第2章点缺陷和位错

1、材料科学基础材料科学基础理想晶体理想晶体：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：存在着各种各样的结构的不完整性。：存在着各种各样的结构的不完整性。缺陷的含义：通常把晶体点阵结构中周期性势场的畸变称为晶体的缺陷的含义：通常把晶体点阵结构中周期性势场的畸变称为晶体的结构缺陷。结构缺陷。u 在实际晶体中，由于原子在实际晶体中，由于原子(或离子、分子或离子、分子)的热的热运动，以及晶体的形成条件、冷热加工过程和其它运动，以及晶体的形成条件、冷热加工过程和其它辐射、杂质等因素的影响，实际晶体中原子的排列辐射、杂质等因素的影响，实际晶体中原子的排列不可能那样规则、完整，常

2、存在各种偏离理想结构不可能那样规则、完整，常存在各种偏离理想结构的情况，即晶体缺陷。的情况，即晶体缺陷。点缺陷：点缺陷： 是零维缺陷，包括空位、间隙原子、置换原子等；是零维缺陷，包括空位、间隙原子、置换原子等；线缺陷：线缺陷： 是一维缺陷，即位错；是一维缺陷，即位错；面缺陷：面缺陷： 是二维缺陷，包括晶界、相界、孪晶界、堆垛层错等；是二维缺陷，包括晶界、相界、孪晶界、堆垛层错等；2.1.12.1.1点缺陷的种类点缺陷的种类一一. .晶体中的空位和间隙原子晶体中的空位和间隙原子二二. .离子晶体中的空位及间隙原子离子晶体中的空位及间隙原子 三三. .点缺陷的热力学分析点缺陷的热力学分析 间隙原子

3、和空间隙原子和空位均会引起晶格位均会引起晶格畸变，导致体系畸变，导致体系能量升高。能量升高。 在晶体中位于点阵结点上的原子并非静止的，而是以其平衡位置为中心作热振动，原子振动能按几率分布，有起伏涨落期。当某一原子具有足够大的振动能而使振幅增大到一定限度时，就可能克服周围原子对它的制约作用，跳离其原来的位置，使点阵中形成空结点，称为。 离开平衡位置的原子有三个去处：p迁移到晶体表面或内表面的正常结点位置上，而使晶体内部留下空位，称为；p挤入点阵的间隙位置，而在晶体中同时形成数目相等的空位和自间隙原子，则称为；p跑到其它空位中，使空位消失或使空位移位。另外，在一定条件下，晶体表面上的原子也可能跑到

4、晶体内部的间隙位置形成间隙原子。以苏联物理学家雅科夫以苏联物理学家雅科夫弗仑克尔弗仑克尔（ ）名字命名名字命名 以德国物理学家沃尔特以德国物理学家沃尔特肖特基（肖特基（Walter Schottky）的名字命名）的名字命名 (a)Schottky空位形成示意图空位形成示意图(b)Frankel空位形成示意图空位形成示意图为了保持晶体的电的中性，空位只能为了保持晶体的电的中性，空位只能以与晶体相同的正离子以与晶体相同的正离子:负离子的空位比率小组的负离子的空位比率小组的方式产生。这些电中性的正离子方式产生。这些电中性的正离子-负离子负离子-空位丛簇空位丛簇称为。称为。空位空位/间隙对形式存在的缺

5、陷群。间隙对形式存在的缺陷群。 点缺陷可以导致：点缺陷可以导致：p 点阵畸变点阵畸变 使晶体的内能升高，使晶体的内能升高，降低了晶体的热力学稳定性降低了晶体的热力学稳定性。p 增大了原子排列的混乱程度，并改变了其周围原子的振动频增大了原子排列的混乱程度，并改变了其周围原子的振动频率，引起组态熵和振动熵的改变，使晶体熵值增大，率，引起组态熵和振动熵的改变，使晶体熵值增大，增加了增加了晶体的热力学稳定性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。它可根据热力学理论求得。度下有一定的平衡浓度。它可根据热力

6、学理论求得。 ：空位是一种热力学平衡的缺陷，即在一定的温度下，晶体中总是会存在着一定数量的空位，这时体系的能量处于最低的状态，也就是说，具有平衡空位浓度的晶体比理想晶体在热力学上更为稳定。 空位-体系能量曲线 “金无足赤” 每“k”含金量为4.166%， 18k=184.166%=74.998%, 24k=244.166%=99.984% 由于促使原于脱离点阵位置而形成的点缺陷称为。 晶体中的点缺陷还列以通过高温淬火、冷变形加工和高能粒子(如中子、质子、粒子等)的辐照效应等形成。这时，往往晶体中的点缺陷数量超过了其平衡浓度，通常称为。 式中的Qfi为间隙原子形成能，由于一般间隙原子形成能比空位

