第三章 晶体缺陷-2 -lyc

1、1李玉超李玉超聊城大学材料科学与工程学院聊城大学材料科学与工程学院123.1点缺陷 (Point Defects)3.2位错 (Line Defects)3.3表面及界面 (Planar Defects)23点缺陷的形成与浓度柏氏矢量位错的基本类型和特征滑移和攀移交割，形成的扭折及割阶螺、刃的应力场及特点3位错的受力及相互作用位错的受力及相互作用位错的增殖位错的增殖堆垛层错及不全位错堆垛层错及不全位错位错反应的条件位错反应的条件小角和大角晶界模型小角和大角晶界模型晶界能与晶界特性晶界能与晶界特性孪晶界与相界孪晶界与相界4有用，研究产生的机制及性质。有用，研究产生的机制及性质。如稀土掺杂的如稀土

2、掺杂的LEDLED荧光粉，基于掺杂的半导荧光粉，基于掺杂的半导体材料，激光用红宝石等。体材料，激光用红宝石等。有害，研究如何避免。有害，研究如何避免。如硅单晶中的氧缺陷，金属材料变形时的如硅单晶中的氧缺陷，金属材料变形时的线缺陷的运动等。线缺陷的运动等。45日常荧光灯照明（与白炽灯相比节电80%） 内充惰性气体和汞蒸气，主要发紫外光，激发内壁中的荧光粉（三基色，主要是稀土掺杂的无机粉体）白光。通过调节荧光粉的比例及厚度得到白光。566发光原理：蓝色黄色发光原理：蓝色黄色77Oxynitride and nitride phosphors excited under blacklight(365

3、 nm).88封装好的封装好的LED不同颜色的不同颜色的LED9910在PN结上外加一电压 ，如果P型一边接正极 ，N型一边接负极，电流便从P型一边流向N型一边，空穴和电子都向界面运动，使空间电荷区变窄，电流可以顺利通过。如果N型一边接外加电压的正极，P型一边接负极，则空穴和电子都向远离界面的方向运动，使空间电荷区变宽，电流不能流过。这就是PN结的单向导电性。 101111变形的微观机制是变形的微观机制是线缺陷的运动。线缺陷的运动。如果能控制线缺陷如果能控制线缺陷的产生和移动就可的产生和移动就可以防止材料的塑形以防止材料的塑形变形。变形。金属材料变形时微观线缺陷的运动金属材料变形时微观线缺陷的

4、运动12晶体缺陷直接影响着材料的光、电和磁学性能晶体缺陷的产生和移动直接影响着材料的形变121313完美晶体完美晶体：质点严格按照空间点阵排列。：质点严格按照空间点阵排列。实际晶体实际晶体：由于晶格热振动、加工过程的受力、杂质：由于晶格热振动、加工过程的受力、杂质等因素，都会使晶格排列不规整，缺陷。等因素，都会使晶格排列不规整，缺陷。 在实际的晶体结构中，原子（离子、原子在实际的晶体结构中，原子（离子、原子团）并非完整地完全有规律排列的，存在团）并非完整地完全有规律排列的，存在各种不完整性。即各种不完整性。即晶体缺陷晶体缺陷。人无完人人无完人, 金无足赤。金无足赤。1414线缺陷线缺陷面缺陷面

5、缺陷点缺陷点缺陷几何形态几何形态Point defectsLine defectsSurface imperfection体缺陷体缺陷Volume defects0D(Point defects)CLASSIFICATION OF DEFECTS BASED ON DIMENSIONALITY1D(Line defects)2D(Surface / Interface)3D(Volume defects)VacancyImpurityFrenkeldefectSchottkydefectDislocationSurfaceInterphaseboundaryGrainboundaryTwinb

6、oundaryTwinsPrecipitateFaultedregionVoids / CracksStackingfaultsDisclinationDispirationThermalvibrationAnti-phaseboundariesDimensional Ranges for Different Classes of Defects1717空位空位间隙原子间隙原子错位原子或离子错位原子或离子外来原子或离子外来原子或离子双空位等复合体双空位等复合体 点缺陷点缺陷（零维缺陷）（零维缺陷） 作用范围：不是零维作用范围：不是零维Vacancyq Missing atom from an

7、atomic siteq Atoms around the vacancy displacedq Tensile stress field produced in the vicinityTensile StressFields ?ImpurityInterstitialSubstitutionalq SUBSTITUTIONAL IMPURITY Foreign atom replacing the parent atom in the crystal E.g. Cu sitting in the lattice site of FCC-Ni q INTERSTITIAL IMPURITY

8、Foreign atom sitting in the void of a crystal E.g. C sitting in the octahedral void in HT FCC-Fe Compressive stress fieldsTensile StressFieldsCompressive StressFieldsRelativesize2020各种点缺陷各种点缺陷2与与5的区别的区别影响范围影响范围结点上和邻近结点上和邻近微观的区域微观的区域212122热缺陷质点的热振动引起，与温度有关系。热缺陷质点的热振动引起，与温度有关系。一定温度下，缺陷的数量总是处于一定温度下，缺陷的

