3點(diǎn)缺陷及位錯(cuò)1

1、第三章 晶體缺陷 第一章講的晶體學(xué)基礎(chǔ)，都是假設(shè)晶體完全處于理想狀態(tài)，即晶體嚴(yán)格地按周期性的有規(guī)則的排列。 然而，對(duì)于現(xiàn)實(shí)中使用的材料來說，其原子或離子的排列不可能是完全規(guī)則的，即存在著晶體缺陷。晶體缺陷有其不可避免性。晶體缺陷的存在對(duì)于材料性能的影響是的，有時(shí)人們要盡量避免、減少缺陷的存在；有時(shí)人們又要有目的地引入某種缺陷以改進(jìn)材料的性能。對(duì)于這些原子或離子排列上的缺陷，我們必須用一分為二的觀點(diǎn)來對(duì)待它。 3.0 晶體缺陷的分類1第三章 晶體缺陷 按照缺陷區(qū)相對(duì)于晶體的大小，將晶體缺陷分為4類：（1） 點(diǎn)缺陷 典型代表有空位與間隙原子等點(diǎn)缺陷在三維空間各方向上的尺寸都很小，所以也稱為零維缺陷

2、。如果晶格中某格點(diǎn)上的原子空缺了，則稱為空位，這是晶體中最重要的點(diǎn)缺陷。脫位原子有可能擠入格點(diǎn)的間隙位置，形成間隙原子。 （2） 線缺陷 即位錯(cuò) 線缺陷在兩個(gè)方向上的尺寸都很小，在另一個(gè)方向上延伸較長(zhǎng)，也稱為一維缺陷。（3）面缺陷 如晶界、相界、孿晶界、堆垛層錯(cuò)等 面缺陷在兩個(gè)方向上的尺寸都很大，在另一個(gè)方向上尺度較小，也稱為二維缺陷。（4）體缺陷 如沉積相、孔洞、氣泡等 體缺陷在三維空間各方向上的尺寸都很大，所以也稱為三維缺陷。 這些缺陷在晶體中的濃度很低，但是對(duì)晶體性質(zhì)的影響卻很大。他們經(jīng)常共存，并相互聯(lián)系，相互制約，在一定的條件下可以相互轉(zhuǎn)化。3.0 晶體缺陷的分類2第三章 晶體缺陷 點(diǎn)

3、缺陷是最簡(jiǎn)單的晶體缺陷，它是在結(jié)點(diǎn)上或鄰近的微觀區(qū)域內(nèi)偏離晶體結(jié)構(gòu)的正常排列的一種缺陷。晶體點(diǎn)缺陷包括空位、間隙原子、雜質(zhì)或溶質(zhì)原子，以及由它們組成的復(fù)雜點(diǎn)缺陷，如空位對(duì)、空位團(tuán)和空位-溶質(zhì)原子對(duì)等。 空位和間隙原子是由于原子的熱運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的，屬于熱力學(xué)平衡缺陷。 點(diǎn)缺陷與線、面缺陷的區(qū)別之一是后者為熱力學(xué)不穩(wěn)定的缺陷。3.1 點(diǎn)缺陷 3.1.1 點(diǎn)缺陷的形成3第三章 晶體缺陷3.1 點(diǎn)缺陷 3.1.1 點(diǎn)缺陷的形成一是遷移到晶體表面或內(nèi)表面的正常結(jié)點(diǎn)位置上，而使晶體內(nèi)部留下空位，稱為肖脫基（Schottky）空位；43.1 點(diǎn)缺陷 3.1.1 點(diǎn)缺陷的形成第三章 晶體缺陷二是擠人點(diǎn)陣的間隙位

4、置，而在晶體中同時(shí)形成數(shù)目相等的空位和間隙原子，則稱為弗蘭克爾（Frenkel）缺陷；5第三章 晶體缺陷3.1 點(diǎn)缺陷 3.1.1 點(diǎn)缺陷的形成三是跑到其他空位中，使空位消失或使空位移位。另外，在一定條件下，晶體表面上的原子也可能跑到晶體內(nèi)部的間隙位置形成間隙原子 63.1 點(diǎn)缺陷 3.1.2 點(diǎn)缺陷的平衡濃度第三章 晶體缺陷 點(diǎn)缺陷形成的驅(qū)動(dòng)力與溫度有關(guān)，在一定的溫度場(chǎng)下，能夠使原子離位形成點(diǎn)缺陷，那么點(diǎn)缺陷的數(shù)目會(huì)無限制增加嗎？ 從理論上分析可以知道：一定溫度下，點(diǎn)缺陷的數(shù)目是一定的，這就是點(diǎn)缺陷的平衡濃度。73.1 點(diǎn)缺陷 3.1.2 點(diǎn)缺陷的平衡濃度第三章 晶體缺陷 對(duì)點(diǎn)缺陷的平衡濃度

