工学晶体缺陷

工学晶体缺陷第1页/共77页2晶体缺陷：实际晶体中与理想的点阵结构发生偏差的区域；不影响晶体结构的基本特性，少数原子排列特征发生改变，周期性势场畸变。点缺陷：0维，空位、间隙原子异类原子线缺陷：一维，位错面缺陷：二维，晶界、相界、表面第2页/共77页34.1点缺陷1.大的置换原子；2.Schottky空位；3.异类间隙原子；4.复合空位；5.Frenkel空位；6.小的置换原子一、类型

空位、间隙质点、杂质质点第3页/共77页41.Schottky空位：原子移至表界面或者进入其他空位（离子晶体要保持电荷平衡）

第4页/共77页52.间隙原子：原子挤入结点的间隙。3.Frenkel缺陷：间隙原子与相应的空位统称。第5页/共77页64.杂质缺陷：亦称为组成缺陷，是由外加杂质的引入所产生的缺陷。形成间隙和置换（取决于大小）尺寸、电负性差异引起点阵畸变，内能升高

第6页/共77页75.离子晶体缺陷第7页/共77页8热振动的原子，一定温度下原子热振动能量一定，呈统计分布，在瞬间一些能量大的原子克服周围原子对它的束缚，迁移至别处，形成空位。空位形成能（ΔEV）为形成一个空位所需能量。空位形成引起点阵畸变，亦会割断键力，故空位形成需能量。热力学稳定：在一定温度下，晶体中有一定平衡数量的空位和间隙原子，其数量可近似算出。C与T呈指数关系，温度升高，空位浓度增大空位形成能ΔEV大，空位浓度小二、空位形成热力学第8页/共77页9平衡点缺陷:原子热振动平均动能E=3/2KT,当能量大于激活能，则原子脱离原位置，形成缺陷。某温度下能量存在最小值，即缺陷平衡值。点缺陷引起点阵畸变，体系内能增大点缺陷使混乱度增大，熵增大，系统能量下降（振动熵和排列熵）二者的综合效应。第9页/共77页10过饱和点缺陷：缺陷数目远大于平衡值。淬火空位(不能运动至界面)辐照（高能粒子使原子离位，部分回归）冷加工第10页/共77页11三、点缺陷在外力作用下的运动点缺陷的产生与复合始终处于动态平衡，缺陷的相互作用与运动是材料动力学过程的物理基础。无外场作用时，缺陷的迁移运动完全无序。在外场（可以是力场、电场、浓度场等）作用下，缺陷可以定向迁移。传输过程（离子导电、传质等）高温动力学过程（扩散、烧结、表面化学处理，均匀化，退火正火，时效硬化，表面氧化与烧结）第11页/共77页12力学性能：形成空位片与位错等作用，提高强度，脆性增大。物理性能：电子传导时散射增多，电阻增大。密度减小，体积增大。四、点缺陷与材料性能第12页/共77页134.2位错

一、理想晶粒的滑移晶体塑性变形时，产生滑移，出现滑移台阶。ττ第13页/共77页14理想晶体的理论切变强度滑移临界切应力m，是整个滑移面的原子从一个平衡位置移动到另一个平衡位置时克服能垒所需要的切应力。所施加的力必须足以使原子间的键断裂，才能产生滑移，压力大小约为G/30F实际晶体的滑移临界切应力远小于理论值？？？----位错第14页/共77页15位错：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，另外二维方向上很短。TEM下的位错线第15页/共77页16二、位错模型1.刃型位错晶体在大于屈服值的切应力作用下，以某晶面为滑移面发生滑移。晶体已滑移部分和未滑移部分的交线，犹如砍入晶体的一把刀的刀刃，即刃位错（或棱位错）。第16页/共77页17几何特征：位错线与原子滑移方向相垂直；滑移面上部位错线周围原子受压应力作用，原子间距小于正常晶格间距；滑移面下部位错线周围原子受张应力作用，原子间距大于正常晶格间距。

