材料科学基础晶体结构缺陷ppt课件

1、第第2 2章章 晶体缺陷晶体缺陷缺陷的含义：通常把晶体点阵构造中周期性势场的畸变称为缺陷的含义：通常把晶体点阵构造中周期性势场的畸变称为晶体的构造缺陷。晶体的构造缺陷。理想晶体：质点严厉按照空间点阵陈列。理想晶体：质点严厉按照空间点阵陈列。实践晶体：存在着各种各样的构造的不完好性。实践晶体：存在着各种各样的构造的不完好性。研讨缺陷的意义：由于缺陷的存在，才使晶体表现出各种研讨缺陷的意义：由于缺陷的存在，才使晶体表现出各种各样的性质，使资料加工、运用过程中的各种性能得以有各样的性质，使资料加工、运用过程中的各种性能得以有效控制和改动，使资料性能的改善和复合资料的制备得以效控制和改动，使资料性能的

2、改善和复合资料的制备得以实现。因此，了解缺陷的构成及其运动规律，对资料工艺实现。因此，了解缺陷的构成及其运动规律，对资料工艺过程的控制，对资料性能的改善，对于新型资料的设计、过程的控制，对资料性能的改善，对于新型资料的设计、研讨与开发具有重要意义。研讨与开发具有重要意义。缺陷对资料性能的影响举例缺陷对资料性能的影响举例: :资料的强化，如钢资料的强化，如钢是铁中渗碳是铁中渗碳陶瓷资料的增韧陶瓷资料的增韧半导体掺杂半导体掺杂第第2章章 晶体缺陷晶体缺陷分类方式：分类方式：1、根据缺陷的作用范围把真实晶体缺陷分四、根据缺陷的作用范围把真实晶体缺陷分四类：类：点缺陷点缺陷point defect：特

3、征是三维空间：特征是三维空间的各个方面上尺寸都很小，尺寸范围约为的各个方面上尺寸都很小，尺寸范围约为一个或几个原子尺度，又称零维缺陷，包一个或几个原子尺度，又称零维缺陷，包括空位、间隙原子、杂质和溶质原子。括空位、间隙原子、杂质和溶质原子。 线缺陷线缺陷line defect：特征是在两个方向：特征是在两个方向上尺寸很小上尺寸很小,另外一个方向上很大，又称一另外一个方向上很大，又称一维缺陷，如各类位错。维缺陷，如各类位错。 面缺陷planar defect：特征是在一个方面上尺寸很小,另外两个方面上很大，又称二维缺陷，包括外表、晶界、亚晶界、相界、孪晶界等。体缺陷:在三维方向上缺陷尺寸都较大。

4、如镶嵌块、空洞等。2、根据缺陷的构成缘由热缺陷杂质缺陷非化学计量缺陷等。2.1 2.1 点缺陷点缺陷原子热振动部分原子获得足够高的能量 抑制约束,迁移到新的位置空位,间隙原子构成构成引起部分点阵畸变 引起引起点缺陷的构成缘由点缺陷的构成缘由点缺陷与资料点缺陷与资料的电学性质、的电学性质、光学性质、资光学性质、资料的高温动力料的高温动力学过程等有关。学过程等有关。 一、点缺陷的类型1.金属晶体中的点缺陷 金属晶体中常见的点缺陷有空位(vacancy)间隙原子(interstitial atom)置换原子(substitutional atom) a a、空位、空位 空位是一种热平衡缺陷空位是一种

5、热平衡缺陷, ,即在一定温度下即在一定温度下, ,空位有一定空位有一定的平衡浓度。空位在晶体中的位置不是固定不变的的平衡浓度。空位在晶体中的位置不是固定不变的, ,而是不断而是不断运动变化的。空位是由原子脱离其平衡位置而构成的，脱离运动变化的。空位是由原子脱离其平衡位置而构成的，脱离平衡位置的原子大致有三个去处：平衡位置的原子大致有三个去处：(1)(1)迁移到晶格的间隙中迁移到晶格的间隙中, ,这样所构成的空位叫弗仑克尔空位；这样所构成的空位叫弗仑克尔空位； (2) (2)迁移到晶体外表上迁移到晶体外表上, ,这样所产生的空位叫肖特基空位；这样所产生的空位叫肖特基空位；(3)(3)迁移到其他空

6、位处迁移到其他空位处, ,这样虽然不产生新的空位这样虽然不产生新的空位, ,但可以使空位但可以使空位变换位置。变换位置。图图2-1 热缺陷产生表示图热缺陷产生表示图a单质中弗仑克尔缺陷的构成单质中弗仑克尔缺陷的构成空位与间隙质点成对出现空位与间隙质点成对出现b单质中肖特基缺陷的单质中肖特基缺陷的构成构成V空位的运动空位的运动 图图2-2 2-2 点缺陷的类型点缺陷的类型 1-1-大的置换原子大的置换原子 4-4-复合空位复合空位 2-2-肖特基空位肖特基空位 5- 5-弗兰克尔空位弗兰克尔空位 3-3-异类间隙原子异类间隙原子 6-6-小的置换原子小的置换原子nb、间隙原子、间隙原子n 处于晶

