第1章金属的晶体结构

1、单晶体与多晶体点缺陷线缺陷面缺陷教学要求： 1、理解点缺陷的分类 2、理解点缺陷浓度，了解其应用 3、了解位错的类型与特点 4、掌握柏氏矢量及表示方法 5、理解位错密度，了解实验观察方法 6、掌握位错的运动 7、了解面缺陷（晶界、相界、表面） 8、了解界面特性，理解界面对材料加工过程的影响。 教学的重点与难点： 重点：柏氏矢量及表示方法，位错的运动 难点：柏氏矢量及表示方法点缺陷线缺陷 面缺陷：体缺陷：空位自间隙原子异类原子晶面、堆积层错、晶粒和双晶的界面、晶畴的界面晶体中出现空洞、气泡、包裹物、沉积物晶体的缺陷的影响： 可使晶体的某些优良性能降低； 但人为改变晶体缺陷的形式和数量，可获得具有

2、许多重要性能的晶体。 还会影响与扩散有关的相变、化学热处理、高温塑性变形、断裂等。刃型位错螺旋位错混合位错 理想晶体中的每一个原子都按晶体结构的要求占据它们应有的位置，但实际晶体中的原子排列未必完全规则，在某些局部区域，原子排列甚至很不规则。这些原子排列的规律性受到严重偏离的区域，称之为晶体缺陷，按照缺陷的几何特征，可分为： 空位：晶体内部原子迁移到界面后，在体内留下的原子空位：晶体内部原子迁移到界面后，在体内留下的原子尺度的空洞；尺度的空洞；一一. 点缺陷的种类：点缺陷的种类：Vacancydistortion of planesself-interstitialdistortion of

3、planes 自间隙原子：进入自身晶格间隙位置的原子；自间隙原子：进入自身晶格间隙位置的原子；Substitutional solid soln.(e.g., Cu in Ni)Interstitial solid soln.(e.g., C in Fe) 异类原子：纯金属中存在的其它元素的原子异类原子：纯金属中存在的其它元素的原子称异类原子。（包括间隙原子和置换原子）称异类原子。（包括间隙原子和置换原子） 晶体中的点缺陷 空位； 间隙原子； 置换原子肖脱基肖脱基缺陷缺陷弗伦克尔缺陷弗伦克尔缺陷弗伦克尔缺陷：原子在晶体内移动造成空位和自间隙原子。肖脱基缺陷：原子离开平衡位置，迁移到界面上，造成

4、空位。点缺陷的运动点缺陷的运动 在一定温度下，晶体中达到统计平衡的空位和间隙原子的在一定温度下，晶体中达到统计平衡的空位和间隙原子的数目是一定的，而且晶体中的点缺陷并不是固定不动的，而是数目是一定的，而且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。在运动过程中，当间隙原子与一个空处于不断的运动过程中。在运动过程中，当间隙原子与一个空位相遇时，它将落人该空位，而使两者都消失，这一过程称为位相遇时，它将落人该空位，而使两者都消失，这一过程称为复合。复合。 晶体中的原子正是由于空位和间隙原子不断地产生与复合晶体中的原子正是由于空位和间隙原子不断地产生与复合才不停地由一处向另一处作无规则

5、的布朗运动，这就是晶体中才不停地由一处向另一处作无规则的布朗运动，这就是晶体中原子的自扩散，是固态相变、表面化学热处理、蠕变、烧结等原子的自扩散，是固态相变、表面化学热处理、蠕变、烧结等物理化学过程的基础。物理化学过程的基础。（一）平衡点缺陷（一）平衡点缺陷)/exp(KTEANncv 由热力学分析可以证明，在一定温度下，晶体中存在一定平衡数量的点缺陷，我们将此时点缺陷的浓度称为该温度下的缺陷的平衡浓度。空位的平衡浓度c为：式中：式中：n平衡空位数，平衡空位数，N结点总数结点总数 每增加一个空位的能量变化值，每增加一个空位的能量变化值， K波尔兹曼常数，（波尔兹曼常数，（1.3810-23J/

