的原子空缺了，则称为空位空位，这是晶体中最重要的点缺陷。，这是晶体中最重要的点缺陷。脱位原子有可能挤入格点的间隙位置，形成脱位原子有可能挤入格点的间隙位置，形成间隙原子间隙原子。（2）线缺陷线缺陷 即位错即位错 线缺陷在两个方向上的尺寸都很小，在另一个方向上延伸较长，也称为一维线缺陷在两个方向上的尺寸都很小，在另一个方向上延伸较长，也称为一维缺陷。缺陷。（3）面缺陷）面缺陷 如晶界、相界、孪晶界、堆垛层错等如晶界、相界、孪晶界、堆垛层错等 面缺陷在两个方向上的尺寸都很大，在另一个方向上尺度较小，也称为二维面缺陷在两个方向上的尺寸都很大，在另一个方向上尺度较小，
4、也称为二维缺陷。缺陷。（4）体缺陷）体缺陷 如沉积相、孔洞、气泡等如沉积相、孔洞、气泡等 体缺陷在三维空间各方向上的尺寸都很大，所以也称为三维缺陷。体缺陷在三维空间各方向上的尺寸都很大，所以也称为三维缺陷。这些缺陷在晶体中的浓度很低，但是对晶体性质的影响却很大。他们经常共这些缺陷在晶体中的浓度很低，但是对晶体性质的影响却很大。他们经常共存，并相互联系，相互制约，在一定的条件下可以相互转化。存，并相互联系，相互制约，在一定的条件下可以相互转化。3.0 晶体缺陷的分类晶体缺陷的分类第三章第三章 晶体缺陷晶体缺陷 点缺陷是最简单的晶体缺陷，它是在结点上或邻近的微观区域内偏离点缺陷是最简单的晶体缺陷，
5、它是在结点上或邻近的微观区域内偏离晶体结构的正常排列的一种缺陷。晶体点缺陷包括晶体结构的正常排列的一种缺陷。晶体点缺陷包括空位、间隙原子、杂空位、间隙原子、杂质或溶质原子质或溶质原子，以及由它们组成的，以及由它们组成的复杂点缺陷，如空位对、空位团和空复杂点缺陷，如空位对、空位团和空位位-溶质原子对溶质原子对等。等。空位和间隙原子是由于原子的热运动而产生的，属于空位和间隙原子是由于原子的热运动而产生的，属于热力学平衡缺陷热力学平衡缺陷。点缺陷与线、面缺陷的区别之一是后者为点缺陷与线、面缺陷的区别之一是后者为热力学热力学不稳定的缺陷不稳定的缺陷。3.1 点缺陷点缺陷 3.1.1 点缺陷的形成点缺陷
6、的形成第三章 晶体缺陷3.1 点缺陷点缺陷 3.1.1 点缺陷的形成点缺陷的形成一是迁移到晶体表面或内表面的正一是迁移到晶体表面或内表面的正常结点位置上，而使晶体内部留下常结点位置上，而使晶体内部留下空位，称空位，称为肖脱基（为肖脱基（Schottky）空）空位；位；3.1 点缺陷点缺陷 3.1.1 点缺陷的形成点缺陷的形成第三章 晶体缺陷二是挤人点阵的间隙位置，而在二是挤人点阵的间隙位置，而在晶体中同时形成数目相等的空位晶体中同时形成数目相等的空位和间隙原子，则称为和间隙原子，则称为弗兰克尔弗兰克尔（Frenkel）缺陷；）缺陷；第三章第三章 晶体缺陷晶体缺陷3.1 点缺陷点缺陷 3.1.1
7、 点缺陷的形成点缺陷的形成三是跑到其他空位中，使三是跑到其他空位中，使空位消失或使空位移位。空位消失或使空位移位。另外，在一定条件下，晶另外，在一定条件下，晶体表面上的原子也可能跑体表面上的原子也可能跑到晶体内部的间隙位置形到晶体内部的间隙位置形成间隙原子成间隙原子 3.1 点缺陷点缺陷 3.1.2 点缺陷的平衡浓度点缺陷的平衡浓度第三章第三章 晶体缺陷晶体缺陷 点缺陷形成的驱动力与温度有关，在一定的温度场下，能够使原子离点缺陷形成的驱动力与温度有关，在一定的温度场下，能够使原子离位形成点缺陷，那么点缺陷的数目会无限制增加吗？位形成点缺陷，那么点缺陷的数目会无限制增加吗？从理论上分析可以知道：
