材料科学基础晶体缺陷教案百度文库

第3章晶体缺陷前言前面章节都是就理想状态的完整晶体而言，即晶体中所有的原子都在各自的平衡位置，处于能量最低状态。然而在实际晶体中原子的排列不可能这样规则和完整，而是或多或少地存在离开理想的区域，出现不完整性。正如我们日常生活中见到玉米棒上玉米粒的分布。通常把这种偏离完整性的区域称为晶体缺陷（crystaldefect;crystallineimperfection)。缺陷的产生是与晶体的生成条件、晶体中原子的热运动、对晶体进行的加工过程以及其它因素的作用等有关。但必须指出，缺陷的存在只是晶体中局部的破坏。它只是一个很小的量(这指的是通常的情况)。例如20℃时，Cu的空位浓度为3.8×10－17，充分退火后铁中的位错密度为1012m-2（空位、位错都是以后要介绍的缺陷形态）。所以从占有原子百分数来说，晶体中的缺陷在数量上是微不足道的。但是，晶体缺陷仍可以用相当确切的几何图像来描述。在晶体中缺陷并不是静止地、稳定不变地存在着，而是随着各种条件的改变而不断变动的。它们可以产生、发展、运动和交互作用，而且能合并消失。晶体缺陷对晶体的许多性能有很大的影响，如电阻上升、磁矫顽力增大、扩散速率加快、抗腐蚀性能下降，特别对塑性、强度、扩散等有着决定性的作用。20世纪初，X射线衍射方法的应用为金属研究开辟了新天地，使我们的认识深入到原子的水平；到30年代中期，泰勒与伯格斯等奠定了晶体位错理论的基础；50年代以后，电子显微镜的使用将显微组织和晶体结构之间的空白区域填补了起来，成为研究晶体缺陷和探明金属实际结构的主要手段，位错得到有力的实验观测证实；随即开展了大量的研究工作，澄清了金属塑性形变的微观机制和强化效应的物理本质。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：1.点缺陷(pointdefects)其特征是三个方向的尺寸都很小，不超过几个原子间距。如：空位(vacancy)、间隙原子(interstitialatom)和置换原子(substitutionalatom)。除此以外，还有空位，间隙原子以及这几类缺陷的复合体等均属于这一类。这里所说的间隙原子是指应占据正常阵点的原子跑到点阵间隙中。2.线缺陷（lineardefects)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，属于这一类的主要是位错(dislocation)(图3－01）。3.面缺陷(interfacialdefects)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。晶体的外表面(externalsurfaces)及各种内界面如：一般晶界(grainboundaries)(图3－02、图3－03）、孪晶界(twinboundaries)、亚晶界（sub-boundaries）、相界(phaseboundaries)及层错(stackingfaults)等均属于这一类。3.1点缺陷（pointdefect）是在晶体晶格结点上或邻近区域偏离其正常结构的一种缺晶体中的点缺陷陷，它是最简单的晶体缺陷，在三维空间各个方向上尺寸都很小，范围约为一个或几个原子尺度。所有点缺陷的存在，都破坏了原有原子间作用力的平衡，造成临近原子偏离其平衡位置，发生晶格畸变(distortionoflattice)，使晶格内能升高。3.1.1点缺陷晶体中的点缺陷（pointdefect）是在晶体晶格结点上或邻近区域偏离其正常结构的一种缺陷，它是最简单的晶体缺陷，在三维空间各个方向上尺寸都很小，范围约为一个或几个原子尺度。所有点缺陷的存在，都破坏了原有原子间作用力的平衡，造成临近原子偏离其平衡位置，发生晶格畸变(distortionoflattice)，使晶格内能升高。3.1.1.1点缺陷的类型1.