第二章--晶體缺陷PPT課件

1、第一節(jié) 材料的實(shí)際晶體結(jié)構(gòu)一、多晶體結(jié)構(gòu)一、多晶體結(jié)構(gòu)單晶體: : 一塊晶體材料，其內(nèi)部的晶體位向完全一致時(shí)，即整個(gè)材料是一個(gè)晶體，這塊晶體就稱之為“單晶體”，實(shí)用材料中如半導(dǎo)體集成電路用的單晶硅、專門制造的金須和其他一些供研究用的材料。 第1頁(yè)/共49頁(yè)一、多晶體結(jié)構(gòu)第一節(jié)第一節(jié) 材料的實(shí)際晶體結(jié)構(gòu)材料的實(shí)際晶體結(jié)構(gòu)多晶體: : 實(shí)際應(yīng)用的工程材料中，那怕是一塊尺寸很小材料，絕大多數(shù)包含著許許多多的小晶體，每個(gè)小晶體的內(nèi)部，晶格位向是均勻一致的，而各個(gè)小晶體之間，彼此的位向卻不相同。稱這種由多個(gè)小晶體組成的晶體結(jié)構(gòu)稱之為“多晶體”。 第2頁(yè)/共49頁(yè)一、多晶體結(jié)構(gòu)第一節(jié)第一節(jié) 材料的實(shí)際晶體

2、結(jié)構(gòu)材料的實(shí)際晶體結(jié)構(gòu)晶粒：多晶體材料中每個(gè)小晶體的外形多為不規(guī)則的顆粒狀，通常把它們叫做“晶粒”。 晶界：晶粒與晶粒之間的分界面叫“晶粒間界”，或簡(jiǎn)稱“晶界”。為了適應(yīng)兩晶粒間不同晶格位向的過(guò)渡，在晶界處的原子排列總是不規(guī)則的。 第3頁(yè)/共49頁(yè)二、多晶體的組織與性能：第一節(jié)第一節(jié) 材料的實(shí)際晶體結(jié)構(gòu)材料的實(shí)際晶體結(jié)構(gòu)偽各向同性：多晶體材料中，盡管每個(gè)晶粒內(nèi)部象單晶體那樣呈現(xiàn)各向異性，每個(gè)晶粒在空間取向是隨機(jī)分布，大量晶粒的綜合作用，整個(gè)材料宏觀上不出現(xiàn)各向異性，這個(gè)現(xiàn)象稱為多晶體的偽各向同性。 組織：性能：組織敏感的性能組織不敏感的性能第4頁(yè)/共49頁(yè)三、晶體中的缺陷概論第一節(jié)第一節(jié) 材料

3、的實(shí)際晶體結(jié)構(gòu)材料的實(shí)際晶體結(jié)構(gòu)晶體缺陷：晶體缺陷：即使在每個(gè)晶粒的內(nèi)部，也并不完全象即使在每個(gè)晶粒的內(nèi)部，也并不完全象晶體學(xué)中論述的晶體學(xué)中論述的( (理想晶體理想晶體) )那樣，原子完全呈現(xiàn)那樣，原子完全呈現(xiàn)周期性的規(guī)則重復(fù)的排列。把實(shí)際晶體中原子排周期性的規(guī)則重復(fù)的排列。把實(shí)際晶體中原子排列與理想晶體的差別稱為晶體缺陷。晶體中的缺列與理想晶體的差別稱為晶體缺陷。晶體中的缺陷的數(shù)量相當(dāng)大，但因原子的數(shù)量很多，在晶體陷的數(shù)量相當(dāng)大，但因原子的數(shù)量很多，在晶體中占有的比例還是很少，材料總體具有晶體的相中占有的比例還是很少，材料總體具有晶體的相關(guān)性能特點(diǎn)，而缺陷的數(shù)量將給材料的性能帶來(lái)關(guān)性能特點(diǎn)

4、，而缺陷的數(shù)量將給材料的性能帶來(lái)巨大的影響。巨大的影響。 第5頁(yè)/共49頁(yè)三、晶體中的缺陷概論第一節(jié)第一節(jié) 材料的實(shí)際晶體結(jié)構(gòu)材料的實(shí)際晶體結(jié)構(gòu)晶體缺陷按范圍分類：1. 點(diǎn)缺陷點(diǎn)缺陷 在三維空間各方向上尺寸都很小，在原在三維空間各方向上尺寸都很小，在原子尺寸大小的晶體缺陷。子尺寸大小的晶體缺陷。 2. 線缺陷線缺陷 在三維空間的一個(gè)方向上的尺寸很大在三維空間的一個(gè)方向上的尺寸很大( (晶晶粒數(shù)量級(jí)粒數(shù)量級(jí)) )，另外兩個(gè)方向上的尺寸很小，另外兩個(gè)方向上的尺寸很小( (原子尺原子尺寸大小寸大小) )的晶體缺陷。其具體形式就是晶體中的的晶體缺陷。其具體形式就是晶體中的位錯(cuò)位錯(cuò)Dislocation

