材料物理讲稿第3章

1、3.1 3.1 晶体缺陷概述晶体缺陷概述(S SUMMARYUMMARY OF CRYSTAL DEFECTS OF CRYSTAL DEFECTS)晶体缺陷：晶体中偏离理想的完整结构的区域。晶体缺陷：晶体中偏离理想的完整结构的区域。化学缺陷：由局部的成分与基体不同导化学缺陷：由局部的成分与基体不同导致的缺陷致的缺陷溶质原子溶质原子晶体晶体缺陷缺陷点阵缺陷：原子排列处于几何上的混乱点阵缺陷：原子排列处于几何上的混乱状态，与构成晶体的元素无关的缺陷状态，与构成晶体的元素无关的缺陷按照定义，理想晶体不存在按照定义，理想晶体不存在总有边界，有点缺陷总有边界，有点缺陷 晶体缺陷晶体缺陷木桶的短板？木桶

2、的短板？影响性能，可以利用影响性能，可以利用近似完整的，可用确切的几何模型来描述近似完整的，可用确切的几何模型来描述点缺陷：空位，间隙原子点缺陷：空位，间隙原子线缺陷，即位错：刃型，螺型，混合型线缺陷，即位错：刃型，螺型，混合型面缺陷：堆垛层错、晶界、孪晶界、反面缺陷：堆垛层错、晶界、孪晶界、反相畴界、相界和外表面相畴界、相界和外表面体缺陷：空腔，气泡体缺陷：空腔，气泡宏观？微观？宏观？微观？点阵点阵缺陷缺陷点缺陷包括空位和间隙原子点缺陷包括空位和间隙原子空位是由于原子迁移到点阵中其他位置形成的空空位是由于原子迁移到点阵中其他位置形成的空结点。间隙原子指处于点阵中间隙位置的原子。结点。间隙原子

3、指处于点阵中间隙位置的原子。 肖脱基缺陷（空肖脱基缺陷（空位）：点阵原子位）：点阵原子迁移至表面、晶迁移至表面、晶界等处形成。界等处形成。弗兰克尔缺陷：点阵中某原弗兰克尔缺陷：点阵中某原子迁移晶体内的其它位置，子迁移晶体内的其它位置，同时形成一个间隙原子。同时形成一个间隙原子。晶体自由能晶体自由能F=E-TS。E：内能，：内能，T:温度，温度，S：熵。：熵。当缺陷存在时，当缺陷存在时，E与与S均增加，均增加， F= E- T S在某一浓度在某一浓度Cv， F有最小值有最小值平衡时，平衡时，Cv 0空位浓度与自由能的关系空位浓度与自由能的关系空位引入的熵变：空位引入的熵变： S Sc+ Sf S

4、c原子排列组态变化引起的组态熵变；原子排列组态变化引起的组态熵变； Sf ：原子振动熵变，是由于空位周围的原子的振动原子振动熵变，是由于空位周围的原子的振动变化引起的。变化引起的。设设N个原子的晶体中有个原子的晶体中有n个空位，则由玻尔兹曼个空位，则由玻尔兹曼统计分布理论：统计分布理论：!)!(!lncnnNNkSk为波尔兹曼常数。为波尔兹曼常数。Ef为单个空位形成所需的能量，即空位形成能。为单个空位形成所需的能量，即空位形成能。!)!(!lnffnnNNkSnTnESE-TF应用斯特林公式：应用斯特林公式： lnN!NlnN-N可得：可得：0lnffnNnkTSTE由于由于Nn，有：有：CN

5、nnNn0)(TnF平衡时平衡时其中其中称为熵因子。称为熵因子。 kSAfexp0lnvffCTkS-TEkSkTE-CffvlnkTE-AkSkTE-Cfffvexpexp故平衡时故平衡时Cv与与T成指数关系成指数关系温度升高温度升高Cv增大增大间隙原子有类似公式间隙原子有类似公式不同：间隙原子的形成能比空位形成能大不同：间隙原子的形成能比空位形成能大2 23 3倍，平衡浓度比空位小几个数量级。倍，平衡浓度比空位小几个数量级。 西蒙斯巴卢菲法西蒙斯巴卢菲法测出不同温度下的空位浓度就可得到斜率测出不同温度下的空位浓度就可得到斜率Ef将材料加热到不同温度保温，使之达到平衡状态将材料加热到不同温度