7、形成能Qfv要大出约3倍，因此间隙原于的浓度比空位要小很多数量级。 在一定温度下，晶体中达到统计平衡的空位和间隙原子的。 晶体中的点缺陷并不是固定不动的，可以借助热激活而不断做过程中。 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，而使两者都消失，这一过程称为。 例如，空位周围的原子，由于热激活，某个原子有可能例如，空位周围的原子，由于热激活，某个原子有可能获得足够的能量而跳人空位中，并占据这个平衡位量；获得足够的能量而跳人空位中，并占据这个平衡位量；这时，在该原子的原来位置上，就形成一个空位。这这时，在该原子的原来位置上，就形成一个空位。这一过程可以看作空位向邻近阵点位置的迁移。

8、同理，一过程可以看作空位向邻近阵点位置的迁移。同理，出于热运动，晶体中的间隙原子也可由一个间隙位置出于热运动，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。与此同时，由于能量起伏，迁移到另一个间隙位置。与此同时，由于能量起伏，在其它地方可能又会出现新的空位和间隙原子，以保在其它地方可能又会出现新的空位和间隙原子，以保持在该温度下的平衡浓度不变。持在该温度下的平衡浓度不变。 空位迁移也要克服一定的空位迁移也要克服一定的“”，也即空位迁移能，也即空位迁移能Qfv。迁移速率为迁移速率为: 金属熔点越高，空位形成能和迁移能越大。所以，在相金属熔点越高，空位形成能和迁移能越大。所以，在相同条件

9、下，高熔点金属形成的空位数比低熔点金属少。同条件下，高熔点金属形成的空位数比低熔点金属少。 空位迁移是许多空位迁移是许多。p 晶体中原子的扩散就是依靠空位迁移而实现的。晶体中原子的扩散就是依靠空位迁移而实现的。 在常温下空位迁移所引起的原子热振动动能显著提高，再加上高在常温下空位迁移所引起的原子热振动动能显著提高，再加上高温下空位浓度的增多，因此高温下原子的扩散速度十分迅速。温下空位浓度的增多，因此高温下原子的扩散速度十分迅速。p 材料加工工艺中有不少过程都是以扩散作为基础的材料加工工艺中有不少过程都是以扩散作为基础的 化学热处理化学热处理 均匀化处理均匀化处理 退火与正火退火与正火 时效时效

10、 这些过程均与原子的扩散相联系。如果晶体中没有空位，这些过程均与原子的扩散相联系。如果晶体中没有空位，这些工艺根本无法进行。提高这些工艺处理温度可大幅度提高的这些工艺根本无法进行。提高这些工艺处理温度可大幅度提高的过程的速率，也正是基于空位浓度及空位迁移速度随温度的上升过程的速率，也正是基于空位浓度及空位迁移速度随温度的上升呈指数上升的规律。呈指数上升的规律。 使金属的电阻增加使金属的电阻增加 体积膨胀体积膨胀 密度减小密度减小 使离子晶体的导电性改善使离子晶体的导电性改善 过饱和点缺陷，如淬火空位、辐照缺陷等还可以过饱和点缺陷，如淬火空位、辐照缺陷等还可以 提高金属的屈服强度。提高金属的屈服

11、强度。 提高材料的高温蠕变速率提高材料的高温蠕变速率 所谓高温蠕变是金属在一定温度和恒定的应力下所谓高温蠕变是金属在一定温度和恒定的应力下发生缓慢而又连续的一种形变。发生缓慢而又连续的一种形变。 高温激冷高温激冷 晶体中点缺陷的热平衡浓度随温度下降而指数晶体中点缺陷的热平衡浓度随温度下降而指数式地减小。如果极缓慢地冷却晶体则高温下平衡式地减小。如果极缓慢地冷却晶体则高温下平衡而低温下过量的点缺陷将可能通过合并湮灭而低温下过量的点缺陷将可能通过合并湮灭(如空如空位与填隙原子的复合或消失于晶内其他缺陷位与填隙原子的复合或消失于晶内其他缺陷(如位如位错、晶界等错、晶界等)和晶体表面处等过程而减少，始

