晶体结构缺陷2010.pptx

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1、实际晶体中，由于原子不断振动（热运动），以及晶体的形成条件、冷热加工过程实际晶体中，由于原子不断振动（热运动），以及晶体的形成条件、冷热加工过程和其他辐射、杂质等因素的影响，可能产生微区不规则性和微区不完整性，即和其他辐射、杂质等因素的影响，可能产生微区不规则性和微区不完整性，即晶体晶体缺陷缺陷。晶体缺陷对晶体的性能，特别是对那些结构敏感的性能，如屈服强度、断裂强度、晶体缺陷对晶体的性能，特别是对那些结构敏感的性能，如屈服强度、断裂强度、塑性、电阻率、磁导率等都有较大影响。塑性、电阻率、磁导率等都有较大影响。此外，晶体缺陷还与扩散、相变、塑性形变、再结晶、氧化、烧结等有密切关系。此外，晶体缺陷

2、还与扩散、相变、塑性形变、再结晶、氧化、烧结等有密切关系。第1页/共144页3.3.1 1 晶体结构缺陷的类型一般按照缺陷的几何形态和形成原因进行分类。一般按照缺陷的几何形态和形成原因进行分类。按缺陷的几何形态分类按缺陷的几何形态分类按照晶体缺陷的几何形态以及相对于晶体的尺寸，或其影响范围的大小，可按照晶体缺陷的几何形态以及相对于晶体的尺寸，或其影响范围的大小，可将其分为以下几类：点缺陷、线缺陷、面缺陷和体缺陷。将其分为以下几类：点缺陷、线缺陷、面缺陷和体缺陷。第2页/共144页一、一、点缺陷：其特征是三个方向的尺寸都很小，尺寸范围约为一个或几个原子其特征是三个方向的尺寸都很小，尺寸范围约为一

3、个或几个原子尺度，为尺度，为零维缺陷零维缺陷。如：空位、间隙质点、杂质质点、色心和置换原子。除此以外，还有空位，间隙如：空位、间隙质点、杂质质点、色心和置换原子。除此以外，还有空位，间隙质点以及这几类缺陷的复合体等均属于这一类。质点以及这几类缺陷的复合体等均属于这一类。点缺陷与材料的电学性质、光学性质、材料的高温动力学过程有关。点缺陷与材料的电学性质、光学性质、材料的高温动力学过程有关。第3页/共144页第4页/共144页高分子晶体中特有的点缺陷高分子晶体中特有的点缺陷(a)分子链上的异常键合分子链上的异常键合(b)分子链位置发生交换分子链位置发生交换(c)两个两个分子链向对方向折叠分子链向对

4、方向折叠第5页/共144页二、二、线缺陷:其特征是缺陷在两个方向上尺寸很小（与点缺陷相似），而第其特征是缺陷在两个方向上尺寸很小（与点缺陷相似），而第三方向上的尺寸却很大，甚者可以贯穿整个晶体，也称之为一维缺陷三方向上的尺寸却很大，甚者可以贯穿整个晶体，也称之为一维缺陷属于这一类的主要是位错。属于这一类的主要是位错。线缺陷的产生及运动与材料的韧性、脆性密切相关。线缺陷的产生及运动与材料的韧性、脆性密切相关。第6页/共144页三、三、面缺陷:其特征是缺陷在一个方向上的尺寸很小（同点缺陷），而其其特征是缺陷在一个方向上的尺寸很小（同点缺陷），而其余两个方向上的尺寸很大。余两个方向上的尺寸很大。晶体

5、的外表面及各种内界面如：一般晶界、孪晶界、亚晶界、相界及层错等晶体的外表面及各种内界面如：一般晶界、孪晶界、亚晶界、相界及层错等均属于这一类。均属于这一类。面缺陷的取向及分布与材料的断裂韧性有关。面缺陷的取向及分布与材料的断裂韧性有关。第7页/共144页四、体缺陷:在局部的三维空间偏离理在局部的三维空间偏离理想晶体的周期性、规则性排列而产生的想晶体的周期性、规则性排列而产生的缺陷。缺陷。如：第二相粒子团、空位团等。如：第二相粒子团、空位团等。体缺陷与物系的分相、偏聚等过程有关。体缺陷与物系的分相、偏聚等过程有关。第8页/共144页按缺陷产生的原因分类按缺陷产生的原因分类一、一、热缺陷亦称为本征

6、缺陷，指由热起伏的原因所产生的空位和（或）间隙质点。亦称为本征缺陷，指由热起伏的原因所产生的空位和（或）间隙质点。过程中，缺陷的产生和复合始终处于一种动态平衡。过程中，缺陷的产生和复合始终处于一种动态平衡。热缺陷包括弗伦克尔缺陷热缺陷包括弗伦克尔缺陷(FrenkelDefect)和肖特基缺陷和肖特基缺陷(SchottkyDefect)。第9页/共144页质点离开正常格点后迁移到晶体表面或内表面的正常结点位置上，而使晶体质点离开正常格点后迁移到晶体表面或内表面的正常结点位置上，而使晶体内部留下空位，称为肖特基（内部留下空位，称为肖特基（Schottky）空位（下图空位（下图a）；）；质点离开正常

