第-三-章-晶-體-缺-陷

第三章晶體缺陷

本章要求掌握的主要內(nèi)容一.需掌握的概念和術語1、點缺陷、Schottky空位、Frankel空位、間隙原子、置換原子2、線缺陷、刃型位錯、螺型位錯、混合型位錯、伯氏矢量、位錯運動、滑移、(雙)交滑移、多滑移、攀移、交割、割價、扭折、塞積；位錯應力場、應變能、線張力、作用在位錯上的力、位錯密度、位錯源、位錯生成、位錯增殖、位錯分解與合成、位錯反應、全位錯、不全位錯、堆垛層錯3、面缺陷、表面、界面、界面能、晶界、相界4、關于位錯的應力場、位錯的應變能、線張力等可作為一般了解5、晶界的特性(大、小角度晶界)、孿晶界、相界的類型本章要求掌握的主要內(nèi)容

二.本章重點及難點1、點缺陷的平衡濃度公式2、位錯類型的判斷及其特征、伯氏矢量的特征，3、位錯源、位錯的增殖(F-R源、雙交滑移機制等)和運動、交割4、關于位錯的應力場、位錯的應變能、線張力等可作為一般了解5、晶界的特性(大、小角度晶界)、孿晶界、相界的類型概述前面章節(jié)都是就理想狀態(tài)的完整晶體而言，即晶體中所有的原子都在各自的平衡位置，處于能量最低狀態(tài)。然而在實際晶體中原子的排列不可能這樣規(guī)則和完整，而是或多或少地存在離開理想的區(qū)域，出現(xiàn)不完整性。正如我們?nèi)粘Ｉ钪幸姷接衩装羯嫌衩琢５姆植?。通常把這種偏離完整性的區(qū)域稱為晶體缺陷（crystaldefect;crystallineimperfection)。

概述晶體缺陷（Crystaldefect）——

晶體缺陷分類及特征：

[1]點缺陷（pointdefect）：特征是三維空間的各個方面上尺寸都很小，尺寸范圍約為一個或幾個原子尺度，又稱零維缺陷，包括空位、間隙原子、雜質和溶質原子。

[2]線缺陷（linedefect）：特征是在兩個方向上尺寸很小,另外一個方面上很大，又稱一維缺陷，如各類位錯。

[3]面缺陷（planardefect）：特征是在一個方面上尺寸很小,另外兩個方面上很大，又稱二維缺陷，包括表面、晶界、亞晶界、相界、孿晶界等。1）離開平衡位置的原子有三個去處:(1)形成Schottky空位（vacancy）

(2)形成Frankely缺陷

(3)跑到其它空位上使空位消失或移位。

2）點缺陷的類型：

（1）空位（2）間隙原子（異類）（interstitalatom）：（3）自間隙原子(同類)（self-interstitalatom

）（4）置換原子(外來雜質原子)(substitutionalatom)：3.1點缺陷

3.1.1點缺陷的形成及類型點缺陷示意圖肖特基空位(b)弗侖克爾缺陷晶體中的點缺陷點缺陷類型1點缺陷類型2

3.1.2點缺陷的平衡濃度空位形成能Ev(vacancyformationenergy):

在晶體內(nèi)取出一個原子放到晶體表面上（但不改變晶體的表面積和表面能）所需要的能量點缺陷的平衡濃度(equilibriumconsistence)：

通過熱力學分析，在絕對零度以上的任何溫度，晶體中最穩(wěn)定的狀態(tài)是含有一定濃度的點缺陷的狀態(tài)，這個濃度稱為該溫度下晶體中點缺陷的平衡濃度(equilibriumconsistence)。經(jīng)熱力學推導：

C=n/N=exp（△Sf/k）exp（－Ev/kT）

=Aexp（－Ev/kT）

C與T、Ev之間呈指數(shù)關系。T上升、C升高。Ev對C的影響金屬種類PbAlMgAuCuPtW×10-8J0.080.120.140.150.170.240.56C9.2×10-62.8×10-8

1.5×10-9

3.6×10-10

2.0×10-11

7.8×10-16

5.7×10-36

Ev

3.1.3點缺陷的運動

點缺陷的運動方式：

(1)空位運動。

(2)間隙原子遷移

(3)空位和間隙原子相遇，兩缺陷同時消失。

(4)逸出晶體到表面，或移到晶界，點缺陷消失。

3.1.4點缺陷對結構和性能的影響點缺陷引起晶格畸變（distortionoflattice）,能量升高，結構不穩(wěn)定，易發(fā)生轉變。

點缺陷的存在會引起性能的變化：

(1)物理性質、如R、V、ρ等；

(2)力學性能：采用高溫急冷(如淬火quenching),大量的冷變形（coldworking）,高能粒子輻照（radiation）等方法可獲得過飽和點缺陷，如使σS提高；