6、保温，使之达到平衡状态同时测定其长度变化率同时测定其长度变化率 和点阵常数变化率和点阵常数变化率LLaa由由kTEACfvexpTC1lnv知知Ef为为 曲线的斜率曲线的斜率由于空位浓度增大由于空位浓度增大aaLL以室温的以室温的L和和a为基准，则为基准，则aaLLC3v正电子湮没法正电子湮没法22Na等同位素原子核崩塌放出正电子，正电子打等同位素原子核崩塌放出正电子，正电子打入试样引起正电子入试样引起正电子电子对湮没过程中放出电子对湮没过程中放出 射射线，空位的存在引起射线的能量变化，检测此线，空位的存在引起射线的能量变化，检测此能量变化就可以测知温度能量变化就可以测知温度空位浓度的关系。空

7、位浓度的关系。试样加热到某温度试样加热到某温度T，急冷急冷空位来不及扩空位来不及扩散散高温下的空位浓度冻结高温下的空位浓度冻结用电阻在室用电阻在室温下测量高温下的空位浓度。温下测量高温下的空位浓度。急冷法（急冷法（非平衡方法）非平衡方法）根据测试结果得到的经验公式：根据测试结果得到的经验公式： Ef=9kTmk：波尔兹曼常数。波尔兹曼常数。E Ef f与熔点与熔点T Tm m根据：根据：晶体中的原子间的键合力越大，这种键合越不容晶体中的原子间的键合力越大，这种键合越不容易被破坏，晶体的熔点将越高；易被破坏，晶体的熔点将越高；键合力越强，原子越不容易跳跃离开平衡位置而键合力越强，原子越不容易跳跃

8、离开平衡位置而形成空位，空位形成能应该越大。形成空位，空位形成能应该越大。猜想猜想Ef与熔点与熔点Tm之间有某种关系？之间有某种关系？ 可算出熔点处可算出熔点处Cv在在10-4量级。量级。电阻升高电阻升高通过电阻测量空位浓度通过电阻测量空位浓度例：核反应堆壁例：核反应堆壁粒子粒子(氦离子氦离子)辐照辐照大量空位大量空位空位聚集成空腔空位聚集成空腔氦离子聚集成氦气泡氦离子聚集成氦气泡体缺陷体缺陷辐照辐照损伤损伤扩散加快扩散加快是扩散的重要媒介是扩散的重要媒介体积增加，密度减小体积增加，密度减小西蒙斯西蒙斯巴卢菲法巴卢菲法辐照损伤：用高能辐照（电子，中子，质子，辐照损伤：用高能辐照（电子，中子，质

9、子， 粒子等高能粒子照射材料）导入大量空位粒子等高能粒子照射材料）导入大量空位和间隙原子，引起材料损伤和间隙原子，引起材料损伤产生原因：产生原因：高温淬火：由高温快速冷却（淬火），点缺陷高温淬火：由高温快速冷却（淬火），点缺陷无充分的迁移时间，大部分空位保留至低温，无充分的迁移时间，大部分空位保留至低温，形成淬火空位形成淬火空位对时效析出过程起重要作用，是急冷法测对时效析出过程起重要作用，是急冷法测定空位形成能的基础。定空位形成能的基础。冷加工：在再结晶温度以下对材料进行塑性变形冷加工：在再结晶温度以下对材料进行塑性变形由于位错交割可产生大量的点缺陷由于位错交割可产生大量的点缺陷产生的过饱和空