7、格间隙中的原子即为间隙原子。处于晶格间隙中的原子即为间隙原子。在构成弗仑克尔空位的同时在构成弗仑克尔空位的同时,也构成一个间隙也构成一个间隙原子，另外溶质原子挤入溶剂的晶格间隙中后，原子，另外溶质原子挤入溶剂的晶格间隙中后，也称为间隙原子也称为间隙原子,他们都会呵斥严重的晶体畸他们都会呵斥严重的晶体畸变。间隙原子也是一种热平衡缺陷，在一定温变。间隙原子也是一种热平衡缺陷，在一定温度下有一平衡浓度，对于异类间隙原子来说，度下有一平衡浓度，对于异类间隙原子来说，常将这一平衡浓度称为固溶度或溶解度。常将这一平衡浓度称为固溶度或溶解度。nc、置换原子、置换原子n 占据在原来基体原子平衡位置上的异类原子

8、称为置占据在原来基体原子平衡位置上的异类原子称为置换原子。由于原子大小的区别也会呵斥晶格畸变，置换原换原子。由于原子大小的区别也会呵斥晶格畸变，置换原子在一定温度下也有一个平衡浓度值，普通称之为固溶度子在一定温度下也有一个平衡浓度值，普通称之为固溶度或溶解度，通常它比间隙原子的固溶度要大的多。或溶解度，通常它比间隙原子的固溶度要大的多。2.离子晶体中点缺陷离子晶体中点缺陷肖特基缺陷：在离子晶体中，由于要维持电价平肖特基缺陷：在离子晶体中，由于要维持电价平衡，因此一个正离子产生空位，那么临近必有一衡，因此一个正离子产生空位，那么临近必有一个负离子空位，这样的一个正负离子空位对；个负离子空位，这样

9、的一个正负离子空位对；弗仑克尔缺陷：一个正离子跳入离子晶体的间隙弗仑克尔缺陷：一个正离子跳入离子晶体的间隙位置，那么出现了一个正离子空位，这种空位位置，那么出现了一个正离子空位，这种空位间隙离子对。间隙离子对。图图2-52-5 离子晶体中的点缺陷离子晶体中的点缺陷a离子晶体中的弗仑克尔缺陷的构离子晶体中的弗仑克尔缺陷的构成空位与间隙质点成对出现成空位与间隙质点成对出现b离子晶体中的肖特基缺陷离子晶体中的肖特基缺陷的构成正负离子空位对成对出现的构成正负离子空位对成对出现VV+V-二、点缺陷的浓度二、点缺陷的浓度 1、平衡点缺陷、平衡点缺陷(equilibrium point defect及其浓度

10、及其浓度 ne 平衡空位数平衡空位数 n 原子总数原子总数 Ev 每添加一个空位能量的变化每添加一个空位能量的变化 k 玻尔兹曼常数玻尔兹曼常数,约为约为8.6210-5ev/K或或1.3810-23J/K T 绝对温度绝对温度其中：其中：A由振动熵决议的系数，取由振动熵决议的系数，取110，通常取，通常取1。 T -cevnEcAenkT 三、过饱和点缺陷三、过饱和点缺陷(supersaturated point (supersaturated point defect)defect)的产生的产生 在点缺陷的平衡浓度下晶体的自在能最低，在点缺陷的平衡浓度下晶体的自在能最低，系统最稳定。当在一

11、定的温度下，晶体中点缺系统最稳定。当在一定的温度下，晶体中点缺陷的数目明显超越其平衡浓度时，这些点缺陷陷的数目明显超越其平衡浓度时，这些点缺陷称为过饱和点缺陷，通常它的产生方式有三种称为过饱和点缺陷，通常它的产生方式有三种: :n1.1.淬火淬火 高温时晶体中的空位浓度很高，经过淬火后，空高温时晶体中的空位浓度很高，经过淬火后，空位来不及经过分散到达平衡浓度，在低温下仍坚持了较位来不及经过分散到达平衡浓度，在低温下仍坚持了较高的空位浓度。高的空位浓度。n2.2.冷加工冷加工 金属在室温下进展压力加工时，由于位错交割金属在室温下进展压力加工时，由于位错交割所构成的割阶发生攀移，从而使金属晶体内空

