晶體結構與缺陷

1、鋼材中常見的缺陷（黑線為晶界） 理想晶體： 質點嚴格按照空間點陣排列的晶體。 結構基元或者構成物體的粒子結構基元或者構成物體的粒子(原子、離子或分子等原子、離子或分子等)嚴格按嚴格按照空間點陣規(guī)則排列的晶體。照空間點陣規(guī)則排列的晶體。（理想晶體中的勢場也具有嚴格的周期性） 晶體缺陷： 指實際晶體中與理想的點陣結構發(fā)生偏差的區(qū)域 。 一般地來說，這些偏差區(qū)域的存在并不會嚴重影響晶體結構的基本特性，僅是晶體中少數(shù)原子的排列特征發(fā)生了改變，相對于晶體結構的周期性和穩(wěn)定性而言，晶體缺陷區(qū)域顯得十分活躍，它的狀態(tài)容易受外界條件的影響，因而它們的存在（數(shù)量、分布等）對材料的行為起著十分重要的作用。第二章

2、晶體結構與缺陷51 晶體結構缺陷的類型 511 按幾何形態(tài)的分類 （1）點缺陷 （2）線缺陷 （3）面缺陷(2)線缺陷：u 線缺陷就是在兩個方向上尺寸很小，在一個方向上尺寸很大的缺陷線缺陷就是在兩個方向上尺寸很小，在一個方向上尺寸很大的缺陷 所以也稱為一維缺陷。所以也稱為一維缺陷。u 線缺陷是各種類型的位錯。線缺陷是各種類型的位錯。u 位錯是晶體內部一種有規(guī)律的管狀畸變區(qū)。原子發(fā)生錯排的范圍，位錯是晶體內部一種有規(guī)律的管狀畸變區(qū)。原子發(fā)生錯排的范圍，在一個方向上尺寸較大，而另外兩個方向上尺寸較小，是一個直徑在一個方向上尺寸較大，而另外兩個方向上尺寸較小，是一個直徑為為35個原子間距，長幾百到幾

3、萬個原子間距的管狀原子畸變區(qū)。個原子間距，長幾百到幾萬個原子間距的管狀原子畸變區(qū)。u 位錯的產生及運動與材料的韌性、脆性等有密切的關系。位錯的產生及運動與材料的韌性、脆性等有密切的關系。u 最簡單的位錯是刃型位錯和螺型位錯。最簡單的位錯是刃型位錯和螺型位錯。 2.點缺陷的形成點缺陷的形成 原子相互作用的兩種作用力：原子相互作用的兩種作用力：(1)原子間的吸原子間的吸引力；引力；(2)原子間的斥力原子間的斥力 點缺陷形成最重要的環(huán)節(jié)是原子的振動點缺陷形成最重要的環(huán)節(jié)是原子的振動 原子的熱振動原子的熱振動 （以一定的頻率和振幅作振動）（以一定的頻率和振幅作振動） 原子被束縛在它的平衡位置上，但原子

4、卻在做原子被束縛在它的平衡位置上，但原子卻在做著掙脫束縛的努力著掙脫束縛的努力 點缺陷形成的驅動力：溫度、離子轟擊、冷加點缺陷形成的驅動力：溫度、離子轟擊、冷加工工 在外界驅動力作用下，哪個原子能夠掙脫束縛，在外界驅動力作用下，哪個原子能夠掙脫束縛，脫離平衡位置是不確定的，宏觀上說這是一種脫離平衡位置是不確定的，宏觀上說這是一種幾率分布幾率分布 （3）面缺陷是一種二維缺陷，它的質點在二維方向上偏離理想晶體中的周期性、規(guī)律性排列等，這種缺陷的尺寸在二維方向上延伸，在第三維方向上很小。常見于晶體中的晶界、表面、相界、堆積層錯等部位。 面缺陷是二維缺陷。u屬于同一固相但位向不同的晶粒之間的界面稱屬于