(3)影響固態(tài)相變,化學熱處理（chemicalheattreatment）等。3.2位錯

位錯（dislocation）是一種線缺陷,它是晶體中某處一列或若干列原子發(fā)生了有規(guī)律錯排現(xiàn)象；錯排區(qū)是細長的管狀畸變區(qū),長度可達幾百至幾萬個原子間距,寬僅幾個原子間距位錯理論是上個世紀材料科學最杰出的成就之一。3.2.1位錯的基本類型和特征位錯的類型：

1.刃型位錯（edgedislocation）

2.螺型位錯（screwdislocation）

3.混合位錯（mixeddislocation）1.刃型位錯（1）刃型位錯（edgedislocation）的產(chǎn)生

晶體局部滑移造成的刃型位錯（2）刃型位錯圖示：18

刃型位錯線：多余半原子面與滑移面的交線。

（3）刃型位錯特征：①刃型位錯有一個額外的（多余）半原子面。一般把多出的半原子面在滑移面的上邊的稱為正刃型位錯用“⊥”表示;而把多出在下邊的稱為負刃型位錯用“┬”表示。19②刃型位錯是直線、折線或曲線。它與滑移方向、伯氏矢量（b)垂直。20晶體局部滑移造成的刃型位錯刃型位錯立體示意圖刃型位錯的分類幾種形狀的刃型位錯線③滑移面必須是同時包含有位錯線和滑移矢量的平面。位錯線與滑移矢量互相垂直,它們構成平面只有一個。④晶體中存在刃位錯后,位錯周圍的點陣發(fā)生彈性畸變,既有正應變,也有負應變。點陣畸變相對于多余半原子面是左右對稱的，其程度隨距位錯線距離增大而減小。就正刃型位錯而言,上方受壓,下方受拉。⑤在位錯線周圍的畸變區(qū)每個原子具有較大的平均能量?；儏^(qū)是一個狹長的管道。

2.螺型位錯

25(1)螺型位錯（screwdislocation）的圖示

(2)螺型位錯的特點：教材P86的(1)～(6)點注意的是：

(2)中：左、右旋是根據(jù)位錯線附近呈螺旋形排列的原子的旋轉方向的不同。

(5)中：位錯線與滑移矢量平行螺型位錯示意圖晶體局部滑移造成的螺型位錯223.混合位錯(1)

混合位錯（mixeddislocation）的圖示(2)

混合位錯特征:混合位錯可分為刃型分量和螺型分量,它們分別具有刃位錯和螺位錯的特征。刃:ξ⊥b;螺:ξ∥b;

位錯環(huán)(dislocationloop)是一種典型的混合位錯。晶體局部滑移形成混合位錯

混合位錯的原子組態(tài)(a)(b)

晶體中的位錯環(huán)3.2.2伯氏矢量1.伯氏矢量（Burgersvector）的確定：

(1)

選定位錯線的正方向(ξ)一般選定出紙面的方向為位錯線的正向。

(2)在實際晶體中作伯氏回路（Burgerscircuit）

(3)

在完整晶體中按(2)中相同方向和步數(shù)作回路?；芈凡环忾]，由終點向起點作矢量，即為伯氏矢量。(a)圍繞一刃型位錯的伯氏回路(b)圍繞完整晶體的伯氏回路；

刃型位錯伯氏矢量的確定螺型位錯的伯氏回路示意圖完整晶體的伯氏回路

2.用伯氏矢量判斷位錯類型用伯氏矢量判斷位錯類型:(1)

刃型位錯ξe⊥be

右手法則:食指指向位錯線方向，中指指向伯氏矢量方向，拇指指向代表多余半面子面位向，向上為正，向下為負。(2)

螺型位錯ξs∥bs

正向（方向相同）為右螺旋位錯，負向（方向相反）為左螺旋位錯。(3)

混合位錯伯氏矢量與位錯線方向成夾角φ

刃型分量be

螺型分量bs

3.伯氏矢量的特性－A

伯氏矢量的物理意義:是一個反映位錯性質以及由位錯引起的晶格畸變大小的物理量。伯氏矢量特性:(1)

用伯氏矢量可以表示位錯區(qū)域晶格畸變總量的大小。伯氏矢量的方向表示晶體滑移方向。伯氏矢量的模量｜b｜表示畸變的程度，稱為位錯的強度，｜b｜越大,位錯周圍晶體畸變越嚴重。

(2)

伯氏矢量具有守恒性。即一條位錯線的伯氏矢量恒定不變。

(3)

伯氏矢量的唯一性。即一根位錯線具有唯一的伯氏矢量。

(4)

伯氏矢量守恒定律。①位錯分解②位錯交于一點Σbi＝０

b1＝b2+b3

3.伯氏矢量的特性－B(5)

位錯的連續(xù)性:可以形成位錯環(huán)、連接于其他位錯、終止于晶界或露頭于表面,但不能中斷于晶體內(nèi).(6)

可用伯氏矢量判斷位錯類型刃型位錯:ξe⊥be，右手法則判斷正負螺型位錯:ξs∥bs，二者同向右旋,反向左旋

(7)伯氏矢量表示晶體滑移方向和大小.大小|b|，方向為伯氏矢量方向。

(8)

刃型位錯滑移面為ξ與伯氏矢量所構成的平面,只有一個；螺型位錯滑移面不定,多個。

(9)伯氏矢量可以定義為:位錯為伯氏矢量不為0的晶體缺陷.4.