5、 3. 面缺陷面缺陷 在三維空間的兩個(gè)方向上的尺寸很大在三維空間的兩個(gè)方向上的尺寸很大( (晶晶粒數(shù)量級(jí)粒數(shù)量級(jí)) )，另外一個(gè)方向上的尺寸很小，另外一個(gè)方向上的尺寸很小( (原子尺原子尺寸大小寸大小) )的晶體缺陷。的晶體缺陷。第6頁(yè)/共49頁(yè)第二節(jié) 點(diǎn)缺陷點(diǎn)缺陷：點(diǎn)缺陷：在三維空間各方向上尺寸都很小，在原子尺寸大小在三維空間各方向上尺寸都很小，在原子尺寸大小的晶體缺陷。的晶體缺陷。 一、點(diǎn)缺陷的類型 ：1)1) 空位空位 在晶格結(jié)點(diǎn)位置應(yīng)有原子的在晶格結(jié)點(diǎn)位置應(yīng)有原子的地方空缺，這種缺陷稱為地方空缺，這種缺陷稱為“空位空位”。 2)2) 間隙原子間隙原子 在晶格非結(jié)點(diǎn)位置，往在晶格非結(jié)點(diǎn)位

6、置，往往是晶格的間隙，出現(xiàn)了多余的原往是晶格的間隙，出現(xiàn)了多余的原子。它們可能是同類原子，也可能子。它們可能是同類原子，也可能是異類原子。是異類原子。 3)3) 異類原子異類原子 在一種類型的原子組成在一種類型的原子組成的晶格中，不同種類的原子替換原的晶格中，不同種類的原子替換原有的原子占有其應(yīng)有的位置。有的原子占有其應(yīng)有的位置。 第7頁(yè)/共49頁(yè)二、點(diǎn)缺陷的形成弗侖克耳缺陷：原子離開(kāi)平衡位置進(jìn)入間隙，形成等量的空位和間隙原子。肖特基缺陷：只形成空位不形成間隙原子。（構(gòu)成新的晶面）金屬：離子晶體：1 負(fù)離子不能到間隙2 局部電中性要求第8頁(yè)/共49頁(yè)三、點(diǎn)缺陷的表示Kroger-Vink提出了

7、一套描寫點(diǎn)缺陷的記號(hào)，并發(fā)展了應(yīng)用質(zhì)量作用定律等來(lái)處理晶格缺陷間關(guān)系的缺陷化學(xué)。以MO為例：空位 Vacancy VM，VO間隙原子 Interstitial Mi，Oi錯(cuò)位原子 MO，OM溶質(zhì)原子（外來(lái)原子）LM，Li自由電子及電子空穴 e,，h帶電荷的缺陷 VM,，VO第9頁(yè)/共49頁(yè)缺陷方程三原則: 質(zhì)量守恒, 電荷平衡, 正負(fù)離子格點(diǎn)成比例增減。肖特基缺陷生成：0VM,+ VO 弗侖克爾缺陷生成： 0VM,+ Mi 非計(jì)量氧化物： 不等價(jià)參雜：第10頁(yè)/共49頁(yè)第二節(jié)第二節(jié) 點(diǎn)缺陷點(diǎn)缺陷熱力學(xué)分析表明，在高于0K0K的任何溫度下，晶體最穩(wěn)定的狀態(tài)是含有一定濃度點(diǎn)缺陷的狀態(tài)。此濃度稱為點(diǎn)

8、缺陷的平衡濃度。 空位形成能 空位的出現(xiàn)破壞了其周圍的結(jié)合狀態(tài)，因而造成局部能量的升高，由空位的出現(xiàn)而高于沒(méi)有空位時(shí)的那一部分能量稱為“空位形成能”。 在一摩爾的晶體中如存在n n個(gè)空位，晶體中有N=6.023X10N=6.023X102323個(gè)晶格位置，這是空位的濃度為x=n/Nx=n/N，系統(tǒng)熵值為： 空位的出現(xiàn)提高了體系的熵值 四、點(diǎn)缺陷的平衡濃度第11頁(yè)/共49頁(yè) 設(shè)每個(gè)空位的形成能為u u，空位濃度為x x時(shí)自由能的變化為： 第12頁(yè)/共49頁(yè)第二節(jié)第二節(jié) 點(diǎn)缺陷點(diǎn)缺陷第13頁(yè)/共49頁(yè)第二節(jié)第二節(jié) 點(diǎn)缺陷點(diǎn)缺陷例如： CuCu晶體得空位形成能為0.9ev/atom =1.44X10