9、数量总是处于饱和、热力学稳定的，是饱和、热力学稳定的，是动态平衡动态平衡状态。状态。过饱和状态：由于淬火、冷变形加工和高能粒过饱和状态：由于淬火、冷变形加工和高能粒子辐射效应。子辐射效应。淬火后，缺陷的数量是过饱和的，淬火后，缺陷的数量是过饱和的，热力学不稳定的，但是热力学不稳定的，但是动力学上稳定的。动力学上稳定的。22怎么消除这种过饱和的点缺陷？怎么消除这种过饱和的点缺陷？退火处理！退火处理！23高分子晶体中特有的点缺陷: 链中的异常键合、链的交换、链折叠图3.22324Point Defects in PolymersDefects due in part to chain packin

10、g errors and impurities such as chain ends and side chainsAdapted from Fig. 5.7, Callister & Rethwisch 3e.Ionic Crystalsq Overall electrical neutrality has to be maintained1. Schottky defect Pair of anion and cation vacancies E.g. Alkali halides2. Frenkel defect Cation (being smaller get displac

11、ed to interstitial voids E.g. AgI, CaF23. Other defects due to charge balance If Cd2+ replaces Na+ one cation vacancy is created4.4.电荷缺陷：电子摆脱电荷缺陷：电子摆脱原子核的束缚，成为载原子核的束缚，成为载流子。成为电子及电子流子。成为电子及电子空穴缺陷，引起周围势空穴缺陷，引起周围势场的畸变。场的畸变。色心色心28 在一定温度下，热缺陷是处在不断地产生和消失的过程中，当单位时间产生和复合而消失的数目相等时，系统达到平衡，热缺陷的数目保持不变。2829引入点缺陷

12、后的能量分析：1 1、造成点阵畸变，使晶体的内能升高，降、造成点阵畸变，使晶体的内能升高，降低了晶体的热力学稳定性低了晶体的热力学稳定性2 2、引起组态熵和振动熵的改变，使晶体熵、引起组态熵和振动熵的改变，使晶体熵值增大，增加了晶体的热力学稳定性。值增大，增加了晶体的热力学稳定性。这两个相互矛盾的因素使得晶体中的点缺陷在一定的温度下有一定的平衡浓度。 29ENTHALPY OF FORMATION OF VACANCIES30设自由能设自由能F=UTS U为内能，为内能，S为系统熵（包括振动熵为系统熵（包括振动熵Sf和排列熵和排列熵SC）设在温度设在温度T时，含有时，含有N个结点的晶体中形成个

13、结点的晶体中形成n个个空位，与无空位晶体相比空位，与无空位晶体相比F=nEVTSS=SCnSfn个空位引入，可能的原子排列方式个空位引入，可能的原子排列方式30()! !NnWN n31()!()!lnln1ln! ! !ln()lnlnln()lnlnln()l()!ln! !ln !ln0n0ccvfvfTTNnNnSkkN nN nSkNnNnNNnnFn ET SkTNnNnNNnnNnSyET SkTNnnnkWWN nxxxxyn 由，近似：平衡时：3132ln()ln0,lnexpexpexpexp110vfTvffvvfyET SkTNnnnET SNNnnkTTSEEnCAN

14、kkTkTSAk 当故空位在是由振动熵决定的系数，一般在温度时的平衡浓度之间。3233expe1/8.31 /xpexpexpfAvfAvAvvQJ molRkNJmoQN ECAAN kTRTEQCAAkTlRTkE为形成 摩尔空位所需作的功，单位为，为气体常数同理，也可以计算出间隙原子的平衡浓度其中为形成一个间隙原子所需的能量。3334在同一温度下，晶体中间隙原子的平衡浓度C 要比空位的平衡浓度C低得多。相对于空位，间隙原子可以忽略不计；但是在高能粒子辐照后，产生大量的弗兰克尔缺陷，间隙原子数就不能忽略了。 由于离子晶体中点缺陷的形成能很大，所以在平衡状态下形成点缺陷浓度很小。3435缺陷

15、的运行及物质的迁移空位或间隙原子不断复合，不断产生，空位或间隙原子不断复合，不断产生，不断运动，从而造成了物质的迁移不断运动，从而造成了物质的迁移3536通过迁移实现结构的变化，从而就有了相变、蠕变、烧结等物理化学过程。结构发生变化性能变化。电阻？，体积？，密度？，金属的屈服强度？3637位错模型的提出及背景位错模型的提出及背景 完整晶体塑性变形完整晶体塑性变形滑移模型滑移模型金属晶体的理论强度金属晶体的理论强度理论强度比实测理论强度比实测强度高出几个数量级强度高出几个数量级 晶体缺陷的设晶体缺陷的设想想线缺陷（位错）的模型线缺陷（位错）的模型 以位错以位错滑移模型计算出的晶体强度，与实测值滑