7、格点后挤入点阵的间隙位置，而在晶体中同时形成数目相等的质点离开正常格点后挤入点阵的间隙位置，而在晶体中同时形成数目相等的空位和间隙原子，称为弗兰克空位和间隙原子，称为弗兰克(Frenkel)缺陷缺陷(下图下图b)；第10页/共144页第11页/共144页二、二、杂质缺陷亦称为组成缺陷，指由外来杂质的引入而产生的缺陷。亦称为组成缺陷，指由外来杂质的引入而产生的缺陷。特征：当杂质的浓度在固溶体的溶解度范围之内时，杂志缺陷的浓度与温度无关。特征：当杂质的浓度在固溶体的溶解度范围之内时，杂志缺陷的浓度与温度无关。如：红宝石如：红宝石微量杂质缺陷的存在，将极大地改善基质晶体的物理性质。微量杂质缺陷的存在

8、，将极大地改善基质晶体的物理性质。第12页/共144页三、三、非化学计量缺陷指组成上偏离化学中的定比定律所形成的缺陷。指组成上偏离化学中的定比定律所形成的缺陷。由基质晶体与介质中的某些组分发生交换而产生。由基质晶体与介质中的某些组分发生交换而产生。特征特征:其化学组成随周围气氛的性质及其分压大小而改变。其化学组成随周围气氛的性质及其分压大小而改变。如：如：Fe1-xO、Zn1+xO，半导体材料，半导体材料第13页/共144页四、四、电荷缺陷指质点排列的周期性未受到破坏，但因电子或孔穴的产生使周期性势场发生指质点排列的周期性未受到破坏，但因电子或孔穴的产生使周期性势场发生畸变而产生缺陷。畸变而产

9、生缺陷。如：非金属晶体在接近如：非金属晶体在接近0K时，价带中电子全部排满，导带中全空，如果价时，价带中电子全部排满，导带中全空，如果价带中的电子获得足够的能量越过禁带进入导带，则导带中的电子、价带中的带中的电子获得足够的能量越过禁带进入导带，则导带中的电子、价带中的孔穴使晶体的势场畸变，从而产生电荷缺陷。孔穴使晶体的势场畸变，从而产生电荷缺陷。第14页/共144页五、五、辐照缺陷材料在辐照之下产生晶体结构上的不完整。材料在辐照之下产生晶体结构上的不完整。辐照可是材料内部产生各种缺陷：色心、位错环等。辐照可是材料内部产生各种缺陷：色心、位错环等。对各种材料的损失效应不同对各种材料的损失效应不同

10、第15页/共144页3.3.2 2 点缺陷点缺陷包括：热缺陷、组成缺陷、非化学计量缺陷、色心等。点缺陷包括：热缺陷、组成缺陷、非化学计量缺陷、色心等。其产生和复合始终处于动态平衡状态，它们之间还会像化学反应似地相互反应。其产生和复合始终处于动态平衡状态，它们之间还会像化学反应似地相互反应。第16页/共144页3.2.1 点缺陷的符号表征点缺陷的符号表征Krogervink 符号符号无缺陷状态：无缺陷状态：0晶格结点空位：晶格结点空位：在在MX中中VM,VX填隙原子填隙原子:Ai,Xi错位原子错位原子:在在AB中，中，AB,BA取代原子取代原子:在在MX中中NM电子缺陷电子缺陷:e,h带电缺陷带

11、电缺陷:VM,VX,Ai,Xi,AB,BA,NM(n-m)第17页/共144页3.2.2点缺陷反应方程式点缺陷反应方程式1、缺陷化学缺陷化学将点缺陷看作化学实物，并用化学热力学的理论来研究缺陷的产生、平衡及将点缺陷看作化学实物，并用化学热力学的理论来研究缺陷的产生、平衡及浓度等问题的一门学科。浓度等问题的一门学科。研究的前提是点缺陷浓度不超过某一临界值，超过临界值会产生新相。研究的前提是点缺陷浓度不超过某一临界值，超过临界值会产生新相。第18页/共144页2、缺陷反应方程式规则、缺陷反应方程式规则a.位置关系位置关系：化合物中，不同质点的位置数：化合物中，不同质点的位置数目不变（原子中质点数目

12、不变）。目不变（原子中质点数目不变）。如：如：ZrO2中，中，Zr4+和和O2-的位置数之比为的位置数之比为1:2注意：注意：i形成空位时，质点离开，位置仍在；形成空位时，质点离开，位置仍在；ii间隙原子时不占据结点位置的。间隙原子时不占据结点位置的。b.质量平衡质量平衡：反应式两边必须保持质量平衡。：反应式两边必须保持质量平衡。c.电荷平衡电荷平衡：晶体必须保持电中性。：晶体必须保持电中性。至于表面位置，一般不特别标出，至于表面位置，一般不特别标出，第19页/共144页3、举例、举例(1)少量少量CaCl2溶解在溶解在KCl中中a.CaCl2进入晶格，由于引入两个进入晶格，由于引入两个Cl-