8、从理论上分析可以知道：一定温度下，点缺陷的数目是一定的，这就一定温度下，点缺陷的数目是一定的，这就是点缺陷的平衡浓度。是点缺陷的平衡浓度。3.1 点缺陷点缺陷 3.1.2 点缺陷的平衡浓度点缺陷的平衡浓度第三章第三章 晶体缺陷晶体缺陷 对点缺陷的平衡浓度如何来理解？从热力学的观点：点缺陷平衡浓度对点缺陷的平衡浓度如何来理解？从热力学的观点：点缺陷平衡浓度是矛盾双方的统一。是矛盾双方的统一。(1)一方面，晶体中点缺陷的形成引起了点阵的畸变，使晶体的内能一方面，晶体中点缺陷的形成引起了点阵的畸变，使晶体的内能增加，提高了系统的自由能。增加，提高了系统的自由能。(2)另一方面，由于点缺陷的形成，增加
9、了点阵排列的混乱度，系统另一方面，由于点缺陷的形成，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。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。当这对矛盾达到统一时，系统就达到平衡。因为系统都具有最小自当这对矛盾达到统一时，系统就达到平衡。因为系统都具有最小自由能的倾向，由此确定的点缺陷浓度即为该温度下的平衡浓度。由能的倾向，由此确定的点缺陷浓度即为该温度下的平衡浓度。3.1 点缺陷点缺陷 3.1.3 过饱和点缺陷的形成过饱和点缺陷的形成第三章第三章 晶体缺陷晶体缺陷a.热平衡点缺陷：由热起伏促使原子脱离点阵位置而形成的点缺陷，体系热平衡
10、点缺陷：由热起伏促使原子脱离点阵位置而形成的点缺陷，体系自由能最低。自由能最低。b.过饱和点缺陷：利用某些手段使晶体中形成的点缺陷浓度超过了热平衡浓过饱和点缺陷：利用某些手段使晶体中形成的点缺陷浓度超过了热平衡浓度，此时的点缺陷浓度成为过饱和点缺陷。体系自由能高，晶体处于非度，此时的点缺陷浓度成为过饱和点缺陷。体系自由能高，晶体处于非热平衡状态。热平衡状态。3.1 点缺陷点缺陷 3.1.3 过饱和点缺陷的形成过饱和点缺陷的形成第三章第三章 晶体缺陷晶体缺陷某些手段：某些手段：高温淬火高温淬火高温时产生大量的空位，急剧冷却时被保留下来高温时产生大量的空位，急剧冷却时被保留下来冷加工冷加工位错交割
11、位错交割高能辐照高能辐照原子被撞击，产生大量的空位和间隙原子。原子被撞击，产生大量的空位和间隙原子。3.1 点缺陷点缺陷 3.1.4 点缺陷对晶体性能的影响点缺陷对晶体性能的影响第三章第三章 晶体缺陷晶体缺陷（1）结构变化：晶格畸变（如空位引起晶格收缩，间隙原子引起晶格膨）结构变化：晶格畸变（如空位引起晶格收缩，间隙原子引起晶格膨 胀，置换原子可引起收缩或膨胀。）胀，置换原子可引起收缩或膨胀。）（2）性能变化：）性能变化：力学性能力学性能影响较小影响较小 屈服强度提高屈服强度提高 物理性能物理性能影响较大影响较大 密度减小密度减小空位的产生使体积增大空位的产生使体积增大 电阻率增大电阻率增大缺
12、陷区域对电子产生散射缺陷区域对电子产生散射 比热容比热容形成点缺陷需要向晶体提供附加的能量形成点缺陷需要向晶体提供附加的能量 第三章第三章 晶体缺陷晶体缺陷3.2 线缺陷线缺陷-位错位错 3.2.0 位错的提出位错的提出 “位错位错”这个概念是在这个概念是在1934年提出的。是为了解释晶体在切应力作用下变形所年提出的。是为了解释晶体在切应力作用下变形所受的力，实验值大大低于理论值这个现象。随着科学技术的发展，在二十世纪五受的力，实验值大大低于理论值这个现象。随着科学技术的发展，在二十世纪五十年代末科学家们已能从晶体生长情况判断出位错的存在（上图），并进而用透十年代末科学家们已能从晶体生长情况判