5、同一固相但位向不同的晶粒之間的界面稱為晶界；而每個晶粒有時又由若干個位向稍有為晶界；而每個晶粒有時又由若干個位向稍有差異的亞晶粒所組成，相鄰亞晶粒間的界面稱差異的亞晶粒所組成，相鄰亞晶粒間的界面稱為亞晶界。為亞晶界。圖 晶界與亞晶界示意圖由一系列刃位錯構成的小角傾側晶界面缺陷密堆積形成的層錯面缺陷孿晶造成的面缺陷孿晶是指兩個晶體孿晶是指兩個晶體(或一個晶體的兩部分或一個晶體的兩部分)沿一個公共晶沿一個公共晶面構成鏡面對稱的位向關系，這兩個晶體就稱為面構成鏡面對稱的位向關系，這兩個晶體就稱為“孿晶孿晶(twin)”，此公共晶面就稱孿晶面。，此公共晶面就稱孿晶面。 相界相界 具有不同結構的兩相之間

6、的分界面稱為具有不同結構的兩相之間的分界面稱為“相界相界”。按結構特點，相界面可分為。按結構特點，相界面可分為共格、半共格和非共格相界三種類型。共格、半共格和非共格相界三種類型。圖 具有完善共格關系的相界圖 具有彈性畸變的共格相界圖 半共格界面圖 非共格界面晶界特性晶界特性 1.晶界處點陣畸變大，存在晶界能。晶粒的長晶界處點陣畸變大，存在晶界能。晶粒的長大和晶界的平直化都能減少晶界面積，從而降大和晶界的平直化都能減少晶界面積，從而降低晶界的總能量。低晶界的總能量。 2.晶界處原子排列不規(guī)則，在常溫下晶界的存晶界處原子排列不規(guī)則，在常溫下晶界的存在會對位錯的運動起阻礙作用，致使塑性變形在會對位錯

7、的運動起阻礙作用，致使塑性變形抗力提高，宏觀表現(xiàn)為晶界較晶內具有較高的抗力提高，宏觀表現(xiàn)為晶界較晶內具有較高的強度和硬度。晶粒越細強度和硬度。晶粒越細,材料的強度越高，這材料的強度越高，這就是細晶強化。就是細晶強化。 3.晶界處原子偏離平衡位置，具有較高的動能，晶界處原子偏離平衡位置，具有較高的動能，并且晶界處存在較多的缺陷如空穴、雜質原子并且晶界處存在較多的缺陷如空穴、雜質原子和位錯等，故晶界處原子的擴散速度比在晶內和位錯等，故晶界處原子的擴散速度比在晶內快得多。快得多。 4.在固態(tài)相變過程中在固態(tài)相變過程中,由于晶界能量較高且原由于晶界能量較高且原子活動能力較大子活動能力較大,所以新相易于

8、在晶界處優(yōu)先所以新相易于在晶界處優(yōu)先形核形核.原始晶粒越細原始晶粒越細,晶界越多晶界越多,則新相形核率則新相形核率也相應越高。也相應越高。 5.由于成分偏析和內吸附現(xiàn)象，特別是晶界富由于成分偏析和內吸附現(xiàn)象，特別是晶界富集雜質原子的情況下，往往晶界熔點較低，故集雜質原子的情況下，往往晶界熔點較低，故在加熱過程中，因溫度過高將引起晶界熔化和在加熱過程中，因溫度過高將引起晶界熔化和氧化，導致氧化，導致“過熱過熱”現(xiàn)象產生?，F(xiàn)象產生。 6.由于晶界能量較高、原子處于不穩(wěn)定狀態(tài)，由于晶界能量較高、原子處于不穩(wěn)定狀態(tài)，以及晶界富集雜質原子的緣故，與晶內相比晶以及晶界富集雜質原子的緣故，與晶內相比晶界的腐

9、蝕速度一般較快。這就是用腐蝕劑顯示界的腐蝕速度一般較快。這就是用腐蝕劑顯示金相樣品組織的依據，也是某些金屬材料在使金相樣品組織的依據，也是某些金屬材料在使用中發(fā)生晶間腐蝕破壞的原因。用中發(fā)生晶間腐蝕破壞的原因。第二章 晶體結構與缺陷 512 按產生原因的分類 (1) 熱缺陷 (2) 雜質缺陷 (3) 非化學計量缺陷 (4)電荷缺陷 (5)輻射缺陷 熱缺陷當晶體的溫度高于0K時， 由于晶格上質點熱振動，使一部分能量較高的質點離開平衡位置而造成缺陷。所以熱缺陷是晶體的本征缺陷，是由于熱起伏的熱缺陷是晶體的本征缺陷，是由于熱起伏的原因所產生的空位或（和）間隙質點。原因所產生的空位或（和）間隙質點。