10、位可形成位错运动阻力，引产生的过饱和空位可形成位错运动阻力，引起材料的强度、硬度升高，塑性、韧性降低起材料的强度、硬度升高，塑性、韧性降低高能辐照高能辐照晶体中超过平衡浓度的点缺陷。晶体中超过平衡浓度的点缺陷。切应力导切应力导致晶面相致晶面相互滑移，互滑移，塑性变形塑性变形正应力可能导致材正应力可能导致材料弹性变形和断裂料弹性变形和断裂塑性变形由切应力产生塑性变形由切应力产生滑移的实验证据滑移的实验证据由此可推导理论剪切强度由此可推导理论剪切强度2mG是实验剪切强度的是实验剪切强度的103104倍。为什么？倍。为什么？1934年，年，Taylor, Polanyi, Orowan几乎同时提出几

11、乎同时提出了位错的概念了位错的概念切应力下两晶面发生整体滑移模型切应力下两晶面发生整体滑移模型位错的滑移位错的滑移推地毯推地毯 明场明场 暗场暗场 不锈钢中的位错（不锈钢中的位错（TEM） 立体模型立体模型 平面图平面图 刃型位错刃型位错位错位错(Dislocation)(Dislocation)定义：晶体中某一列或数列原定义：晶体中某一列或数列原子发生有规律的错排形成的缺陷。子发生有规律的错排形成的缺陷。 代表晶体局部错动的代表晶体局部错动的大小和方向，是表征位错性质的重要参量，联系大小和方向，是表征位错性质的重要参量，联系着位错的应力场、能量、线张力、作用力、运动着位错的应力场、能量、线张

12、力、作用力、运动方向等。方向等。做法：绕位错沿相邻的原子作闭合回路（柏氏回做法：绕位错沿相邻的原子作闭合回路（柏氏回路），再于完整晶体中作同样步数和方向的回路，路），再于完整晶体中作同样步数和方向的回路，从终点到起点的矢量即为柏氏矢量。从终点到起点的矢量即为柏氏矢量。柏氏矢量柏氏矢量b b立体图立体图螺型位错螺型位错顶视图顶视图 螺型位错的柏氏矢量螺型位错的柏氏矢量定义：定义：刃型位错：柏氏矢量与位错线垂直的位错。刃型位错：柏氏矢量与位错线垂直的位错。螺型位错：柏氏矢量与位错线平行的位错。螺型位错：柏氏矢量与位错线平行的位错。混合型位错：柏氏矢量与位错线既不平行也混合型位错：柏氏矢量与位错线既

13、不平行也不垂直的位错。不垂直的位错。立体图立体图 顶视图顶视图混合型位错混合型位错刃型位错的滑移刃型位错的滑移 b b 正刃型位错 负刃型位错 滑移结果 初始状态初始状态 b b 正刃型位错 负刃型位错 滑移结果 滑移结果滑移结果 位错滑移难易位错滑移难易塑性变形阻力大小塑性变形阻力大小 塑性变形应力大小塑性变形应力大小强度的高低。强度的高低。位错的滑移方式不同，阻力大小不同。位错的滑移方式不同，阻力大小不同。位错滑移位错滑移刃型位错的易动性刃型位错的易动性滑移方向：与位错线垂直，与滑移方向：与位错线垂直，与b b一致。一致。滑移方式：有固定的滑移面（位错线和滑移方式：有固定的滑移面（位错线和

14、b b决定决定的平面）的平面） 滑移结果：形成宽度为滑移结果：形成宽度为b b的台阶。的台阶。刃型位错的滑移特点刃型位错的滑移特点螺型位错的滑移螺型位错的滑移滑移方向：与位错线垂直，与滑移方向：与位错线垂直，与b b垂直。垂直。滑移方式：无固定的滑移面。滑移方式：无固定的滑移面。滑移结果：形成宽度为滑移结果：形成宽度为b b的台阶。的台阶。螺型位错的滑移特点螺型位错的滑移特点滑移方向：与位错线垂直（法线方向）。滑移方向：与位错线垂直（法线方向）。滑移方式：有固定的滑移面。滑移方式：有固定的滑移面。滑移结果：形成宽度为滑移结果：形成宽度为b b的台阶。的台阶。 b b b b 滑移前 滑移中 滑