13、，为保持晶格，必然以为保持晶格，必然以Ca2+取代取代K+,产生和产生和;为保持电荷平衡和位置关系为保持电荷平衡和位置关系K:Cl=1:1,必然出现空位必然出现空位第20页/共144页b.一个一个Ca2+、一个一个Cl-进入结点，一个进入结点，一个Cl-进入间隙进入间隙c.Cl-进入结点，进入结点，Ca2+进入间隙进入间隙上述三式中，哪一个合理？上述三式中，哪一个合理？第21页/共144页(2)TiO2、ZrO2失去部分氧，形成非化学计失去部分氧，形成非化学计量化合物量化合物TiO2-x、ZrO2-x缺陷反应式：缺陷反应式：或或也可写成也可写成第22页/共144页因此，因此，TiO2-x、Zr

14、O2-x对氧的分压是对氧的分压是敏感的，在烧结这一类型的陶瓷时，敏感的，在烧结这一类型的陶瓷时，要注意氧的分压。要注意氧的分压。OO是一个近似的常数，同时由方程式可知是一个近似的常数，同时由方程式可知第23页/共144页一般规律：一般规律：1 1、低价低价正离子占据正离子占据高价高价正离子的位置时，该位正离子的位置时，该位置带有置带有负负电荷。为保持电中性，会产生负离子电荷。为保持电中性，会产生负离子空位或间隙正离子；空位或间隙正离子；2 2、高价高价正离子占据正离子占据低价低价正离子的位置时，该位正离子的位置时，该位置带有置带有正正电荷。为保持电中性，会产生正离子电荷。为保持电中性，会产生正

15、离子空位或间隙负离子；空位或间隙负离子；当晶体中剩余空隙比较小时，容易形成肖特基当晶体中剩余空隙比较小时，容易形成肖特基缺陷；当晶体中剩余空隙比较大时，容易形成缺陷；当晶体中剩余空隙比较大时，容易形成弗伦克尔缺陷。弗伦克尔缺陷。第24页/共144页练习：第25页/共144页解解：正离子基准正离子基准负离子基准负离子基准间隙离子间隙离子正离子基准正离子基准负离子基准负离子基准第26页/共144页3.2.3 热缺陷浓度的计算热缺陷浓度的计算点缺陷的存在，一方面造成点阵畸变。使晶体的内能升高，降低了晶体的热力学点缺陷的存在，一方面造成点阵畸变。使晶体的内能升高，降低了晶体的热力学稳定性；稳定性；另一

16、方面，由于增大了原子排列的混乱程度，并改变了其周围原子的振动频率，另一方面，由于增大了原子排列的混乱程度，并改变了其周围原子的振动频率，引起组态熵和振动熵的改变，使晶体熵值增大，增加了晶体的热力学稳定性。引起组态熵和振动熵的改变，使晶体熵值增大，增加了晶体的热力学稳定性。上述两个对立因素的平衡使得晶体中的点缺陷在一定温度下有一定的平衡浓度。上述两个对立因素的平衡使得晶体中的点缺陷在一定温度下有一定的平衡浓度。第27页/共144页一、热力学方法计算热缺陷浓度一、热力学方法计算热缺陷浓度在恒温下，系统的自由能在恒温下，系统的自由能G=H TS设由设由N个原子组成的晶体中含有个原子组成的晶体中含有n

17、个空位，若个空位，若形成一个空位所需能量为形成一个空位所需能量为Ev，则晶体中含有则晶体中含有n个空位时，其内能将增加个空位时，其内能将增加 H=nh，而而几个空位造成晶体组态熵的改变为几个空位造成晶体组态熵的改变为 Sc，振振动熵为动熵为n Sv，故自由能的变化为：故自由能的变化为：G=nhT(Sc+n Sv)第28页/共144页根据统计热力学，组态熵可表示为：根据统计热力学，组态熵可表示为：Sc=klnW式中，式中，k为波尔兹曼常数为波尔兹曼常数(1.38 10-23J/K)，W为微观状态的数目。为微观状态的数目。因此在晶体中因此在晶体中N+n个阵点位置上存在个阵点位置上存在n个空个空位和

18、位和N个原子时，可能出现的不同排列方式个原子时，可能出现的不同排列方式数目：数目：于是，晶体组态熵的增值于是，晶体组态熵的增值第29页/共144页当当N和和n值都非常大时，可用值都非常大时，可用Stirling近似公近似公式（式（lnx!xlnx x）将上式改写为：将上式改写为：于是，于是，在平衡时，自由能为最小，即在平衡时，自由能为最小，即当当Nn时，时，第30页/共144页故空位在故空位在T温度时的平衡浓度温度时的平衡浓度对于正负离子成对出现的肖特基缺陷，空位对于正负离子成对出现的肖特基缺陷，空位浓度为浓度为;弗伦克尔缺陷浓度：弗伦克尔缺陷浓度：第31页/共144页3.2.4热缺陷在外力作