16、移模型计算出的晶体强度，与实测值基本相符。基本相符。373838Stress Required to Shear a Crystal414142424343Dislocations in metals. (a) Titanium. (Courtesy of B. K. Kad.) (b) Silicon.Dislocation in Metals45位错可以分为两类：刃位错和螺旋位错。1、刃位错 (Edge dislocation)4546ZnO中的刃位错464747氧氧化化锌锌纳纳米米线线48484949位错线位错线EF滑移面滑移面ABCD50 刃位错的结构特点：1 1、表示方法；、表示方法

17、；正负之分正负之分 2 2、位错线可以是折线或曲线，但它必与、位错线可以是折线或曲线，但它必与滑移方滑移方向（矢量）向（矢量）相垂直；相垂直；3 3、滑移面的唯一性：由、滑移面的唯一性：由位错线滑移矢量位错线滑移矢量确定；确定；4 4、受力情况。、受力情况。张应力区和压应力区张应力区和压应力区；5 5、畸变区能量大，而且是个、畸变区能量大，而且是个通道（不一定是直通道（不一定是直线），线），作用范围作用范围几个原子间距。几个原子间距。50512、螺旋位错 (Screw dislocation)515252535354螺旋位错的结构特点：1、无额外半原子面。2、 螺型位错可分为右旋和左旋螺型位错

18、。3、螺型位错线一定是直线，而且位错线与与晶体滑移方向相平行。4、纯螺型位错的滑移面不是唯一的。凡是包含螺型位错线的平面都可以作为它的滑移面。但实际上，滑移通常是在那些原子密排面上进行。54555、螺型位错线周围的点阵也发生了弹性畸变，但是，只有切应变而无正应变，即不会引起体积膨胀和收缩，且在垂直于位错线的平面投影上，看不到原子的位移，看不出有缺陷。55 6、螺型位错周围的点阵畸变随离位错线距离的增加而急剧减少，故它也是包含几个原子宽度的线缺陷。 563、混合位错 (Mixed dislocations)565757 材料科学与工程学院ScrewEdge This dislocation ha

19、s both edge and screw character with a single Burgers vector consistent with the pure edge and pure screw regions.58混合位错的结构特点：1、滑移矢量既不平行也不垂直于位错线，而与位错线相交成任意角度2、混合位错线是一条曲线，可分解为刃型和螺型分量。58The plastic deformation of a crystal by the movement of a dislocation along a slip plane!.59位错线位错线不能终止于晶体内部不能终止于晶体内部

20、。在晶体内部，要么在晶体内部，要么自成环状回路（位错环）自成环状回路（位错环），要，要么与其他位错么与其他位错相交于节点相交于节点；要么穿过晶体；要么穿过晶体终止于终止于晶界或晶体表面晶界或晶体表面。5960一个位错环能否各部分都是螺位错?能否各部分都是刃位错?为什么?解：螺位错的柏氏矢量与位错线平行，而一个解：螺位错的柏氏矢量与位错线平行，而一个位错只有一个柏氏矢量，一个位错环不可能位错只有一个柏氏矢量，一个位错环不可能与一个方向处处平行，所以一个位错环不能与一个方向处处平行，所以一个位错环不能各部分都是螺位错。刃位错的柏氏矢量与位各部分都是螺位错。刃位错的柏氏矢量与位错线垂直，如果柏氏矢量

21、垂直位错环所在的错线垂直，如果柏氏矢量垂直位错环所在的平面，则位错环处处都是刃位错。这种位错平面，则位错环处处都是刃位错。这种位错的滑移面是位错环与柏氏矢量方向组成的棱的滑移面是位错环与柏氏矢量方向组成的棱柱面，这种位错又称棱柱位错。柱面，这种位错又称棱柱位错。 6061大小大小畸变的程度，滑移距离畸变的程度，滑移距离. .方向方向什么类型的位错；滑移什么类型的位错；滑移( (错位错位) )的方向。的方向。6162做一个柏式回路 Burgers Circuit步骤：（1）确定位错线的正方向（出纸面为正）（2）用右手螺旋定则确定回路。（3）围绕位错做一右旋闭合回路（伯氏回路）。（4）在完整晶体中

22、按同样的方向和步数作相同的回路，如不闭合，则由终点向起点引一矢量b，即为柏氏矢量。6263位错的柏氏矢量，即位错的位错的柏氏矢量，即位错的单位单位滑移矢量。滑移滑移矢量。滑移矢量是指晶体滑移过程中，在滑移面的滑移方向矢量是指晶体滑移过程中，在滑移面的滑移方向上，上，任一原子从一个位置移向另一个位置所引出任一原子从一个位置移向另一个位置所引出的矢量的矢量。刃位错的正负：右手法则，食位错线（刃位错的正负：右手法则，食位错线（正向正向），），中柏氏矢量，拇指代表多余半原子面的位向，中柏氏矢量，拇指代表多余半原子面的位向，规定拇指向上为正，反之为负。规定拇指向上为正，反之为负。螺位错的左右：柏氏矢量与