6、K ） A与振动有关的常数（与振动有关的常数（110之间）之间）vE由上式可得：由上式可得： 1 1）晶体中空位在热力学上是稳定的，一定温度）晶体中空位在热力学上是稳定的，一定温度T T对应一平衡浓对应一平衡浓度度C C；2 2）C C与与T T呈指数关系，温度升高，空位浓度大大增大；呈指数关系，温度升高，空位浓度大大增大； 3 3）空位形成能）空位形成能E EV V大，空位浓度小大，空位浓度小)/exp(KTEANncv 例如：已知铜中例如：已知铜中EV=1.710-19J，A取为取为1，则，则 T100K300K500K700K900K 1000K n/N 10-57 10-19 10-1

7、1 10-8.1 10-6.3 10-5.7 给定温度下，晶体中存在一平衡的空位浓度，但在某些特给定温度下，晶体中存在一平衡的空位浓度，但在某些特殊情况下晶体也可以具有超过平衡浓度的点缺陷，成为过饱殊情况下晶体也可以具有超过平衡浓度的点缺陷，成为过饱和点缺陷。下述几种条件下，产生过饱和空位：和点缺陷。下述几种条件下，产生过饱和空位：1 1）淬火法：高温时缺陷多，将晶体加热到高温迅速冷却）淬火法：高温时缺陷多，将晶体加热到高温迅速冷却到低温，使空位来不及消失，把空位保留到室温，形成到低温，使空位来不及消失，把空位保留到室温，形成过饱和空位。过饱和空位。2 2）辐照法：高能粒子辐照晶体能同时产生数

8、量相等的空）辐照法：高能粒子辐照晶体能同时产生数量相等的空位和间隙原子。（原子反应堆）位和间隙原子。（原子反应堆）3 3）塑性变形：使金属产生塑性变形，通过位错的相互作）塑性变形：使金属产生塑性变形，通过位错的相互作 用产生过饱和点缺陷。用产生过饱和点缺陷。过饱和点缺陷特点过饱和点缺陷特点：非平衡，不稳定，加热会消失趋于：非平衡，不稳定，加热会消失趋于 平衡浓度。平衡浓度。（一）点缺陷对金属物理性能和力学性能的影响（一）点缺陷对金属物理性能和力学性能的影响1. 1. 比体积：比体积： 缺陷增多引起体积增大；（为了在晶体内部产生一缺陷增多引起体积增大；（为了在晶体内部产生一 个个 空位，该处原子

9、迁移到晶体表面）空位，该处原子迁移到晶体表面）2. 2. 比热容：比热容： 缺陷增多使热容增大；（需要向晶体提供附加能量）缺陷增多使热容增大；（需要向晶体提供附加能量）3. 3. 电阻率：电阻率： 缺陷增多使电阻率增大。（缺陷晶体中缺陷点阵的缺陷增多使电阻率增大。（缺陷晶体中缺陷点阵的周期性被破坏，电场急剧变化，对电子产生剧烈散射，导致周期性被破坏，电场急剧变化，对电子产生剧烈散射，导致电阻率增大）电阻率增大）4. 4. 力学性能：点缺陷通过与位错的交互作用，阻碍位错运动使晶力学性能：点缺陷通过与位错的交互作用，阻碍位错运动使晶体强化体强化（二）点缺陷在实践中的应用（二）点缺陷在实践中的应用1

10、.1.能加速烧结和固相反应；能加速烧结和固相反应；2.2.对半导体电学性能产生影响；对半导体电学性能产生影响；3.3.使晶体强度增加；使晶体强度增加；4.4.使金属腐蚀加速或减缓。使金属腐蚀加速或减缓。位错分为刃型位错、螺型位错和混合位错三种类型。位错分为刃型位错、螺型位错和混合位错三种类型。刃型位错有一个额外的半原子面。一般把多出的半原子面在滑刃型位错有一个额外的半原子面。一般把多出的半原子面在滑移面上边的称为正刃型位错，记为移面上边的称为正刃型位错，记为“”；而把多出的半原子；而把多出的半原子面在下边的称为负刃型位错，记为面在下边的称为负刃型位错，记为“”。其实这种正、负之。其实这种正、负