12、位浓度添所构成的割阶发生攀移，从而使金属晶体内空位浓度添加。加。n3.3.辐照辐照 当金属遭到高能粒子中子、质子、当金属遭到高能粒子中子、质子、粒子、电粒子、电子等辐照时，晶体中的原子将被击出，挤入晶格间隙子等辐照时，晶体中的原子将被击出，挤入晶格间隙中，由于被击出的原子具有很高的能量，因此还有能够中，由于被击出的原子具有很高的能量，因此还有能够发生连锁作用，在晶体中构成大量的空位和间隙原子。发生连锁作用，在晶体中构成大量的空位和间隙原子。 四、点缺陷的运动四、点缺陷的运动 晶体中的点缺陷并不是固定不动的，而是处于不断的运动过晶体中的点缺陷并不是固定不动的，而是处于不断的运动过程中。程中。 三

13、种运动方式：三种运动方式：空位周围的原子，由于热激活，某个原子有能够获得足够的空位周围的原子，由于热激活，某个原子有能够获得足够的能量而跳入空位中，并占据这个平衡位置。这时，在该原子能量而跳入空位中，并占据这个平衡位置。这时，在该原子的原来位置上，就构成了一个空位。这一过程可以看作空位的原来位置上，就构成了一个空位。这一过程可以看作空位向临近阵点位置的迁移向临近阵点位置的迁移( (空位的运动。空位的运动。由于热运动，晶体中的间隙原子也可由一个间隙位置迁移到由于热运动，晶体中的间隙原子也可由一个间隙位置迁移到另一个间隙位置间隙原子的运动。另一个间隙位置间隙原子的运动。在运动过程中，当间隙原子与一

14、个空位相遇时，它将落入该在运动过程中，当间隙原子与一个空位相遇时，它将落入该空位，而使两者都消逝，这一过程称为复合。空位，而使两者都消逝，这一过程称为复合。图图2-7 2-7 点缺陷运动表示图点缺陷运动表示图五、点缺陷对晶体资料性能的影响五、点缺陷对晶体资料性能的影响 普通情形下，点缺陷主要影响晶体的物理普通情形下，点缺陷主要影响晶体的物理性质，如比容性质，如比容(specific volume)(specific volume)、比热容、比热容(specific heat volume)(specific heat volume)、电阻率、电阻率(resistivity)(resistivi

15、ty)、分散系数、介电常数等。、分散系数、介电常数等。1.1.比容比容 构成肖特基空位时，原子迁移到晶体外表构成肖特基空位时，原子迁移到晶体外表上的新位置，导致晶体体积添加。上的新位置，导致晶体体积添加。单位质量的物质所占有的容积称为比容，用符号单位质量的物质所占有的容积称为比容，用符号VV表示。其数值是密度的倒数表示。其数值是密度的倒数 n2.2.比热容比热容 构成点缺陷需向晶体提供附加的能量构成点缺陷需向晶体提供附加的能量( (空位生成焓空位生成焓) )，因此，因此引起附加比热容。引起附加比热容。n 比热容又称比热容量，简称比热，是单位质量物质的热容量，比热容又称比热容量，简称比热，是单位

16、质量物质的热容量，即使单位质量物体改动单位温度时的吸收或释放的内能。即使单位质量物体改动单位温度时的吸收或释放的内能。n3.3.电阻率电阻率 金属的电阻主要来源于离子对传导电子的散射。正常情况金属的电阻主要来源于离子对传导电子的散射。正常情况下，电子根本上在均匀电场中运动，在有缺陷的晶体中，晶格的周期下，电子根本上在均匀电场中运动，在有缺陷的晶体中，晶格的周期性被破坏，电场急剧变化，因此对电子产生剧烈散射，导致晶体的电性被破坏，电场急剧变化，因此对电子产生剧烈散射，导致晶体的电阻率增大。阻率增大。n 点缺陷对金属力学性能的影响较小，它只经过与位错的交互作用，点缺陷对金属力学性能的影响较小，它只

17、经过与位错的交互作用，妨碍位错运动而使晶体强化。但在高能粒子辐照的情形下，由于构成妨碍位错运动而使晶体强化。但在高能粒子辐照的情形下，由于构成大量的点缺陷而能引起晶体显著硬化和脆化辐照硬化。大量的点缺陷而能引起晶体显著硬化和脆化辐照硬化。六、点缺陷的符号表征六、点缺陷的符号表征以以MX型化合物为例：型化合物为例： 1.空位空位vacancy用用V来表示，符号中的右下标表示缺陷所在来表示，符号中的右下标表示缺陷所在位置，位置，VM含义即含义即M原子位置是空的。原子位置是空的。2.间隙原子间隙原子interstitial亦称为填隙原子，用亦称为填隙原子，用Mi、Xi来表示，来表示，其含义为其含义为

18、M、X原子位于晶格间隙位置。原子位于晶格间隙位置。3. 错位原子错位原子 错位原子用错位原子用MX、XM等表示，等表示，MX的含义是的含义是M原子原子占据占据X原子的位置。原子的位置。XM表示表示X原子占据原子占据M原子的位置。原子的位置。 4. 自在电子自在电子electron与电子空穴与电子空穴 (hole分别用分别用 和和 来表示。其中右上标中的来表示。其中右上标中的一撇一撇“/代表一个单位负电荷，一个圆代表一个单位负电荷，一个圆点点“代表一个单位正电荷。代表一个单位正电荷。he 5.带电缺陷带电缺陷 在在NaCl晶体中，取出一个晶体中，取出一个Na+离子，会在原来离子，会在原来的位置上