15、移后 滑移方向 混合型位错的滑移混合型位错的滑移滑移方向：与位错线垂直。滑移方向：与位错线垂直。滑移结果：形成宽度为滑移结果：形成宽度为b的台阶。的台阶。位错的定义：晶体中已滑移区和未滑移区位错的定义：晶体中已滑移区和未滑移区的分界。的分界。各种位错滑移的共性各种位错滑移的共性刃型位错的半原子面垂直于滑移面的上下移动刃型位错的半原子面垂直于滑移面的上下移动位错攀移位错攀移 未攀移 正攀移 负攀移 攀移伴随着扩散，需要比滑移更大的能量，所攀移伴随着扩散，需要比滑移更大的能量，所以攀移需要热激活，称为非守恒运动。以攀移需要热激活，称为非守恒运动。滑移不需要热激活，称为守恒运动。滑移不需要热激活，称

16、为守恒运动。需要热激活需要热激活攀移要在较高的温度下才可发攀移要在较高的温度下才可发生生常温塑性变形常温塑性变形滑移，几乎没有攀移作用滑移，几乎没有攀移作用高温高温攀移起重要作用攀移起重要作用例：如淬火或冷加工后的金属加热时的回复再例：如淬火或冷加工后的金属加热时的回复再结晶过程结晶过程正应力、过饱和空位均有利于攀移进行。正应力、过饱和空位均有利于攀移进行。猜想猜想位错密度升高，屈服强度降低？位错密度升高，屈服强度降低？ 位错与强度位错与强度位错密度位错密度为晶体单为晶体单位体积内位体积内位错线的位错线的长度长度 特殊材料特殊材料普通材料普通材料位错强化位错强化原因：位原因：位错互相阻错互相阻

17、碍，增加碍，增加运动阻力运动阻力 位错的应变能：位错造成晶体的局部应变，引位错的应变能：位错造成晶体的局部应变，引起的自由能升高起的自由能升高单位长度位错所引起的应变能：单位长度位错所引起的应变能：E= Gb b2 G：切弹性模量，：切弹性模量，b b：柏氏矢量的模，：柏氏矢量的模， ：与几：与几何因素有关的系数，取值为何因素有关的系数，取值为0.51。位错应变能对性能的影响位错应变能对性能的影响位错消失自由能降低位错消失自由能降低位错附近优先腐蚀位错附近优先腐蚀（位错的应变能提供了腐蚀的部分驱动力）（位错的应变能提供了腐蚀的部分驱动力）位错引起的局部点阵畸变引起传导电子的额外位错引起的局部点

18、阵畸变引起传导电子的额外散射散射位错引起电阻升高位错引起电阻升高位错是短路扩散的重要通道位错是短路扩散的重要通道位错加速扩散位错加速扩散晶界为取向不同的两晶体之间的界面。晶界为取向不同的两晶体之间的界面。小角度晶界：小角度晶界：相邻晶粒的取向差相邻晶粒的取向差 151515的晶界的晶界形成过程形成过程小角度晶界小角度晶界对称倾侧晶界对称倾侧晶界2sin2bD bD 形成过程形成过程不对称倾侧晶界不对称倾侧晶界 -/2 /2 /2 +/2 柏氏矢量垂直的平行刃型柏氏矢量垂直的平行刃型位错墙位错墙sinbD两组位错各自的间距两组位错各自的间距密度由密度由 和和 决定决定形成过程形成过程扭转晶界扭转

19、晶界螺型位错网螺型位错网每组位错的间距每组位错的间距bD Df( )随取向差随取向差 增大而减小。增大而减小。若若 15，可计算出可计算出D4b（柏氏矢量，原子间柏氏矢量，原子间距），位错墙模型不再适用，为小角度晶界的角距），位错墙模型不再适用，为小角度晶界的角度上限。度上限。小角度晶界的结构特征小角度晶界的结构特征实际的小角度晶界实际的小角度晶界旋转轴和界面可以是任意旋转轴和界面可以是任意取向关系，由刃型位错和螺型位错组合构成。取向关系，由刃型位错和螺型位错组合构成。 大角度晶界大角度晶界大角晶界处总有几个原子层排列混乱，大角晶界处总有几个原子层排列混乱，有不同的模型描述。有不同的模型描述。