9、0.9ev/atom =1.44X10-19-19J/atomJ/atom，在500500時(shí)計(jì)算可得出平衡空位的濃度為1.4X101.4X10-6-6( (很低) )，而在每立方米的銅晶體存在1.2X101.2X102323個(gè)空位( (數(shù)量很多) )。 過(guò)飽和空位 晶體中含點(diǎn)缺陷的數(shù)目明顯超過(guò)平衡值。如高溫下停留平衡時(shí)晶體中存在一平衡空位，快速冷卻到一較低的溫度，晶體中的空位來(lái)不及移出晶體，就會(huì)造成晶體中的空位濃度超過(guò)這時(shí)的平衡值。過(guò)飽和空位的存在是一非平衡狀態(tài)，有恢復(fù)到平衡態(tài)的熱力學(xué)趨勢(shì)，在動(dòng)力學(xué)上要到達(dá)平衡態(tài)還要一時(shí)間過(guò)程。 第14頁(yè)/共49頁(yè)五、點(diǎn)缺陷對(duì)材料性能的影響第二節(jié)第二節(jié) 點(diǎn)缺陷

10、點(diǎn)缺陷原因：無(wú)論那種點(diǎn)缺陷的存在，都會(huì)使其附近的原子稍微偏離原結(jié)點(diǎn)位置才能平衡，即造成小區(qū)域的晶格畸變。 效果1)1) 提高材料的電阻提高材料的電阻 定向流動(dòng)的電子在點(diǎn)缺陷處受到非定向流動(dòng)的電子在點(diǎn)缺陷處受到非平衡力平衡力( (陷阱陷阱) )，增加了阻力，加速運(yùn)動(dòng)提高局部溫度，增加了阻力，加速運(yùn)動(dòng)提高局部溫度( (發(fā)熱發(fā)熱) )。 2)2) 加快原子的擴(kuò)散遷移加快原子的擴(kuò)散遷移 空位可作為原子運(yùn)動(dòng)的周轉(zhuǎn)站?？瘴豢勺鳛樵舆\(yùn)動(dòng)的周轉(zhuǎn)站。 3)3) 形成其他晶體缺陷形成其他晶體缺陷 過(guò)飽和的空位可集中形成內(nèi)部的過(guò)飽和的空位可集中形成內(nèi)部的空洞，集中一片的塌陷形成位錯(cuò)?？斩?，集中一片的塌陷形成位錯(cuò)。

11、 4)4) 改變材料的力學(xué)性能改變材料的力學(xué)性能 空位移動(dòng)到位錯(cuò)處可造成刃位空位移動(dòng)到位錯(cuò)處可造成刃位錯(cuò)的攀移，間隙原子和異類原子的存在會(huì)增加位錯(cuò)的錯(cuò)的攀移，間隙原子和異類原子的存在會(huì)增加位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)阻力。會(huì)使強(qiáng)度提高，塑性下降、運(yùn)動(dòng)阻力。會(huì)使強(qiáng)度提高，塑性下降、 第15頁(yè)/共49頁(yè)第三節(jié) 位錯(cuò)的基本概念 線缺陷：線缺陷：在三維空間的一個(gè)方向上的尺寸很大在三維空間的一個(gè)方向上的尺寸很大( (晶粒數(shù)量級(jí)晶粒數(shù)量級(jí)) )，另外兩個(gè)方向上的尺寸很小另外兩個(gè)方向上的尺寸很小( (原子尺寸大小原子尺寸大小) )的晶體缺陷。其的晶體缺陷。其具體形式就是晶體中的位錯(cuò)具體形式就是晶體中的位錯(cuò)Dislocatio

12、n 一、位錯(cuò)的原子模型 將晶體的上半部分向左移動(dòng)一個(gè)原子間距，再按原子的結(jié)合方式連接起來(lái)(b)。除分界線附近的一管形區(qū)域例外，其他部分基本都是完好的晶體。在分界線的上方將多出半個(gè)原子面，這就是刃型位錯(cuò)。 第16頁(yè)/共49頁(yè)一、位錯(cuò)的原子模型第三節(jié)第三節(jié) 位錯(cuò)的基本概念位錯(cuò)的基本概念 若將上半部分向上移動(dòng)一個(gè)原子間距，之間插入半個(gè)原子面，再按原子的結(jié)合方式連接起來(lái)，得到和(b)(b)類似排列方式( (轉(zhuǎn)9090度) )，這也是刃型位錯(cuò)。 第17頁(yè)/共49頁(yè)一、位錯(cuò)的原子模型第三節(jié)第三節(jié) 位錯(cuò)的基本概念位錯(cuò)的基本概念 若將晶體的上半部分向后移動(dòng)一個(gè)原子間距，再按原子的結(jié)合方式連接起來(lái)(c)(c)，

