晶体结构与缺陷

1、钢材中常见的缺陷（黑线为晶界） 理想晶体： 质点严格按照空间点阵排列的晶体。 结构基元或者构成物体的粒子结构基元或者构成物体的粒子(原子、离子或分子等原子、离子或分子等)严格按严格按照空间点阵规则排列的晶体。照空间点阵规则排列的晶体。（理想晶体中的势场也具有严格的周期性） 晶体缺陷： 指实际晶体中与理想的点阵结构发生偏差的区域 。 一般地来说，这些偏差区域的存在并不会严重影响晶体结构的基本特性，仅是晶体中少数原子的排列特征发生了改变，相对于晶体结构的周期性和稳定性而言，晶体缺陷区域显得十分活跃，它的状态容易受外界条件的影响，因而它们的存在（数量、分布等）对材料的行为起着十分重要的作用。第二章

2、晶体结构与缺陷51 晶体结构缺陷的类型 511 按几何形态的分类 （1）点缺陷 （2）线缺陷 （3）面缺陷(2)线缺陷：u 线缺陷就是在两个方向上尺寸很小，在一个方向上尺寸很大的缺陷线缺陷就是在两个方向上尺寸很小，在一个方向上尺寸很大的缺陷 所以也称为一维缺陷。所以也称为一维缺陷。u 线缺陷是各种类型的位错。线缺陷是各种类型的位错。u 位错是晶体内部一种有规律的管状畸变区。原子发生错排的范围，位错是晶体内部一种有规律的管状畸变区。原子发生错排的范围，在一个方向上尺寸较大，而另外两个方向上尺寸较小，是一个直径在一个方向上尺寸较大，而另外两个方向上尺寸较小，是一个直径为为35个原子间距，长几百到几

3、万个原子间距的管状原子畸变区。个原子间距，长几百到几万个原子间距的管状原子畸变区。u 位错的产生及运动与材料的韧性、脆性等有密切的关系。位错的产生及运动与材料的韧性、脆性等有密切的关系。u 最简单的位错是刃型位错和螺型位错。最简单的位错是刃型位错和螺型位错。 2.点缺陷的形成点缺陷的形成 原子相互作用的两种作用力：原子相互作用的两种作用力：(1)原子间的吸原子间的吸引力；引力；(2)原子间的斥力原子间的斥力 点缺陷形成最重要的环节是原子的振动点缺陷形成最重要的环节是原子的振动 原子的热振动原子的热振动 （以一定的频率和振幅作振动）（以一定的频率和振幅作振动） 原子被束缚在它的平衡位置上，但原子

4、却在做原子被束缚在它的平衡位置上，但原子却在做着挣脱束缚的努力着挣脱束缚的努力 点缺陷形成的驱动力：温度、离子轰击、冷加点缺陷形成的驱动力：温度、离子轰击、冷加工工 在外界驱动力作用下，哪个原子能够挣脱束缚，在外界驱动力作用下，哪个原子能够挣脱束缚，脱离平衡位置是不确定的，宏观上说这是一种脱离平衡位置是不确定的，宏观上说这是一种几率分布几率分布 （3）面缺陷是一种二维缺陷，它的质点在二维方向上偏离理想晶体中的周期性、规律性排列等，这种缺陷的尺寸在二维方向上延伸，在第三维方向上很小。常见于晶体中的晶界、表面、相界、堆积层错等部位。 面缺陷是二维缺陷。u属于同一固相但位向不同的晶粒之间的界面称属于

5、同一固相但位向不同的晶粒之间的界面称为晶界；而每个晶粒有时又由若干个位向稍有为晶界；而每个晶粒有时又由若干个位向稍有差异的亚晶粒所组成，相邻亚晶粒间的界面称差异的亚晶粒所组成，相邻亚晶粒间的界面称为亚晶界。为亚晶界。图 晶界与亚晶界示意图由一系列刃位错构成的小角倾侧晶界面缺陷密堆积形成的层错面缺陷孪晶造成的面缺陷孪晶是指两个晶体孪晶是指两个晶体(或一个晶体的两部分或一个晶体的两部分)沿一个公共晶沿一个公共晶面构成镜面对称的位向关系，这两个晶体就称为面构成镜面对称的位向关系，这两个晶体就称为“孪晶孪晶(twin)”，此公共晶面就称孪晶面。，此公共晶面就称孪晶面。 相界相界 具有不同结构的两相之间