10、熱缺陷的主要類型：（1）弗侖克爾缺陷）弗侖克爾缺陷 (a)（Frenkel）（2）肖特基缺陷）肖特基缺陷 (b)（Schottky） （1）弗侖克爾缺陷： 在晶格熱振動時， 一些能量較大的質點 離開平衡位置后，進 入到間隙位置，形成間隙質點，而在原來位置上形成空位 特點： 間隙質點與空位總是成對出現(xiàn) 正離子弗侖克爾缺陷負離子弗侖克爾缺陷二者之間沒有直接聯(lián)系。 影響因素： 與晶體結構有很大關系 NaCl型晶體中間隙較小，不易產生弗侖克爾缺陷； 螢石型結構中存在很大間隙位置，相對而言比較容易生成填隙離子。 （2）肖特基缺陷： 如果正常格點上的 質點，在熱起伏過程中 獲得能量離開平衡位置遷移到晶體的

11、表面，而在晶體內部正常格點上留下空位 特點： （1）特基缺陷的生成需要一個像晶界、位錯或者表面之類的晶格排列混亂的區(qū)域；正離子空位和負離于空位按照分子式同時成對產生，伴隨晶體體積增加. VVMgCl2Null 特點：特點： （2）從形成缺陷的能量來分析）從形成缺陷的能量來分析 Schttky缺陷形成的能量小于缺陷形成的能量小于Frankel 缺陷形成的能量因此對于大多數(shù)晶體來缺陷形成的能量因此對于大多數(shù)晶體來說，說，Schttky 缺陷是主要的。缺陷是主要的。 產生 復合 濃度是溫度溫度的函數(shù) 隨著溫度升高，缺陷濃度呈指數(shù)上升，對于某一特定材料，在定溫度下，熱缺陷濃度是恒定的。 動平衡動平衡熱

12、缺陷濃度表示熱缺陷濃度表示 ：)2exp(KTENn 雜質缺陷：雜質缺陷： 也稱為組成缺陷，是由于外來雜質的引入所產生的缺陷。 雖然雜質摻雜量一般較小（ 0.1%），進入晶體后無論位于何處，均因雜質質點和原有的質點性質不同，故它不僅破壞了質點有規(guī)則的排列，而且在雜質質點周圍的周期勢場引起改變，因此形成種缺陷。 溶劑：原晶體 溶質：溶質 晶體中雜質含量在未超過其固溶度時，雜質缺陷的濃度與溫度無關；這點是與熱缺陷是不同的。 應用：在某些情況下，晶體中可以溶入較大量的雜質，如制造固體氧化物燃料電池電介質材料，使用810(mol)Y2O3溶入ZrO2中，Y3置換Zr4，形成大量氧空位缺陷，可傳導氧離子

13、，起到離子導電的作用。 雜質缺陷的小結：雜質缺陷的小結： 概念概念雜質原子進入晶體而產生的缺陷。原雜質原子進入晶體而產生的缺陷。原子進入晶體的數(shù)量一般小于子進入晶體的數(shù)量一般小于0.1%。 種類種類間隙雜質間隙雜質 置換雜質置換雜質 特點特點雜質缺陷的濃度雜質缺陷的濃度與溫度無關與溫度無關， 只決定于溶解度只決定于溶解度。 存在的原因存在的原因本身存在本身存在 有目的加入有目的加入(改善晶體的某種性能改善晶體的某種性能) 非化學計量缺陷定比定律：指化合物分子式具有固定的正負離子數(shù)比，且其比值不會隨外界條件的變化而變化，此類化合物稱為計量化合物；一些化合物的化學組成會明顯地隨著周圍氣氛的性質、壓