19、留下一个电子的位置上留下一个电子 ，写成，写成 ，即代表，即代表Na+离离子空位带一个单位负电荷。同理，子空位带一个单位负电荷。同理，Cl-离子空位记为离子空位记为 带一个单位正电荷。带一个单位正电荷。 NaVeClV 6 6、其它带电缺陷：、其它带电缺陷：1)CaCl21)CaCl2参与参与NaClNaCl晶体时，假设晶体时，假设Ca2+Ca2+离子位于离子位于Na+Na+离离子位置上，其缺陷符号为子位置上，其缺陷符号为 ，此符号含义为，此符号含义为Ca2+Ca2+离子占据离子占据Na+Na+离子位置，带有一个单位正电荷。离子位置，带有一个单位正电荷。 2) 2) 表示表示Ca2+Ca2+离

20、子占据离子占据Zr4+Zr4+离子位置，此离子位置，此缺陷带有二个单位负电荷。缺陷带有二个单位负电荷。 NaCa ZraC 七、缺陷反响表示法七、缺陷反响表示法 对于杂质缺陷而言，缺陷反响方程式的普通式：对于杂质缺陷而言，缺陷反响方程式的普通式： 产生的各种缺陷产生的各种缺陷杂质杂质基质基质1.1.写缺陷反响方程式应遵照的原那写缺陷反响方程式应遵照的原那么么 与普通的化学反响相类似，书写缺陷反响方程与普通的化学反响相类似，书写缺陷反响方程式时，应该遵照以下根本原那么：式时，应该遵照以下根本原那么： 1 1位置平衡位置平衡 2 2质量平衡质量平衡 3 3电荷平衡电荷平衡 1位置关系：位置关系：

21、在化合物在化合物MaXb中，无论能否存在缺陷，中，无论能否存在缺陷，其正负离子位置数即格点数之比一直是一其正负离子位置数即格点数之比一直是一个常数个常数a/b，即：，即：M的格点数的格点数/X的格点数的格点数=a/b。如如NaCl构造中，正负离子格点数之比为构造中，正负离子格点数之比为1/1，Al2O3中那么为中那么为2/3。 (2) (2)质量平衡：与化学反响方程式一样，缺陷反响方质量平衡：与化学反响方程式一样，缺陷反响方程式两边的质量应该相等。需求留意的是缺陷符号程式两边的质量应该相等。需求留意的是缺陷符号的右下标表示缺陷所在的位置，对质量平衡无影响。的右下标表示缺陷所在的位置，对质量平衡

22、无影响。 (3)(3)电中性：电中性要求缺陷反响方程式两边的有效电中性：电中性要求缺陷反响方程式两边的有效电荷数必需相等。晶体必需坚持电中性电荷数必需相等。晶体必需坚持电中性 。 2. 2.缺陷反响实例缺陷反响实例 1 1杂质组成缺陷反响方程式杂质组成缺陷反响方程式杂质在杂质在基质中的溶解过程基质中的溶解过程 杂质进入基质晶体时，普通遵照杂质的正负杂质进入基质晶体时，普通遵照杂质的正负离子分别进入基质的正负离子位置的原那么，离子分别进入基质的正负离子位置的原那么，这样基质晶体的晶格畸变小，缺陷容易构成。这样基质晶体的晶格畸变小，缺陷容易构成。例例1写出写出NaF参与参与YF3中的缺陷反响方程式

23、中的缺陷反响方程式.FF YYFV2F NaNaF3 F.i YYF3F2Na Na3NaF3 ClClCaCaCl iCl.KKCl2Cl K.KKCl2Cl2VCaCaCl根本规律：根本规律：低价正离子占据高价正离子位置时，该位置带有负电低价正离子占据高价正离子位置时，该位置带有负电荷，为了坚持电中性，会产生负离子空位或间隙正荷，为了坚持电中性，会产生负离子空位或间隙正离子。离子。高价正离子占据低价正离子位置时，该位置带有正电高价正离子占据低价正离子位置时，该位置带有正电荷，为了坚持电中性，会产生正离子空位或间隙负荷，为了坚持电中性，会产生正离子空位或间隙负离子。离子。 232223Al

24、OZrOTiOY O 23232222232322333623236Al OiAlOAl OAlOAlZrOZrOOZrOZrOiTiOTiOOTiOTiOVY OYOVY OYOY 例3 MgO构成肖特基缺陷 MgO构成肖特基缺陷时，外表的Mg2+和O2-离子迁移到外表新位置上，在晶体内部留下空位: MgMg surface+OO surfaceMgMg new surface+OO new surface + 以零Onaught代表无缺陷形状，那么： O.O MgVV .O MgVV例例4 AgBr4 AgBr构成弗仑克尔缺陷构成弗仑克尔缺陷 其中半径小的其中半径小的Ag+Ag+离子进入晶