13、同樣除分界線附近的一管形區(qū)域例外，其他部分基本也都是完好的晶體。而在分界線的區(qū)域形成一螺旋面，這就是螺型位錯(cuò)。 第18頁(yè)/共49頁(yè)一、位錯(cuò)的原子模型第三節(jié)第三節(jié) 位錯(cuò)的基本概念位錯(cuò)的基本概念 位錯(cuò)的形式 ：若將上半部分向上移動(dòng)一個(gè)原子間距，之間插入半個(gè)原子面，再按原子的結(jié)合方式連接起來(lái)，得到和(b)(b)類似排列方式( (轉(zhuǎn)9090度) )，這也是刃型位錯(cuò)。 第19頁(yè)/共49頁(yè)二、柏氏矢量 第三節(jié)第三節(jié) 位錯(cuò)的基本概念位錯(cuò)的基本概念 確定方法：確定方法： 首先在原子排列基本正常區(qū)域作一個(gè)包含位錯(cuò)的首先在原子排列基本正常區(qū)域作一個(gè)包含位錯(cuò)的回路，也稱為柏氏回路，這個(gè)回路包含了位錯(cuò)發(fā)生的畸變?；芈?/p>

14、，也稱為柏氏回路，這個(gè)回路包含了位錯(cuò)發(fā)生的畸變。然后將同樣大小的回路置于理想晶體中，回路當(dāng)然不可能然后將同樣大小的回路置于理想晶體中，回路當(dāng)然不可能封閉，需要一個(gè)額外的矢量連接才能封閉，這個(gè)矢量就稱封閉，需要一個(gè)額外的矢量連接才能封閉，這個(gè)矢量就稱為該位錯(cuò)的柏氏為該位錯(cuò)的柏氏(Burgers)(Burgers)矢量。矢量。 說(shuō)明：這是一個(gè)并不十分準(zhǔn)確的定義方法。柏氏矢量的方向與位錯(cuò)線方向的定義有關(guān)，應(yīng)該首先定義位錯(cuò)線的方向，再依據(jù)位錯(cuò)線的方向來(lái)定柏氏回路的方向，再確定柏氏矢量的方向。在專門的位錯(cuò)理論中還會(huì)糾正。 第20頁(yè)/共49頁(yè)二、柏氏矢量 第三節(jié)第三節(jié) 位錯(cuò)的基本概念位錯(cuò)的基本概念 柏氏矢

15、量與位錯(cuò)類型的關(guān)系：柏氏矢量與位錯(cuò)類型的關(guān)系： 刃型位錯(cuò)刃型位錯(cuò) 柏氏矢量與位錯(cuò)線相互垂直。柏氏矢量與位錯(cuò)線相互垂直。( (依方向關(guān)系可依方向關(guān)系可分正刃和負(fù)刃型位錯(cuò)分正刃和負(fù)刃型位錯(cuò)) ) 螺型位錯(cuò)螺型位錯(cuò) 柏氏矢量與位錯(cuò)線相互平行。柏氏矢量與位錯(cuò)線相互平行。( (依方向關(guān)系可依方向關(guān)系可分左螺和右螺型位錯(cuò)分左螺和右螺型位錯(cuò)) ) 混合位錯(cuò)混合位錯(cuò) 柏氏矢量與位錯(cuò)線的夾角非柏氏矢量與位錯(cuò)線的夾角非0 0或或9090度。度。 柏氏矢量守恒：柏氏矢量守恒： 同一位錯(cuò)的柏氏矢量與柏氏回路的大小和走向無(wú)關(guān)。同一位錯(cuò)的柏氏矢量與柏氏回路的大小和走向無(wú)關(guān)。位錯(cuò)不可能終止于晶體的內(nèi)部，只能到表面、晶界和其

16、他位位錯(cuò)不可能終止于晶體的內(nèi)部，只能到表面、晶界和其他位錯(cuò)，在位錯(cuò)網(wǎng)的交匯點(diǎn)，必然錯(cuò)，在位錯(cuò)網(wǎng)的交匯點(diǎn)，必然 第21頁(yè)/共49頁(yè)三、位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng) 第三節(jié)第三節(jié) 位錯(cuò)的基本概念位錯(cuò)的基本概念 滑移面滑移面：過(guò)位錯(cuò)線并和柏氏矢量平行的平面：過(guò)位錯(cuò)線并和柏氏矢量平行的平面(晶面晶面)是該位錯(cuò)的滑移面。是該位錯(cuò)的滑移面。位錯(cuò)的滑移運(yùn)動(dòng)位錯(cuò)的滑移運(yùn)動(dòng)：位錯(cuò)在滑移面上的運(yùn)動(dòng)。：位錯(cuò)在滑移面上的運(yùn)動(dòng)。 第22頁(yè)/共49頁(yè)三、位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng) 第三節(jié)第三節(jié) 位錯(cuò)的基本概念位錯(cuò)的基本概念 刃型位錯(cuò)的滑移運(yùn)動(dòng)：在圖示的晶體上施加一切應(yīng)力，當(dāng)應(yīng)力刃型位錯(cuò)的滑移運(yùn)動(dòng)：在圖示的晶體上施加一切應(yīng)力，當(dāng)應(yīng)力足夠大時(shí)，有使晶體上部向