11、之分只具相对意义而无本质的区别。分只具相对意义而无本质的区别。一一. 位错的类型位错的类型Dislocations are visible in electron micrographs晶体中一部分原子相对于另一部分原子发生错动，具有螺旋晶体中一部分原子相对于另一部分原子发生错动，具有螺旋型特征，称螺型位错。型特征，称螺型位错。Screw DislocationBurgers vector bDislocationlineb(a)(b)螺型位错示意图方向：大拇指代表螺旋面前进的方向，四指代表螺方向：大拇指代表螺旋面前进的方向，四指代表螺旋面的旋转方向，符合右手法则的称为右螺旋位旋面的旋转方向，

12、符合右手法则的称为右螺旋位错，符合左手法则的称为左螺旋位错。错，符合左手法则的称为左螺旋位错。Adapted from Fig. 4.5, Callister 7e.EdgeScrewMixed 柏氏矢量是描述位错性质的一个重要物理量，柏氏矢量是描述位错性质的一个重要物理量，19391939年年BurgersBurgers提出，故称该矢量为提出，故称该矢量为“柏格斯矢量柏格斯矢量”或或“柏氏矢量柏氏矢量”，用，用b b 表示，表示，柏氏矢量由柏氏回路确定柏氏矢量由柏氏回路确定1 1柏氏矢量的确定（方法与步骤）柏氏矢量的确定（方法与步骤） 1 1）人为假定位错线方向，一般是从纸背向纸面或由上向下

13、为）人为假定位错线方向，一般是从纸背向纸面或由上向下为位错线正向位错线正向 2 2）用右手螺旋法则来确定柏格斯回路的旋转方向，使位错线）用右手螺旋法则来确定柏格斯回路的旋转方向，使位错线的正向与右螺旋的正向一致的正向与右螺旋的正向一致 3 3）将含有位错的实际晶体和理想的完整晶体相比较）将含有位错的实际晶体和理想的完整晶体相比较 在实际晶体中作一柏氏回路，在完整晶体中按其相同的路线和在实际晶体中作一柏氏回路，在完整晶体中按其相同的路线和步伐作回路，自路线终点向起点的矢量，即步伐作回路，自路线终点向起点的矢量，即“柏氏矢量柏氏矢量”。如下图为刃型位错的柏氏回路与柏氏矢量如下图为刃型位错的柏氏回路

14、与柏氏矢量 右旋螺型位错左旋螺型位错正刃型位错负刃型位错 柏氏矢量：b= b= （可以用矢量加法进行运算）。（可以用矢量加法进行运算）。位错强度：柏氏矢量的物理意义与应用 代表位错，并表示其特征（强度、畸变量）。围绕一根位错线的柏氏回路任意扩大或移动，回路中包含的点阵畸变量的总累和不变，因而由这种畸变总量所确定的柏氏矢量也不改变， b 越大，畸变越严重。 判断位错的类型, 确定滑移面。 正刃型位错 负刃型位错 右螺型位错 左螺型位错 根据b与位错线的取向关系可确定位错线性质： 刃型位错的柏氏矢量垂直于位错线，螺型位错的柏氏矢量平行于位错线， 刃型位错线可为任意曲线，螺型位错线只能为直线。uvw

15、na222wvunab（3）柏氏矢量具有守恒性1）一条位错线只有唯一的柏氏矢量，柏氏矢量与回路起点选择无关，也与柏氏回路的具体路径，大小无关2）几根位错相遇于一点，其方向朝着节点的各位错线的柏氏矢量b之和等于离开节点之和。如有几根位错线的方向均指向或离开节点，则这些位错线的柏氏矢量之和值为零 （1 1）位错反应：位错的分解与合并。）位错反应：位错的分解与合并。（2 2）反应条件）反应条件 几何条件：几何条件：b前前=b后后；反应前后位错的柏氏矢量之和相等。；反应前后位错的柏氏矢量之和相等。 能量条件：能量条件：b2前前b2后后; ; 反应后位错的总能量小于反应前位错的总反应后位错的总能量小于反

16、应前位错的总 能量。能量。 位错密度可用单位体积中位错线总长度来表示，即位错密度可用单位体积中位错线总长度来表示，即式中，式中，为位错密度（为位错密度（m m-2-2）；）；S S为位错线的总长度（为位错线的总长度（m m）；）；V V为体积（为体积（m m3 3）。也可以用单位面积的位错线数目来表示。）。也可以用单位面积的位错线数目来表示。位错的存在极大地影响金属的力学性能，如图所示。位错的存在极大地影响金属的力学性能，如图所示。 VSn/A浸蚀法浸蚀法位错周围有点阵畸变，能量高，在相应化学浸蚀时出现浸蚀坑在立方晶系中，111面上蚀坑呈三角形100面上呈四方形。电镜法电镜法(c) 2003

