次晶體缺陷實(shí)用教案

1、13.1 點(diǎn)缺陷(Point defect) 空位(vacancy) 間隙( jin x)原子(interstitial atom)(a)肖脫基缺陷 (b)弗蘭克爾缺陷 (c)間隙原子(yunz) Schottky空位 Frenkel空位+間隙原子(yunz)第1頁(yè)/共44頁(yè)第一頁(yè)，共45頁(yè)。23.1.1 點(diǎn)缺陷的形成(xngchng)原子熱振動(dòng)(zhndng)熱平衡缺陷點(diǎn)陣彈性畸變改變(gibin)電子的動(dòng)能和勢(shì)能由于熱起伏促使原子脫離點(diǎn)陣位置而形成的點(diǎn)缺陷（熱平衡缺陷）空位形成能E:在晶體內(nèi)取出一個(gè)原子放在晶體表面所需的能量（不改變晶體的表面積和表面能） (a)體系能量與原子間距的關(guān)系 (

2、b)原子間作用力和距離的關(guān)系第2頁(yè)/共44頁(yè)第二頁(yè)，共45頁(yè)。3點(diǎn)缺陷的其他(qt)形成方式高溫(gown)淬火高能(gonng)粒子(如中子、質(zhì)子、粒子等)的輻照效應(yīng)冷變形加工晶體中的點(diǎn)缺陷數(shù)量超過(guò)了其平衡濃度 過(guò)飽和的點(diǎn)缺陷第3頁(yè)/共44頁(yè)第三頁(yè)，共45頁(yè)。43.1.2 點(diǎn)缺陷的平衡(pnghng)濃度由熱力學(xué)原理可知，在恒溫下，系統(tǒng)(xtng)的自由能F為F=U-TS (3.1) F= U-TS F= nEv T(Sc+nSf) (3.2)U為內(nèi)能，S為總熵值(組態(tài)(z ti)熵Sc和振動(dòng)熵Sf)，T為絕對(duì)溫度設(shè)由N個(gè)原子組成的晶體中含有n個(gè)空位，形成一個(gè)空位所需能量為 Ev(空位形成能

3、) 則晶體中含有n個(gè)空位時(shí)，其內(nèi)能增量為U=nEvn個(gè)空位造成晶體組態(tài)熵的改變?yōu)镾c，振動(dòng)熵的改變?yōu)镾f故自由能的改變?yōu)椋簁為玻爾茲曼常數(shù)(1.38X10-23JK)；W為微觀狀態(tài)數(shù)根據(jù)統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)，組態(tài)熵可表示為 Sc =klnW (3.3)第4頁(yè)/共44頁(yè)第四頁(yè)，共45頁(yè)。5 在晶體中N+n陣點(diǎn)位置上存在n個(gè)空位和N個(gè)原子(yunz)時(shí)可能出現(xiàn)的不同排列方式數(shù)為 W=(N+n)!/N!n! (3.4) Sc = S(n空位空位(kn wi)-S(0空位空位(kn wi) =kln(N+n)!/N!n!-ln1=kln(N+n)!/N!n! (3.5)當(dāng)N和n值都非常大時(shí)，可用Stirling

4、近似公式(gngsh)(lnx!xlnx-x)將上式改寫(xiě)為 在平衡時(shí)自由能為最小，即(F/n)T=0 (F/n)T= Ev-TSf -kTln(N+n)-lnn=0 則(3.2)式為 F= nEv T(Sc+nSf) =n(Ev-TSf)-kT(N+n)ln(N+n)-NlnN-nlnn Sck(N+n)ln(N+n)-NlnN-nlnn lnn/(N+n) =-(Ev-TSf)/kT當(dāng)Nn時(shí)， ln(n/N)故空位在T溫度時(shí)的平衡濃度為 C=n/N=exp-(Ev-TSf)/kT =exp (Sf/k)exp(-Ev/kT) 第5頁(yè)/共44頁(yè)第五頁(yè)，共45頁(yè)。6A=exp (Sf/k)，是由

5、振動(dòng)(zhndng)熵決定的系數(shù)，在1-10之間 C=Aexp(-Ev/kT) (3.6)將(3.6)式中指數(shù)(zhsh)的分子分母同乘以阿伏加德羅常數(shù)NA(6.023xl0-23)，有C=Aexp(-NAEv/kNAT)=Aexp(-Qf/RT) (3.7) Qf=NAEv，為形成(xngchng)1摩爾空位所需作的功(Jmol) R=kN為氣體常數(shù)(8.31Jmol)第6頁(yè)/共44頁(yè)第六頁(yè)，共45頁(yè)。7按照類似的計(jì)算，也可求得間隙原子的平衡(pnghng)濃度CC=n/N=Aexp(-Ev/kT) (3.8)點(diǎn)缺陷平衡濃度(nngd)的影響因素: Ev T N為晶體(jngt)中間隙位置總