伯氏矢量表示法:立方晶系中

b=（a/n）[uvw]

，其大小成為位錯強度，用模表示，模的大小表示該晶向上原子間的距離。柏氏矢量的模│b│＝3.2.3位錯的運動基本形式:滑移和攀移

滑移（slip）:

攀移（climb）：

除滑移和攀移還有交割（cross/interaction）和扭折（kink）1.位錯的滑移

位錯的滑移(slippingofdisloction):

任何類型的位錯均可進行滑移.(1)刃位錯的滑移過程：∥b、b⊥、滑移方向⊥、滑移方向∥b，單一滑移面。（a）（b）（c）（d）分析：（a）原始狀態(tài)的晶體；（b）、（c）位錯滑移中間階段；（d）位錯移出晶體表面，形成一個臺階（a）（b）（c）（d）分析：（a）原始狀態(tài)的晶體；（b）、（c）位錯滑移中間階段；（d）位錯移出晶體表面，形成一個臺階(2)螺型位錯的滑移過程：∥b、b∥、滑移方向⊥

、滑移方向⊥

b，非單一滑移面?？砂l(fā)生交滑移。（a）位錯環(huán)（b）位錯環(huán)運動后產(chǎn)生的滑移(3)混合位錯的滑移過程：

沿位錯線各點的法線方向在滑移面上擴展，滑動方向垂直于位錯線方向。但滑動方向與伯氏矢量有夾角。2.位錯的攀移

位錯的攀移(climbingofdisloction):在垂直于滑移面方向上運動攀移的實質:刃位錯多余半原子面的擴大和縮小.刃位錯的攀移過程:正攀移,向上運動；負攀移,向下運動注意：只有刃型位錯才能發(fā)生攀移；滑移不涉及原子擴散，而攀移必須借助原子擴散；外加應力對攀移起促進作用，壓（拉）促進正（負）攀移；高溫影響位錯的攀移(a)空位運動引起的攀移(b)間隙原子運動引起的攀移刃型位錯的攀移 小技巧：判斷位錯運動方向

判斷位錯運動后,它掃過的兩側的位移方向：根據(jù)位錯線的正向和伯氏矢量以及位錯運動方向來確定位錯掃過的兩側滑動的方向?？捎糜沂侄▌t判斷：食指指向位錯線正方向，中指指向位錯運動方向，拇指指向沿伯氏矢量方向位移的那一側的晶體。3.位錯的交割

位錯的交割（cross）：（1）割階與扭折（jogandkink）割階：曲折段垂直于位錯的滑移面時扭折：曲折段在位錯的滑移面上時

注：①刃型位錯的割階仍為刃型位錯,扭折為螺型位錯。螺型位錯的割階和扭折均為刃型位錯。②刃型位錯的扭折是一可動螺位錯,割階也是一可動的刃位錯。螺型位錯的扭折是可動的刃型位錯,割階是不可動的刃型位錯。（2）幾種典型的位錯交割交割后要遵循伯氏矢量的一些特征。①兩伯氏矢量相互垂直的刃型位錯交割（圖3.18a）：PP′為割階,b2

⊥PP′,PP′大小和方向取決于b1，為刃型位錯。

②兩伯氏矢量相互平行的刃型位錯交割（圖3.18b）：PP′為扭折，b2

⊥PP′，QQ′為扭折，b1

⊥QQ′，PP′和QQ′都是螺位錯。

③兩伯氏矢量相互垂直的刃型位錯和螺型位錯交割（圖3.19）：MM′為割階,b1

⊥MM′,MM′大小和方向取決于b2，為刃型位錯。NN′為扭折，b2

⊥NN′，NN′大小和方向取決于b1，為刃型位錯。

④兩伯氏矢量相互垂直的螺型位錯交割（圖3.20）：MM′和NN′均為刃型割階。

結論：①運動位錯交割后,可以產(chǎn)生扭折或割階,其大小和方向取決與另一位錯的伯氏矢量,其方向平行,大小為其模,但具原位錯的伯氏矢量。如果另一位錯的伯氏矢量與該位錯線平行,則交割后該位錯線不出現(xiàn)曲折。②所有割階都是刃位錯,而扭折可以是刃位錯,也可以是螺位錯。交割后曲折段的方向取決與位錯相對滑移過后引起晶體的相對位移情況。相對位移可通過右手定則來判斷。③扭折與原位錯在同一滑面上,可隨主位錯線一起運動,幾乎不產(chǎn)生阻力,且扭折在線張力作用下易與消失。割階與原位錯線在同一滑移面上,除攀移外割階一般不能隨主位錯一起運動,成為位錯運動的障礙。