12、终保和晶体表面处等过程而减少，始终保持相应温度下的热平衡浓度。如果使晶体迅速冷却，持相应温度下的热平衡浓度。如果使晶体迅速冷却，即进行淬火处理，那么高温下形成的高浓度点缺陷即进行淬火处理，那么高温下形成的高浓度点缺陷将被将被“冻结冻结”在晶内，形成过饱和点缺陷。在晶内，形成过饱和点缺陷。 大量的冷变形大量的冷变形 塑性形变的物理本质是晶体中位错的大量滑移。位错塑性形变的物理本质是晶体中位错的大量滑移。位错滑移运动中的交截过程和其它位错的非保守运动，都可能滑移运动中的交截过程和其它位错的非保守运动，都可能产生大量空位和填隙原子。如果温度巳够低，不能发生明产生大量空位和填隙原子。如果温度巳够低，不

13、能发生明显的固态扩散过程的话，这些点缺陷则处于非热平衡态显的固态扩散过程的话，这些点缺陷则处于非热平衡态 高能粒子辐照高能粒子辐照 离子注入离子注入 这是用高能离子轰击材料将其嵌入近表面区域的一种这是用高能离子轰击材料将其嵌入近表面区域的一种工艺。离子注入晶体中可以产生大量点缺陷：注入组分离工艺。离子注入晶体中可以产生大量点缺陷：注入组分离子，产生空位和填隙离子；注入杂质原子则产生代位或填子，产生空位和填隙离子；注入杂质原子则产生代位或填隙杂质。在半导体器件工艺中，离于注入是引入掺杂层的隙杂质。在半导体器件工艺中，离于注入是引入掺杂层的有效途径。在制备某些合金材料时，不溶的合金元素只有有效途径

14、。在制备某些合金材料时，不溶的合金元素只有借助离子注入技术才能实现合金化。此外，高能离子注入借助离子注入技术才能实现合金化。此外，高能离子注入还能产生位错环和各种类型的面缺陷，甚至非晶层。还能产生位错环和各种类型的面缺陷，甚至非晶层。p空位是热力学上稳定的点缺陷，一定的温度对应一定的空位是热力学上稳定的点缺陷，一定的温度对应一定的平衡浓度，偏高或偏低都不稳定。平衡浓度，偏高或偏低都不稳定。p不同金属的空位形成能是不同的，一般高熔点金属的形不同金属的空位形成能是不同的，一般高熔点金属的形成能大于低熔点金属的形成能。成能大于低熔点金属的形成能。p空位浓度、空位形成能和加热温度之间的关系密切。在空位

15、浓度、空位形成能和加热温度之间的关系密切。在相同的条件下，空位形成能越大，则空位浓度越低；加相同的条件下，空位形成能越大，则空位浓度越低；加热温度越高，则空位浓度越大。热温度越高，则空位浓度越大。p空位对晶体的物理性能和力学性能有明显的影响。空位对晶体的物理性能和力学性能有明显的影响。p空位对金属材料的高温蠕变、沉淀析出、回复、表面氧空位对金属材料的高温蠕变、沉淀析出、回复、表面氧化、烧结等都产生了重要的影响。化、烧结等都产生了重要的影响。指在一维方向上偏离理想晶体中的周期性、规则性排指在一维方向上偏离理想晶体中的周期性、规则性排列所产生的缺陷，即缺陷尺寸在一维方向较长，另外二列所产生的缺陷，

16、即缺陷尺寸在一维方向较长，另外二维方向上很短。如各种维方向上很短。如各种位错（位错（dislocation），），如如图图所示。所示。 线缺陷的产生及运动与材料的韧性、脆性密切相关。线缺陷的产生及运动与材料的韧性、脆性密切相关。 线缺陷（位错）分为：线缺陷（位错）分为：刃位错、螺位错、混合位错刃位错、螺位错、混合位错。 刃型位错模型a)原子组态b)左正刃型位错和右负刃型位错 G H E F刃型位错示意图：刃型位错示意图：(a)(a)立体模型立体模型;(b);(b)平面图平面图 晶体局部滑移造成的刃型位错晶体局部滑移造成的刃型位错螺型位错螺型位错CBAD(b) 螺型位错示意图螺型位错示意图: :

17、（a a）立体模型）立体模型 ；（；（b b）平面图）平面图ABCD(a )螺型位错示意图螺型位错示意图(二二)柏氏矢量柏氏矢量图5-7刃型位错柏氏矢量的确定a)实际晶体的柏氏回路b)完整晶体的相应回路柏氏矢量 描述位错区域原子的畸变特征（包括畸变发生在什么晶向以及畸变有多大）的物理参量，称为柏氏矢量（Burgers vector）。它是一个矢量，1939年由柏格斯（J. M. Burgers）率先提出。 图5-8螺型位错柏氏矢量的确定a)实际晶体的柏氏回路b)完整晶体的相应回路柏氏矢量可通过柏氏回路（Burgers circuit）来确定。在含有位错的实际晶体中作一个包含位错发生畸变的回路，