17、有發(fā)生移動(dòng)的趨勢(shì)。假如晶體足夠大時(shí)，有使晶體上部向有發(fā)生移動(dòng)的趨勢(shì)。假如晶體中有一刃型位錯(cuò)，顯然位錯(cuò)在晶體中發(fā)生移動(dòng)比整個(gè)晶體中有一刃型位錯(cuò)，顯然位錯(cuò)在晶體中發(fā)生移動(dòng)比整個(gè)晶體移動(dòng)要容易。因此，位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)在外加切應(yīng)力的作用下移動(dòng)要容易。因此，位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)在外加切應(yīng)力的作用下發(fā)生；位錯(cuò)移動(dòng)的方向和位錯(cuò)線垂直；運(yùn)動(dòng)位錯(cuò)掃過(guò)發(fā)生；位錯(cuò)移動(dòng)的方向和位錯(cuò)線垂直；運(yùn)動(dòng)位錯(cuò)掃過(guò)的區(qū)域晶體的兩部分發(fā)生了柏氏矢量大小的相對(duì)運(yùn)動(dòng)的區(qū)域晶體的兩部分發(fā)生了柏氏矢量大小的相對(duì)運(yùn)動(dòng)( (滑滑移移) )；位錯(cuò)移出晶體表面將在晶體的表面上產(chǎn)生柏氏矢量；位錯(cuò)移出晶體表面將在晶體的表面上產(chǎn)生柏氏矢量大小的臺(tái)階。大小的臺(tái)階。 第23

18、頁(yè)/共49頁(yè)三、位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng) 第三節(jié)第三節(jié) 位錯(cuò)的基本概念位錯(cuò)的基本概念 螺型位錯(cuò)的滑移：在圖示的晶體上施加一切應(yīng)力，當(dāng)應(yīng)力足夠大時(shí)，有使晶體的左右部分發(fā)生上下移動(dòng)的趨勢(shì)。假如晶體中有一螺型位錯(cuò)，顯然位錯(cuò)在晶體中向后發(fā)生移動(dòng)，移動(dòng)過(guò)的區(qū)間右邊晶體向下移動(dòng)一柏氏矢量。因此，螺位錯(cuò)也是在外加切應(yīng)力的作用下發(fā)生運(yùn)動(dòng)；位錯(cuò)移動(dòng)的方向總是和位錯(cuò)線垂直；運(yùn)動(dòng)位錯(cuò)掃過(guò)的區(qū)域晶體的兩部分發(fā)生了柏氏矢量大小的相對(duì)運(yùn)動(dòng)( (滑移) )；位錯(cuò)移過(guò)部分在表面留下部分臺(tái)階，全部移出晶體的表面上產(chǎn)生柏氏矢量大小的完整臺(tái)階。這四點(diǎn)同刃型位錯(cuò)。 第24頁(yè)/共49頁(yè)三、位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng) 第三節(jié)第三節(jié) 位錯(cuò)的基本概念位錯(cuò)的基本概念 刃、

19、螺型位錯(cuò)滑移的比較：因?yàn)槲诲e(cuò)線和柏氏矢量平行，所以螺型位錯(cuò)可以有多個(gè)滑移面，螺型位錯(cuò)無(wú)論在那個(gè)方向移動(dòng)都是滑移。晶體兩部分的相對(duì)移動(dòng)量決定于柏氏矢量的大小和方向，與位錯(cuò)線的移動(dòng)方向無(wú)關(guān)。 第25頁(yè)/共49頁(yè)三、位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng) 第三節(jié)第三節(jié) 位錯(cuò)的基本概念位錯(cuò)的基本概念 分析一位錯(cuò)環(huán)的運(yùn)動(dòng)第26頁(yè)/共49頁(yè)三、位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng) 第三節(jié)第三節(jié) 位錯(cuò)的基本概念位錯(cuò)的基本概念 綜合位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)：以位錯(cuò)環(huán)為例來(lái)說(shuō)明。在一個(gè)滑移面上存在一位錯(cuò)環(huán)，如圖所示，簡(jiǎn)化為一多邊型。前后為刃位錯(cuò)，在切應(yīng)力的作用下，后部的半原子面在上方向后移動(dòng)；前部的半原子面在下方，向前運(yùn)動(dòng)。左右為螺位錯(cuò)，但螺旋方向相反，左邊向左，右邊向右運(yùn)動(dòng)；