19、用下的运动热缺陷在外力作用下的运动点缺陷迁移能点缺陷迁移能Em与迁移频率与迁移频率 的关系：的关系：式中，式中，0为点缺陷周围原子的振动频率，为点缺陷周围原子的振动频率，Z为点缺陷周围原子配位数为点缺陷周围原子配位数,Sm为点缺为点缺陷的迁移熵。陷的迁移熵。第32页/共144页晶体中原子的扩散：空位与间隙原子不断地产生与复合，才不停地由一处向晶体中原子的扩散：空位与间隙原子不断地产生与复合，才不停地由一处向另一处作物规则的布朗运动。另一处作物规则的布朗运动。当存在外力场（可以是力场、电场、浓度场等）时，热缺陷可以做定向运动。当存在外力场（可以是力场、电场、浓度场等）时，热缺陷可以做定向运动。第

20、33页/共144页3.2.4热缺陷与晶体的离子导电性热缺陷与晶体的离子导电性一、导电现象一、导电现象材料中带电粒子的电导率：材料中带电粒子的电导率：各种带电粒子总的电导率：各种带电粒子总的电导率：第34页/共144页二、纯净晶体的离子电导性二、纯净晶体的离子电导性对于纯净的对于纯净的MX型晶体，其离子电导率为：型晶体，其离子电导率为：即：晶体的离子电导率取决于晶体中热缺陷即：晶体的离子电导率取决于晶体中热缺陷的多少及缺陷在电场作用下的漂移速度的高的多少及缺陷在电场作用下的漂移速度的高低或扩散系数的大小。低或扩散系数的大小。第35页/共144页3.3.3 3 线线 缺缺 陷陷晶体的塑性和强度晶体

21、的塑性和强度一、完整晶体的塑性变形方式一、完整晶体的塑性变形方式1.1.晶体在外力场下的滑移晶体在外力场下的滑移第36页/共144页一个滑移面和该面上的一个确定的滑移方向，一个滑移面和该面上的一个确定的滑移方向，构成一个滑移系统，以构成一个滑移系统，以(hkl)uvw来表示。来表示。第37页/共144页晶体滑移的临界分切应力开动晶体滑移开动晶体滑移系统所需的最系统所需的最小分切应力，小分切应力，称之为临界分称之为临界分切应力切应力(c)。第38页/共144页2.晶体在外力作用下的孪生晶体在外力作用下的孪生第39页/共144页滑滑移移孪孪生生相相同同点点对于给定晶体而言，滑移（孪生）面及对于给定

22、晶体而言，滑移（孪生）面及其方向是确定其方向是确定的。的。条件：应变方向上，分切应力大于或等条件：应变方向上，分切应力大于或等于临界分切应力于临界分切应力(p c)不不同同点点晶体位向不发生变晶体位向不发生变化化晶体位向发生变化晶体位向发生变化切变量为滑移方向切变量为滑移方向上原子间距的整数上原子间距的整数倍倍切变量不一定为孪切变量不一定为孪生方向上原子间距生方向上原子间距的整数倍的整数倍临界分切应力：滑移孪生临界分切应力：滑移孪生提供的变形量：滑移孪生提供的变形量：滑移孪生第40页/共144页整晶体的理论切变强度整晶体的理论切变强度G切变模量切变模量对于简单立方晶体对于简单立方晶体,a=第4

23、1页/共144页3.3.2位错的基本类型和特征位错的基本类型和特征1.刃型位错刃型位错EF刃刃型型位错线位错线第42页/共144页刃型位错的特点：刃型位错的特点：(1)有一个额外的半原子面。有一个额外的半原子面。正刃型位错正刃型位错：多出的半原子面在滑移面上边：多出的半原子面在滑移面上边负刃型位错负刃型位错：多出的半原子面在滑移面下边多出的半原子面在滑移面下边第43页/共144页(2)刃型位错线可以理解为晶体中已滑移区与未滑移区的边界线。刃型位错线可以理解为晶体中已滑移区与未滑移区的边界线。它不一定是直线，也可以是折线或曲线，但它必须垂直于滑移方向，也垂直它不一定是直线，也可以是折线或曲线，但

24、它必须垂直于滑移方向，也垂直于滑移矢量。于滑移矢量。第44页/共144页(3)滑移面必定是同时包含有位错线和滑移矢量的平面，在其它平面上不能滑移面必定是同时包含有位错线和滑移矢量的平面，在其它平面上不能滑移。滑移。由于位错线与滑移矢量相互垂直，它们所构成的平面只有一个。由于位错线与滑移矢量相互垂直，它们所构成的平面只有一个。(4)晶体中存在刃型位错之后，位错周围的点阵发生弹性畸变，既有切应变，晶体中存在刃型位错之后，位错周围的点阵发生弹性畸变，既有切应变，又有正应变。又有正应变。第45页/共144页正刃型位错正刃型位错：滑移面上方点阵受到压应力，阵点间距小于正常点阵间距；下：滑移面上方点阵受到

25、压应力，阵点间距小于正常点阵间距；下方点阵受到拉应力，阵点间距大于正常点阵间距；方点阵受到拉应力，阵点间距大于正常点阵间距；负刃型位错负刃型位错与此相反。与此相反。(5)在位错线周围的过渡区（畸变区）每个原子具有较大的平均能量。在位错线周围的过渡区（畸变区）每个原子具有较大的平均能量。但该区只有几个原子间距宽，畸变区是狭长的管道，所以刃型位错是线缺陷。但该区只有几个原子间距宽，畸变区是狭长的管道，所以刃型位错是线缺陷。第46页/共144页2.螺型位错螺型位错位错线位错线:bb第47页/共144页螺型位错的特征螺型位错的特征：(1)无额外半原子面，原子错排是呈轴对称的。无额外半原子面，原子错排是