6、數(shù)n為間隙原子數(shù) Ev為間隙原子的形成能第7頁(yè)/共44頁(yè)第七頁(yè)，共45頁(yè)。83.1.3 點(diǎn)缺陷的運(yùn)動(dòng)(yndng)點(diǎn)缺陷形成消失運(yùn)動(dòng) 金屬晶體(jngt)的電阻增加，體積膨脹，密度減小離子晶體(jngt)的導(dǎo)電性改善 過(guò)飽和點(diǎn)缺陷(淬火空位，輻照缺陷)可提高金屬的屈服強(qiáng)度點(diǎn)缺陷 晶體性能變化空位 空位間隙原子 間隙原子間隙原子 空位(復(fù)合)原子(yunz)的自擴(kuò)散點(diǎn)缺陷的遷移能第8頁(yè)/共44頁(yè)第八頁(yè)，共45頁(yè)。9晶體缺陷的分類(幾何特征)點(diǎn)缺陷的概念(ginin)點(diǎn)缺陷的平衡濃度及其公式推導(dǎo)習(xí)題集P14 3-13-5 3-93-15第9頁(yè)/共44頁(yè)第九頁(yè)，共45頁(yè)。103.2 位錯(cuò)(dislo

7、cation) 彈性變形(bin xng) 塑性變形(bin xng) -主要方式是滑移(slip or glide) 在晶體表面有滑移線3.2.1 位錯(cuò)理論(lln)的產(chǎn)生3.2.1.1 理論切變強(qiáng)度(qingd)(Theoretical Shear Strength) 的估算弗蘭克爾假設(shè)：（1 ）完整晶體 （2）剛性滑移第10頁(yè)/共44頁(yè)第十頁(yè)，共45頁(yè)。11第11頁(yè)/共44頁(yè)第十一頁(yè)，共45頁(yè)。123.2.1.2 位錯(cuò)概念(ginin)的引入 根據(jù)塑性變形的晶體學(xué)性、不均勻性和滑移行為是逐漸擴(kuò)展等特點(diǎn)，人們?cè)O(shè)想在晶體中會(huì)存在某些缺陷，這些(zhxi)缺陷可以使形變過(guò)程在局部地方發(fā)生、滑移

8、區(qū)逐漸擴(kuò)展，而不需要2個(gè)晶面作整體的相對(duì)剛性滑動(dòng)，這樣就有可能降低晶體滑移所需要的力。 1934年，Taylor Orowan Planyi位錯(cuò)第12頁(yè)/共44頁(yè)第十二頁(yè)，共45頁(yè)。133.2.2 位錯(cuò)的基本(jbn)類型和特征3.2.2.1 刃型位錯(cuò)(edge dislocation)刃型位錯(cuò)的結(jié)構(gòu)(jigu)特點(diǎn)(1)刃型位錯(cuò)有一個(gè)額外的半原子面(2)位錯(cuò)線是己滑移區(qū)與未滑移區(qū)的邊界線EF，可以(ky)是直線、折線或曲線第13頁(yè)/共44頁(yè)第十三頁(yè)，共45頁(yè)。14幾種(j zhn)形狀的刃型位錯(cuò)線第14頁(yè)/共44頁(yè)第十四頁(yè)，共45頁(yè)。15刃型位錯(cuò)的特點(diǎn)(tdin)(3)正、負(fù)之分（相對(duì)(xi

9、ngdu)的）；(4) 位錯(cuò)周圍的點(diǎn)陣(din zhn)發(fā)生彈性畸變，有切(正) 應(yīng)變，滑移面上下方應(yīng)力符號(hào)相反；(5)在位錯(cuò)線周圍的過(guò)渡區(qū)(畸變區(qū))原子具有較大的平均能量。但該區(qū)只有幾個(gè)原子間距寬，畸變區(qū)是狹長(zhǎng)的管道end第15頁(yè)/共44頁(yè)第十五頁(yè)，共45頁(yè)。163.2.2.2 螺型位錯(cuò)(screw dislocation)螺型位錯(cuò)的特征(tzhng)(4)分為右旋和左旋(zu xun)螺型位錯(cuò)(左右手法則)(1)無(wú)額外半原子(yunz)面，原子(yunz)錯(cuò)排是呈軸對(duì)稱的(2)位錯(cuò)線周圍點(diǎn)陣發(fā)生彈性畸變，只有平行于位錯(cuò)線的切應(yīng)變，無(wú)正應(yīng)變(3)位錯(cuò)線一定是直線，是已滑移區(qū)與未滑移區(qū)的邊界線