20、其他為混合位錯(cuò)，均向外運(yùn)動(dòng)。所有運(yùn)動(dòng)都使上部晶體向后移動(dòng)了一個(gè)原子間距。所有位錯(cuò)移出晶體，整個(gè)晶體上部移動(dòng)了一個(gè)原子間距?？梢?jiàn)無(wú)論那種位錯(cuò)，最后達(dá)到的效果是一樣的。如果外加切應(yīng)力相反，位錯(cuò)環(huán)將縮小，最后消失。位錯(cuò)環(huán)存在時(shí)，環(huán)所在區(qū)間原子已經(jīng)偏后一原子間距，環(huán)縮小到消失，表明這個(gè)偏移的消失，而環(huán)擴(kuò)大表明其他區(qū)間向后移動(dòng)?？梢?jiàn)位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)都將使掃過(guò)的區(qū)間兩邊的原子層發(fā)生柏氏矢量大小的相對(duì)滑動(dòng)。 第27頁(yè)/共49頁(yè)三、位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng) 第三節(jié)第三節(jié) 位錯(cuò)的基本概念位錯(cuò)的基本概念 刃位錯(cuò)的攀移運(yùn)動(dòng)：刃型位錯(cuò)在垂直于滑移面方向上的運(yùn)動(dòng)。刃位錯(cuò)發(fā)生攀移運(yùn)動(dòng)時(shí)相當(dāng)于半原子面的伸長(zhǎng)或縮短，通常把半原子面縮短稱為正攀移

21、，反之為負(fù)攀移。 滑移時(shí)不涉及單個(gè)原子遷移，即擴(kuò)散。刃型位錯(cuò)發(fā)生正攀移將有原子多余，大部分是由于晶體中空位運(yùn)動(dòng)到位錯(cuò)線上的結(jié)果，從而會(huì)造成空位的消失；而負(fù)攀移則需要外來(lái)原子，無(wú)外來(lái)原子將在晶體中產(chǎn)生新的空位?？瘴坏倪w移速度隨溫度的升高而加快，因此刃型位錯(cuò)的攀移一般發(fā)生在溫度較高時(shí)；另外，溫度的變化將引起晶體的平衡空位濃度的變化，這種空位的變化往往和刃位錯(cuò)的攀移相關(guān)。切應(yīng)力對(duì)刃位錯(cuò)的攀移是無(wú)效的，正應(yīng)力的存在有助于攀移( (壓應(yīng)力有助正攀移，拉應(yīng)力有助負(fù)攀移) )，但對(duì)攀移的總體作用甚小。 第28頁(yè)/共49頁(yè)四、位錯(cuò)的觀察 第三節(jié)第三節(jié) 位錯(cuò)的基本概念位錯(cuò)的基本概念 位錯(cuò)在晶體表面的露頭 拋光后

22、的試樣在侵蝕時(shí)，由于易侵蝕而出現(xiàn)侵蝕坑，其特點(diǎn)是坑為規(guī)則的多邊型且排列有一定規(guī)律。只能在晶粒較大，位錯(cuò)較少時(shí)才有明顯效果。 薄膜透射電鏡觀察 將試樣減薄到幾十到數(shù)百個(gè)原子層(500nm(500nm以下) )，利用透射電鏡進(jìn)行觀察，可見(jiàn)到位錯(cuò)線。 第29頁(yè)/共49頁(yè)四、位錯(cuò)的觀察 第三節(jié)第三節(jié) 位錯(cuò)的基本概念位錯(cuò)的基本概念 表示晶體中含有位錯(cuò)數(shù)量的參數(shù)。位錯(cuò)密度用單位體積位錯(cuò)線的總長(zhǎng)度表示。 在金屬材料中，退火狀態(tài)下，接近平衡狀態(tài)所得到的材料，這時(shí)位錯(cuò)的密度較低，約在106的數(shù)量級(jí)； 經(jīng)過(guò)較大的冷塑性變形，位錯(cuò)的密度可達(dá)1010-12的數(shù)量級(jí)。詳細(xì)內(nèi)容到塑性變形一章再論述。位錯(cuò)密度第30頁(yè)/共4

23、9頁(yè)第四節(jié) 位錯(cuò)的彈性特征 一、位錯(cuò)的應(yīng)變能一、位錯(cuò)的應(yīng)變能 來(lái)源：位錯(cuò)應(yīng)變能主要是彈性應(yīng)變能。彈簧或其他彈性體的彈性位能0.5kx2。同樣在單位體積內(nèi)彈性位能，正應(yīng)力引起的為0.50.5，而切應(yīng)力引起的為0.50.5。 在位錯(cuò)線的周圍存在內(nèi)應(yīng)力，例如刃型位錯(cuò)，在多余半原子面區(qū)域?yàn)閴簯?yīng)力，而缺少半原子面的區(qū)域存在著拉應(yīng)力；在螺位錯(cuò)周圍存在的是切應(yīng)力。所以位錯(cuò)周圍存在彈性應(yīng)變能?？梢?jiàn)由于位錯(cuò)的存在，在其周圍存在一應(yīng)力場(chǎng)，應(yīng)力場(chǎng)的分布有機(jī)會(huì)進(jìn)一步學(xué)習(xí)時(shí)再分析。 位錯(cuò)線周圍的原子偏離了平衡位置，處于較高的能量狀態(tài)，高出的能量稱為位錯(cuò)的應(yīng)變能，或簡(jiǎn)稱位錯(cuò)能。 第31頁(yè)/共49頁(yè)一、位錯(cuò)的應(yīng)變能第三節(jié)第