26、呈轴对称的。(2)根据位错线附近呈螺旋形排列的原子的旋转方向不同，螺型位错可分根据位错线附近呈螺旋形排列的原子的旋转方向不同，螺型位错可分为左旋和右旋螺型位错。为左旋和右旋螺型位错。符号分别为：符号分别为：左旋左旋 右旋右旋第48页/共144页(3)螺型位错线与滑移矢量平行，因此一定是直线，而且位错线的移动方向螺型位错线与滑移矢量平行，因此一定是直线，而且位错线的移动方向与晶体滑移方向相互垂直。与晶体滑移方向相互垂直。(4)纯螺型位错的滑移面不是唯一的。凡是包含螺型位错线的平面都可以作纯螺型位错的滑移面不是唯一的。凡是包含螺型位错线的平面都可以作为它的滑移面。但实际上，滑移通常是在那些原子密排

27、面上进行的。为它的滑移面。但实际上，滑移通常是在那些原子密排面上进行的。第49页/共144页(5)螺型位错线周围的点阵也发生了弹性畸变，但是，只有平行于位错线的切应螺型位错线周围的点阵也发生了弹性畸变，但是，只有平行于位错线的切应变而无正应变，则不会引起体积膨胀和收缩，且在垂直于位错线的平面投影上，变而无正应变，则不会引起体积膨胀和收缩，且在垂直于位错线的平面投影上，看不到原子的位移，看不出有缺陷。看不到原子的位移，看不出有缺陷。(6)螺型位错周围的点阵畸变随离位错线距离的增加而急剧减少，故它也是包含螺型位错周围的点阵畸变随离位错线距离的增加而急剧减少，故它也是包含有几个原子宽度的线缺陷。有几

28、个原子宽度的线缺陷。第50页/共144页3.混合位错混合位错滑移矢量既不平行也不垂直于位错线，而与滑移矢量既不平行也不垂直于位错线，而与位错线相交成任意角度。位错线相交成任意角度。第51页/共144页第52页/共144页注意：由于位错线是滑移区与未滑移区的边界注意：由于位错线是滑移区与未滑移区的边界线。因此位错有一个重要的性质，即一根位错线。因此位错有一个重要的性质，即一根位错线不能终止于晶体内部，而只能露头于晶体表线不能终止于晶体内部，而只能露头于晶体表面（包括晶界）。面（包括晶界）。若位错线终止于晶体内部，则必与其它位错线若位错线终止于晶体内部，则必与其它位错线相连接，或在晶体内部形成封闭

29、线（位错环）。相连接，或在晶体内部形成封闭线（位错环）。第53页/共144页3.3.3柏氏矢量柏氏矢量1.确定方法确定方法a a首首先先选选定定位位错错线线的的正正向向(),),通通常常规规定定出出纸纸面面的的方向为位错线的正方向；方向为位错线的正方向；b b实实际际晶晶体体中中，在在位位错错周周围围沿沿着着点点阵阵结结点点形形成成封封闭闭回路回路(避开严重畸变区避开严重畸变区)()(柏氏回路）。柏氏回路）。c c在在理理想想晶晶体体中中按按同同样样顺顺序序作作同同样样大大小小但但不不闭闭合合的的回回路路。从从终终点点到到起起点点引引一一矢矢量量b b。即即为为位位错错的的柏柏氏氏矢量。矢量。

30、第54页/共144页第55页/共144页第56页/共144页第57页/共144页2.柏氏矢量的表示方法柏氏矢量的表示方法a表表示示:b=auvw/n（可可以以用用矢矢量量加加法法进进行行运运算算）。b求模：求模：/b/=au2+v2+w21/2/n。第58页/共144页3.柏氏矢量的物理意义与应用柏氏矢量的物理意义与应用a a 代表位错，并表示其特征（强度、畸变量）。代表位错，并表示其特征（强度、畸变量）。b b 判断位错的类型判断位错的类型,确定滑移面。确定滑移面。正刃型位错正刃型位错 负刃型位错负刃型位错 右螺型位错右螺型位错 左螺型位错左螺型位错刃刃型型位位错：错：b =0右螺旋位错：右

31、螺旋位错：b =b左螺旋位错：左螺旋位错：b =-b第59页/共144页c 表示晶体滑移的方向和大小。表示晶体滑移的方向和大小。如如下下图图所所示示，确确定定位位错错线线分分别别为为刃刃型型位位错错和和螺螺型型位错时扫过晶体导致的表面圆形标记的变化情况位错时扫过晶体导致的表面圆形标记的变化情况。第60页/共144页d柏柏氏氏矢矢量量的的守守恒恒性性与与唯唯一一性性：一一条条位位错错线线具具有有唯一的柏氏矢量。唯一的柏氏矢量。e若若b分支为分支为b1,b2.bn,在在b=bi.b1b3b2第61页/共144页3.3.4 位错的运动位错的运动（1 1）位错的易动性）位错的易动性原原子子的的微微小小