（）

（）分类：正刃位错，“”；负刃位错，“T”。符号中水平线代表滑移面，垂直线代表半个原子面。第17页/共77页18位错是滑移区和未滑移区的边界，不一定是直线，滑移方向垂直于位错线，滑移面是位错线和滑移矢量所构成的唯一平面。晶体形成过程中各种因素形成原子错排。（空位片，局部滑移）晶体内部的半原子面破坏对称性处于高能量状态，不稳定不可能中断于晶体内部（表面露头，终止与晶界和相界，与其他位错相交，位错环）半原子面及周围区域统称为位错第18页/共77页192.螺位错晶体在大于屈服值的切应力作用下，以某晶面为滑移面发生滑移。由于位错线周围的一组原子面形成了一个连续的螺旋形坡面，故称为螺位错。几何特征：位错线与原子滑移方向相平行；位错线周围原子的配置是螺旋状的。分类：有左、右旋之分，它们之间符合左手、右手螺旋定则。第19页/共77页203.混合型位错在晶体内部已滑移和未滑移部分的交线既不垂直也不平行滑移方向。位错线上任意一点，经矢量分解后，可分解为刃位错和螺位错分量。第20页/共77页21三、Burgers矢量表示位错区域原子畸变特征（晶向和大小）的物理量b反映了滑移区与未滑移区的边界，产生相对移动的大小和方向，即滑移矢量。

第21页/共77页22刃位错b与位错线垂直任意一根位错线上各点b相同，同一位错只有一个b。有大小的晶向指数表示模正负右旋螺位错b与位错线平行左旋第22页/共77页23Burgers矢量合成与分解：如果几条位错线在晶体内部相交（交点称为节点），则指向节点的各位错的伯氏矢量之和，必然等于离开节点的各位错的伯氏矢量之和。OIIIIII第23页/共77页24四、位错密度体密度：ρ=S/V,单位体积内位错线总长度（m/m3）面密度：ρ=n/A,单位面积内位错线总根数（1/m2）超纯金属：109-1010m/m3晶须：10m/cm3第24页/共77页25五、位错的运动

位错只有在切应力的作用下进行滑移。位错的滑移：指位错在外力作用下，在滑移面上的运动，结果导致永久形变。位错的攀移：指在热缺陷的作用下，刃位错在垂直滑移的方向运动，结果导致空位或间隙原子的增值或减少。第25页/共77页261.位错的滑移位错在滑移时是通过位错线或位错附近的原子逐个移动很小的距离完成的第26页/共77页27刃位错的运动第27页/共77页28螺位错的运动第28页/共77页29混合位错的运动第29页/共77页30位错的滑移特点刃位错滑移方向与外力及伯氏矢量b平行；螺位错滑移方向与外力及伯氏矢量b垂直；混合位错滑移方向与外力及伯氏矢量b成一定角度（即沿位错线法线方向滑移）；晶体的滑移方向与外力及位错的伯氏矢量b相一致，但并不一定与位错的滑移方向相同第30页/共77页312.位错滑移作用力把各种力简化为沿位错运动方向的力。切应力对位错做功：dw=τ(dsdl)b=Fds单位长度位错受力：Fd=τb垂直于位错线，指向位错运动方向。代替切应力。第31页/共77页32（a）正攀移（半原子面缩短）(b)未攀移（c）负攀移（半原子面伸长）3.位错的攀移第32页/共77页333.位错的攀移正攀移（半原子面缩短）未攀移负攀移（半原子面伸长）第33页/共77页34攀移的实质：通过原子扩散实现半原子面的向上（正）向下（负）移动，多余半原子面的伸长或缩短，位错线随之运动，运动方向垂直于b。螺位错没有多余半原子面，故无攀移运动。

由于原子是逐个加入，所以位错线在攀移过程中存在很多割阶。只有在高温下才可能发生:蠕变、回复、单晶拉制攀移作用力第34页/共77页35六、位错应变能位错原子偏移正常位置，产生畸变应力，处于高能量状态，但偏移量很小，晶格为弹性应变。位错心部应变较大，超出弹性范围，但这部分能量所占比例较小，<10%，可以近似忽略。第35页/共77页36假设：1.完全服从虎克定律，即不存在塑性变形2.各向同性3.连续介质，不存在结构间隙1.理论基础：连续弹性介质模型单位体积弹性能：第36页/共77页37