17、Brooks/Cole Publishing / Thomson Learning(c) 2003 Brooks/Cole Publishing / Thomson LearningSmith W F. Foundations of Materials Science and Engineering. McGRAW.HILL.3/E位错的最重要性质之一是它可以在晶体中运动，而晶体宏观的塑性变形是通过位错运动来实现的。晶体的力学性能如强度、塑性和断裂等均与位错的运动有关。因此，了解位错的运动的有关规律，对于改善和控制晶体力学性能是有益的。 位错的运动方式有两种最基本形式，即滑移和攀移。 滑移：位

18、错沿滑移面的滑动（切应力作用下）；滑移：位错沿滑移面的滑动（切应力作用下）；刃型位错的运动位错运动示意位错运动示意 滑移只能在切应力的作用下发生滑移只能在切应力的作用下发生; ; 滑移是晶体内部滑移是晶体内部位错位错在切应力下作用的结果在切应力下作用的结果; ; 滑移方向沿柏氏矢量方向，刃型位错滑移方向与位错线运滑移方向沿柏氏矢量方向，刃型位错滑移方向与位错线运动方向一致动方向一致; ;螺型位错滑移方向与位错线运动方向垂直螺型位错滑移方向与位错线运动方向垂直; ; 滑移时晶体的一部分相对于另一部分沿滑移方向位移的距滑移时晶体的一部分相对于另一部分沿滑移方向位移的距离为原子间距的整数倍离为原子间

19、距的整数倍, ,滑移结果在晶体的表面上造成台阶。滑移结果在晶体的表面上造成台阶。 攀移：位错垂直滑移面的滑动（攀移：位错垂直滑移面的滑动（攀移伴随空位扩散，需要攀移伴随空位扩散，需要热激活以产生大量空位，因此攀移往往在高温下进行热激活以产生大量空位，因此攀移往往在高温下进行）。）。 半原子面向上运动，发生正攀移；半原子面向上运动，发生正攀移； 半原子面向下运动，发生负攀移；半原子面向下运动，发生负攀移；影响攀移因素：影响攀移因素： 温度：位错攀移需要热激活以产生大量空位，因此，攀移过程往往在高温下才能进行 正应力：施加正应力也有助于刃型位错攀移，切应力对刃型位错的攀移不起作用应用：生产单晶时可

20、以利用位错的攀移来消除位错，使位错吸附扩散来的空位或者间隙原子，逐步交换位置而移到表面，直至消失。螺旋位错的运动混合位错的运动螺旋位错应变能刃型位错应变能单位长度位错的应变能02ln4rRGbWS02ln)1 (4rRvGbWe2GbLW =0.51.0 螺旋位错取下限，刃位错取上限。 b小,应变能小，易形成位错。位错的能量是以单位长度的能量来定义的，故位错的能量还与位错线的形状有关。由于两点间以直线为最短，所以直线位错的应变能小于弯曲位错的，即更稳定，因此，位错线有尽量变直和缩短其长度的趋势。 .位错的存在均会使体系的内能升高，虽然位错的存在也会引起晶体中熵值的增加，但相对来说，熵值增加有限

21、。可以忽略不计。因此，位错的存在使晶体处于高能的不稳定状态，可见位错是热力学上不稳定的晶体缺陷。位错的应变能位错的应变能 位错周围点阵畸变引起弹性应力场导致晶体能量增加，这部位错周围点阵畸变引起弹性应力场导致晶体能量增加，这部分能量称为位错的应变能，或称为位错的能量。分能量称为位错的应变能，或称为位错的能量。位错线张力位错线张力T 位错有缩短的趋势以减小应变能。位错有缩短的趋势以减小应变能。2GbT 直线位错直线位错 = 1.0= 1.0 弯曲位错弯曲位错 = 0.5= 0.5 位错张力线作用方向沿位错线方向，使位错线尽可能缩短。位错张力线作用方向沿位错线方向，使位错线尽可能缩短。 位错与溶质