14、力大小的變化而發(fā)生組成偏離計量化合物的現(xiàn)象，由此產生的晶體缺陷稱為非化學計量缺陷。所以對于一些變價元素的人工合成晶體尤其容易形成非計量化合物。 非化學計量化合物的特點： （1）產生的原因及其濃度與氣氛性質、壓力等有關，這是有別于其他缺陷； （2）可以看成是高價化合物與低價化合物之間的固溶體，即不等價置換是發(fā)生在同一種離子中的高價態(tài)與低價態(tài)之間的相互置換；（如，四氧化三鐵） （3）缺陷的濃度與溫度無關 2.5.2 熱缺陷的濃度計算點缺陷的存在使晶體體積膨脹，密度減小。點缺陷的存在使晶體體積膨脹，密度減小。點缺陷引起晶格畸變，使材料內部的能量提高，系統(tǒng)不穩(wěn)點缺陷引起晶格畸變，使材料內部的能量提高，

15、系統(tǒng)不穩(wěn)定，容易發(fā)生晶型轉變等。定，容易發(fā)生晶型轉變等。點缺陷引起電阻的增加，這是由于晶體中存在點缺陷時，點缺陷引起電阻的增加，這是由于晶體中存在點缺陷時，對傳導電子產生了附加的電子散射，使電阻增大。對傳導電子產生了附加的電子散射，使電阻增大。空位對金屬的許多過程有著影響，特別是對高溫下進行的空位對金屬的許多過程有著影響，特別是對高溫下進行的過程起著重要的作用。過程起著重要的作用。金屬的擴散、高溫塑性變形的斷裂、退火、沉淀、表面化金屬的擴散、高溫塑性變形的斷裂、退火、沉淀、表面化學熱處理、表面氧化、燒結等過程都與空位的存在和運動學熱處理、表面氧化、燒結等過程都與空位的存在和運動有著密切的聯(lián)系。

16、有著密切的聯(lián)系。 過飽和點缺陷（如淬火空位、輻照缺陷）還提高了金屬的過飽和點缺陷（如淬火空位、輻照缺陷）還提高了金屬的屈服強度。屈服強度。在一般情形下，點缺陷對金屬力學性能的影響較小，而對在一般情形下，點缺陷對金屬力學性能的影響較小，而對材料的物理性能的影響較大材料的物理性能的影響較大點缺陷對材料性能的影響：點缺陷對材料性能的影響： 2.5.3 線缺陷 （位錯）位錯及其相關理論的研究是上世紀材料科學研究中的最杰出的成果之一。50年代后，透射電鏡直接觀測到了晶體中位年代后，透射電鏡直接觀測到了晶體中位錯的存在、運動、增殖。錯的存在、運動、增殖。位錯的類型：刃位錯、螺旋位錯、混合位錯 1.位錯學說

17、的產生位錯學說的產生 1926年弗蘭克爾利用理想晶體的模型估算了年弗蘭克爾利用理想晶體的模型估算了理論切變強度，與實驗結果相比相差理論切變強度，與實驗結果相比相差34個數(shù)個數(shù)量級。量級。 1934年泰勒，波朗依和奧羅萬三人幾乎同時年泰勒，波朗依和奧羅萬三人幾乎同時提出晶體中位錯的概念。提出晶體中位錯的概念。 泰勒把位錯與晶體塑變的滑移聯(lián)系起來，認為泰勒把位錯與晶體塑變的滑移聯(lián)系起來，認為位錯在切應力作用下發(fā)生運動，依靠位錯的逐位錯在切應力作用下發(fā)生運動，依靠位錯的逐步傳遞完成了滑移。步傳遞完成了滑移。 與剛性滑移不同，位錯的移動只需鄰近原子作與剛性滑移不同，位錯的移動只需鄰近原子作很小距離的彈

18、性偏移就能實現(xiàn)，而晶體其他區(qū)很小距離的彈性偏移就能實現(xiàn)，而晶體其他區(qū)域的原子仍處在正常位置，因此滑移所需的臨域的原子仍處在正常位置，因此滑移所需的臨界切應力大為減小。界切應力大為減小。晶體中的柏格斯氏矢量 （方向表示滑移、大小為原子間距）.柏氏矢量柏氏矢量（1）柏氏矢量的確定方法）柏氏矢量的確定方法先確定位錯線的方向先確定位錯線的方向(一般規(guī)定位錯線垂直紙面時，一般規(guī)定位錯線垂直紙面時，由紙面向外為正向由紙面向外為正向)，按右手法則做柏氏回路，右，按右手法則做柏氏回路，右手大拇指指位錯線正向，回路方向按右手螺旋方向手大拇指指位錯線正向，回路方向按右手螺旋方向確定。確定。從實際晶體中任一原子出發(fā)