10、第16頁(yè)/共44頁(yè)第十六頁(yè)，共45頁(yè)。17螺型位錯(cuò)的結(jié)構(gòu)特征右旋螺位錯(cuò) 左旋(zu xun)螺位錯(cuò) 逆時(shí)針 順時(shí)針 (4)分為右旋和左旋螺型位錯(cuò)(左右手法則)(5)位錯(cuò)周圍的點(diǎn)陣畸變隨離位錯(cuò)線距離的增加(zngji)而急劇減小第17頁(yè)/共44頁(yè)第十七頁(yè)，共45頁(yè)。183.2.2.3 混合型位錯(cuò) (mixed dislocation)上層原子下層原子第18頁(yè)/共44頁(yè)第十八頁(yè)，共45頁(yè)。19第19頁(yè)/共44頁(yè)第十九頁(yè)，共45頁(yè)。20stop第20頁(yè)/共44頁(yè)第二十頁(yè)，共45頁(yè)。213.2.3 柏氏矢量(shling)3.2.3.1 柏氏回路(hul)和柏氏矢量(Burgers Circuit a

11、nd Burgers Vector)實(shí)際晶體的柏氏回路(hul) 完整晶體的相應(yīng)回路(hul)(正)刃型位錯(cuò)刃型位錯(cuò)的重要特征:柏氏矢量與位錯(cuò)線垂直。第21頁(yè)/共44頁(yè)第二十一頁(yè)，共45頁(yè)。22實(shí)際晶體的柏氏回路(hul) 完整晶體的相應(yīng)回路(hul)(負(fù))刃型位錯(cuò)右手法則確定刃型位錯(cuò)的正、負(fù)即食指指向位錯(cuò)線的方向，中指指向柏氏矢量的方向，則拇指的指向代表多余半原子面的位向，且規(guī)定(gudng)拇指向上者為正刃型位錯(cuò)；反之為負(fù)刃型位錯(cuò)。起點(diǎn)第22頁(yè)/共44頁(yè)第二十二頁(yè)，共45頁(yè)。23(右旋)螺型位錯(cuò)實(shí)際晶體的柏氏回路(hul) 完整晶體的相應(yīng)回路(hul)螺型位錯(cuò)的重要(zhngyo)特征:柏

12、氏矢量與位錯(cuò)線平行第23頁(yè)/共44頁(yè)第二十三頁(yè)，共45頁(yè)。24左旋(zu xun)螺型位錯(cuò)實(shí)際晶體的柏氏回路 完整(wnzhng)晶體的相應(yīng)回路柏氏矢量與位錯(cuò)線同向平行(pngxng)為右螺旋位錯(cuò)柏氏矢量與位錯(cuò)線反向平行(pngxng)為左螺旋位錯(cuò)第24頁(yè)/共44頁(yè)第二十四頁(yè)，共45頁(yè)。25混合型位錯(cuò)第25頁(yè)/共44頁(yè)第二十五頁(yè)，共45頁(yè)。26刃型位錯(cuò)： b L=0右螺旋位錯(cuò)： b L=b =0(b x L x cos )左螺旋位錯(cuò)：b L=-b =180混合(hnh)位錯(cuò) b =bs+be 螺型分量：bs=bcos 刃型分量：be=bsin位錯(cuò)類型(lixng)的定義STOP第26頁(yè)/共44

13、頁(yè)第二十六頁(yè)，共45頁(yè)。273.2.3.2 柏氏矢量(shling)的特性 (1) 柏氏矢量是一個(gè)反映位錯(cuò)周圍點(diǎn)陣畸變總累積的物理量。由此，可把位錯(cuò)定義(dngy)為柏氏矢量不為零的晶體缺陷。|b|表示畸變的程度，稱為位錯(cuò)的強(qiáng)度。(2)柏氏矢量的守恒性。一根位錯(cuò)線的柏氏矢量是恒定不 變的，與回路(hul)無(wú)關(guān)。(3)柏氏矢量的唯一性。一根不分岔的位錯(cuò)線，不論其形狀如何變化、各處的位錯(cuò)類型是否相同，其各部位的柏氏矢量都相同；而且當(dāng)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)改變方向時(shí)，其柏矢量不變，一根位錯(cuò)線具有唯一的柏氏矢量。第27頁(yè)/共44頁(yè)第二十七頁(yè)，共45頁(yè)。 位錯(cuò)結(jié)點(diǎn)(ji din)b2+b3=b1 柏氏矢量的總和為零的

