第3章点缺陷位错的基本类型和特征_材料科学基础

1第3章晶体缺陷3.1点缺陷3.2位错3.3表面及界面2缺陷的含义：通常把晶体点阵结构中周期性势场的畸变称为晶体的结构缺陷。理想晶体：质点严格按照空间点阵排列。实际晶体：存在着各种各样的结构的不完整性。第三章晶体缺陷3按形成原因：热缺陷、杂质缺陷、非化学计量缺陷等按几何形态：点缺陷、线缺陷、面缺陷等缺陷的分类方式：第三章晶体缺陷4缺陷的形成原因1.热缺陷定义：热缺陷亦称为本征缺陷，是指由热起伏的原因所产生的空位或间隙质点（原子或离子）。类型：弗仑克尔缺陷（Frenkeldefect）和肖特基缺陷（Schottkydefect）热缺陷浓度与温度的关系：温度升高时，热缺陷浓度增加第三章晶体缺陷5缺陷的形成原因2.杂质缺陷定义：亦称为组成缺陷，是由外加杂质的引入所产生的缺陷。特征：如果杂质的含量在固溶体的溶解度范围内，则杂质缺陷的浓度与温度无关。杂质缺陷对材料性能的影响第三章晶体缺陷6缺陷的形成原因3.非化学计量缺陷定义：组成上偏离化学中的定比定律所形成的缺陷，如Fe1－xO、Zn1+xO等晶体中的缺陷。特点：其化学组成随周围气氛的性质及其分压大小而变化。是一种半导体材料。4.其它原因，如电荷缺陷，辐照缺陷等第三章晶体缺陷73.1点缺陷1.基本概念：如果在任何方向上缺陷区的尺寸都远小于晶体或晶粒的线度，因而可以忽略不计，那么这种缺陷就叫做点缺陷。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晶体结构的正常排列的一种缺陷。第三章晶体缺陷83.1点缺陷2.基本类型：空位（vacancy）：实际晶体中某些晶格结点的原子脱离原位，形成的空着的结点位置就叫做空位。间隙原子（interstitialparticle）：进入点阵间隙中的原子称为间隙原子。置换原子（foreignparticle）：那些占据原来基体原子平衡位置上的异类原子称为置换原子。3.1点缺陷9(a)肖脱基空位－离位原子进入其它空位或迁移至界面。(b)弗兰克尔空位－离位原子进入晶体间隙。(c)间隙原子：位于晶体点阵间隙的原子。(d)(e)置换原子：位于晶体点阵位置的异类原子。(f)离子晶体：负离子不能到间隙;局部电中性要求。3.1点缺陷10Frenkeldefect和Schottkydefect产生示意图（a）弗仑克尔缺陷的形成（空位与间隙质点成对出现）（b）单质中的肖特基缺陷的形成3.1点缺陷113.点缺陷的平衡浓度①热力学分析表明，晶体最稳定的状态并不是完整晶体，而是含有一定浓度的点缺陷状态，即在该浓度情况下，自由能最低。这个浓度就称为该温度下晶体中点缺陷的平衡浓度。原因：空位的出现破坏了其周围的结合状态，因而造成局部能量的升高（由空位的出现而高于没有空位时的那一部分能量称为“空位形成能”）但同时空位的出现大大提高了体系的熵值3.1点缺陷12②点缺陷的平衡浓度的计算：假设温度T和压强P条件下，从N个原子组成的完整晶体中取走n个原子，即生成n个空位。并定义晶体中空位缺陷的平衡浓度为：x=n/N3.1点缺陷13②点缺陷的平衡浓度的计算3.1点缺陷14由上式可得：1）晶体中空位在热力学上是稳定的，一定温度T对应一平衡浓度X；2）X与T呈指数关系，温度升高，空位浓度增大；3）空位形成能ΔUV大，空位浓度小。例如：已知铜中ΔUV=1.7×10-19J，A取为1，则T100K300K500K700K900K1000Kn/N10-5710-1910-1110-8.110-6.310-5.73.1点缺陷154.点缺陷的产生平衡点缺陷：热振动中的能力起伏。过饱和点缺陷：外来作用，如高温淬火、辐照、冷加工等。3.1点缺陷165.点缺陷的运动：迁移、复合－浓度降低；聚集－浓度升高－塌陷晶体中的原子正是由于空位和间隙原子不断地产生与复合才不停地由一处向另一处作无规则的布朗运动，这就是晶体中原子的自扩散。是固态相变、表面化学热处理、蠕变、烧结等物理化学过程的基础。3.1点缺陷175.