6、的分界面称为具有不同结构的两相之间的分界面称为“相界相界”。按结构特点，相界面可分为。按结构特点，相界面可分为共格、半共格和非共格相界三种类型。共格、半共格和非共格相界三种类型。图 具有完善共格关系的相界图 具有弹性畸变的共格相界图 半共格界面图 非共格界面晶界特性晶界特性 1.晶界处点阵畸变大，存在晶界能。晶粒的长晶界处点阵畸变大，存在晶界能。晶粒的长大和晶界的平直化都能减少晶界面积，从而降大和晶界的平直化都能减少晶界面积，从而降低晶界的总能量。低晶界的总能量。 2.晶界处原子排列不规则，在常温下晶界的存晶界处原子排列不规则，在常温下晶界的存在会对位错的运动起阻碍作用，致使塑性变形在会对位错

7、的运动起阻碍作用，致使塑性变形抗力提高，宏观表现为晶界较晶内具有较高的抗力提高，宏观表现为晶界较晶内具有较高的强度和硬度。晶粒越细强度和硬度。晶粒越细,材料的强度越高，这材料的强度越高，这就是细晶强化。就是细晶强化。 3.晶界处原子偏离平衡位置，具有较高的动能，晶界处原子偏离平衡位置，具有较高的动能，并且晶界处存在较多的缺陷如空穴、杂质原子并且晶界处存在较多的缺陷如空穴、杂质原子和位错等，故晶界处原子的扩散速度比在晶内和位错等，故晶界处原子的扩散速度比在晶内快得多。快得多。 4.在固态相变过程中在固态相变过程中,由于晶界能量较高且原由于晶界能量较高且原子活动能力较大子活动能力较大,所以新相易于

8、在晶界处优先所以新相易于在晶界处优先形核形核.原始晶粒越细原始晶粒越细,晶界越多晶界越多,则新相形核率则新相形核率也相应越高。也相应越高。 5.由于成分偏析和内吸附现象，特别是晶界富由于成分偏析和内吸附现象，特别是晶界富集杂质原子的情况下，往往晶界熔点较低，故集杂质原子的情况下，往往晶界熔点较低，故在加热过程中，因温度过高将引起晶界熔化和在加热过程中，因温度过高将引起晶界熔化和氧化，导致氧化，导致“过热过热”现象产生。现象产生。 6.由于晶界能量较高、原子处于不稳定状态，由于晶界能量较高、原子处于不稳定状态，以及晶界富集杂质原子的缘故，与晶内相比晶以及晶界富集杂质原子的缘故，与晶内相比晶界的腐

9、蚀速度一般较快。这就是用腐蚀剂显示界的腐蚀速度一般较快。这就是用腐蚀剂显示金相样品组织的依据，也是某些金属材料在使金相样品组织的依据，也是某些金属材料在使用中发生晶间腐蚀破坏的原因。用中发生晶间腐蚀破坏的原因。第二章 晶体结构与缺陷 512 按产生原因的分类 (1) 热缺陷 (2) 杂质缺陷 (3) 非化学计量缺陷 (4)电荷缺陷 (5)辐射缺陷 热缺陷当晶体的温度高于0K时， 由于晶格上质点热振动，使一部分能量较高的质点离开平衡位置而造成缺陷。所以热缺陷是晶体的本征缺陷，是由于热起伏的热缺陷是晶体的本征缺陷，是由于热起伏的原因所产生的空位或（和）间隙质点。原因所产生的空位或（和）间隙质点。

10、热缺陷的主要类型：（1）弗仑克尔缺陷）弗仑克尔缺陷 (a)（Frenkel）（2）肖特基缺陷）肖特基缺陷 (b)（Schottky） （1）弗仑克尔缺陷： 在晶格热振动时， 一些能量较大的质点 离开平衡位置后，进 入到间隙位置，形成间隙质点，而在原来位置上形成空位 特点： 间隙质点与空位总是成对出现 正离子弗仑克尔缺陷负离子弗仑克尔缺陷二者之间没有直接联系。 影响因素： 与晶体结构有很大关系 NaCl型晶体中间隙较小，不易产生弗仑克尔缺陷； 萤石型结构中存在很大间隙位置，相对而言比较容易生成填隙离子。 （2）肖特基缺陷： 如果正常格点上的 质点，在热起伏过程中 获得能量离开平衡位置迁移到晶体的