25、格间隙，在其离子进入晶格间隙，在其格点上留下空位，方程式为：格点上留下空位，方程式为： AgAg AgAg AgiVAg 当晶体中剩余空隙比较小，如当晶体中剩余空隙比较小，如NaClNaCl型型构造，容易构成肖特基缺陷；当晶体中剩构造，容易构成肖特基缺陷；当晶体中剩余空隙比较大时，如萤石余空隙比较大时，如萤石CaF2CaF2型构造等，型构造等，容易产生弗仑克尔缺陷。容易产生弗仑克尔缺陷。 1、刃型位错构成的缘由一、刃型位错一、刃型位错2.2 2.2 线缺陷线缺陷bGAn晶体中已滑移区与未滑移区的边境限即位错晶体中已滑移区与未滑移区的边境限即位错线假设垂直于滑移方向，那么会存在一多余半线假设垂直

26、于滑移方向，那么会存在一多余半排原子面，它象一把刀刃插入晶体中，使此处上排原子面，它象一把刀刃插入晶体中，使此处上下两部分晶体产生原子错排，这种晶体缺陷称为下两部分晶体产生原子错排，这种晶体缺陷称为刃型位错刃型位错edge dislocationedge dislocation。n多余半排原子面在滑移面上方的称正刃型位错，多余半排原子面在滑移面上方的称正刃型位错，记为记为“；n相反，半排原子面在滑移面下方的称负刃型位相反，半排原子面在滑移面下方的称负刃型位错，记为错，记为“ 2、刃型位错的分类3、刃型位错的构造特征 有一额外的半原子面，分正和负刃型位错； 可了解为是已滑移区与未滑移区的边境限，

27、可是直线也可是折线和曲线，但它们必与滑移方向和滑移矢量垂直; 只能在同时包含有位错线和滑移矢量的滑只能在同时包含有位错线和滑移矢量的滑移平面上滑移；移平面上滑移； 位错周围点阵发生弹性畸变，有切应变，位错周围点阵发生弹性畸变，有切应变，也有正应变；也有正应变； 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能量。子具有较大的能量。二、二、 螺型位错螺型位错1、螺型位错的构成缘由特点：滑移方向与位错线平行。特点：滑移方向与位错线平行。 2 2、晶体中已滑移区与未滑移区的边境限即位错线假设平、晶体中已滑移区与未滑移区的边境限即位错线假设平行于滑移方向，那么在该处附近原

28、子平面已扭曲为螺旋面，行于滑移方向，那么在该处附近原子平面已扭曲为螺旋面，即位错线附近的原子是按螺旋方式陈列的，这种晶体缺陷称即位错线附近的原子是按螺旋方式陈列的，这种晶体缺陷称为螺型位错为螺型位错screw dislocationscrew dislocation。根据原子旋转方向的不同根据原子旋转方向的不同, ,螺型位错可分为左螺型和右螺型位螺型位错可分为左螺型和右螺型位错错, ,通常用拇指代表螺旋前进方向，其他四指代表螺旋方向，通常用拇指代表螺旋前进方向，其他四指代表螺旋方向，符合右手法那么的称右螺旋位错；符合左手法那么的称为左符合右手法那么的称右螺旋位错；符合左手法那么的称为左螺旋位错

29、。螺旋位错。3 3、螺型位错的构造特征、螺型位错的构造特征 无额外的半原子面，原子错排是呈轴对称的无额外的半原子面，原子错排是呈轴对称的分右旋和左旋螺型位错；分右旋和左旋螺型位错；螺型位错线与滑移矢量平行，一定是直线，位错螺型位错线与滑移矢量平行，一定是直线，位错线挪动方向与晶体滑移方向垂直；线挪动方向与晶体滑移方向垂直；n滑移面不是独一的，包含螺型位错线的平面都可以作为滑移面不是独一的，包含螺型位错线的平面都可以作为它的滑移面；它的滑移面；n位错周围点阵也发生弹性畸变，但只需平行于位错线的位错周围点阵也发生弹性畸变，但只需平行于位错线的切应变而无正应变，即不引起体积的膨胀和收缩；切应变而无正

30、应变，即不引起体积的膨胀和收缩；n螺型位错周围的点阵畸变随离位错线间隔的添加而急剧螺型位错周围的点阵畸变随离位错线间隔的添加而急剧减少，位错畸变区也是几个原子间距宽度，同样是线位减少，位错畸变区也是几个原子间距宽度，同样是线位错。错。 混合位错：滑移矢量既不平行也不垂直混合位错：滑移矢量既不平行也不垂直于位错线，而是与位错线相交成恣意角于位错线，而是与位错线相交成恣意角度。这种位错称为混合位错。度。这种位错称为混合位错。三三 混合位错混合位错a a混合位错的混合位错的构成构成b b混合位错分解为刃位错混合位错分解为刃位错和螺位错表示图和螺位错表示图c c混合位错线附近原混合位错线附近原子滑移透