2.螺位错应变能取微元环r，厚度dr，总的剪切应变大小为b，均匀分布在整个周长上各点切应变：切应力：微元环：单位长度螺位错：第37页/共77页383.刃位错应变能简写为：a=0.5(//)~1.0(┴)

高位错能储存在晶体内，驱动位错反应，与其他缺陷作用第38页/共77页39七、位错线张力位错具有应变能，具有自我降低的趋势，使位错线自动缩短至直线的趋势。类似于在位错线两端施加了线张力。线张力T（N）和位错能U(Jm-1)在数值上相等，表现形式不同。单根位错趋于直线保持最短长度。多根位错结点处线张力平衡，呈空间网络状。弯曲时一定有力的作用。第39页/共77页40弯曲位错一定受到外力的作用，并且外力与线张力平衡与曲率成反比第40页/共77页41八、位错应力场及交互作用1.位错应力场螺位错：纯剪切、应变径向对称、且与到中心距离成反比位错存在应力场，使其他缺陷运动，产生交互作用，降低系统能量。能量：体系稳定程度和变化趋势力：体系变化途径和变化过程第41页/共77页42刃位错：插入半原子面，位错上方，原子间距变小，产生压应变，下方原子间距变大，拉应变。过渡处切应变，滑移面处有最大切应力，正应力为0。xyo第42页/共77页432.位错与点缺陷溶质大原子，周围原子受压，溶质小原子，周围原子受拉。存在应力，与位错交互作用。与刃位错作用明显。大原子聚集在刃位错下方，小原子在上方，溶质原子和位错对周围原子的应力场互相抵消，能量降低。符合热力学条件。溶质原子中间隙原子（C、N）尺寸小，扩散能力强，交互作用明显。符合动力学条件。溶质原子与位错交互作用，在位错周围偏聚的现象，成为气团（Cottrell气团等），钉扎位错。交互作用使系统能量降低，位错稳定性升高，不易开动，抗塑性变性能力提高。第43页/共77页443.位错交互作用螺位错：同号位错相互排斥，异号位错相互吸引，互毁。刃位错：平行于滑移面与螺位错一致，垂直滑移面时相反

位错墙：同号位错在垂直于滑移面的方向上排列，上下位错拉、压应力场重叠部分抵消，降低系统能量，形成稳定排列方式。第44页/共77页45九、位错反应—合成与分解由于位错间相互作用力的存在，使得位错之间有可能发生相互转化或相互作用，以使能量降低，此即位错反应。几何条件：三维方向矢量和相同能量条件：能量降低，反应的驱动力1.反应条件第45页/共77页462.实际晶体b全位错：b等于点阵矢量的位错fcc:a/2<110>;bcc:a/2<111>;hcp:a/3<1120>不全位错：b小于点阵矢量的位错，从一个原子到某结点

fcc:a/6<112>,a/3<111>bcc:a/3<111>,a/8<110>hcp:c/2<0001>

第46页/共77页473.面心立方晶体全位错分解滑移面{111}上的a/2<110>可以分解为两个a/6<112>分位错a/2[110]a/6[121]+a/6[211]

a/6<112>分位错在面心立方晶体塑性变形中有重要作用，称为：Schockly分位错第47页/共77页48ABCABCABC……全位错滑移ABCACCABC……不全位错滑移堆垛层错C第48页/共77页49扩展位错平衡宽度d:层错能和位错对斥力综合作用unslippedunfaultedslipped(faulted)zonesIIIIII扩展位错：一对不全位错以及中间层错之和。第49页/共77页504.3晶体中的界面