点缺陷的运动：空位在晶体中的分布是一个动态平衡，其不断地与周围原子交换位置，使空位移动所必需的能量，叫空位移动能Em。自扩散激活能相当于空位形成能与移动能的总和。3.1点缺陷186.点缺陷与材料行为（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胀，置换原子可引起收缩或膨胀。）；形成其他晶体缺陷（如过饱和的空位可集中形成内部的空洞，集中一片的塌陷形成位错。）（2）性能变化：物理性能：如电阻率增大，密度减小。力学性能：屈服强度提高（间隙原子和异类原子的存在会增加位错的运动阻力。）加快原子的扩散迁移3.1点缺陷193.2位错3.2.1位错的基本类型和特征1.位错的概念：位错是晶体的线性缺陷。晶体中某处一列或若干列原子有规律的错排。•意义：对材料的力学行为如塑性变形、强度、断裂等起着决定性的作用，对材料的扩散、相变过程有较大影响。•位错的提出：1926年，弗兰克尔发现理论晶体模型刚性切变强度与与实测临界切应力的巨大差异（2～4个数量级）。1934年，泰勒、波朗依、奥罗万几乎同时提出位错的概念。1939年，柏格斯提出用柏氏矢量表征位错。1947年，柯垂耳提出溶质原子与位错的交互作用。1950年，弗兰克和瑞德同时提出位错增殖机制。之后，用TEM直接观察到了晶体中的位错。第三章晶体缺陷203.2.1位错的基本类型和特征1.刃型位错：刃型位错的位错线垂直于滑移方向，模型如图所示，相当于在正常排列的晶体当中插入了半个原子面。拥有半原子面的晶体部分，原子间距减小，晶格受到压应力；在缺少半原子面的晶体部分，原子间距增大，晶体收到拉应力。3.2位错212.螺型位错:位错线垂直于滑移方向，模型如图3-7所示。晶体右上半部分在外力的作用下发生局部滑移，滑移面为ABCD，滑移方向如图所示。3.2位错223.混合位错：混合位错的位错线呈曲线状，与滑移方向既不垂直也不平行，而是呈任意角度。因此，混合位错可以看成是由刃型位错和螺型位错混合而成。3.2位错23刃型位错的特点：刃型位错线可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，但它必与滑移方向相垂直，也垂直于滑移矢量。滑移面必定是同时包含有位错线和滑移矢量的平面，由于在刃型位错中，位错线与滑移矢量互相垂直，因此，由它们所构成的滑移面只有一个。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。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。3.2位错24螺型位错的特点：①螺型位错无额外半原子面，原子错排呈轴对称。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互相垂直。②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面上进行。③螺型位错线周围的点阵只有平行于位错线的切应变而无正应变，即不会引起体积膨胀和收缩，在垂直于位错线的方向看不出有缺陷。④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，故它也是包含几个原子宽度的线缺陷。3.2位错253.2.2伯氏矢量Burgersvector1.伯氏矢量的确定：a.在位错周围(避开严重畸变区)沿着点阵结点形成封闭回路；b.在理想晶体中按同样顺序作同样大小的回路；c.在理想晶体中从终点到起点的矢量即为伯氏矢量。图3-8柏氏回路与柏氏矢量的确定3.2位错263.2.2伯氏矢量2.基本类型位错的矢量图解lpositivenegativebblright-handedleft-handedbbEdgedislocationsScrewdislocations3.2位错273.伯氏矢量的特性①柏氏矢量是一个反映位错周围点阵畸变总累积的物理量。该矢量的方向表示位错的性质与位错的取向，即位错运动导致晶体滑移的方向；该矢量的模|b|表示了畸变的程度，即位错强度。