23、位错线正向平行的为螺位错的左右：柏氏矢量与位错线正向平行的为右，反之为左。右，反之为左。位错矢量之间的关系（图）位错矢量之间的关系（图）636464刃型位错柏氏矢量的确定刃型位错柏氏矢量的确定(a) (a) 有位错的晶体有位错的晶体 (b) (b) 完整晶体完整晶体 MNOPQMNOPQ柏氏矢量柏氏矢量6565螺型位错柏氏矢量的确定螺型位错柏氏矢量的确定(a) (a) 有位错的晶体有位错的晶体 (b) (b) 完整晶体完整晶体 柏氏矢量柏氏矢量6666混合位错的混合位错的形成形成混合位错分解为刃位混合位错分解为刃位错和螺位错示意图错和螺位错示意图 Characterization of dis

24、locations by and .blpositivenegativeblblright-handedleft-handedbbEdge dislocationsScrew dislocations681).1). 点阵畸变总累积的物理量。而该矢量的模点阵畸变总累积的物理量。而该矢量的模|b|b|表示了畸变的程度表示了畸变的程度( (位错的强度位错的强度) )。2).2). 柏氏矢量是唯一的柏氏矢量是唯一的( (柏氏矢量的守恒性柏氏矢量的守恒性).).3). 3). 一根位错线具有唯一的柏氏矢量。一根位错线具有唯一的柏氏矢量。4).4). 分解分解5).5). 位错的连续性。不能中断于晶体内

25、部。位错的连续性。不能中断于晶体内部。681niibb交点交点b=069柏氏矢量的大小和方向可以用它在晶轴上的分量，来表示。具体做法是：将某个滑移矢量在晶胞坐标轴上的分量，依次填入中，提取公因数k，使括号内的数字成为最小整数即可。69buavbwc70由于a=b=c柏氏矢量可表示为：b=a/n ，其中n为正整数。符合加减定律。其中a为晶胞参数，uvw表示矢量方向，它与晶体滑移方向的晶向符号相同。7071位错的强度：就是错位的距离同一晶体中，柏氏矢量愈大，表明该位错导致点阵畸变愈严重，它所处的能量也愈高。能量较高的位错通常倾向于分解为两个或多个能量较低的位错：b1b2b3，并满足|b1|2|b2

26、|2|b3|2，以使系统的自由能下降。 71222abuvwn72宏观的塑性形变是位错运动的结果；通过学习，可以深入理解与材料的力学性能的关系；两种最基本的形式：滑移和攀移。7273位错的滑移是在外加切应力的作用下，通过位错中心附近的原子沿柏氏矢量方向象毛虫一样爬.73 Slip (glide) 747475滑移面选择很多交滑移双交滑移7576沿各点的法线方向在滑移面上向外扩展。76混混合合位位错错的的滑滑移移7777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7878位错的滑移特征位错的滑移特征位错位错类型类型柏氏柏氏矢量矢量位错线位错线运动方向运动方向晶体滑

27、移晶体滑移方向方向切 应 力切 应 力方向方向滑 移 面 数滑 移 面 数目目刃型刃型位错位错位错线位错线位错线本身位错线本身 与与b b一致一致与与b b一致一致唯一确定唯一确定螺型螺型位错位错位错线位错线位错线本身位错线本身 与与b b一致一致与与b b一致一致多个多个混合混合位错位错成角度成角度位错线本身位错线本身 与与b b一致一致与与b b一致一致唯一确定唯一确定79在垂直于滑移面的方向上运动，即发生攀移。正负攀移 。位错攀移需要热激活，较之滑移所需的能量更大。79刃刃型型位位错错的的攀攀移移Climb8080刃位错攀移示意图刃位错攀移示意图（a）正攀移）正攀移（半原子面缩短）（半原

28、子面缩短）(b)未攀移未攀移（c）负攀移）负攀移（半原子面伸长）（半原子面伸长）81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。阻力或者位错间的交割 打弯：扭折（处于滑移面上)割阶（垂直于滑移面）81运运动动位位错错的的交交割割8282图图3.17位错中出现的割阶与扭折示意图位错中出现的割阶与扭折示意图(a) 刃型位错（刃型位错（b）螺型位错）螺型位错83根据位错线与柏氏矢量的关系刃位错：扭折，螺位错割阶，刃位错螺位错：均为刃位错8384两个柏氏矢量互相垂直/平行的刃位错交割84垂直垂直平行平行85两个柏氏矢量互相垂直的刃螺位错的交割8586两个柏氏矢量互相垂直的两螺位错的交割