19、，避開位錯附近的嚴重從實際晶體中任一原子出發(fā)，避開位錯附近的嚴重畸變區(qū)作一閉合回路，回路每一步連接相鄰原子。畸變區(qū)作一閉合回路，回路每一步連接相鄰原子。按同樣方法在完整晶體中做同樣回路，步數(shù)、方向按同樣方法在完整晶體中做同樣回路，步數(shù)、方向與上述回路一致，這時終點和起點不重合，由終點與上述回路一致，這時終點和起點不重合，由終點到起點引一矢量即為柏氏矢量到起點引一矢量即為柏氏矢量b。 柏氏矢量的物理意義及特征柏氏矢量的物理意義及特征 物理意義：物理意義： 代表位錯，并表示其特征（強度、畸變量）；代表位錯，并表示其特征（強度、畸變量）；表示晶體滑移的方向和大小。表示晶體滑移的方向和大小。 反映出柏

20、氏回路包含的位錯所引起點陣畸變的反映出柏氏回路包含的位錯所引起點陣畸變的總積累。總積累。 通常將柏氏矢量稱為位錯強度，該矢量的模通常將柏氏矢量稱為位錯強度，該矢量的模|b|表示了畸變的程度，稱為位錯的強度。表示了畸變的程度，稱為位錯的強度。 位錯的許多性質如位錯的能量，所受的力，應位錯的許多性質如位錯的能量，所受的力，應力場，位錯反應等均與其有關。它也表示出晶力場，位錯反應等均與其有關。它也表示出晶體滑移時原子移動的大小和方向。體滑移時原子移動的大小和方向。 柏氏矢量的特征柏氏矢量的特征 用柏氏矢量可判斷位錯的類型。用柏氏矢量可判斷位錯的類型。 用柏氏矢量可以表示晶體滑移的方向和大小。位用柏氏

21、矢量可以表示晶體滑移的方向和大小。位錯運動導致晶體滑移時，滑移量大小即柏氏矢量錯運動導致晶體滑移時，滑移量大小即柏氏矢量b，滑移方向即為柏氏矢量的方向。，滑移方向即為柏氏矢量的方向。 一條位錯線具有唯一的柏氏矢量。一條位錯線具有唯一的柏氏矢量。若位錯可分解，若位錯可分解，則分解后各分位錯的柏氏矢量之和等于原位錯的則分解后各分位錯的柏氏矢量之和等于原位錯的柏氏矢量。柏氏矢量。 位錯具有連續(xù)性，不能中斷于晶體內部。其存在位錯具有連續(xù)性，不能中斷于晶體內部。其存在形態(tài)可形成一個閉合的位錯環(huán)，或連接于其他位形態(tài)可形成一個閉合的位錯環(huán)，或連接于其他位錯，或終止在晶界，或露頭于晶體表面。錯，或終止在晶界，

22、或露頭于晶體表面。u2.位錯的基本類型位錯的基本類型u位錯可分為刃性位錯、螺型位錯和混合位錯。位錯可分為刃性位錯、螺型位錯和混合位錯。圖 刃型位錯與螺型位錯 1 刃位錯 （1）產生原因 刃型位錯的概念：刃型位錯的概念： 在某一水平面以上多出了垂直方向的原子面，在某一水平面以上多出了垂直方向的原子面，猶如插入的刀刃一樣，猶如插入的刀刃一樣，EF稱為刃型位錯線。稱為刃型位錯線。位錯線附近區(qū)域發(fā)生了原子錯排，因此稱為位錯線附近區(qū)域發(fā)生了原子錯排，因此稱為“刃型位錯刃型位錯” 。 把多余半原子面在滑移面以上的位錯稱為正刃把多余半原子面在滑移面以上的位錯稱為正刃型位錯，用符號型位錯，用符號“”表示，反之