②柏氏矢量的守恒性：柏氏矢量与回路起点及其具体途径无关。一根不分岔的位错线，不论其形状如何变化（直线、曲折线或闭合的环状），也不管位错线上各处的位错类型是否相同，其各部位的柏氏矢量都相同；而且当位错在晶体中运动或者改变方向时，其柏氏矢量不变，即一根位错线具有唯一的柏氏矢量。③一个柏氏矢量为b的位错分解为柏氏矢量分别为b1，b2….bn的n个位错，则分解后各位错柏氏矢量之和等于原位错的柏氏矢量，即b=b1＋b2＋b3+……3.2位错284.位错的性质①由于位错线是已滑移区与未滑移区的边界线，因此，位错具有一个重要的性质，即一根位错线不能终止于晶体内部，而只能露头于晶体表面（包括晶界）。若它终止于晶体内部，则必与其他位错线相连接，或在晶体内部形成封闭线。形成封闭线的位错称为位错环。②位错反应：b=b1＋b2b1b3b23.2位错295.伯氏矢量的表示方法：用点阵矢量来表示，也用与伯氏矢量同向的晶向指数来表示。表示:b=a[uvw]/n（可以用矢量加法进行运算）。求模：/b/=a[u2+v2+w2]1/2/n。3.2位错303.2.3位错运动位错的易动性：原子的微小移动导致晶体产生一个原子间距的位移。多个位错的运动导致晶体的宏观变形。位错的运动方式有两种最基本形式，即滑移和攀移。3.2位错311.位错滑移①位错的滑移是在外加切应力的作用下，通过位错中心附近的原子沿柏氏矢量方向在滑移面上不断地作少量的位移（小于一个原子间距）而逐步实现的。②刃型位错滑移：运动方向始终与位错线垂直而与柏氏矢量平行。刃型位错的滑移面就是由位错线与柏氏矢量所构成的平面，因此刃型位错的滑移限于单一的滑移面上。③螺型位错滑移：螺型位错的移动方向与位错线垂直，也与柏氏矢量垂直。3.2位错323.2位错33④刃型位错与螺型位错滑移比较：•不同点：螺型位错可以有多个滑移面，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。•共同点：晶体两部分的相对移动量决定于柏氏矢量的大小和方向，与位错线的移动方向无关。切应力方向与柏氏矢量一致；晶体滑移与柏氏矢量一致。3.2位错34⑤位错环的滑移：3.2位错35⑤位错环的滑移：在一个滑移面上存在一位错环，如图所示。前后为刃位错，在切应力τ的作用下，前后部为刃位错，后部的半原子面在上方向后移动，前部的半原子面在下方，向前运动。左右为螺位错，但螺旋方向相反，左边向左，右边向右运动；其他为混合位错，均向外运动。运动结果使上部晶体向后移动了一个原子间距。可见位错的运动都将使扫过的区间两边的原子层发生柏氏矢量大小的相对滑动。3.2位错362.位错攀移：刃型位错除了可以在滑移面上滑移外，还可以在垂直于滑移面的方向上通过原子扩散进行运动，即发生攀移。通常把多余半原子面向上运动称为正攀移，向下运动称为负攀移。3.2位错373.割阶与扭折：一个运动的位错线，如果其中一部分曲折线段就在位错的滑移面上时，称为扭折；若该曲折线段垂直于位错的滑移面时，称为割阶。①运动位错交割后，每根位错线上都可能产生一扭折或割阶。刃型位错的割阶部分仍为刃型位错，而扭折部分则为螺型位错；螺型位错中的扭折和割阶线段，由于均与柏氏矢量相垂直，属于刃型位错。②所有的割阶都是刃型位错，而扭折可以是刃型也可是螺型的。扭折与原位错线在同一滑移面上，可随主位错线一道运动，几乎不产生阻力。割阶则与原位错线不在同一滑移面上，因此不能跟随主位错线一道滑移，成为位错运动的障碍，称为割阶硬化。3.2位错383.2.4位错的弹性性质1．位错的应力场位错线周围的原子偏离了平衡位置，处于较高的能量状态，高出的能量称为位错的应变能（位错能）。位错应变能主要是弹性应变能。在位错线的周围存在内应力，例如刃型位错，在多余半原子面区域为压应力，而缺少半原子面的区域存在着拉应力；在螺位错周围存在的是切应力。所以位错周围存在弹性应变能。可见由于位错的存在，在其周围存在一应力场。3.2位错391．位错的应力场①螺型位错的应力场：只有切应力分量，正应力分量全为