31、视图子滑移透视图bb 图2-13 柏氏回路与柏氏矢量 a-有位错晶体 b-完好晶体MNOQPMNOPQb螺型位错的伯氏回路表示图螺型位错的伯氏回路表示图a a实践晶体的伯氏回路实践晶体的伯氏回路 b b完好晶体的伯氏回路完好晶体的伯氏回路2 2、柏氏矢量的特征：、柏氏矢量的特征：(1)(1)用柏氏矢量可判别位错的类型。柏氏矢量与位错线用柏氏矢量可判别位错的类型。柏氏矢量与位错线垂直者为刃型位错，平行者为螺型位错，既不垂直又垂直者为刃型位错，平行者为螺型位错，既不垂直又不平行者为混合位错。不平行者为混合位错。(2)(2)柏氏矢量反映位错区域点阵畸变总累积的大小。柏柏氏矢量反映位错区域点阵畸变总累

32、积的大小。柏氏矢量越大，位错周围晶体畸变越严重。氏矢量越大，位错周围晶体畸变越严重。(3)(3)用柏氏矢量可以表示晶体滑移的方向和大小。位错用柏氏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的大小，运动导致晶体滑移时，滑移量大小即柏氏矢量的大小，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。 n(4)(4)一条位错线具有独一的柏氏矢量。它与柏氏回路一条位错线具有独一的柏氏矢量。它与柏氏回路的大小和回路在位错线上的位置无关，位错在晶体中的大小和回路在位错线上的位置无关，位错在晶体中运动或改动方向时，其柏氏矢量不变。运动或改动方向时，其柏氏矢量不变。 n

33、(5)(5)假设位错可分解，那么分解后各分位错的柏氏矢假设位错可分解，那么分解后各分位错的柏氏矢量之和等于原位错的柏氏矢量。量之和等于原位错的柏氏矢量。n(6)(6)位错可定义为柏氏矢量不为零的晶体缺陷，它具位错可定义为柏氏矢量不为零的晶体缺陷，它具有延续性，不能中断于晶体内部。其存在形状可构成有延续性，不能中断于晶体内部。其存在形状可构成一个闭合的位错环，或衔接于其他位错，或终止在晶一个闭合的位错环，或衔接于其他位错，或终止在晶界，或露头于晶体外表界，或露头于晶体外表. . n3 3、柏氏矢量的表示法、柏氏矢量的表示法n 柏氏矢量的大小和方向要用它在各个晶轴上柏氏矢量的大小和方向要用它在各个

34、晶轴上的分量，即点阵矢量的分量，即点阵矢量a a，b b和和c c来表示。对于立来表示。对于立方晶系，由于方晶系，由于a=b=ca=b=c，故柏氏矢量可表示为，故柏氏矢量可表示为 n假设一个柏氏矢量假设一个柏氏矢量b b是另外两个柏氏矢量是另外两个柏氏矢量 n和和 之和。之和。1111abu v wn2222abu v wn12111222aabbbu v wuvwnn222abuvwn表示位错的强度表示位错的强度 同一晶体中，柏氏矢量越大，阐明该位错导致点阵畸变越同一晶体中，柏氏矢量越大，阐明该位错导致点阵畸变越严重，能量也越高，倾向于分解为两个或多个能量较低的严重，能量也越高，倾向于分解为

35、两个或多个能量较低的位错：位错：b1 b2+b3b1 b2+b3并满足并满足222123bbb五、位错的运动 位错运动的根本方式有两种：滑移slip和攀移climb1、位错的滑移 位错的滑移：在外加切应力作用下，经过位错中心附近的原子沿伯氏矢量方向在滑移面上不断地作少量位移小于一个原子间距而逐渐实现的。 位错的运动在外加切应力的作用下发生；位错的运动在外加切应力的作用下发生；位错挪动的方向和位错线垂直与伯氏矢量的方向平行；位错挪动的方向和位错线垂直与伯氏矢量的方向平行；运动位错扫过的区域晶体的两部分发生了伯氏矢量大小的相运动位错扫过的区域晶体的两部分发生了伯氏矢量大小的相对运动对运动( (滑移

36、滑移) )；位错移出晶体外表将在晶体的外表上产生伯氏矢量大小的台位错移出晶体外表将在晶体的外表上产生伯氏矢量大小的台阶。阶。螺位错也是在外加切应力的作用下发生运动；螺位错也是在外加切应力的作用下发生运动；位错挪动的方向总是和位错线垂直位错挪动的方向总是和位错线垂直( (与伯氏矢量垂直；与伯氏矢量垂直；运动位错扫过的区域晶体的两部分发生了伯氏矢量大小的相对运动位错扫过的区域晶体的两部分发生了伯氏矢量大小的相对运动运动( (滑移滑移) )；位错移过部分在外表留下部分台阶，全部移出晶体的外表上产位错移过部分在外表留下部分台阶，全部移出晶体的外表上产生伯氏矢量大小的完好台阶。生伯氏矢量大小的完好台阶。