29、8687交割后，位错线上都可以产生扭折或割阶，其大小和方向由另一位错的b矢量决定割阶都是刃型位错扭折可随位错线一起运动，基本不产生阻力，而且在线张力下易消失.8788割阶与原位错线不在同一滑移面上，如果不产生攀移，则阻力很大，产生割阶硬化现象。割阶的高度只有割阶的高度只有1-21-2个原子间距，可以被拖着走，后面留下一个原子间距，可以被拖着走，后面留下一排点缺陷；排点缺陷；高度很大，高度很大，20nm20nm以上，以割阶为轴，在各处的滑称面上旋转。以上，以割阶为轴，在各处的滑称面上旋转。介于两种情况之间，位错不能拖着割阶运动，产生位错偶。介于两种情况之间，位错不能拖着割阶运动，产生位错偶。88

30、89为了计算方便，进行假设：晶体是完全弹性体，服从虎克定律；晶体是各向同性的；晶体由连续介质组成，晶体中没有空隙；所以晶体中的应力、应变、位移等量是连续的，可用连续函数表示。 8990正应力切应力应力场坐标909191把中心部分挖掉？把中心部分挖掉？能量较小；能量较小；力学性质与假设相差力学性质与假设相差很远；很远；所推导的公式不能应所推导的公式不能应用于位错中心位置。用于位错中心位置。920zbr92不能应用于位不能应用于位错中心位置错中心位置使用圆柱坐标使用圆柱坐标930zbr93螺位错的应力场特点：螺位错的应力场特点： 只有切应力分量；只有切应力分量； 不引起晶体的膨胀和收缩；不引起晶体

31、的膨胀和收缩； 只与只与r有关（成反比），而与有关（成反比），而与，z无关；无关； 螺型位错的应力场是螺型位错的应力场是轴对称轴对称的。的。949495刃型位错应力场具有以下特点：1)正应力与切应力。2)各应力分量都是x，y的函数，而与z无关。3)对称于半原子面。4)滑移面上，无正应力，只有最大切应力。5)半原子面一侧受压应力，另一侧为张应力。（应力的正向为离开作用面的方向）6)x轴方向力的大小始终大于y轴方向的力。9596项目项目应力应力对称性对称性螺位错螺位错只有切应力只有切应力轴对称轴对称刃位错刃位错正应力和切正应力和切应力应力对称于半原对称于半原子面子面9697位错周围点阵畸变引起弹性

32、应力场导致晶体能量增加 ，即位错的应变能。以单位长度计算 但是Ec一般很小，可以忽略。97ceEEE98单位长度刃型位错的应变能为 单位长度螺型位错的应变能为注意R与r0R为位错最大的作用范围，与变形范围不同。为位错最大的作用范围，与变形范围不同。r0为位错中心的尺寸大小。为位错中心的尺寸大小。9820ln4 (1)eeGbREvr20ln4seGbREr99混合位错可以分解成螺刃位错其应变能为99202ln41(1 0.75)1cosmeseeeGbREEEKrvKv角度因素：lK1，螺位错；，螺位错；K1-v，刃位错。，刃位错。 混合位错的角度因素混合位错的角度因素211cosvKv100

33、20.51EGb 100l认为认为r0与与b接近，接近，10-10m，而，而R是位错是位错的最大作用半径，的最大作用半径，10-6m；1011) 包括两部分：Ec（忽略）和Ee。2) 与|b|2成正比。密排？3) 螺位错弹性应变能约为刃位错的的2/3。4) 有变直和缩短长度的趋势。5) 高能，热力学上不稳定。 101102位错的线张力T可近似地用下式表达：10220.5 1.0TkGbk 线张力不仅使位错变直，线张力不仅使位错变直，并交点上位错的线张力并交点上位错的线张力是平衡的。是平衡的。电镜下电镜下Ti3Al中观察到中观察到的位错网的位错网103103两端钉扎的位错在切应力下的弯曲两端钉扎

34、的位错在切应力下的弯曲1042Gbr104弯到什么程度时，所需弯到什么程度时，所需的外加切应力最大？的外加切应力最大？弯曲成半圆形的时候弯曲成半圆形的时候两端钉扎的位错在切应力下的弯曲两端钉扎的位错在切应力下的弯曲105105弥散强化弥散强化1062Gbr106减小粒子之间的间距（减小粒子之间的间距（2r）减小粒子尺寸减小粒子尺寸或提高体积分数都会提高合金强度或提高体积分数都会提高合金强度提高强化效果提高强化效果107切应力（滑移力）位错线将在滑移面上移动。移动方向总是与位错线垂直。正应力（攀移力）位错线将垂直滑移面运动。107108()ddWdA bdlds bF dsFb dlFb 108

35、滑移力滑移力可理解为有一个垂直于位错线的可理解为有一个垂直于位错线的“力力”作用在作用在位错线上。位错线上。得到的力不是位错附近的原子真正受到的力。得到的力不是位错附近的原子真正受到的力。虚功原理虚功原理109滑移力特点：虚力。大小：与外切应力和柏氏矢量b成正比。方向：垂直位错线并指向未滑移部分。1091101101111yyF dydy bFb 111攀移力特点：攀移力特点：l 大小：大小：与外加正应力和柏氏与外加正应力和柏氏矢量矢量b成正比。成正比。l 方向：方向：与位错线相垂直，与与位错线相垂直，与攀移方向一致。攀移方向一致。112项目项目虚实虚实大小大小方向方向滑移力虚力虚力与与外切应