3.2.4位錯的彈性性質（一般了解）3.2.5位錯的生成與增殖位錯的密度位錯密度定義為單位體積晶體中所含位錯線的總長度，其表達式為

ρ=L/V

對于實際晶體：

ρ=n/A

位錯的生成(P105)位錯的增殖位錯增殖的機制有多種，其中最重要的是弗蘭克和瑞德于1950年提出并已為實驗所證實的位錯增殖機構稱為弗蘭克-瑞德(Frank-Rend）源，簡稱F-R源。

弗蘭克-瑞德源的動作過程

雙交滑移位錯增殖機制3.2.6實際晶體結構中的位錯1.實際晶體中位錯的柏氏矢量

實際晶體中根據(jù)柏氏矢量的不同，可把位錯分為以下幾種形式（1）b等于單位點陣矢量的稱為“單位位錯”（2）b等于單位點陣矢量的整數(shù)倍的為“全位錯”（3）b不等于單位點陣矢量或其整數(shù)倍的為“不全位錯”或稱“部分位錯”2.堆垛位錯（a）面心立方結構；（b）密排六方結構密排面的堆垛順序a）抽出型；（b）插入型面心立方結構的堆垛層錯3.不全位錯（1）肖克萊(Shockley)不全位錯（2）弗蘭克（Frank）不全位錯

3.3表面與界面

面缺陷的特征：面缺陷類型：

表面(surface)

內(nèi)界面(interface)：晶界、亞晶界、孿晶界、相界、層錯3.3.1外表面

表面(crystalsurface)—

表面能(γ）：晶體表面單位面積自由能的增加表示法：γ=dw/ds

γ=[被割斷的結合鍵數(shù)/形成單位新表面]×[能量/每個鍵]

影響γ的因素：

(1)γ與晶體表面原子排列的致密程度有關。原子密排的表面具有最小的表面能。

(2)γ還與晶體表面曲率有關。曲率半徑小,曲率大,γ愈大。

(3)外部質的性質。介質不同,則γ不同。

(4)還與晶體性質有關。晶體本身結合能高，則γ大。3.3.2晶界和亞晶界

晶界(grainboundary)：亞晶界(subgrainboundary)：

確定晶界位置用：

(1)兩晶粒的位向差θ(2)晶界相對于一個點陣某一平面的夾角φ。按θ的大小分類：

小角度晶界θ<10o

大角度晶界θ>10o

1.小角度晶界

小角度晶界（lowanglegrainboundaries

）：由一系列相隔一定距離的刃型位錯所組成。

分類：

(1)對稱傾斜界面（tiltboundary）：晶界平面為兩個相鄰晶粒的對稱面。是由一列平行的刃型位錯所組成。相鄰位錯距離D與b、θ之間關系：P120

(2)不對稱傾斜界面：兩晶粒不以二者晶界為對稱的晶界看成兩組互相垂直的刃型位錯排列而成的。兩位錯各自的間距為D⊥和D├，則有3.40式。

(3)扭轉晶界（twistboundary）：將一塊晶體沿橫斷面切開,并使上下部分晶體繞軸轉動θ角,可看成是由互相交叉的螺位錯所組成。對稱傾側晶界不對稱傾斜界面扭轉晶界2.大角度晶界

大角度晶界（highanglegrainboundaries

）為原子呈不規(guī)則排列的一過渡層。大多數(shù)晶粒之間的晶界都屬于大角度晶界。重合位置點陣（coincidencesitelattice）模型：圖3.67，該模型說明，在大角度晶界結構中將存在一定數(shù)量重合點陣原子。大角度晶界3.晶界能

晶界能：形成單位面積界面時，系統(tǒng)的自由能變化（dF/dE）。小角度晶界能量與θ有關：γ=γ0θ(A－lnθ)

，式中

γ0=Gb/4п(1－ν)大角度晶界能量與θ無關，基本上為一恒定值,0.25—1.0J/㎡晶界能可以界面張力的形式來表現(xiàn)，在達到平衡態(tài)時，在平衡狀態(tài)時，三叉晶界的各面角均趨與穩(wěn)定狀態(tài)，此時

φ1=φ2=φ3=120o。三個晶界相交于一直線（垂直于紙面）4.晶界特征

（1）晶界處點畸變大，存在晶界能。（2）常溫下晶界的存在會對位錯的