11、表面，而在晶体内部正常格点上留下空位 特点： （1）特基缺陷的生成需要一个像晶界、位错或者表面之类的晶格排列混乱的区域；正离子空位和负离于空位按照分子式同时成对产生，伴随晶体体积增加. VVMgCl2Null 特点：特点： （2）从形成缺陷的能量来分析）从形成缺陷的能量来分析 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对于大多数晶体来缺陷形成的能量因此对于大多数晶体来说，说，Schttky 缺陷是主要的。缺陷是主要的。 产生 复合 浓度是温度温度的函数 随着温度升高，缺陷浓度呈指数上升，对于某一特定材料，在定温度下，热缺陷浓度是恒定的。 动平衡动平衡热

12、缺陷浓度表示热缺陷浓度表示 ：)2exp(KTENn 杂质缺陷：杂质缺陷： 也称为组成缺陷，是由于外来杂质的引入所产生的缺陷。 虽然杂质掺杂量一般较小（ 0.1%），进入晶体后无论位于何处，均因杂质质点和原有的质点性质不同，故它不仅破坏了质点有规则的排列，而且在杂质质点周围的周期势场引起改变，因此形成种缺陷。 溶剂：原晶体 溶质：溶质 晶体中杂质含量在未超过其固溶度时，杂质缺陷的浓度与温度无关；这点是与热缺陷是不同的。 应用：在某些情况下，晶体中可以溶入较大量的杂质，如制造固体氧化物燃料电池电介质材料，使用810(mol)Y2O3溶入ZrO2中，Y3置换Zr4，形成大量氧空位缺陷，可传导氧离子

13、，起到离子导电的作用。 杂质缺陷的小结：杂质缺陷的小结： 概念概念杂质原子进入晶体而产生的缺陷。原杂质原子进入晶体而产生的缺陷。原子进入晶体的数量一般小于子进入晶体的数量一般小于0.1%。 种类种类间隙杂质间隙杂质 置换杂质置换杂质 特点特点杂质缺陷的浓度杂质缺陷的浓度与温度无关与温度无关， 只决定于溶解度只决定于溶解度。 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(改善晶体的某种性能改善晶体的某种性能) 非化学计量缺陷定比定律：指化合物分子式具有固定的正负离子数比，且其比值不会随外界条件的变化而变化，此类化合物称为计量化合物；一些化合物的化学组成会明显地随着周围气氛的性质、压

14、力大小的变化而发生组成偏离计量化合物的现象，由此产生的晶体缺陷称为非化学计量缺陷。所以对于一些变价元素的人工合成晶体尤其容易形成非计量化合物。 非化学计量化合物的特点： （1）产生的原因及其浓度与气氛性质、压力等有关，这是有别于其他缺陷； （2）可以看成是高价化合物与低价化合物之间的固溶体，即不等价置换是发生在同一种离子中的高价态与低价态之间的相互置换；（如，四氧化三铁） （3）缺陷的浓度与温度无关 2.5.2 热缺陷的浓度计算点缺陷的存在使晶体体积膨胀，密度减小。点缺陷的存在使晶体体积膨胀，密度减小。点缺陷引起晶格畸变，使材料内部的能量提高，系统不稳点缺陷引起晶格畸变，使材料内部的能量提高，

15、系统不稳定，容易发生晶型转变等。定，容易发生晶型转变等。点缺陷引起电阻的增加，这是由于晶体中存在点缺陷时，点缺陷引起电阻的增加，这是由于晶体中存在点缺陷时，对传导电子产生了附加的电子散射，使电阻增大。对传导电子产生了附加的电子散射，使电阻增大。空位对金属的许多过程有着影响，特别是对高温下进行的空位对金属的许多过程有着影响，特别是对高温下进行的过程起着重要的作用。过程起着重要的作用。金属的扩散、高温塑性变形的断裂、退火、沉淀、表面化金属的扩散、高温塑性变形的断裂、退火、沉淀、表面化学热处理、表面氧化、烧结等过程都与空位的存在和运动学热处理、表面氧化、烧结等过程都与空位的存在和运动有着密切的联系。

16、有着密切的联系。 过饱和点缺陷（如淬火空位、辐照缺陷）还提高了金属的过饱和点缺陷（如淬火空位、辐照缺陷）还提高了金属的屈服强度。屈服强度。在一般情形下，点缺陷对金属力学性能的影响较小，而对在一般情形下，点缺陷对金属力学性能的影响较小，而对材料的物理性能的影响较大材料的物理性能的影响较大点缺陷对材料性能的影响：点缺陷对材料性能的影响： 2.5.3 线缺陷 （位错）位错及其相关理论的研究是上世纪材料科学研究中的最杰出的成果之一。50年代后，透射电镜直接观测到了晶体中位年代后，透射电镜直接观测到了晶体中位错的存在、运动、增殖。错的存在、运动、增殖。位错的类型：刃位错、螺旋位错、混合位错 1.位错学说