18、然后将这同样大小的回路置于理想晶体中，此时回路将不能封闭，需引一个额外的矢量b连接回路，才能使回路闭合，这个矢量b就是实际晶体中位错的柏氏矢量。如图所示图5-9混合位错的柏氏矢量用柏氏矢量可判断位错的类型。柏氏矢量与位错线垂直者为刃型位错，平行者为螺型位错，既不垂直又不平行者为混合位错。 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b，滑移方向即为柏氏矢量的方向。 （a）混合位错的）混合位错的形成形成（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示意图和螺位错示意图（c）混合位错线附近原）混合位错线附近原子滑移透视图子滑移透视图图5-10位错的

19、结点1)一条位错线具有唯一的柏氏矢量。它与柏氏回路的大小和回路在位错线上的位置无关，位错在晶体中运动或改变方向时，其柏氏矢量不变。 2)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柏氏矢量。 3)位错可定义为柏氏矢量不为零的晶体缺陷，它具有连续性，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，或连接于其他位错，或终止在晶界，或露头于晶体表面。 1.位错线的连续性 位错线不可能中断于晶体内部。在晶体内部，位错线要么自成环状回路，要么与其它位错相交于节点，要么穿过晶体终止于晶界或晶体表面。2.位错密度：单位体积内位错线的总长度=L/V 式中 L为晶体长度，n为位错线数目，S晶体

20、截面积。 位错密度的另一个定义是：穿过单位截面积的位错线数目，位错密度的另一个定义是：穿过单位截面积的位错线数目，单位也是单位也是1/平方厘米。平方厘米。 一般退火金属晶体中为104108cm-2数量级，经剧烈冷加工的金属晶体中，为10121014cm-2.SnlSln2.3 位错应力场与位错运动位错应力场与位错运动2.3.1位错应力场 1、应力与应力场、应力与应力场应力：物体由于外因应力：物体由于外因(受力、湿度变化等受力、湿度变化等)而变形时，在物体内各部分之间产生相互而变形时，在物体内各部分之间产生相互作用的内力，以抵抗这种外因的作用，并力图使物体从变形后的位置回复到变形前作用的内力，以

21、抵抗这种外因的作用，并力图使物体从变形后的位置回复到变形前的位置。的位置。应力场：有方向有大小的矢量，并且连续，都可以构成场。应力场：有方向有大小的矢量，并且连续，都可以构成场。 一个构件受力后，其内一个构件受力后，其内部各个点的应力也是有方向有大小的，并且连续，这就是应力场。部各个点的应力也是有方向有大小的，并且连续，这就是应力场。位错的连续介质模型图a)螺型位错b)刃型位错位错的应变能Wtot 位错使其周围点阵畸变，点阵能量增加，点阵所增加的能量即为位错的应变能。包括两部分： Wtot=Wcore+Wel位错核心能位错核心能弹性应变能弹性应变能（1）位错核心能）位错核心能Wcore ，在位

22、错核心几个原子间距，在位错核心几个原子间距r0 =2|b|=2b以内的区域，滑移面两侧原子间的错排能即相以内的区域，滑移面两侧原子间的错排能即相当于位错核心能。错排能约占位错能的当于位错核心能。错排能约占位错能的1/10，可忽略。，可忽略。（2）弹性应变能）弹性应变能Wel ，在位错核心区以外，长程应力场作，在位错核心区以外，长程应力场作用范围所具有的能量，约占位错能的用范围所具有的能量，约占位错能的9/10。2、位错应变能与位错线张力、位错应变能与位错线张力位错线张力 由于位错具有应变能，所以位错线有尽量缩短长度或自动变直的趋势，这表明存在一个沿着位错线作用的力，此力即位错的线张力（T）。线张力是一种组态力，定义为使位错线增加单位长度所需要的能量，所以线张力在数值上等于单位长度位错线的应变能。 2.3.2 位错的运动位错的运动(一一)作用在位错上的力作用在位错上的力设有一小段位错线设有一小段位错线dl在切应力的作用下前进了在切应力的作用下前进了ds距离，如图距离，如图5-11所示。所示。作用在单位长度位错线