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1、材料科学基础-第三章 晶体缺陷一.点缺陷二.位错三.表面及界面 杨祥鹤 夏涵羿 龙广东在实际晶体中，由于原子（或离子、分子）的热运动，以及其他因素的影响，实际晶体中原子不可能规则、完整地排列，常存在各种偏离理想结构的情况，这就是晶体缺陷。根据晶体缺陷的几何特征，可具体分为三类：1、点缺陷 2、线缺陷 3、面缺陷三维空间的各个方向尺寸很小，又称零维缺陷，包括空位、间隙原子、杂质或溶质原子等在两个方向上尺寸很小，另一个方向延伸较长，也称一维缺陷，如各种位错。在一个方向上尺寸很小，另外两个方向上扩展较大，也称二维缺陷。晶界，相界，孪晶界和堆垛层等都属于面缺陷。 一 点缺陷原子的三个去处：一、晶体中原

2、子或离子由正常点阵位置转移到晶体表面或晶体中内界面上所产生的点阵空位，称为肖特基空位。二、晶体结构中由于原先占据一个格点的 原子（或 离子）离开格点位置，成为 间隙原子（或离子），并在其原先占据的格点处留下一个空位，这样的 空位-间隙对就称为 弗仑克尔缺陷。三、晶体中原子跑到其它空位中，使空位消失或空位移位。点缺陷的形成：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，就可以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，称为空位。肖特基缺陷肖特基缺陷弗伦特尔缺陷弗伦特尔缺陷两种缺陷的差异两种缺陷的差异点缺陷的平衡浓度 由于点缺陷的存在，一方面造成点阵畸变，使晶体内能升

3、高，降低了晶体的热力学稳定性；另一方面，原子排列的混乱程度增加，并且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，增加了晶体的热力学稳定性。这也就使得点缺陷在一定温度下有一定的平衡浓度。 二 位错 晶体的线缺陷表现为各种类型的位错。位错理论不仅成为研究晶体力学性能的基础理论，而且还广泛地被用来研究固态相变，晶体的光、电、声、磁和热学性，以及催化和表面性质等。一、刃型位错一、刃型位错（1）刃型位错有额外的半个原子面。（2）刃型位错线可理解为晶体中已滑移区与未滑移区的边界线。（3）滑移面必定是同时包含有位错线和滑移矢量的平面。位错的基本类型和特征二、螺型位错（1）螺型位错原

4、子排列呈轴对称。（2）位错线与柏氏矢量平行，且为直线。（3）螺型位错线的运动方向与柏氏矢量相垂直。位错的基本类型和特征三、混合位错在晶体位错线中，既不垂直也不平行于柏氏矢量b的位错线称为混合位错。位错的基本类型和特征柏氏矢量为了便于描述晶体中的位错，以及更确切的表征不同类型位错的特征，1939年，伯格斯提出了采用柏氏回路来定义位错，借助一个规定的矢量即柏氏矢量可揭示位错的本质。柏氏矢量是描述位错性质的一个重要物理量，用b 表示。柏氏矢量的确定（方法与步骤） 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。 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

5、。 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步伐作回路，自路线终点向起点的矢量，即“柏氏矢量”。下图为刃型位错的柏氏回路和柏氏矢量下图为螺型位错的柏氏回路和柏氏矢量柏氏矢量的表示方法(1)柏氏矢量对于柏氏矢量b 沿晶向uvw的位错： (2)柏氏矢量的模柏氏矢量的模的计算就是矢量模的计算，同第二章中介绍的晶向长度计算。对于立方晶系： 柏氏矢量的守恒性一条不分岔的位错线只有一个柏氏矢量；如果数条位错线交于一节点，则流入节点的各位错线的柏氏矢量和等于流出节点的各位错线柏氏矢量之和。即： bi0 (3-311)位错的运动位错最重要的性质之一是

6、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。位错的运动方式有两种最基本的形式，即滑移和攀移。位错的滑移在剪应力作用下，原子发生位错是在包含其伯格斯矢量的平面上运动，称为位错滑移。其运动方式类似蠕虫爬行，是沿着滑移面逐步传播、移动的。位错滑移是指在外力作用下，位错线在期滑移面（即位错线与伯氏矢量b构成的晶面）上的运动，结果导致晶体永久变形。刃型位错刃型位错的滑移的滑移螺型位错的滑移螺型位错的滑移位错的攀移刃型位错垂直于滑移面方向的运动。通常把多余原子面向上运动称为正攀移，向下运动称为负攀移。螺型位错不止一个滑移面，它只能以