22、原子的相互作用 间隙原子聚集于位错中心，使体系处于低能态。 柯氏气团：溶质原子在位错线附近偏聚的现象。固溶强化 位错与空位的交互作用 导致位错攀移。 界面是晶体中的二维缺陷（面缺陷） ，固体材料的界面分为三种：1. 晶界：晶界是两相邻晶粒间的过渡界面。是取向不同，但晶体结构相同的区域间的界面；2. 相界：固体中不同相之间的界面；3. 表面：固体与气体（或液体）的界面。晶界具有较高的能量，使其具有一系列不同于晶粒内部的特征。例如，晶界比晶粒容易被腐蚀，熔点较低；原子沿晶界扩散速度快； 在常温下晶界对金属的塑性变形起阻碍作用。因此， 金属材料晶粒愈细小，则晶粒愈多，其室温强度愈高。实验表明，在实际

23、金属的一个晶粒内部晶格位向也并非一致，而是存在一些位向略有差异的小晶块（位向差一般不超过2），如图所示。这些小晶块称为亚结构。亚结构之间的界面称为亚晶界。亚晶界实际上是由一系列的位错所组成。亚晶界上原子排列也不规则，具有较高的能量，与晶界类似的特征，故细化亚结构，可显著提高金属的强度。 晶界示意图 亚晶界示意图大角度晶界(10)小角度晶界(10)对称倾侧晶界扭转晶界根据晶粒间位相差的大小 晶界上非正常结点位置原子引发晶格畸变，使能量升高，这种额外的自由能就称为晶界能，一般以单位面积的能量表示。设晶粒设晶粒1，晶粒，晶粒2，晶粒，晶粒3共同相遇于共同相遇于O点，晶界能分别为点，晶界能分别为 1-

24、2，2-3 ，3-1，O点处的界面张应力平衡，晶界能与晶界点处的界面张应力平衡，晶界能与晶界夹角的关系为：夹角的关系为：213132321sinsinsin 213132321sinsinsin 因此若取某一晶界的能量做基准，可以通过上式因此若取某一晶界的能量做基准，可以通过上式计算出其他晶界的相对能量。计算出其他晶界的相对能量。三个晶粒间的晶界能通常是相三个晶粒间的晶界能通常是相等的，等的，故三个晶粒交界时，界面趋向故三个晶粒交界时，界面趋向于最稳定的于最稳定的120度。度。0321120 退火状态下的三叉晶往往呈退火状态下的三叉晶往往呈120120度。度。晶界处能量高，有自发向低能量转化的

25、趋势，因此晶粒趋于长大，晶界趋于平直化均能使能量降低；n晶界处原子排列不规则，对塑性变形起阻碍作用，因此晶界处原子排列不规则，对塑性变形起阻碍作用，因此晶粒越细、晶界越多，抵抗塑性变形的抗力就越大，常晶粒越细、晶界越多，抵抗塑性变形的抗力就越大，常温下强度、硬度越高（细晶强化）；温下强度、硬度越高（细晶强化）；n晶界处原子偏离平衡位置具有较高的动能，且晶界是杂晶界处原子偏离平衡位置具有较高的动能，且晶界是杂质原子、空位、位错等缺陷集中的地方，原子扩散速度质原子、空位、位错等缺陷集中的地方，原子扩散速度比晶粒内部快，晶界熔点低，因此熔化先从晶界开始；比晶粒内部快，晶界熔点低，因此熔化先从晶界开始

26、；n晶界易受腐蚀晶界易受腐蚀 ，金相分析中晶界先被腐蚀呈深色；，金相分析中晶界先被腐蚀呈深色；相界：合金的组织由多个相组成，这种不同晶体结相界：合金的组织由多个相组成，这种不同晶体结构的两相之间的分界面叫相界或相界面。（钢构的两相之间的分界面叫相界或相界面。（钢中铁素体和渗碳体的界面）中铁素体和渗碳体的界面） 根据相界面上原子与两相点阵匹配情况，根据相界面上原子与两相点阵匹配情况，共格相界： 0.05 相界能：20200mJ/m2半共格相界：0.25 相界能：500600mJ/m2失配度：HRTEMaaa 两相界面上原子完全匹配，具有特定位相关系。由于两相晶体结构或原子间距总有差别，实际的共格相界均会产生一定的畸变。1. 共格相界共格相界 两相晶体结构或或