20、过冷液体模型：过冷液体模型：认为晶界上的原子排列类似于微认为晶界上的原子排列类似于微晶，具有长程无序，短程有序的特点晶，具有长程无序，短程有序的特点。晶界晶界各向同性，可解释葛庭燧发现的晶界滑各向同性，可解释葛庭燧发现的晶界滑移引起的内耗。移引起的内耗。小岛模型：小岛模型：认为晶界是由具有结晶特征的岛和认为晶界是由具有结晶特征的岛和具有非晶特征的海构成的具有非晶特征的海构成的可解释晶界扩散的各向异性。可解释晶界扩散的各向异性。大角晶界的原子排列方式有不同的模型来描述。大角晶界的原子排列方式有不同的模型来描述。各能解释一些实验现象，但也都有与实验事实不各能解释一些实验现象，但也都有与实验事实不相

21、符的地方。相符的地方。A晶粒与晶粒与B晶粒晶粒有有15的原子处的原子处于重合位置。于重合位置。例：简单立方点阵例：简单立方点阵晶界两侧的部分晶界两侧的部分原子同时处于原子同时处于A晶粒和晶粒和B晶粒的晶粒的点阵上，这类原点阵上，这类原子位置称为重合子位置称为重合位置。所有重合位置。所有重合位置所构成的点位置所构成的点阵称为重合位置阵称为重合位置点阵。点阵。重合位置点阵模型重合位置点阵模型任意角度晶界：特殊晶界小角度晶界（位错墙）任意角度晶界：特殊晶界小角度晶界（位错墙）重合位置密度：重合位置占总点阵位置上的比例。重合位置密度：重合位置占总点阵位置上的比例。重合位置密度越大，晶界上原子排列的畸变

22、越小，重合位置密度越大，晶界上原子排列的畸变越小，晶界能越低。晶界能越低。 bcc：分别绕：分别绕110轴旋转轴旋转50.5，绕，绕100轴旋转轴旋转36.9，绕，绕110轴旋转轴旋转70.5、38.9，绕，绕111轴旋转轴旋转60.5、38.2，有，有1/11、1/5、1/3、1/9、1/3、1/7的的原子处于重合位置点阵上。原子处于重合位置点阵上。fcc：分别绕：分别绕110轴旋转轴旋转50.5，绕，绕100轴旋转轴旋转36.9，绕，绕110轴旋转轴旋转38.9，绕，绕111轴旋转轴旋转60.0、38.2，有，有1/11、1/5、1/9、1/7、1/7的原子处于重的原子处于重合位置点阵上。

23、合位置点阵上。 晶界面由周期晶界面由周期性排列的结构性排列的结构单元组成。单元组成。结构单元模型结构单元模型晶界引起的单位面积上的自由能升高。晶界引起的单位面积上的自由能升高。小角度晶界的晶界能小角度晶界的晶界能晶界能晶界能)1 (40Gb晶界能晶界能 随随 增大而升高。增大而升高。因位错密度因位错密度随随 增大而增大而升高。升高。 = 0 (A-ln )A为积分常数，取决于位错中心的原子错排能；为积分常数，取决于位错中心的原子错排能；其中其中G为晶体的切弹性模量，为晶体的切弹性模量，b为位错的柏氏矢为位错的柏氏矢量的模，量的模， 为为泊松比。泊松比。铜的晶界能与取向差的关系铜的晶界能与取向差