17、的产生位错学说的产生 1926年弗兰克尔利用理想晶体的模型估算了年弗兰克尔利用理想晶体的模型估算了理论切变强度，与实验结果相比相差理论切变强度，与实验结果相比相差34个数个数量级。量级。 1934年泰勒，波朗依和奥罗万三人几乎同时年泰勒，波朗依和奥罗万三人几乎同时提出晶体中位错的概念。提出晶体中位错的概念。 泰勒把位错与晶体塑变的滑移联系起来，认为泰勒把位错与晶体塑变的滑移联系起来，认为位错在切应力作用下发生运动，依靠位错的逐位错在切应力作用下发生运动，依靠位错的逐步传递完成了滑移。步传递完成了滑移。 与刚性滑移不同，位错的移动只需邻近原子作与刚性滑移不同，位错的移动只需邻近原子作很小距离的弹

18、性偏移就能实现，而晶体其他区很小距离的弹性偏移就能实现，而晶体其他区域的原子仍处在正常位置，因此滑移所需的临域的原子仍处在正常位置，因此滑移所需的临界切应力大为减小。界切应力大为减小。晶体中的柏格斯氏矢量 （方向表示滑移、大小为原子间距）.柏氏矢量柏氏矢量（1）柏氏矢量的确定方法）柏氏矢量的确定方法先确定位错线的方向先确定位错线的方向(一般规定位错线垂直纸面时，一般规定位错线垂直纸面时，由纸面向外为正向由纸面向外为正向)，按右手法则做柏氏回路，右，按右手法则做柏氏回路，右手大拇指指位错线正向，回路方向按右手螺旋方向手大拇指指位错线正向，回路方向按右手螺旋方向确定。确定。从实际晶体中任一原子出发

19、，避开位错附近的严重从实际晶体中任一原子出发，避开位错附近的严重畸变区作一闭合回路，回路每一步连接相邻原子。畸变区作一闭合回路，回路每一步连接相邻原子。按同样方法在完整晶体中做同样回路，步数、方向按同样方法在完整晶体中做同样回路，步数、方向与上述回路一致，这时终点和起点不重合，由终点与上述回路一致，这时终点和起点不重合，由终点到起点引一矢量即为柏氏矢量到起点引一矢量即为柏氏矢量b。 柏氏矢量的物理意义及特征柏氏矢量的物理意义及特征 物理意义：物理意义： 代表位错，并表示其特征（强度、畸变量）；代表位错，并表示其特征（强度、畸变量）；表示晶体滑移的方向和大小。表示晶体滑移的方向和大小。 反映出柏

20、氏回路包含的位错所引起点阵畸变的反映出柏氏回路包含的位错所引起点阵畸变的总积累。总积累。 通常将柏氏矢量称为位错强度，该矢量的模通常将柏氏矢量称为位错强度，该矢量的模|b|表示了畸变的程度，称为位错的强度。表示了畸变的程度，称为位错的强度。 位错的许多性质如位错的能量，所受的力，应位错的许多性质如位错的能量，所受的力，应力场，位错反应等均与其有关。它也表示出晶力场，位错反应等均与其有关。它也表示出晶体滑移时原子移动的大小和方向。体滑移时原子移动的大小和方向。 柏氏矢量的特征柏氏矢量的特征 用柏氏矢量可判断位错的类型。用柏氏矢量可判断位错的类型。 用柏氏矢量可以表示晶体滑移的方向和大小。位用柏氏

21、矢量可以表示晶体滑移的方向和大小。位错运动导致晶体滑移时，滑移量大小即柏氏矢量错运动导致晶体滑移时，滑移量大小即柏氏矢量b，滑移方向即为柏氏矢量的方向。，滑移方向即为柏氏矢量的方向。 一条位错线具有唯一的柏氏矢量。一条位错线具有唯一的柏氏矢量。若位错可分解，若位错可分解，则分解后各分位错的柏氏矢量之和等于原位错的则分解后各分位错的柏氏矢量之和等于原位错的柏氏矢量。柏氏矢量。 位错具有连续性，不能中断于晶体内部。其存在位错具有连续性，不能中断于晶体内部。其存在形态可形成一个闭合的位错环，或连接于其他位形态可形成一个闭合的位错环，或连接于其他位错，或终止在晶界，或露头于晶体表面。错，或终止在晶界，