23、為負刃型位表示，反之為負刃型位錯，用錯，用“”表示。表示。 含有多余半原子面的晶體受壓，原子間距小于含有多余半原子面的晶體受壓，原子間距小于正常點陣常數(shù)；不含多余半原子面的晶體受張正常點陣常數(shù)；不含多余半原子面的晶體受張力，原子間距大于正常點陣常數(shù)。力，原子間距大于正常點陣常數(shù)。 位錯在晶體中引起的畸變在位錯線中心處最大，位錯在晶體中引起的畸變在位錯線中心處最大，隨著離位錯中心距離的增大，晶體的畸變逐漸隨著離位錯中心距離的增大，晶體的畸變逐漸減小減小 。 刃型位錯的特點：刃型位錯的特點： 1).刃型位錯有一個額外的半原子面。其實正、刃型位錯有一個額外的半原子面。其實正、負之分只具相對意義而無本

24、質的區(qū)別。負之分只具相對意義而無本質的區(qū)別。 2).刃型位錯線可理解為晶體中已滑移區(qū)與未滑刃型位錯線可理解為晶體中已滑移區(qū)與未滑移區(qū)的邊界線。它不一定是直線，也可以是折移區(qū)的邊界線。它不一定是直線，也可以是折線或曲線，但它必與滑移方向相垂直，也垂直線或曲線，但它必與滑移方向相垂直，也垂直于滑移矢量。于滑移矢量。圖 不同形狀的刃型位錯 3).滑移面必定是同時包含有位錯線和滑移矢滑移面必定是同時包含有位錯線和滑移矢量的平面，在其他面上不能滑移。由于在刃型量的平面，在其他面上不能滑移。由于在刃型位錯中，位錯線與滑移矢量互相垂直，因此，位錯中，位錯線與滑移矢量互相垂直，因此，由它們所構成的平面只有一個

25、。由它們所構成的平面只有一個。 4).晶體中存在刃型位錯之后，位錯周圍的點晶體中存在刃型位錯之后，位錯周圍的點陣發(fā)生彈性畸變，既有切應變，又有正應變。陣發(fā)生彈性畸變，既有切應變，又有正應變。就正刃型位錯而言，滑移面上方點陣受到壓應就正刃型位錯而言，滑移面上方點陣受到壓應力，下方點陣受到拉應力：負刃型位錯與此相力，下方點陣受到拉應力：負刃型位錯與此相反。反。 5).在位錯線周圍的過渡區(qū)（畸變區(qū)）每個原在位錯線周圍的過渡區(qū)（畸變區(qū)）每個原子具有較大的平均能量。但該區(qū)只有幾個原子子具有較大的平均能量。但該區(qū)只有幾個原子間距寬，畸變區(qū)是狹長的管道，所以刃型位錯間距寬，畸變區(qū)是狹長的管道，所以刃型位錯是

26、線缺陷。是線缺陷。晶體局部滑移造成的螺旋位錯（2）螺型位錯）螺型位錯b螺旋位錯的特點：螺旋位錯的特點：（1）柏格斯矢量與螺旋位錯線平行；）柏格斯矢量與螺旋位錯線平行；（2）螺旋位錯分為左旋和右旋。根據螺旋面旋轉）螺旋位錯分為左旋和右旋。根據螺旋面旋轉方向，符合右手法則（即以右手拇指代表螺旋方向，符合右手法則（即以右手拇指代表螺旋面前進方向，其他四指表示螺旋面的旋轉方向）面前進方向，其他四指表示螺旋面的旋轉方向）的稱為右旋螺旋位錯，符合左手法則的稱為左的稱為右旋螺旋位錯，符合左手法則的稱為左旋螺旋位錯；旋螺旋位錯；右螺位錯左螺位錯LL（3）螺旋位錯只引起剪切畸變，而不引起體積膨脹和收縮。因為存在晶體畸變，所以在位錯線附近也形成應力場。同樣地，離位錯線距離越遠，晶格畸變越小。螺旋位錯也只包含幾個原子寬度的線缺陷。 （3）混合位錯）混合位錯 晶體中已滑移區(qū)與未滑移區(qū)的邊界線（即位錯晶體中已滑移區(qū)與未滑移區(qū)的邊界線（即位錯線）既不平行也不垂直于滑移方向，即滑移矢線）既不平行也不垂直于滑移方向，即滑移矢量與位錯線成任意角