32、移移动动导导致致晶晶体体产产生生一一个个原原子子间间距距的的位位移。移。多个位错的运动导致晶体的宏观变形。多个位错的运动导致晶体的宏观变形。比喻：地毯的挪动、蛇的爬行等。比喻：地毯的挪动、蛇的爬行等。第62页/共144页（2 2）位错运动的方式）位错运动的方式 a a 滑移滑移：位错沿着滑移面的移动。：位错沿着滑移面的移动。刃型位错的滑移：具有唯一的滑移面刃型位错的滑移：具有唯一的滑移面 切应力方向与位错线垂直；切应力方向与位错线垂直；晶体滑移方向与位错运动方向一致。晶体滑移方向与位错运动方向一致。第63页/共144页多多 脚脚 虫虫 的的 爬爬 行行滑移的机理滑移的机理把滑移设想为刚性整体滑

33、动所需的把滑移设想为刚性整体滑动所需的理论临界切应力值比实际测量临界理论临界切应力值比实际测量临界切应力值大切应力值大3-4个数量级。个数量级。l滑移是通过滑移面上位错的运动来实现的。滑移是通过滑移面上位错的运动来实现的。第64页/共144页螺型位错的滑移：具有多个滑移面。螺型位错的滑移：具有多个滑移面。切应力方向与位错线平行；切应力方向与位错线平行；晶体滑移方向与位错运动方向垂直。晶体滑移方向与位错运动方向垂直。从柏氏矢量角度，对任何位错：从柏氏矢量角度，对任何位错：切应力方向与柏氏矢量一致；切应力方向与柏氏矢量一致；晶体滑移与柏氏矢量一致。晶体滑移与柏氏矢量一致。第65页/共144页 b

34、b 攀移攀移：刃型位错在垂直于滑移面方向上的运动。：刃型位错在垂直于滑移面方向上的运动。机机制制：原原子子面面下下端端原原子子的的扩扩散散位位错错随随半半原子面的上下移动而上下运动。原子面的上下移动而上下运动。分分类类：正正攀攀移移（原原子子面面上上移移、空空位位加加入入）/负负攀移（原子面下移、原子加入）。攀移（原子面下移、原子加入）。应应力力的的作作用用：（半半原原子子面面侧侧）压压应应力力有有利利于于正攀移，拉应力有利于负攀移。正攀移，拉应力有利于负攀移。第66页/共144页第67页/共144页1.1.位错的应力场位错的应力场 a.a.螺型位错：螺型位错：z=b/2 r zG b/2 r

35、。特点：特点：只有切应力只有切应力分量；正应力分量全为零分量；正应力分量全为零 应力场对称分布。应力场对称分布。第68页/共144页b.b.刃位错：表达式；刃位错：表达式；同时存在正应力分量与切应力分量同时存在正应力分量与切应力分量；各应力分量都是各应力分量都是x x，y y的函数，而与的函数，而与z z无关；无关；刃型位错的应力场对称于多余半原子面（刃型位错的应力场对称于多余半原子面（y-z面）；面）；Y=0时时，xx=yy=zz=0，说说明明在在滑滑移移面面上上，没没有有正正应应力，只有切应力，而且切应力力，只有切应力，而且切应力xy达到极大值达到极大值。y0时时，xx0；而而y0时时，x

36、x0。这这说说明明正正刃刃型型位位错错的的位位错错滑滑移移面面上上侧侧为为压压应应力力，滑滑移移面面下下侧侧为为张张应应力力。在应力场的任意位置处，在应力场的任意位置处，|xx|yy|。第69页/共144页2.位错的应变能位错的应变能单位长度位错的应变能：单位长度位错的应变能：E=Gb2(推导略推导略)。（0.51.0,螺位错取下限，刃位错取上限。）螺位错取下限，刃位错取上限。）几点结论几点结论:位位错错是是不不稳稳定定的的缺缺陷陷。（熵熵增增不不能能抵抵消消应应变变能能的的增增加。）加。）单根位错趋于直线状；单根位错趋于直线状；位错具有长程应力场位错具有长程应力场；螺型位错弹性应变能小；螺型

37、位错弹性应变能小；滑移方向总是原子的密排方向滑移方向总是原子的密排方向。第70页/共144页3.位错的线张力：位错的线张力：TkGb2。保持位错弯曲所需的切应力：保持位错弯曲所需的切应力：Gb/2r第71页/共144页4.4.位错间的交互作用位错间的交互作用 f=b，f=b（刃位错）刃位错）。同号相互排斥，异号相互吸引。同号相互排斥，异号相互吸引。(达到能量最低状态。达到能量最低状态。)第72页/共144页第73页/共144页1.位错的密度：单位体积晶体中所含的位错线的总长度位错的密度：单位体积晶体中所含的位错线的总长度实际上的位错密度：等于穿过单位面积的位错线数目实际上的位错密度：等于穿过单