金属晶体中的点缺陷金属晶体中常见的点缺陷有空位(vacancy)、间隙原子(interstitialatom)、置换原子(sbustitutionalatom)等。如图3-04所示。晶体中位于晶格结点上的原子并非静止不动的，而是以其平衡位置为中心作热运动。当某一瞬间，某个原子具有足够大的能量，克服周围原子对它的制约，跳出其所在的位置，使晶格中形成空结点，称空位。脱位原子进入其他空位或迁移至晶界或晶体表面所形成的空位叫肖脱基(Schottky)空位；脱位原子挤入晶格结点的间隙中所形成的空位叫弗兰克尔(Frenkel)空位，挤入间隙的原子叫间隙原子；占据在原来晶格结点的异类原子叫置换原子。a、空位空位是一种热平衡缺陷,即在一定温度下,空位有一定的平衡浓度。空位在晶体中的位置不是固定不变的,而是不断运动变化的。空位是由原子脱离其平衡位置而形成的，脱离平衡位置的原子大致有三个去处：(1)迁移到晶体表面上,这样所产生的空位叫肖脱基空位；(2)迁移到晶格的间隙中,这样所形成的空位叫弗兰克尔空位；(3)迁移到其他空位处,这样虽然不产生新的空位,但可以使空位变换位置。如右图3-07所示为空位的移动。b、间隙原子处于晶格间隙中的原子即为间隙原子。在形成弗兰克尔空位的同时,也形成一个间隙原子，另外溶质原子挤入溶剂的晶格间隙中后，也称为间隙原子,他们都会造成严重的晶体畸变。间隙原子也是一种热平衡缺陷，在一定温度下有一平衡浓度，对于异类间隙原子来说，常将这一平衡浓度称为固溶度或溶解度。c、置换原子占据在原来基体原子平衡位置上的异类原子称为置换原子。由于原子大小的区别也会造成晶格畸变，置换原子在一定温度下也有一个平衡浓度值，一般称之为固溶度或溶解度，通常它比间隙原子的固溶度要大的多。2.高分子晶体中的点缺陷高分子晶体中除了上述三种点缺陷之外，还有其特有的点缺陷如图3-05：（1）分子链上的异常键结合；（2）分子链位置发生交换；（3）分子链向相对方向折叠。3.离子晶体中点缺陷在离子晶体中，由于要维持电平衡，因此一个正离子产生空位，则邻近必有一个负离子空位，这样的一个正负离子空位对，叫Schottky缺陷；一个正离子跳入离子晶体的间隙位置，则出现了一个正离子空位，这种空位－间隙离子对即为Frenkel缺陷,如图3-06。3.1.2点缺陷的产生：3.1.2.1平衡点缺陷(equilibriumpointdefect）及其浓度点缺陷都是由于原子的热运动产生的，它们的产生和存在使体系的自由能发生一定的变化。点缺陷的形成可处理为等温等容的过程，因此，体系自由能(freeenergy)为ΔA=ΔU-TΔS;n个内能(internalenergy)为u的缺陷使系统内能增加总量为ΔU=nu.由于点缺陷的存在使体系混乱程度增大，大大增加了系统的熵值。系统内能和熵值的变化曲线如图3-08。平衡点缺陷数目：ne/N=Ce=Aexp(-u/kT)Ce:某种类型点缺陷的平衡浓度；N：晶体的原子总数；A：材料常数，其值常取1；T：体系所处的热力学温度；K：波尔兹曼常数，约为8.62×10-5ev/K或1.38×10-23J/KU：该种点缺陷的形成能。3.1.2.2过饱和点缺陷(supersaturatedpointdefect)的产生在点缺陷的平衡浓度下晶体的自由能最低，系统最稳定。当在一定的温度下，晶体中点缺陷的数目明显超过其平衡浓度时，这些点缺陷称为过饱和点缺陷，通常它的产生方式有三种:淬火(quenching)冷加工(coldworking)辐照(radiation)1.淬火高温时晶体中的空位浓度很高，经过淬火后，空位来不及通过扩散达到平衡浓度，在低温下仍保持了较高的空位浓度,见图3-09。2.冷加工金属在室温下进行压力加工时，由于位错交割所形成的割阶发生攀移，从而使金属晶体内空位浓度增加,如图3-10所示。3.辐照当金属受到高能粒子（中子、质子、氘核、α粒子、电子等）辐照时，晶体中的原子将被击出，挤入晶格间隙中，由于被击出的原子具有很高的能量，因此还有可能发生连锁作用，在晶体中形成大量的空位和间隙原子,见图3-11。