36、力外切应力和和b成正比成正比垂直于位错线垂直于位错线指向指向未滑移未滑移部分部分攀移力同上同上与与外加正应力外加正应力和和b成正比成正比垂直于位错线垂直于位错线与与攀移方向攀移方向一致一致112113有场就有相互作用两平行螺位错的交互作用两平行刃型位错间的交互作用两平行的螺位错和刃型位错间无相互作用1131141222rzGb bfbr11400rrff同向，斥力反向，吸引同性相斥同性相斥异性相吸异性相吸115115两平行刃型位错间的交互作用两平行刃型位错间的交互作用2212222222122222()2 (1) ()(3)2 (1) ()xyxyxxGb bx xyfbvxyGb byxyf

37、bvxy fx的符号坐标区域不同而变化；的符号坐标区域不同而变化；fy与与y值同号，说明两平行刃位错相遇以后值同号，说明两平行刃位错相遇以后y方方向总是相斥的。向总是相斥的。fx和和fy的符号及方向？的符号及方向？1160 xyff总表现出斥力116同号刃位错的交互作用同号刃位错的交互作用 |y|=|x|按道理来说，应该是不按道理来说，应该是不稳定的，但是为什么有稳定的，但是为什么有人提出是介稳态呢？人提出是介稳态呢？刃位错的攀移比较难实现！刃位错的攀移比较难实现！1170 xxyfff指向y轴，在y轴上；总表现出斥力117同号刃位错的交互作用同号刃位错的交互作用 |y|x|由于位错攀移比较由

38、于位错攀移比较困难，所以容易形困难，所以容易形成成位错墙。位错墙。118单晶镉被压缩时的扭折中的位错墙。118119xyff和都表现出斥力119同号刃位错的交互作用同号刃位错的交互作用 |y|x|导致两位错相互远离导致两位错相互远离.120 xyfyxf指向。表现出吸引。使他们尽可能靠近。120121121122位错的密度：单位体积晶体中所含的位错位错的密度：单位体积晶体中所含的位错线的总长度线的总长度 1222(1/)LcmVl一般用一般用穿过单位面积的位错线数穿过单位面积的位错线数来表示来表示nlnlAA淬冷金属：淬冷金属：10101012cm-2精心退火：精心退火：103cm-2位错的生

39、成和增殖位错的生成和增殖1231)晶体生长过程晶体生长过程123位错是怎么生成的？位错是怎么生成的？杂质原子杂质原子由于温度梯度、浓度梯度、机械扰动、冷由于温度梯度、浓度梯度、机械扰动、冷却时体积变化的热应力等的影响却时体积变化的热应力等的影响 3)晶体内部的某些界面和微裂纹的附近，晶体内部的某些界面和微裂纹的附近，由于热应力和组织应力的作用，往往出现应由于热应力和组织应力的作用，往往出现应力集中。力集中。2)由于自高温较快凝固及冷却时晶体内存由于自高温较快凝固及冷却时晶体内存在大量过饱和空位，在大量过饱和空位，空位的聚集形成位错。空位的聚集形成位错。124经剧烈塑性变形后的金属晶体，其位错密

40、度可经剧烈塑性变形后的金属晶体，其位错密度可增加增加4545个数量级。个数量级。说明增殖。说明增殖。一种主要方式是弗兰克一种主要方式是弗兰克- -瑞德（瑞德（Frank-ReadFrank-Read）位错源位错源 124位错的增殖位错的增殖125125F-R源动作过程演示源动作过程演示126下图表示在同一直线上有柏氏矢量相同的下图表示在同一直线上有柏氏矢量相同的2 2 个同号刃位错个同号刃位错AB AB 和和CDCD，距离为，距离为x x，他们作，他们作F-R F-R 源开动。源开动。(a)(a)画出这画出这2 2个个F-R F-R 源增殖时的逐步过程，二源增殖时的逐步过程，二者发生交互作用时

41、，会发生什么情况？者发生交互作用时，会发生什么情况？(b)(b)若若2 2位错是异号位错时，情况又会怎样？位错是异号位错时，情况又会怎样？126127解：解：(a)(a)两个位错是同号，当位错源开动时，两个位错是同号，当位错源开动时，两个位错向同一方向拱弯，如下图两个位错向同一方向拱弯，如下图(b)(b)所示。所示。在外力作用下，位错继续拱弯，在相邻的位在外力作用下，位错继续拱弯，在相邻的位错段靠近，它们是反号的，互相吸引，如上错段靠近，它们是反号的，互相吸引，如上图图(c)(c)中的中的P P 处所示。两段反号位错相吸对消处所示。两段反号位错相吸对消后，原来两个位错连接一起，即形成后，原来两