38、位面积的位错线数目第74页/共144页2.位错的生成位错的生成(1)晶体生长过程中产生位错晶体生长过程中产生位错熔体中的杂质原子熔体中的杂质原子温度梯度、浓度梯度、机械振动等的影响温度梯度、浓度梯度、机械振动等的影响生长过程中的晶粒碰撞、液流冲击、冷却时生长过程中的晶粒碰撞、液流冲击、冷却时的体积变化等影响的体积变化等影响(2)高温快速冷却凝固时，晶体内有大量的过高温快速冷却凝固时，晶体内有大量的过饱和空位，空位的聚集形成位错。饱和空位，空位的聚集形成位错。(3)晶体内部的某些界面和微裂纹附近，由于晶体内部的某些界面和微裂纹附近，由于热应力和组织应力的作用，出现应力集中的现热应力和组织应力的作

39、用，出现应力集中的现象，当此应力高致足以使该局部产生滑移时，象，当此应力高致足以使该局部产生滑移时，就在该区域产生位错。就在该区域产生位错。第75页/共144页 3.3.位错的增殖：位错的增殖：F-R F-R源。源。位位错错两两端端被被钉钉扎扎，在切应力作用发生弯曲；在切应力作用发生弯曲；位位错错运运动动时时发发生生卷卷曲；曲；异异号号位位错错相相遇遇产产生生一位错环一位错环+一位错线；一位错线；上述过程重复进行。上述过程重复进行。第76页/共144页1、实际晶体中位错的柏氏矢量实际晶体中位错的柏氏矢量 位错的柏氏矢量一般是最短的点阵矢量。位错的柏氏矢量一般是最短的点阵矢量。单位位错单位位错：

40、柏氏矢量：柏氏矢量 =单位点阵矢量单位点阵矢量 全全 位位 错错：柏氏矢量：柏氏矢量 =N点阵矢量点阵矢量（N=1,2,3,.)不全位错不全位错：柏氏矢量：柏氏矢量 点阵矢量点阵矢量从从能能量量条条件件看看，由由于于位位错错能能量量正正比比于于b b2 2，b b越越小小越越稳定，即单位位错应该是最稳定的位错。稳定，即单位位错应该是最稳定的位错。第77页/共144页第78页/共144页2、堆垛层错、堆垛层错第79页/共144页第80页/共144页3、不全为错、不全为错堆垛层错只是部分区域存在堆垛层错只是部分区域存在第81页/共144页（1）肖肖克克利利不不全全位错。位错。形形成成：原原子子运运

41、动动导导致致局局部部错错排排，错错排排区区与与完完整整晶晶格格区区的的边边界界线线即即为为肖肖克克莱莱不不全全位位错错。（结结合合位位错错反反应应理理解解。可可为为刃刃型型、螺螺型型或或混混合合型型位位错。）错。）第82页/共144页 （2）弗兰克不全位错弗兰克不全位错在在完完整整晶晶体体中中局局部部抽抽出出或或插插入入一一层层原原子子所所 形成。（只能攀移，不能滑移。）形成。（只能攀移，不能滑移。）第83页/共144页4、位错反应、位错反应将位错之间的相互转化（分解或合并）称为将位错之间的相互转化（分解或合并）称为位错反应。位错反应。位错反应能否进行，决定于是否满足如下两个条件位错反应能否进

42、行，决定于是否满足如下两个条件：1).几何条件：按照柏氏矢量守恒性的要求，反应后诸位错的柏氏矢量之几何条件：按照柏氏矢量守恒性的要求，反应后诸位错的柏氏矢量之和应该等于反应前诸位错的柏氏矢量之和，即和应该等于反应前诸位错的柏氏矢量之和，即:第84页/共144页2).能量条件：从能量角度，位错反应必须是一个伴随着能量降低的过程。能量条件：从能量角度，位错反应必须是一个伴随着能量降低的过程。为此，反应后各位错的总能量应小于反应前各位错的总能量。由于位错能量为此，反应后各位错的总能量应小于反应前各位错的总能量。由于位错能量正比于其正比于其b2，故可近似地把一组位错的总能量看作是，故可近似地把一组位错

43、的总能量看作是，于是便可引入位错，于是便可引入位错反应的能量判据，即反应的能量判据，即第85页/共144页5面心立方晶体中的位错面心立方晶体中的位错a汤普森汤普森(ThompsonN.)四面体四面体第86页/共144页b.扩展位错扩展位错一对不全位错及中间夹的层错的整个位错组态。一对不全位错及中间夹的层错的整个位错组态。c.c.位错网络位错网络d.d.面角位错面角位错第87页/共144页3.4表面及界面表面及界面面面缺缺陷陷主主要要包包括括晶晶界界、相相界界和和表表面面，它它们们对对材材料的力学和物理化学性能具有重要影响。料的力学和物理化学性能具有重要影响。第88页/共144页外表面外表面在晶

44、体表面上，原子排列情况与晶内不同在晶体表面上，原子排列情况与晶内不同,表面原子会偏离其正常的平衡位置，表面原子会偏离其正常的平衡位置，并影响到邻近的几层原子，造成表层的点阵畸变，使它们的能量比内部原子高，并影响到邻近的几层原子，造成表层的点阵畸变，使它们的能量比内部原子高，这几层高能量的原子层称为表面。这几层高能量的原子层称为表面。第89页/共144页晶体表面单位面积自由能的增加称为表面能晶体表面单位面积自由能的增加称为表面能（J/m2）。表面能也可理解为）。表面能也可理解为产生单位面积新表面所作的功：产生单位面积新表面所作的功：表面能与晶体表面原子排列致密程度有关，表面能与晶体表面原子排列致