24、三節(jié) 位錯(cuò)的彈性特征位錯(cuò)的彈性特征 位錯(cuò)應(yīng)變能的大小，以單位長(zhǎng)度位錯(cuò)線上的應(yīng)變能來(lái)表示，單位為J JM M-1-1。 在數(shù)值上U=GbU=Gb2 2，其中b為柏氏矢量的大小，G為材料的剪切變模量。為常數(shù)，螺位錯(cuò)為0.550.73，常用0.5來(lái)簡(jiǎn)算；刃型位錯(cuò)為0.811.09，常用1.0來(lái)簡(jiǎn)算。 由于位錯(cuò)存在應(yīng)變能，為減小這能量，位錯(cuò)線的分布一方面在可能的情況下盡量減小單位長(zhǎng)度上的能量，由位錯(cuò)結(jié)果決定的，只要晶體結(jié)構(gòu)條件容許，柏氏矢量盡量小。另一方面就是減小位錯(cuò)線的長(zhǎng)度，兩點(diǎn)之間只要結(jié)構(gòu)容許，以直線分布。好像沿位錯(cuò)線兩端作用了一個(gè)線張力。線張力和位錯(cuò)的能量在數(shù)量上是等價(jià)的。 第32頁(yè)/共49頁(yè)二

25、、位錯(cuò)與點(diǎn)缺陷的交互作用 第三節(jié)第三節(jié) 位錯(cuò)的彈性特征位錯(cuò)的彈性特征 晶體內(nèi)同時(shí)含由位錯(cuò)和點(diǎn)缺陷時(shí)( (特別時(shí)溶入的異類原子) )，它們會(huì)發(fā)生交互作用。異類原子在刃位錯(cuò)處會(huì)聚集，如小原子到多出半原子面處，大原子到少半原子面處，而異類原子則溶在位錯(cuò)的間隙處。 空位會(huì)使刃位錯(cuò)發(fā)生攀移運(yùn)動(dòng)。 第33頁(yè)/共49頁(yè)三、位錯(cuò)間的交互作用 第三節(jié)第三節(jié) 位錯(cuò)的彈性特征位錯(cuò)的彈性特征 每條位錯(cuò)線周圍存在應(yīng)力場(chǎng)，對(duì)附近的其他位錯(cuò)有力的作用和影響，這個(gè)影響較復(fù)雜，下面僅對(duì)簡(jiǎn)單情況加以說(shuō)明。 一對(duì)在同一滑移面上平行刃位錯(cuò)，當(dāng)其方向相同時(shí)，表現(xiàn)為互相排斥，有條件時(shí)相互移動(dòng)來(lái)增加其距離。當(dāng)其方向相反時(shí)，表現(xiàn)為互相吸引，

26、有條件時(shí)相互靠近，最后可能互相中和而消失。 第34頁(yè)/共49頁(yè)三、位錯(cuò)間的交互作用 第三節(jié)第三節(jié) 位錯(cuò)的彈性特征位錯(cuò)的彈性特征 一對(duì)平行的螺位錯(cuò)，按幾何規(guī)律，其共有面可作為其滑移面。當(dāng)其方向相同時(shí)，也表現(xiàn)為互相排斥，有條件時(shí)相互移動(dòng)來(lái)增加其距離。當(dāng)其方向相反時(shí)，也表現(xiàn)為互相吸引，有條件時(shí)相互靠近，最后可能互相中和而消失。 處在其他情況下的位錯(cuò)間的相互作用較為復(fù)雜，暫時(shí)還難簡(jiǎn)單的說(shuō)清楚，上例僅提供一分析的方向。 第35頁(yè)/共49頁(yè)四 位錯(cuò)的分解與合成第36頁(yè)/共49頁(yè)第五節(jié) 晶體中的界面 面缺陷：面缺陷：在三維空間的兩個(gè)方向上的尺寸很大在三維空間的兩個(gè)方向上的尺寸很大( (晶粒數(shù)量級(jí)晶粒數(shù)量級(jí))

27、 )，另外一個(gè)方向上的尺寸很小另外一個(gè)方向上的尺寸很小( (原子尺寸大小原子尺寸大小) )的晶體缺陷。的晶體缺陷。一、表面及表面能 1.1.晶體的表面：就是晶體的外表面，一般是指晶體與氣體(氣相或液相)的分界面。2.2.晶體的表面能：同體積晶體的表面高出晶體內(nèi)部的能量稱為晶體的表面自由能或表面能。計(jì)量單位為J/m2。表面能就是表面張力，單位為N/m。晶體的表面能在有些意義和大家已知液體表面張力是一樣的。 第37頁(yè)/共49頁(yè)一、表面及表面能第五節(jié)第五節(jié) 晶體中的界面晶體中的界面3.3.表面能的來(lái)源：材料表面的原子和內(nèi)部原子所處的環(huán)境不同，內(nèi)部在均勻的力場(chǎng)中，能量較低，而表面的原子有一個(gè)方向沒(méi)有原