7、滑移的方式运动，它是没有攀移运动的。刃型位错的攀移运动位错的交割当一位错在某一滑移面上滑动时，会与穿过滑移面的其它位错交割。位错的交割对材料强化有重要影响。 a、割阶和扭折 b. 几种典型的位错交割运动位错的交割a、割阶和扭折 当位错在滑移面上运动时，可能在某处遇到障碍，这样，有可能其中一部分线段首先进行滑移，若由此造成的曲折线段就在位错的滑移面时，称为“扭折扭折”。若该曲折线段垂直于位错的滑移面时，称为“割阶割阶”。当然，扭折和割阶也可由位错之间交割而形成。运动位错的交割 b. 几种典型的位错交割（1）. 两个柏氏矢量互相垂直的刃型位错交割（2）. 两个柏氏矢量互相平行的刃型位错交割（3）两

8、个柏氏矢量相垂直的刃型位错和螺型位错交割。（4）两个柏氏矢量相垂直的两螺型位错交割。位错的弹性性质位错的应力场单元体上的应力分量位错的应力场螺型位错的应力场螺型位错的应力场位错的应力场刃型位错的应力场刃型位错的应力场位错的应力场 刃型位错的应力场具有的特点位错的应变能 据胡克定律，弹性体内应力与应变成正比 而单位体积储存的弹性能等于应力应变曲线上阴影区域的面积位错的线张力线张力是位错的一种弹性性质.当位错受力发生弯曲时,线张力线张力使位错线尽量拉直.因为位错的能量与其长度成正比,位错弯曲使位错线增长,其能量也增高,因此位错线张力有尽量缩短位错长度使位错变直的趋势。位错的增殖位错的密度为了简便起

9、见把位错看作直线，且从晶体的一端平行地延伸至另一端。则有：单位体积中位错线的总长度单位面积穿过的位错线数目位错的增殖弗兰克-里德源动作：位错的增殖双交滑移机制实际晶体中的位错实际晶体中位错的柏氏矢量实际柏氏矢量的表示方法堆垛层错不全位错 若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，那么，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。在面心立方晶体中，有两种重要的不全位错：肖克莱（Shockley）不全位错和弗兰克（Frank）不全位错。肖克莱不全位错： 图中左边晶体按BCABC正常顺序堆垛，而右边晶体是按ABCBCAB顺序堆垛，即有层错存在，层错与完整晶体的边

10、界就是肖克莱位错，系刃型不全位错。弗兰克不全位错 图为抽去半层密排面形成的弗兰克不全位错。与抽出型层错联系的不全位错通常称负弗兰克不全位错，而与插人型层错相联系的不全位错称为正弗兰克不全位错。它们的柏氏矢量都属于 。弗兰克位错属纯刃型位错。位错反应位错反应位错反应的两的两个个条件条件几何条件： ，即反应前后位错在三维方向的 矢量之和必须相等。 能量条件： ，即位错反应后应变能必须降 低， 这是反应进行的驱动力。表面及界面界面包括外表面和内界面。表面是指固体表层一个或数个原子层的区域。由于表面粒子（分子或原子）没有邻居粒子，使其物理性和化学性与固体内部明显不同。内界面可分为晶粒边界和晶内的亚晶界

11、、孪晶界、错层及相界面等。界面通常包含几个原子层厚的区域，该区域的原子排列甚至化学成分往往不同于晶体内部，又因它系二维分布，也称为晶体的面缺陷。晶界和亚晶界多数晶体物质由许多晶粒组成，属于同一固相但位向不同的晶粒之间的界面称为晶界，这是一种内晶界。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。如下图所示晶界结构小角度晶界的结构 相邻亚晶粒之间的位相差小于10，这种亚晶粒间的晶界称为小角度晶界，一般小于2，可分为倾斜晶界、扭转晶界、重合晶界等。对称倾斜晶界不对称倾斜晶界扭转晶界大角度晶界的结构晶界的特性界面能越高，则晶界越不稳定。高的界面能就具有向低的界面能转化的趋势，这就致了晶界的运动。晶粒长大和晶界的平直化都可减少晶界的总面积，从而降低晶界的总能量。大角度晶界的界面能远髙于小角度晶界