3.1.3点缺陷对晶体材料性能的影响一般情形下，点缺陷主要影响晶体的物理性质，如比容(specificvolume)、比热容(specificheatvolume)、电阻率(resistivity)、扩散系数、介电常数等。1.比容形成Schottky空位时，原子迁移到晶体表面上的新位置，导致晶体体积增加。2.比热容形成点缺陷需向晶体提供附加的能量(空位生成焓)，因而引起附加比热容。3.电阻率金属的电阻主要来源于离子对传导电子的散射。正常情况下，电子基本上在均匀电场中运动，在有缺陷的晶体中，晶格的周期性被破坏，电场急剧变化，因而对电子产生强烈散射，导致晶体的电阻率增大。点缺陷对金属力学性能的影响较小，它只通过与位错的交互作用，阻碍位错运动而使晶体强化。但在高能粒子辐照的情形下，由于形成大量的点缺陷而能引起晶体显著硬化和脆化（辐照硬化）。3.2晶体中的线缺陷—位错晶体的线缺陷表现为各种类型的位错（dislocation），其在三维空间两个方向上尺寸很小，另外一个方向上延伸较长。它不像点缺陷那样容易被人接受和理解，人们是从研究晶体的塑性变形中才认识到晶体中存在着位错。位错对晶体的强度与断裂等力学性能起着决定性的作用。同时，位错对晶体的扩散与相变等过程也有一定的影响。3.2.1位错理论的产生晶体（例如Cu单晶体）作刚性滑移所需的临界切应力值（1540MPa）与实际滑移测定的值（1MPa）相差巨大，表明晶体内部一定存在着很多缺陷(defect)，它们使滑移(slip)，即塑性变形（plasticdeformation）,不需作两个原子面之间的整体移动（见图3－12），在低的应力条件下就能进行（见图3－14），这种内部缺陷就是位错（dislocation）。图3-13理想晶体的滑移模型说明：按照理想晶体的模型，晶体在滑移时，如动画所演示的那样，滑移面上各个原子在切应力作用下，同时克服相邻滑移面上原子的作用力前进一个原子间距，完成这一过程所需的切应力就相当于晶体的理论剪切屈服强度，这是一个很大的数值，例如Cu单晶体的理论剪切屈服强度约为1540MPa，但它实际的屈服强度仅为1Mpa，二者相差巨大。图3-14实际晶体的滑移模型说明：晶体的实际强度与理论强度之间的巨大差异，使人们对理想晶体模型及其滑移方式产生怀疑，认识到晶体中原子排列绝非完全规则，滑移也不是两个原子面之间集体的相对移动，晶体内部一定存在着很多缺陷，即薄弱环节，使的塑性变形过程在很低的应力下就开始进行，这种内部缺陷就是位错。动画演示的就是包含有位错的晶体的滑移过程。3.2.2位错的基本类型和特征3.2.2.1刃型位错1、刃型位错的定义晶体中已滑移区与未滑移区的边界线（即位错线）若垂直于滑移方向，则会存在一多余半排原子面，它象一把刀刃插入晶体中，使此处上下两部分晶体产生原子错排，这种晶体缺陷称为刃型位错（edgedislocation）。多余半排原子面在滑移面上方的称正刃型位错，记为“┻”；相反，半排原子面在滑移面下方的称负刃型位错，记为“┳”,见图3-15a,图3-15b,图3-15c。2、刃型位错的结构特征●有一额外的半原子面，分正和负刃型位错；●可理解为是已滑移区与未滑移区的边界线，可是直线也可是折线和曲线，但它们必与滑移方向和滑移矢量垂直，见图3-16a,图3-16b,图3-16c；●只能在同时包含有位错线和滑移矢量的滑移平面上滑移；●位错周围点阵发生弹性畸变，有切应变，也有正应变；●位错畸变区只有几个原子间距，是狭长的管道，故是线缺陷。比较:螺形位错的特征(1)螺形位错没有额外半原子面;(2)螺形位错线是一个具有一定宽度的细长的晶格畸变管道,其中只有切应变,而无正应变;(3)位错线与滑移方向平行,位错线运动的方向与位错线垂直.3.2.2.2螺形位错1、螺型位错的定义晶体中已滑移区与未滑移区的边界线（即位错线）若平行于滑移方向，则在该处附近原子平面已扭曲为螺旋面，即位错线附近的原子是按螺旋形式排列的（见图03-12），这种晶体缺陷称为螺型位错（screwdislo