28、子結(jié)合，處在與內(nèi)部相比較高的能量水平。另一種設(shè)想為一完整的晶體，按某晶面為界切開(kāi)成兩半，形成兩個(gè)表面，切開(kāi)時(shí)為破壞原有的結(jié)合鍵單位面積所吸收的能量。由于不同的晶面原子的排列方式不同，切開(kāi)破壞的化學(xué)鍵的量也不同，所以用不同的晶面作表面對(duì)應(yīng)的表面能也不相同，一般以原子的排列面密度愈高，對(duì)應(yīng)的表面能較小。 第38頁(yè)/共49頁(yè)一、表面及表面能第五節(jié)第五節(jié) 晶體中的界面晶體中的界面4.4.表面能與晶體形狀之間的關(guān)系：在晶體形成的過(guò)程中，為了使系統(tǒng)的自由能最低，盡量降低表面的總能量，即AA最小。為此一方面盡量讓最小的晶面為表面，當(dāng)然也可能是表面能略高但能明顯減小表面積的晶面為表面。例如fccfcc結(jié)構(gòu)的晶

29、體自由生長(zhǎng)就為1414面體。 5.5.粗糙表面與平滑表面：晶體的表面在宏觀為一能量較低的平面，但表面原子的缺陷，局部表面原子的缺少或部分表面有多余原子，以表面存在的陣點(diǎn)數(shù)與實(shí)有原子數(shù)的比x x來(lái)表示，這些缺陷的存在可提高表面的熵，是必然存在的。每種材料有特定的x x值下表面能最低，其中x=0.5x=0.5的表面穩(wěn)定的稱為粗糙表面，大多數(shù)的金屬材料是屬于粗糙表面；x x值僅在0 0或1 1附近穩(wěn)定的稱為平滑表面，大多是非金屬材料。 第39頁(yè)/共49頁(yè)二、晶界 第五節(jié)第五節(jié) 晶體中的界面晶體中的界面2.2.晶界的結(jié)構(gòu)：根據(jù)晶界兩側(cè)晶粒的位向差不同，晶界的結(jié)構(gòu)大致可分為三類。1.1.晶界：晶界就是空

30、間取向( (或位向) )不同的相鄰晶粒之間的分界面。 1 1）小角度晶界 晶界兩側(cè)的晶粒位向差很小?？煽闯墒且幌盗腥形诲e(cuò)排列成墻，晶界中位錯(cuò)排列愈密，則位向差愈大。 第40頁(yè)/共49頁(yè)二、晶界 第五節(jié)第五節(jié) 晶體中的界面晶體中的界面2 2）大角度晶界 晶界兩側(cè)的晶粒位向差較大，不能用位錯(cuò)模型。關(guān)于大角度晶界的結(jié)構(gòu)說(shuō)法不一，晶界可視為2 23(5)3(5)個(gè)原子的過(guò)渡層，這部分的原子排列盡管有其規(guī)律，但排列復(fù)雜，暫以相對(duì)無(wú)序來(lái)理解。第41頁(yè)/共49頁(yè)二、晶界 第五節(jié)第五節(jié) 晶體中的界面晶體中的界面3.3.界面能：晶界面上的原子相對(duì)正常晶體內(nèi)部的原子而言，均處于較高的能量狀態(tài)，因此，晶界也存在界面

31、能。 界面能與結(jié)構(gòu)的關(guān)系： 第42頁(yè)/共49頁(yè)二、晶界 第五節(jié)第五節(jié) 晶體中的界面晶體中的界面4.4.晶界與雜質(zhì)原子的相互作用：在材料的研究中，發(fā)現(xiàn)少量雜質(zhì)或合金元素在晶體內(nèi)部的分布也是不均勻的，它們常偏聚于晶界，稱這種現(xiàn)象為晶界內(nèi)吸附。 產(chǎn)生的原因可參見(jiàn)位錯(cuò)與點(diǎn)缺陷的作用，一般雜質(zhì)原子與晶體的尺寸或性質(zhì)差別愈大，這種偏聚愈嚴(yán)重。 雜質(zhì)原子在晶界的偏聚對(duì)晶體的某些性能產(chǎn)生重要的影響，具體的影響到學(xué)習(xí)材料性能時(shí)要使用，這里先介紹內(nèi)吸附的概念。 第43頁(yè)/共49頁(yè)三、相界面 第五節(jié)第五節(jié) 晶體中的界面晶體中的界面2)2)相界面：兩種不同相的分界面。液體的表面是液相和氣相的分界面；晶體的表面是晶體和氣相(或液相)的分界面；兩個(gè)不同的固相之