22、或露头于晶体表面。u2.位错的基本类型位错的基本类型u位错可分为刃性位错、螺型位错和混合位错。位错可分为刃性位错、螺型位错和混合位错。图 刃型位错与螺型位错 1 刃位错 （1）产生原因 刃型位错的概念：刃型位错的概念： 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，犹如插入的刀刃一样，犹如插入的刀刃一样，EF称为刃型位错线。称为刃型位错线。位错线附近区域发生了原子错排，因此称为位错线附近区域发生了原子错排，因此称为“刃型位错刃型位错” 。 把多余半原子面在滑移面以上的位错称为正刃把多余半原子面在滑移面以上的位错称为正刃型位错，用符号型位错，用符号“”表示，反之

23、为负刃型位表示，反之为负刃型位错，用错，用“”表示。表示。 含有多余半原子面的晶体受压，原子间距小于含有多余半原子面的晶体受压，原子间距小于正常点阵常数；不含多余半原子面的晶体受张正常点阵常数；不含多余半原子面的晶体受张力，原子间距大于正常点阵常数。力，原子间距大于正常点阵常数。 位错在晶体中引起的畸变在位错线中心处最大，位错在晶体中引起的畸变在位错线中心处最大，随着离位错中心距离的增大，晶体的畸变逐渐随着离位错中心距离的增大，晶体的畸变逐渐减小减小 。 刃型位错的特点：刃型位错的特点： 1).刃型位错有一个额外的半原子面。其实正、刃型位错有一个额外的半原子面。其实正、负之分只具相对意义而无本

24、质的区别。负之分只具相对意义而无本质的区别。 2).刃型位错线可理解为晶体中已滑移区与未滑刃型位错线可理解为晶体中已滑移区与未滑移区的边界线。它不一定是直线，也可以是折移区的边界线。它不一定是直线，也可以是折线或曲线，但它必与滑移方向相垂直，也垂直线或曲线，但它必与滑移方向相垂直，也垂直于滑移矢量。于滑移矢量。图 不同形状的刃型位错 3).滑移面必定是同时包含有位错线和滑移矢滑移面必定是同时包含有位错线和滑移矢量的平面，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。由于在刃型位错中，位错线与滑移矢量互相垂直，因此，位错中，位错线与滑移矢量互相垂直，因此，由它们所构成的平面只有一个

25、。由它们所构成的平面只有一个。 4).晶体中存在刃型位错之后，位错周围的点晶体中存在刃型位错之后，位错周围的点阵发生弹性畸变，既有切应变，又有正应变。阵发生弹性畸变，既有切应变，又有正应变。就正刃型位错而言，滑移面上方点阵受到压应就正刃型位错而言，滑移面上方点阵受到压应力，下方点阵受到拉应力：负刃型位错与此相力，下方点阵受到拉应力：负刃型位错与此相反。反。 5).在位错线周围的过渡区（畸变区）每个原在位错线周围的过渡区（畸变区）每个原子具有较大的平均能量。但该区只有几个原子子具有较大的平均能量。但该区只有几个原子间距宽，畸变区是狭长的管道，所以刃型位错间距宽，畸变区是狭长的管道，所以刃型位错是

26、线缺陷。是线缺陷。晶体局部滑移造成的螺旋位错（2）螺型位错）螺型位错b螺旋位错的特点：螺旋位错的特点：（1）柏格斯矢量与螺旋位错线平行；）柏格斯矢量与螺旋位错线平行；（2）螺旋位错分为左旋和右旋。根据螺旋面旋转）螺旋位错分为左旋和右旋。根据螺旋面旋转方向，符合右手法则（即以右手拇指代表螺旋方向，符合右手法则（即以右手拇指代表螺旋面前进方向，其他四指表示螺旋面的旋转方向）面前进方向，其他四指表示螺旋面的旋转方向）的称为右旋螺旋位错，符合左手法则的称为左的称为右旋螺旋位错，符合左手法则的称为左旋螺旋位错；旋螺旋位错；右螺位错左螺位错LL（3）螺旋位错只引起剪切畸变，而不引起体积膨胀和收缩。因为存在晶体畸变，所以在位错线附近也形成应力场。同样地，离位错线距离越远，晶格畸变越小。螺旋位错也只包含几个原子宽度的线缺陷。 （3）混合位错）混合位错 晶体中已滑移区与未滑移区的边界线（即位错晶体中已滑移区与未滑移区的边界线（即位错线）既不平行也不垂直于滑移方向，即滑移矢线）既不平行也不垂直于滑移方向，即滑移矢量与位错线成任意角