42、个位错连接一起，即形成AD AD 位位错，余下一段位错，即错，余下一段位错，即BC BC 位错，这段位错和位错，这段位错和原来的位错反号，如上图原来的位错反号，如上图(d)(d)所示。在外力作所示。在外力作用下，用下，BC BC 位错也作位错源开动，但它的拱弯位错也作位错源开动，但它的拱弯方向与原来的相反，如上图方向与原来的相反，如上图(e)(e)所示。所示。127128两根位错继续拱弯在如图两根位错继续拱弯在如图(f)(f)的的O O 及及OO处处再相遇，因为在相遇处它们是反号的，再相遇，因为在相遇处它们是反号的，所以相吸对消。最后，放出一个大位错所以相吸对消。最后，放出一个大位错环，并回复

43、原来的环，并回复原来的AB AB 和和CD CD 两段位错，两段位错，如上图如上图(g)(g)所示。这个过程不断重复增值所示。这个过程不断重复增值位错。位错。128129(b)(b)两个位错是反号，当位错源开动时，两个位两个位错是反号，当位错源开动时，两个位错向相反方向拱弯，如下图错向相反方向拱弯，如下图(b)(b)所示。在外力所示。在外力作用下，位错继续拱弯，在相邻的位错段靠作用下，位错继续拱弯，在相邻的位错段靠近，它们是反号的，互相吸引，如下图近，它们是反号的，互相吸引，如下图(c) (c) 中中的的P P 处所示。两段反号位错相吸对消后，即处所示。两段反号位错相吸对消后，即形成形成AC

44、AC 和和BD BD 位错，如下图位错，如下图(d)(d)所示。所示。129130AC AC 和和BD BD 位错继续滑动，它们在下图位错继续滑动，它们在下图(e)(e)的的O O 及及OO处处又相遇，在相遇处的位错也是反号的。反号位错相又相遇，在相遇处的位错也是反号的。反号位错相吸并对消，放出一个大位错环，同时恢复原来的吸并对消，放出一个大位错环，同时恢复原来的AB AB 和和CD CD 两段位错，如下图两段位错，如下图(f)(f)所示。这个过程不断重复所示。这个过程不断重复增值位错。上述过程是两段位错间的距离增值位错。上述过程是两段位错间的距离x x 不是很大不是很大的情况下发生的，如果的

45、情况下发生的，如果x x 很大，两个位错单独作为位很大，两个位错单独作为位错环开动，他们各自放出一个位错环，然后两个位错环开动，他们各自放出一个位错环，然后两个位错再合并成一个大位错环。错再合并成一个大位错环。130131位错的增殖机制还有，双交滑移、攀移增殖等。位错的增殖机制还有，双交滑移、攀移增殖等。 1311321323.2位错位错3.2.6实际晶体结构中的位错实际晶体结构中的位错1、分别属于什么位错？、分别属于什么位错？2、b的的大小大小和方向？和方向？133实际晶体中位错的柏氏矢量简单立方晶体中 b=u实际晶体中可能有的位错单位位错单位位错：b=单位单位u全位错全位错：b=nu (n

46、为正整数为正整数)不全位错不全位错：bnu (n为正整数为正整数)部分位错部分位错：bu133滑移后会改变原滑移后会改变原子排列规律吗？子排列规律吗？134实际晶体结构中，位错b应该结构条件和结构条件和能量条件能量条件，不能是任意的，不能是任意的位错的能量与谁有关系？位错的能量与谁有关系？|b|2谁最稳定？谁最稳定？单位位错单位位错：b=单位单位u全位错全位错：b=nu (n为正整数为正整数)不全位错不全位错：bnu (n为正整数为正整数)部分位错部分位错：bu单位位错最稳定单位位错最稳定b应该连接一个平衡位置到另一个平衡位置应该连接一个平衡位置到另一个平衡位置134135简单立方a|b|=a

47、3135136面心立方13621226aba137体心立方13721324aba138密排六方1383aba自己从自己从110推导一下推导一下139结构类型结构类型柏氏矢量柏氏矢量方向方向|b|数量数量简单立方简单立方aa3面心立方面心立方a/26体心立方体心立方a/24密排六方密排六方 a/3a3139122a132a140实际晶体能量最低的位错单位位错大小大小：单位点阵矢量：单位点阵矢量方向方向：密排方向：密排方向不全位错与堆垛层错有着密切关系1401412. 堆垛层错141142正常堆垛顺序遭到破坏和错排，称为堆垛层错有没有象刃位错一样的点阵畸变？层错会引起体系能量的升高吗？破坏了晶体的

48、完整性和正常的周期性，使电子发生反常的衍射效应，故使晶体的能量有所增加，这部分增加的能量称堆垛层错能 （J/m2）。 142143表示方法：表示正顺序，表示相反顺序面心立方的密排面？面心立方的密排面？ ABCABCA 密排六方的密排面？密排六方的密排面？ ABABABA 抽出的表示方法 例：ABCBCA ABCBABCA143144体心立方里的层错110面和面和100是是ABABA结构，可能有层错吗？结构，可能有层错吗？但是，但是，112 可产生层错可产生层错144145112面堆垛的周期145146体心立方里的层错110面和面和100是是ABABA结构，可能有层错吗？结构，可能有层错吗？但是