24、的关系大角度大角度晶界的晶界的晶界能晶界能与取向与取向差无关差无关 取向差超过取向差超过10或或 15后，小角度晶界后，小角度晶界能公式不再适用。能公式不再适用。 小角度晶界与大角度晶界的区别：小角度晶界与大角度晶界的区别：小角度晶界可用位错模型描述，大角度晶界不能小角度晶界可用位错模型描述，大角度晶界不能小角度晶界的晶界能与小角度晶界的晶界能与 有关，大角度晶界相反有关，大角度晶界相反二者不存在绝对界限二者不存在绝对界限晶界的作用：晶界的作用：晶界消失会导致自由能降低晶界消失会导致自由能降低优先腐蚀，相变中的优先形核位置优先腐蚀，相变中的优先形核位置溶质原子偏聚于晶界溶质原子偏聚于晶界晶界处

25、的扩散容易晶界处的扩散容易常温下会阻碍位错的运动，提高强度；常温下会阻碍位错的运动，提高强度；高温下晶界可发生相对滑动，提高塑性。高温下晶界可发生相对滑动，提高塑性。概念：晶体中的局部的堆垛顺序错误，是一种概念：晶体中的局部的堆垛顺序错误，是一种面缺陷。面缺陷。 例例:fcc密排面的正确堆垛顺序密排面的正确堆垛顺序ABCABCABC因晶体生长时的随机错误或晶面相对滑动，出因晶体生长时的随机错误或晶面相对滑动，出现现ABCBCABC或或ABCBABCABC堆垛，堆垛，局部顺序由原来的局部顺序由原来的“正序正序” AB、BC、CA变成变成“反序反序”BA、AC、CB，相当于正确堆垛顺序，相当于正确

26、堆垛顺序中抽出或插入了一层密排面。中抽出或插入了一层密排面。 堆垛层错本身几乎不产生点阵畸变，对材料的堆垛层错本身几乎不产生点阵畸变，对材料的性能影响不大，但可通过其边界的位错对材料性能影响不大，但可通过其边界的位错对材料的性能发生较大的影响。的性能发生较大的影响。堆垛层错能：堆垛层错能：堆垛层错引起的单位面积自由能增加堆垛层错引起的单位面积自由能增加孪晶界：孪晶之间的界面。孪晶界：孪晶之间的界面。共格界面：界面上的原子为界面两侧所共有共格界面：界面上的原子为界面两侧所共有非共格界面：界面两侧的原子分属不同的点阵非共格界面：界面两侧的原子分属不同的点阵共格孪晶界的界面能很低（堆垛层错能）。非共

27、格孪晶界的界面能很低（堆垛层错能）。非共格孪晶界的界面能约为大角度晶界的一半共格孪晶界的界面能约为大角度晶界的一半。孪晶：两部分晶体沿一定的晶面成镜面对称关系孪晶：两部分晶体沿一定的晶面成镜面对称关系外表面：固体与气、液相或真空的界面。外表面：固体与气、液相或真空的界面。 表面存在悬（挂）键，使晶体表面附近的自由表面存在悬（挂）键，使晶体表面附近的自由能比晶体内部高。能比晶体内部高。 表面能：晶体单位表面积上的自由能升高。表面能：晶体单位表面积上的自由能升高。 实际表面总是吸附一些气体原子以降低表面能量实际表面总是吸附一些气体原子以降低表面能量清洁表面：指经离子轰击、退火、解理、热蚀、清洁表面：指经离子轰击、退火、解理、热蚀、外延、场效应、蒸发等特殊处理后在外延、场效应、蒸发等特殊处理后在10-910-10Pa超高真空下的表面。超高真空下的表面。为降低表面能，表面的数原子层厚的原子的状为降低表面能，表面的数原子层厚的原子的状态也会发生变化，使原子的排列发生适当的调态也会发生变化，使原子的排列发生适当的调整，主要有弛豫和重构两种方式。整，主要有弛豫和重构两种方式。表面弛豫：表面的原子或离子仍保持原晶胞的表面弛豫：表面的原子或离子仍保持原晶胞的结构，但原子间距发生改变的现象。结构，但原子间距发生改变的现象。(保留平行保留平行表面的原子排列二维