45、密程度有关，原子密排的表面具有最小的表面能。所以自原子密排的表面具有最小的表面能。所以自由晶体暴露在外的表面通常是低表面能的原由晶体暴露在外的表面通常是低表面能的原子密排晶面。子密排晶面。第90页/共144页晶界和亚晶界晶界和亚晶界晶界：两个空间位向不同的相邻晶粒之间晶界：两个空间位向不同的相邻晶粒之间的界面。的界面。第91页/共144页1.大角度晶界大角度晶界：晶粒位向差：晶粒位向差 角角大于大于10 的晶界。的晶界。其其结结构构为为几几个个原原子子范范围围内内的的原原子子的的混混乱乱排排列列，可可视为一个过渡区。视为一个过渡区。第92页/共144页2.小小角角度度晶晶界界：晶晶粒粒位位向向

46、差差 角角小小于于10 的的晶晶界界。其其结构为位错列，又分为对称倾侧晶界和扭转晶界。结构为位错列，又分为对称倾侧晶界和扭转晶界。亚晶界属于小角度晶界，一般小于亚晶界属于小角度晶界，一般小于2。第93页/共144页第94页/共144页3晶界的特性晶界的特性1).晶界处点阵畸变大，存在着晶界能。因此，晶晶界处点阵畸变大，存在着晶界能。因此，晶粒的长大和晶界的平直化都能减少晶界面积，从粒的长大和晶界的平直化都能减少晶界面积，从而降低晶界的总能量，这是一个自发过程。而降低晶界的总能量，这是一个自发过程。2).晶界处原子排列不规则，因此在常温下晶界的晶界处原子排列不规则，因此在常温下晶界的存在会对位错

47、的运动起阻碍作用，致使塑性变形存在会对位错的运动起阻碍作用，致使塑性变形抗力提高，宏观表现为晶界较晶内具有较高的强抗力提高，宏观表现为晶界较晶内具有较高的强度和硬度。度和硬度。3).晶界处原子偏离平衡位置，具有较高的动能，晶界处原子偏离平衡位置，具有较高的动能，并且晶界处存在较多的缺陷如空穴、杂质原子和并且晶界处存在较多的缺陷如空穴、杂质原子和位错等，故晶界处原子的扩散速度比在晶内快得位错等，故晶界处原子的扩散速度比在晶内快得多。多。第95页/共144页4).在固态相变过程中，由于晶界能量较高且在固态相变过程中，由于晶界能量较高且原子活动能力较大，所以新相易于在晶界处原子活动能力较大，所以新相

48、易于在晶界处优先形核。优先形核。5).由于成分偏析和内吸附现象，特别是晶界由于成分偏析和内吸附现象，特别是晶界富集杂质原子情况下，往往晶界熔点较低，富集杂质原子情况下，往往晶界熔点较低，故在加热过程中，因温度过高将引起晶界熔故在加热过程中，因温度过高将引起晶界熔化和氧化，导致化和氧化，导致过热过热现象产生。现象产生。6).由于晶界能量较高、原子处于不稳定状态，由于晶界能量较高、原子处于不稳定状态，以及晶界富集杂质原子的缘故，与晶内相比，以及晶界富集杂质原子的缘故，与晶内相比，晶界的腐蚀速度一般较快。晶界的腐蚀速度一般较快。第96页/共144页孪晶界孪晶界孪晶孪晶：沿一个公共晶面构成对称关系两个

49、晶体：沿一个公共晶面构成对称关系两个晶体孪晶界孪晶界：两块相邻孪晶的共晶面。：两块相邻孪晶的共晶面。分为共格孪晶界和非共格孪晶界。分为共格孪晶界和非共格孪晶界。第97页/共144页相界相界相界：相邻两个不同结构的相之间的界面。相界：相邻两个不同结构的相之间的界面。分类：共格、半共格和非共格相界。分类：共格、半共格和非共格相界。第98页/共144页3.5 固溶体固溶体 （Solid solution,ss）第99页/共144页概述 凡在固体条件下，一种组分（溶剂）内“溶解”了其它组分（溶质）而形成的单一、均匀的晶态固体称为固溶体。第100页/共144页材料科学基础材料科学基础基本特征：（1）在原

50、子尺度上相互混合的。（2）破坏主晶相原有的晶体结构，但晶胞参数可能有少许改变，基本保持了主晶相的特性。第101页/共144页材料科学基础材料科学基础（3）存在固溶度(有限固溶体或不连续固溶体)；部分体系可任意互溶(无限固溶体或连续固溶体)（4）在固溶度范围之内，杂质含量可以改变，固溶体的结构不会变化，只有单相固溶体；当超出固溶极限后，存在第2相。第102页/共144页材料科学基础材料科学基础固溶体生成：晶体生长过程中 溶液或熔体析晶 金属冶炼 烧结如:Al2O3晶体中溶入一定量Cr2O3生成红宝石，可以用作饰品及激光器少量锌溶解于铜中生成黄铜 第103页/共144页材料科学基础材料科学基础 固