13、断出位错的存在（上图），并进而用透射电子显微镜观察到了晶体中的位错（下图）。射电子显微镜观察到了晶体中的位错（下图）。完整晶体塑性变形完整晶体塑性变形滑移的模型滑移的模型金属晶体的理论强度金属晶体的理论强度理论强度比实测强度理论强度比实测强度高出几个数量级（表）高出几个数量级（表）晶体缺陷的设想晶体缺陷的设想 线缺陷（位错）的模型线缺陷（位错）的模型 以位错滑移以位错滑移模型计算出的晶体强度，与实测值基本相符。模型计算出的晶体强度，与实测值基本相符。第三章第三章 晶体缺陷晶体缺陷3.2 线缺陷线缺陷-位错位错 3.2.0 位错的提出位错的提出 晶体的一部分区域发生了一个原子间距的滑移，另一部分
14、不滑移，那么在以滑晶体的一部分区域发生了一个原子间距的滑移，另一部分不滑移，那么在以滑移区和未滑移区的交界处的原子就不可能移区和未滑移区的交界处的原子就不可能“对齐对齐”，必然产生严重的，必然产生严重的“错配错配”，这个原子错配的过渡区域，即为这个原子错配的过渡区域，即为位错位错，这个区域的，这个区域的宽度只有几个或几十个原子间宽度只有几个或几十个原子间距距的宽度，的宽度，长度可以达到晶体的宏观尺寸长度可以达到晶体的宏观尺寸，故位错为一个线缺陷。，故位错为一个线缺陷。第三章第三章 晶体缺陷晶体缺陷3.2 线缺陷线缺陷-位错位错 3.2.1 位错的基本类型和性质位错的基本类型和性质 类型的划分依
15、据类型的划分依据位错线与位错滑移方向之间的相互关系位错线与位错滑移方向之间的相互关系（1）刃型位错）刃型位错位错线垂直于位错的滑移方向位错线垂直于位错的滑移方向刃型位错的基本特征：刃型位错的基本特征：存在一个对称的半原子面存在一个对称的半原子面。即在完整的晶体中插入半个原子面而形。即在完整的晶体中插入半个原子面而形成的，半个原子面的边缘成的，半个原子面的边缘 EF即刃位错线，在即刃位错线，在EF处滑移面上下的处滑移面上下的原子严重错配。原子严重错配。通常将多出的半原子面在滑移面上面的刃型位错称为正刃型位错，记为通常将多出的半原子面在滑移面上面的刃型位错称为正刃型位错，记为 将多出的半原子面在滑
16、移面下面的刃型位错称为负刃型位错，记为将多出的半原子面在滑移面下面的刃型位错称为负刃型位错，记为第三章第三章 晶体缺陷晶体缺陷3.2 线缺陷线缺陷-位错位错 3.2.1 位错的基本类型和性质位错的基本类型和性质 （1）刃型位错）刃型位错刃型位错的基本特征：刃型位错的基本特征：刃位错线可以理解为已滑移区和未刃位错线可以理解为已滑移区和未滑移区的分界线。可以是滑移区的分界线。可以是直线、折直线、折线或曲线线或曲线，但是必须与滑移方向垂，但是必须与滑移方向垂直，也垂直于滑移矢量。直，也垂直于滑移矢量。滑移面必须是由位错线和滑移矢量滑移面必须是由位错线和滑移矢量所确定的平面，在其他晶面上不能所确定的平