49、，但是，112 可产生层错。可产生层错。ABCDEFA层错产生的难易与什么有关系？层错能高，则难；低，则易。1461473. 不全位错不全位错堆垛层错不是发生在晶体的整个原子面上，而只是部分区域存在;在层错与完整晶体的交界处就存在柏氏矢量b不等于点阵矢量的不全位错。147148面心立方晶体中： 肖克莱和弗兰克肖克莱和弗兰克 不全位错。不全位错。148(101)面面b=?位错类型位错类型?149(101)面b=a/6?刃位错?149150150151151152152153抽出型为负，插入型为正。b=a/3刃位错不能离开层错面，固定位错，不滑移位错只能进行攀移153154将位错之间的相互转化（分

50、解或合并）称为位错反应。位错反应能否进行，决定于是否满足如下两个条件：1).几何条件2).能量条件：能量降低的过程154shbb22shbb155颗粒的尺寸越小表面占的比例？表面能？表面能量稳定性活性表面能有减小的趋势在纳米材料制备过程中，表面是一个非常重要的问题。会影响着纳米材料的性能及生长情况。155156156自组装自组装157157158158159159160160161161162162163界面包括外表面（自由表面）和内界面表面是指固体材料与气体或液体的分界面，它与摩擦、磨损、氧化、腐蚀、偏析、催化、吸附现象等均密切相关；内界面可分为晶粒边界和晶内的亚晶界、孪晶界、层错及相界面等

51、。163164晶格特点部分被包围，相邻原子少，畸变部分被包围，相邻原子少，畸变成分偏聚和表面吸附，成分有变化成分偏聚和表面吸附，成分有变化造成表层的点阵畸变，使它们的能量比内部原子高，这几层高能量的原子层称为表面 164165165166表面能(J/m2)：晶体表面单位面积自由能的增加可以理解为产生单位新表面所作的功表面能也可以用单位长度上的表面张力(N/m)表示dWdS166167表面是一个原子排列的终止面，有一侧无固体中原子的键合。故其表面能可用形成单位新表面所割断的结合键数来近似表达。167被割断的结合键数目能量形成单位新表面每个键168自由晶体暴露在外的表面通常是低表面能的原子密排晶面

52、。从生长动力学来讲，其合理性是不是密排，原子数多，键多还是少？表面能高还是低？ 168被割断的结合键数目能量形成单位新表面每个键169169每个原子几个键？每个原子几个键？4个个170170每个原子几个键？每个原子几个键？5个个171171每个原子几个键？每个原子几个键？3个个1721个原子合4个键面间距和面密度？172(100)(100)0.50.7850.785 43.14daK面键数的密度为：1731个原子合4个键面间距和面密度？173(110)(110)0.3540.5550.555 52.775daK面键数的密度为：1741个原子合3个键面间距和面密度？174(111)(111)0.

53、5770.9070.907 32.721daK 面键数的密度为：175项目项目每个原子的键数每个原子的键数表面能最低的面表面能最低的面453175176176面心立方晶体外形是由面心立方晶体外形是由(111)和和(100)组成（模拟结果）组成（模拟结果）3-D Polar plot of fcc/fcc interfacial energy 3-D Wulff equilibrium shape of fcc precipitate in fcc matrix177为了保持低的能量，外表面一般呈台阶状，台阶部分为低表面能的面。表面能还与曲率有关177178178Fig. (a) Crystal

54、structure of Cu2O. Slab modelsof(b) (100) and (c) (111) surface structures of Cu2O. Cu and O atoms are represented by dark blue and red spheres, respectively. 举例：举例：Cu2O不同面的生长速度不同面的生长速度179体O原子的配位数为4；对于100面来说，面内的是2，边上是1，顶点为1/2。所以有导致面上存在浓度梯度。179(100)(100)(100)corneredgefaceEEE180180nhklhklhklERAR是生长速度

55、，是生长速度，E是体原子与表面原子之间的能量差。是体原子与表面原子之间的能量差。A是面的面积；是面的面积；是溶液的过饱和度。是溶液的过饱和度。N为速率因子。为速率因子。 181181Fig. SEM images of Cu2O crystals grown with M(EDTA) = M(Cu2+) =1.25 mmol and pH = 11 at different reaction times: (A) 8 h; (B) 12 h; (C) 18 h; (D) 24 h. Scale bar =10 um. 182182183属于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差异的亚晶粒所组成，相邻亚晶粒间的界面称为亚晶界 183184描述界面的5个参数三个描述一晶格相对于三个描述一晶格相对于另一晶格的位向关系另一晶格的位向关系二个描述晶界（交界）的位置二个描述晶界（交界）的位置根据相邻晶粒之间位向差的大小不同可将晶界分为两类：小角度晶界小角度晶界相邻晶粒的位向差小于相邻晶粒的位向差小于1010；亚晶界均属；亚晶