5、如何來理解？從熱力學(xué)的觀點(diǎn)：點(diǎn)缺陷平衡濃度是矛盾雙方的統(tǒng)一。(1)一方面，晶體中點(diǎn)缺陷的形成引起了點(diǎn)陣的畸變，使晶體的內(nèi)能增加，提高了系統(tǒng)的自由能。(2)另一方面，由于點(diǎn)缺陷的形成，增加了點(diǎn)陣排列的混亂度，系統(tǒng)的微觀狀態(tài)數(shù)目發(fā)生變化，使體系的組態(tài)熵增加，引起自由能下降。當(dāng)這對(duì)矛盾達(dá)到統(tǒng)一時(shí)，系統(tǒng)就達(dá)到平衡。因?yàn)橄到y(tǒng)都具有最小自由能的傾向，由此確定的點(diǎn)缺陷濃度即為該溫度下的平衡濃度。83.1 點(diǎn)缺陷 3.1.3 過飽和點(diǎn)缺陷的形成第三章 晶體缺陷a. 熱平衡點(diǎn)缺陷：由熱起伏促使原子脫離點(diǎn)陣位置而形成的點(diǎn)缺陷，體系自由能最低。b.過飽和點(diǎn)缺陷：利用某些手段使晶體中形成的點(diǎn)缺陷濃度超過了熱平衡濃度，

6、此時(shí)的點(diǎn)缺陷濃度成為過飽和點(diǎn)缺陷。體系自由能高，晶體處于非熱平衡狀態(tài)。93.1 點(diǎn)缺陷 3.1.3 過飽和點(diǎn)缺陷的形成第三章 晶體缺陷某些手段：高溫淬火高溫時(shí)產(chǎn)生大量的空位，急劇冷卻時(shí)被保留下來冷加工位錯(cuò)交割高能輻照原子被撞擊，產(chǎn)生大量的空位和間隙原子。103.1 點(diǎn)缺陷 3.1.4 點(diǎn)缺陷對(duì)晶體性能的影響第三章 晶體缺陷 （1）結(jié)構(gòu)變化：晶格畸變（如空位引起晶格收縮，間隙原子引起晶格膨 脹，置換原子可引起收縮或膨脹。）（2）性能變化： 力學(xué)性能影響較小 屈服強(qiáng)度提高 物理性能影響較大 密度減小空位的產(chǎn)生使體積增大 電阻率增大缺陷區(qū)域?qū)﹄娮赢a(chǎn)生散射 比熱容形成點(diǎn)缺陷需要向晶體提供附加的能量 1

7、1第三章 晶體缺陷3.2 線缺陷-位錯(cuò) 3.2.0 位錯(cuò)的提出 “位錯(cuò)”這個(gè)概念是在1934年提出的。是為了解釋晶體在切應(yīng)力作用下變形所受的力，實(shí)驗(yàn)值大大低于理論值這個(gè)現(xiàn)象。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，在二十世紀(jì)五十年代末科學(xué)家們已能從晶體生長(zhǎng)情況判斷出位錯(cuò)的存在（上圖），并進(jìn)而用透射電子顯微鏡觀察到了晶體中的位錯(cuò)（下圖）。 完整晶體塑性變形滑移的模型金屬晶體的理論強(qiáng)度理論強(qiáng)度比實(shí)測(cè)強(qiáng)度高出幾個(gè)數(shù)量級(jí)（表） 晶體缺陷的設(shè)想 線缺陷（位錯(cuò)）的模型 以位錯(cuò)滑移模型計(jì)算出的晶體強(qiáng)度，與實(shí)測(cè)值基本相符。12第三章 晶體缺陷3.2 線缺陷-位錯(cuò) 3.2.0 位錯(cuò)的提出 晶體的一部分區(qū)域發(fā)生了一個(gè)原子間距的滑移，