17、面，在其他晶面上不能产生滑移。产生滑移。滑移面唯一。滑移面唯一。第三章第三章 晶体缺陷晶体缺陷3.2 线缺陷线缺陷-位错位错 3.2.1 位错的基本类型和性质位错的基本类型和性质 （1）刃型位错）刃型位错刃型位错的基本特征：刃型位错的基本特征：刃位错周围的点阵发生弹性畸变，既有刃位错周围的点阵发生弹性畸变，既有切应变，也有正应变切应变，也有正应变。对正刃位错而言，。对正刃位错而言，滑移面上方受到压应力、下方受拉应力滑移面上方受到压应力、下方受拉应力；对负刃位错而言，情况相反。对负刃位错而言，情况相反。在位错线周围的过渡区每个原子具有较在位错线周围的过渡区每个原子具有较大的平均能量，该过渡区只有
18、几个或十大的平均能量，该过渡区只有几个或十几个原子的宽度。几个原子的宽度。第三章第三章 晶体缺陷晶体缺陷3.2 线缺陷线缺陷-位错位错 3.2.1 位错的基本类型和性质位错的基本类型和性质 （1）刃型位错）刃型位错第三章第三章 晶体缺陷晶体缺陷3.2 线缺陷线缺陷-位错位错 3.2.1 位错的基本类型和性质位错的基本类型和性质 （1）刃型位错）刃型位错第三章第三章 晶体缺陷晶体缺陷3.2 线缺陷线缺陷-位错位错 3.2.1 位错的基本类型和性质位错的基本类型和性质 （2）螺型位错螺型位错位错线平行于滑移方向位错线平行于滑移方向螺型位错的基本特征：螺型位错的基本特征：螺型位错螺型位错无无额外的半
19、原子面，原子错排呈轴对称的。额外的半原子面，原子错排呈轴对称的。根据位错线附近呈螺旋形排列的原子的旋转方向不同，螺型位错分为根据位错线附近呈螺旋形排列的原子的旋转方向不同，螺型位错分为右螺型位错和左螺型位错右螺型位错和左螺型位错。螺型位错线与滑移矢量平行，因此螺型位错线与滑移矢量平行，因此螺位错线是直线螺位错线是直线，位错线的移动方，位错线的移动方向与晶体的滑移方向互相垂直。向与晶体的滑移方向互相垂直。第三章第三章 晶体缺陷晶体缺陷3.2 线缺陷线缺陷-位错位错 3.2.1 位错的基本类型和性质位错的基本类型和性质 螺型位错的基本特征：螺型位错的基本特征：螺型位错的滑移面不是唯一的螺型位错的滑
20、移面不是唯一的。凡是包含位错线的晶面都可以作为。凡是包含位错线的晶面都可以作为它的滑移面。但是在实际的滑移过程中，滑移通常在它的滑移面。但是在实际的滑移过程中，滑移通常在密排面密排面上进行。上进行。螺型位错线周围的点阵同样发生了弹性畸变，但是螺型位错线周围的点阵同样发生了弹性畸变，但是只存在切应变、只存在切应变、无正应变，不会引起体积变化无正应变，不会引起体积变化。在垂直于位错线的平面上投影，看。在垂直于位错线的平面上投影，看不到原子的位移，也看不到缺陷。不到原子的位移，也看不到缺陷。螺型位错周围的点阵畸变也只有几个或十几个原子的宽度。螺型位错周围的点阵畸变也只有几个或十几个原子的宽度。第三章
21、第三章 晶体缺陷晶体缺陷3.2 线缺陷线缺陷-位错位错 3.2.1 位错的基本类型和性质位错的基本类型和性质 第三章第三章 晶体缺陷晶体缺陷3.2 线缺陷线缺陷-位错位错 3.2.1 位错的基本类型和性质位错的基本类型和性质 （2）螺型位错）螺型位错第三章第三章 晶体缺陷晶体缺陷3.2 线缺陷线缺陷-位错位错 3.2.1 位错的基本类型和性质位错的基本类型和性质 （3）混合型位错）混合型位错位错线即不垂直也不平行于滑移方向，成任意角度位错线即不垂直也不平行于滑移方向，成任意角度可以看成刃位错和螺位错混合而成。可以看成刃位错和螺位错混合而成。第三章第三章 晶体缺陷晶体缺陷3.2 线缺陷线缺陷-位错位错 3.2.1 位错的基本类型和性质位错的基本类型和性质 （3）混合型位错）混合型位错