37、刃位错的运动刃位错的运动螺位错的运动螺位错的运动混合位错的运动混合位错的运动1位错的滑移特点刃位错滑移方向与外力及伯氏矢量 平行，正、负刃位错滑移方向相反。螺位错滑移方向与外力及伯氏矢量 垂直，左、右螺型位错滑移方向相反。混合位错滑移方向与外力及伯氏矢量 成一定角度即沿位错线法线方向滑移。晶体的滑移方向与外力及位错的伯氏矢量 相一致，但并不一定与位错的滑移方向一样。 bbbb2 2、位错的攀移、位错的攀移 只需刃型位错才干发生攀移运动，即位错在只需刃型位错才干发生攀移运动，即位错在垂直于滑移面的方向上运动。其本质是构成刃垂直于滑移面的方向上运动。其本质是构成刃型位错的多余半原子面的扩展或减少，

38、它是经型位错的多余半原子面的扩展或减少，它是经过物质迁移即原子或空位的分散来实现的。通过物质迁移即原子或空位的分散来实现的。通常把半原子面向上运动称为正攀移，向下运动常把半原子面向上运动称为正攀移，向下运动称为负攀移称为负攀移 。图图2-17 2-17 刃位错攀移表示图刃位错攀移表示图a正攀移半原子正攀移半原子面缩短面缩短(b)未攀移未攀移c负攀移半负攀移半原子面伸长原子面伸长 3 3、运动位错的交割、运动位错的交割 割阶与扭折割阶与扭折 在位错的滑移运动过程中，其位错线往往很难同时实现全长在位错的滑移运动过程中，其位错线往往很难同时实现全长的运动。因此一个运动的位错线，特别是在受阻的情况下，

39、有能的运动。因此一个运动的位错线，特别是在受阻的情况下，有能够经过其中一部分线段首先进展滑移。假设由此构成的曲折线段够经过其中一部分线段首先进展滑移。假设由此构成的曲折线段就在滑移面上时，称为扭折就在滑移面上时，称为扭折kinkkink；假设该曲折线段垂直于位；假设该曲折线段垂直于位错的滑移面时，称为割阶错的滑移面时，称为割阶jogjog。1 1两个伯氏矢量相互垂直的刃型位错交割两个伯氏矢量相互垂直的刃型位错交割伯氏矢量为伯氏矢量为b1b1的刃型位错的刃型位错XYXY沿平面沿平面PXYPXY向下运向下运动，与在平面动，与在平面PABPAB上伯氏矢量为上伯氏矢量为b2b2的刃型位错的刃型位错AB

40、AB交割，由于交割，由于XYXY扫过的区域，其滑移面两侧扫过的区域，其滑移面两侧的晶体将发生间隔的晶体将发生间隔b1b1的相对位移，因此，交的相对位移，因此，交割后，在位错线割后，在位错线ABAB上产生上产生PPPP小台阶。小台阶。PPPP的大的大小和方向取决于小和方向取决于b1b1，但其伯氏矢量仍为，但其伯氏矢量仍为b2b2，b2b2垂直于垂直于PPPP，故，故PPPP是刃型位错，但它不在是刃型位错，但它不在原位错线的滑移面上，因此它是割阶。由于原位错线的滑移面上，因此它是割阶。由于位错位错XYXY平行于平行于b2b2，因此交割后不会在，因此交割后不会在XYXY上构上构成割阶。成割阶。 2

41、2两个伯氏矢量相互平行的刃型两个伯氏矢量相互平行的刃型位错的交割位错的交割伯氏矢量为伯氏矢量为b1b1的刃型位错的刃型位错XYXY沿平面沿平面PXYPXY由前到后运动，与在平面由前到后运动，与在平面PABPAB上上伯氏矢量为伯氏矢量为b2b2的刃型位错的刃型位错ABAB交割，交割，交割后，在交割后，在ABAB和和XYXY位错线上分别出位错线上分别出现平行于现平行于b1b1、b2b2的的PPPP、 台阶。这台阶。这两个台阶的滑移面和原位错的滑移两个台阶的滑移面和原位错的滑移面一致，故为扭折，属螺型位错。面一致，故为扭折，属螺型位错。n1 1、MgOMgO晶体的肖特基缺陷生成能为晶体的肖特基缺陷生