8、另一部分不滑移，那么在以滑移區(qū)和未滑移區(qū)的交界處的原子就不可能“對(duì)齊”，必然產(chǎn)生嚴(yán)重的“錯(cuò)配”，這個(gè)原子錯(cuò)配的過渡區(qū)域，即為位錯(cuò)，這個(gè)區(qū)域的寬度只有幾個(gè)或幾十個(gè)原子間距的寬度，長(zhǎng)度可以達(dá)到晶體的宏觀尺寸，故位錯(cuò)為一個(gè)線缺陷。13第三章 晶體缺陷3.2 線缺陷-位錯(cuò) 3.2.1 位錯(cuò)的基本類型和性質(zhì) 類型的劃分依據(jù)位錯(cuò)線與位錯(cuò)滑移方向之間的相互關(guān)系（1）刃型位錯(cuò)位錯(cuò)線垂直于位錯(cuò)的滑移方向14刃型位錯(cuò)的基本特征：存在一個(gè)對(duì)稱的半原子面。即在完整的晶體中插入半個(gè)原子面而形成的，半個(gè)原子面的邊緣 EF即刃位錯(cuò)線，在EF處滑移面上下的原子嚴(yán)重錯(cuò)配。通常將多出的半原子面在滑移面上面的刃型位錯(cuò)稱為正刃型位錯(cuò)

9、，記為 將多出的半原子面在滑移面下面的刃型位錯(cuò)稱為負(fù)刃型位錯(cuò)，記為第三章 晶體缺陷3.2 線缺陷-位錯(cuò) 3.2.1 位錯(cuò)的基本類型和性質(zhì) （1）刃型位錯(cuò)15刃型位錯(cuò)的基本特征：刃位錯(cuò)線可以理解為已滑移區(qū)和未滑移區(qū)的分界線?？梢允侵本€、折線或曲線，但是必須與滑移方向垂直，也垂直于滑移矢量。滑移面必須是由位錯(cuò)線和滑移矢量所確定的平面，在其他晶面上不能產(chǎn)生滑移?；泼嫖ㄒ?。第三章 晶體缺陷3.2 線缺陷-位錯(cuò) 3.2.1 位錯(cuò)的基本類型和性質(zhì) （1）刃型位錯(cuò)16刃型位錯(cuò)的基本特征：刃位錯(cuò)周圍的點(diǎn)陣發(fā)生彈性畸變，既有切應(yīng)變，也有正應(yīng)變。對(duì)正刃位錯(cuò)而言，滑移面上方受到壓應(yīng)力、下方受拉應(yīng)力；對(duì)負(fù)刃位錯(cuò)而言

10、，情況相反。在位錯(cuò)線周圍的過渡區(qū)每個(gè)原子具有較大的平均能量，該過渡區(qū)只有幾個(gè)或十幾個(gè)原子的寬度。第三章 晶體缺陷3.2 線缺陷-位錯(cuò) 3.2.1 位錯(cuò)的基本類型和性質(zhì) （1）刃型位錯(cuò)17第三章 晶體缺陷3.2 線缺陷-位錯(cuò) 3.2.1 位錯(cuò)的基本類型和性質(zhì) （1）刃型位錯(cuò)18第三章 晶體缺陷3.2 線缺陷-位錯(cuò) 3.2.1 位錯(cuò)的基本類型和性質(zhì) （2）螺型位錯(cuò)位錯(cuò)線平行于滑移方向19螺型位錯(cuò)的基本特征：螺型位錯(cuò)無額外的半原子面，原子錯(cuò)排呈軸對(duì)稱的。 根據(jù)位錯(cuò)線附近呈螺旋形排列的原子的旋轉(zhuǎn)方向不同，螺型位錯(cuò)分為右螺型位錯(cuò)和左螺型位錯(cuò)。螺型位錯(cuò)線與滑移矢量平行，因此螺位錯(cuò)線是直線，位錯(cuò)線的移動(dòng)方向與晶體的滑移方向互相垂直。第三章 晶體缺陷3.2 線缺陷-位錯(cuò) 3.2.1 位錯(cuò)的基本類型和性質(zhì) 20螺型位錯(cuò)的基本特征：螺型位錯(cuò)的滑移面不是唯一的。凡是包含位錯(cuò)線的晶面都可以作為它的滑移面。但是在實(shí)際的滑移過程中，滑移通常在密排面上進(jìn)行。螺型位錯(cuò)線周圍的點(diǎn)陣同樣發(fā)生了彈性畸變，但是只存在切應(yīng)變、無正應(yīng)變，不會(huì)引起體積變化。在垂直于位錯(cuò)線的平面上投影，看不到原子的位移，也看不到缺陷。螺型位錯(cuò)周圍的點(diǎn)陣畸變也只有幾個(gè)或十幾個(gè)原子的寬度。第三章 晶體缺陷3.2 線缺陷-位錯(cuò) 3.2.1 位錯(cuò)的基本類型和性質(zhì) 21第三章 晶體