14、情況28(4) 柏氏矢量為b的位錯(cuò)分解(fnji)后各位錯(cuò)柏氏矢量之和等于原位錯(cuò)的柏氏矢量，即第28頁(yè)/共44頁(yè)第二十八頁(yè)，共45頁(yè)。29立方(lfng)晶系 其中n為正整數(shù)3.2.3.3 柏氏矢量(shling)的表示法如果(rgu)有二個(gè)柏氏矢量則按矢量加法法則有柏氏矢量的大小或模，即位錯(cuò)的強(qiáng)度。第29頁(yè)/共44頁(yè)第二十九頁(yè)，共45頁(yè)。303.3 位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)(yndng)3.3.1 位錯(cuò)的滑移(hu y)3.3.1.1 刃型位錯(cuò)的滑移(hu y)正刃型位錯(cuò)位錯(cuò)在切應(yīng)力作用下從一個(gè)亞穩(wěn)定狀態(tài)遷移至另一個(gè)亞穩(wěn)定狀態(tài)，移動(dòng)距離不超過(guò)(chogu)一個(gè)原子間距兩種最基本形式-滑移(slip)和攀移

15、(climb)切應(yīng)力平行于位錯(cuò)滑移面垂直于多余半原子面刃型位錯(cuò)只有一個(gè)滑移面不均勻的滑移第30頁(yè)/共44頁(yè)第三十頁(yè)，共45頁(yè)。31FE位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)(yndng)的滑移過(guò)程和結(jié)果 1根位錯(cuò)產(chǎn)生1個(gè)b大小的滑移臺(tái)階第31頁(yè)/共44頁(yè)第三十一頁(yè)，共45頁(yè)。32右手定則: 判斷(pndun)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)方向第32頁(yè)/共44頁(yè)第三十二頁(yè)，共45頁(yè)。33負(fù)刃型位錯(cuò)第33頁(yè)/共44頁(yè)第三十三頁(yè)，共45頁(yè)。343.3.1.2 螺型位錯(cuò)的滑移(hu y) (a)原始位置 (b)位錯(cuò)向左移動(dòng)一個(gè)原子(yunz)間距 上層(shngcng)原子 右旋螺型位錯(cuò)第34頁(yè)/共44頁(yè)第三十四頁(yè)，共45頁(yè)。35螺型位錯(cuò)的滑移過(guò)程和結(jié)

16、果1根位錯(cuò)產(chǎn)生1個(gè)b大小(dxio)的滑移臺(tái)階第35頁(yè)/共44頁(yè)第三十五頁(yè)，共45頁(yè)。36左旋(zu xun)和右旋螺型位錯(cuò)相抵消左旋(zu xun)螺型位錯(cuò) 右旋螺型位錯(cuò)切應(yīng)力平行于位錯(cuò)滑移(hu y)面平行于柏氏矢量螺型位錯(cuò)有多個(gè)滑移(hu y)面第36頁(yè)/共44頁(yè)第三十六頁(yè)，共45頁(yè)。37交滑移-螺型位錯(cuò)從原滑移面轉(zhuǎn)移(zhuny)到與之相交的另 一滑移面上去繼續(xù)滑移的過(guò)程雙交滑移-交滑移后的位錯(cuò)再轉(zhuǎn)回和原滑移面平行 的滑移面上繼續(xù)運(yùn)動(dòng)第37頁(yè)/共44頁(yè)第三十七頁(yè)，共45頁(yè)。383.3.1.3 混合型位錯(cuò)的滑移(hu y)第38頁(yè)/共44頁(yè)第三十八頁(yè)，共45頁(yè)。39晶體的局部滑移形成位錯(cuò)

17、環(huán) 位錯(cuò)環(huán)各部分(b fen)的結(jié)構(gòu)晶體(jngt)中的位錯(cuò)環(huán)滑移為守恒運(yùn)動(dòng)(yndng)，不產(chǎn)生體積變化第39頁(yè)/共44頁(yè)第三十九頁(yè)，共45頁(yè)。40第40頁(yè)/共44頁(yè)第四十頁(yè)，共45頁(yè)。413.3.2 位錯(cuò)的攀移(a)未攀移的位錯(cuò) (b)空位運(yùn)動(dòng)(yndng)引起半 (c)間隙原子運(yùn)動(dòng)(yndng)引起半 原子面收縮叫正攀移 原子面擴(kuò)展叫負(fù)攀移刃型位錯(cuò)的攀移運(yùn)動(dòng)(yndng)模型第41頁(yè)/共44頁(yè)第四十一頁(yè)，共45頁(yè)。攀移的特點(diǎn)(tdin)441 非守恒運(yùn)動(dòng)，體積變化2 刃型位錯(cuò)有正負(fù)攀移3 正（壓、拉）應(yīng)力促進(jìn)（正、負(fù)）攀移 4 點(diǎn)缺陷（空位、間隙原子(yunz)）密度提高有利于（正、負(fù)）攀移5 溫度升高有利于攀移第42頁(yè)/共44頁(yè)第四十二頁(yè)，共45頁(yè)。思考題1、柏氏矢量的物理意義(yy)、特性和表示方法2、刃形位錯(cuò)與螺型位錯(cuò)的異同點(diǎn)3、滑移與攀移的異同點(diǎn)43 end第43頁(yè)/共44頁(yè)第四十三