42、成能为84kJ84kJmolmol，计算该晶体在，计算该晶体在1000K1000K和和1500K1500K的缺陷浓度。的缺陷浓度。n2 2、对于刃位错和螺位错，区别其位错线方向、伯氏矢量和位错运动方、对于刃位错和螺位错，区别其位错线方向、伯氏矢量和位错运动方向的特点。向的特点。 n3 3、以下图是晶体二维图形，内含有一个正刃型位错和一个负刃型位错。、以下图是晶体二维图形，内含有一个正刃型位错和一个负刃型位错。(a)(a)围绕两个位错伯氏回路，最后得伯氏矢量假设干？围绕两个位错伯氏回路，最后得伯氏矢量假设干？(b)(b)围绕每个位错分别作伯氏回路，其结果又怎样围绕每个位错分别作伯氏回路，其结果又

43、怎样? ? 2.3 2.3 面缺陷面缺陷2.2.晶体的外表能：同体积晶体的外表能高出晶体内部的能量称晶体的外表能：同体积晶体的外表能高出晶体内部的能量称为晶体的外表自在能或外表能。计量单位为为晶体的外表自在能或外表能。计量单位为J/m2J/m2。外表能就是。外表能就是外表张力，单位为外表张力，单位为N/mN/m。3.3.外表能的来源：资料外表的原子和内部原子所处外表能的来源：资料外表的原子和内部原子所处的环境不同，内部在均匀的力场中，能量较低，而的环境不同，内部在均匀的力场中，能量较低，而外表的原子有一个方向没有原子结合，处在与内部外表的原子有一个方向没有原子结合，处在与内部相比较高的能量程度

44、。另一种想象为一完好的晶体，相比较高的能量程度。另一种想象为一完好的晶体，按某晶面为界切开成两半，构成两个外表，切开时按某晶面为界切开成两半，构成两个外表，切开时为破坏原有的结合键单位面积所吸收的能量。由于为破坏原有的结合键单位面积所吸收的能量。由于不同的晶面原子的陈列方式不同，切开破坏的化学不同的晶面原子的陈列方式不同，切开破坏的化学键的量也不同，所以用不同的晶面作外表对应的外键的量也不同，所以用不同的晶面作外表对应的外表能也不一样，普通以原子的陈列面密度愈高，对表能也不一样，普通以原子的陈列面密度愈高，对应的外表能较小。应的外表能较小。 实践运用的工程资料中，实践运用的工程资料中，那怕是一

45、块尺寸很小资料，那怕是一块尺寸很小资料，绝大多数包含着许许多多的绝大多数包含着许许多多的小晶体，每个小晶体的内部，小晶体，每个小晶体的内部，晶格位向是均匀一致的，而晶格位向是均匀一致的，而各个小晶体之间，彼此的位各个小晶体之间，彼此的位向却不一样。称这种由多个向却不一样。称这种由多个小晶体组成的晶体构造称之小晶体组成的晶体构造称之为为“多晶体。多晶体。 晶界晶界n晶界的特性晶界的特性n 晶界处点阵畸变大，存在着晶界能，因此，晶粒的长晶界处点阵畸变大，存在着晶界能，因此，晶粒的长大和晶界的平直化都能减小晶界面积，从而降低晶界的总大和晶界的平直化都能减小晶界面积，从而降低晶界的总能量，这是一个自发

46、过程。然而晶粒的长大和平直化均须能量，这是一个自发过程。然而晶粒的长大和平直化均须经过原子分散来实现，因此，随着温度升高和保温时间的经过原子分散来实现，因此，随着温度升高和保温时间的增长，均有利于这两过程的进展。增长，均有利于这两过程的进展。n 晶界处原子陈列不规那么，因此在常温下晶界的存在晶界处原子陈列不规那么，因此在常温下晶界的存在会对位错的运动起妨碍作用，致使塑性变形抗力提高，宏会对位错的运动起妨碍作用，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强度和硬度。晶粒越细，观表现为晶界较晶内具有较高的强度和硬度。晶粒越细，资料的强度越高。这就是是细强化，而高温下那么相反，资料的强度越

47、高。这就是是细强化，而高温下那么相反，因高温下晶界存在一定的粘滞性，易使相邻晶粒产生相对因高温下晶界存在一定的粘滞性，易使相邻晶粒产生相对滑动。滑动。 晶界处原子偏离平衡位置，具有较高的能量，并且晶界晶界处原子偏离平衡位置，具有较高的能量，并且晶界处存在较多的缺陷，晶界处原子的分散速度比在晶内快得处存在较多的缺陷，晶界处原子的分散速度比在晶内快得多。多。 在固态相变过程中，由于晶界能量较高且原子活动才干在固态相变过程中，由于晶界能量较高且原子活动才干较大，所以新相易于在晶界优先形核。显然，原始晶粒越较大，所以新相易于在晶界优先形核。显然，原始晶粒越细，晶界越多，那么新相形核率也相应越高。细，晶界越多，那么新相形核率也相应越高。 由于成分偏析和内吸附景象，特别是晶界富集杂质原子由于成分偏析和内吸附景象，特别是晶界富集杂质原子情况下，往往晶界熔点较低，故在加热过程中，因温度过情况