材料科学概论-雷源源课件第2节晶体缺陷

线缺陷面缺陷点缺陷在实际晶体中，由于原子（或离子、分子）的热运动，以及晶体的形成条件，冷热加工过程和其他辐射、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，常存在各种偏离理想结构的情况，即晶体缺陷。晶体缺陷对晶体的性能，特别是对那些结构敏感的性能，如屈服强度、断裂强度、塑性、电阻率、磁导率等都有很大影响。另外，晶体缺陷还与扩散、相变、塑性变形、再结晶、氧化、烧结等都有密切关系。根据晶体缺陷的几何特征，可将它们分为三类：第二节晶体缺陷点缺陷点缺陷是最简单的晶体缺陷，它是在结点上或邻近的微观区域内偏离晶体结构正常排列的一种缺陷。晶体点缺陷包括：空位置换原子杂质间隙原子材料科学基础第二章点缺陷引起晶格畸变,能量升高，结构不稳定，易发生转变。点缺陷的存在会引起性能的变化：(1)物理性质、如R、V、ρ等；(2)力学性能：采用高温急冷(如淬火,大量的冷变形）,高能粒子辐照等方法可获得过饱和点缺陷，如使σS提高；(3)影响固态相变,化学热处理等。点缺陷对结构和性能的影响材料科学基础第二章位错位错的起源：位错的概念最早是在研究晶体滑移过程时提出来的。刚性相对滑动模型：

τm=G/30

纯铁：G≈100GPa

纯铁的理论临界切应力：约3000MPa

纯铁的实际屈服强度：10MPa

1934年

Taylor、Orowan、Polanyi提出位错模型，滑移是通过称为位错的运动而进行的1950年代位错模型为试验所验证现在，位错是晶体的性能研究中最重要的概念。材料科学基础第二章位错的间接观测：若材料中的位错线与材料表面相交（俗称位错“露头”），则交点处附近由于位错应力场的存在，其化学稳定性将低于表面的其它部分。若用酸性腐蚀剂（如氢氟酸和硝酸的混合溶液）对这样的表面进行腐蚀，则位错“露头”处的腐蚀速度将远高于其它部分，可形成一个“腐蚀坑”。再利用一些表面显微观察技术（如扫描电子显微镜、干涉显微镜等等）便可以观察到位错的“露头”位置。图6中展示了在干涉显微镜下，经上述方法制备得到硅片表面位错腐蚀坑的形态，根据腐蚀坑边缘的形状可以确定硅片的晶体学取向——椭圆形代表硅片表面为(100)晶面，三角形代表硅片表面为(111)晶面。位错的直接观测：利用透射电子显微镜（TransmissionElectronMicroscope，简称TEM）可直接观察到材料微结构中的位错。TEM观察的第一步是将金属样品加工成电子束可以穿过的薄膜。在没有位错存在的区域，电子通过等间距规则排列的各晶面时将可能发生衍射，其衍射角、晶面间距及电子波长之间满足布拉格定律（Bragg'slaw）。而在位错存在的区域附近，晶格发生了畸变，因此衍射强度亦将随之变化，于是位错附近区域所成的像便会与周围区域形成衬度反差，这就是用TEM观察位错的基本原理，因上述原因造成的衬度差称为衍射衬度。在图7和图8中，中间稍亮区域（晶粒）里的暗线就是所观察到位错的像。由于多晶材料中不同晶粒的晶体学取向不同，因此晶粒之间亦存在衬度差别，这就是图7和图8中中间区域较周围区域更亮的原因。值得注意的是，图中位错像所具有的“蜿蜒”的形态，这是位错线在厚度方向穿过试样（薄膜）的位错在TEM下的典型形态；还需注意的是图中位错像的终结处实际上是因为位错线到达了试样表面，而非终结在了试样内部。所有位错都只能以位错环的形式终结于晶粒的内部。2.3.1位错的基本类型和特征1、刃型位错刃型位错形成过程原子排列具体模型多余的半原子面与滑移面的交线就称为刃型位错线刃型位错线也可理解为晶体中已滑移区与未滑移区的边界线刃型位错的特征2、螺型位错3、混合位错除了上面介绍的两种基本型位错外，还有一种形式更为普遍的位错，其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任意角度，这种位错称为混合位错。插入混合位错的形成过程动画2.3.3位错的运动位错的运动方式有两种最基本形式:位错最重要的性质之一是它可在晶体中运动，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。滑移攀移2.3.5位错的生成和增殖

1.位错的密度表达式：ρ=l/v

或ρ=n/A

单位:1/㎡2.位错的生成晶体中位错来源：(1)晶体生长过程中产生。(2)晶体中过饱和空位的聚集。(3)应力集中，产生局部区域滑移产生位错3.位错的增殖：为使F—R源动作，外应力需克服位错线弯曲时线张力所引起的阻力，计算可知其临界切应力为：4.位错的塞积晶体塑性变形时往往发生这样的情况，即在一个滑移面上有许多位错被迫堆积在某种障碍物前，形成位错群的塞积。这些位错来自于同一位错源，所以具有相同的柏氏矢量。从理论上分析位错塞积群的分布，发现塞积群在垂直于位错线方向的长度，对于刃型位错为Nµb/πτ(1-υ),对于螺型位错为Nµb/πτ，其中N为塞积群的位错总数，τ为外加切应力（实际上应为减掉晶格阻力之后的有效切应力）。可见塞积群的长度正比于N，反比于τ。位错塞积群的一个重要效应是在它的前端引起应力集中。当有n个位错被外加切应力τ推向障碍物时，在塞积群的前端将产生n倍于外力的应力集中。2.4材料中面缺陷

严格来说，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，以及光学、微电子学等均密切相关；而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。

界面通常包含几个原子层厚的区域，该区域内的原子排列甚至化学成分往往不同于晶体内部，又因它系二维结构分布，故也称为晶体的面缺陷。界面的存在对晶体的力学、物理和化学等性能产生重要的影响。

2.4.1外表面

在晶体表面上，原子排列情况与晶内不同,表面原子会偏离其正常的平衡位置，并影响到邻近的几层原子，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。晶体表面单位面积自由能的增加称为表面能（J/m2）。表面能也可理解为产生单位面积新表面所作的功：

式中dW为产生dS表面所作的功。表面能也可以单位长度上的表面张力(N/m)表示。

表面能与晶体表面原子排列致密程度有关，原子密排的表面具有最小的表面能。所以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。2.4.2晶界和亚晶界

晶界亚晶界确定晶界位置用：(1)两晶粒的位向差θ(2)晶界相对于一个点阵某一平面的夹角φ。

按θ的大小分类：小角度晶界θ<10º

大角度晶界θ>10º4.晶界特征

（1）晶界处点畸变大，存在晶界能。（2）常温下晶界的存在会对位错的运动起阻碍运动，使塑型变形抗力提高，使晶体（材料）的硬度和强度提高。（3）晶界处原子具有较高的动能，且晶界处存在大量缺