面缺陷又称为二维缺陷，是指在二维方向上偏离理想晶体中的周期性、规则性排列而产生的缺陷，即缺陷尺寸在二维方向上延伸，在第三维方向上很小。如晶界、相界、堆垛层错、表面等。第50页/共77页51多晶体中空间取向或位向不同的相邻晶粒之间的界面。1.晶界小角度晶界：位相差<10。由位错协调，密度∽位相差。对称倾斜晶界：两侧晶粒相对于晶界对称倾斜一小角度。刃位错扭转晶界：晶体一部分垂直于某晶向方向旋转一小角度。螺位错第51页/共77页52

最简单的小角度晶界是对称倾斜晶界，这种晶界的结构是由一系列平行等距离排列的同号刃位错所构成。位错间距离D、伯氏矢量b与取向差θ之间满足下列关系

由上式知，当θ小时，位错间距较大，若b=0.25nm，θ=1o，则D=14nm；若θ＞10o，则位错间距太近，位错模型不再适应。第52页/共77页53大角度晶界：位相差>10。

2-3个原子厚的过渡层，原子排列无序稀疏。

第53页/共77页54孪晶：晶体沿某公共晶面（孪晶面）构成镜面对称。第54页/共77页55晶界能：晶界位置由原子偏离产生的高出晶粒内部的能量。小角度晶界随位错能改变大角度晶界为与材料本身相关的常数。与位相关系不大。第55页/共77页56第56页/共77页572.晶体相界具有不同晶体结构的两相之间的界面。失配度δ，<0.05完全共格，>0.25非共格，其间为部分共格第57页/共77页583.堆垛层错指正常堆垛顺序中引入不正常顺序堆垛的原子面而产生的一类面缺陷(以下简称层错)抽出型(或内禀)层错插入型(或外禀)层错第58页/共77页594.晶体表面晶体表面原子弛豫和重构，产生偶极矩，活性强，形成吸附（物理和化学）、高能态、表面密排、各向异性、元素偏聚和贫化等现象。表面:表面是指固体与真空的界面。界面:相邻两个结晶空间的交界面。第59页/共77页60理想表面d忽略了晶体内部周期性势场在晶体表面中断的影响，忽略了表面原子的热运动、热扩散和热缺陷等，忽略了外界对表面的物理化学作用等，理论上结构完整的二维点阵平面。原子的位置及其结构的周期性，与晶体内部完全一样。第60页/共77页61清洁表面不存在任何吸附、催化反应、杂质扩散等物理化学效应的表面。化学组成与体内相同周期结构可以与体内不同根据表面原子的排列，清洁表面又可分为台阶表面、弛豫表面、重构表面等。第61页/共77页62台阶表面：台阶表面不是一个平面，是由有规则的或不规则的台阶所组成的表面，由密排面构成[112][111][110](001)周期Pt（557）有序原子台阶表面第62页/共77页63弛豫表面：由于固相的三维周期性在固体表面处突然中断，表面上原子产生的相对于正常位置存在上、下位移d0d第63页/共77页64重构表面：表面原子层在水平方向上的周期性不同于体内，但垂直方向的层间距则与体内相同d0d0asa第64页/共77页65吸附表面也称界面，它是在清洁表面上有来自体内扩散到表面的杂质和来自表面周围空间吸附在表面上的质点所构成的表面。根据原子在基底上的吸附位置，一般可分为四种吸附情况，即顶吸附、桥吸附、填充吸附和中心吸附等。第65页/共77页66固体的表面自由能和表面张力与液体相比：固体的表面自由能中包含了弹性能。表面张力在数值上不等于表面自由能；固体的表面张力是各向异性的。实际固体的表面绝大多数处于非平衡状态，决定固体表面形态的主要是形成固体表面时的条件以及它所经历的历史。固体的表面自由能和表面张力的测定困难。第66页/共77页675.润湿与粘附润湿是一种流体从固体表面置换另一种流体的过程。最常见的润湿现象是一种液体从固体表面置换空气，如水在玻璃表面置换空气并展开。1930年Osterhof和Bartell把润湿现象分成沾湿、浸湿和铺展三种类型。第67页/共77页68

沾湿：液体在固体表面上的粘附SLv沾湿的粘附功Wa：Wa≥0，则（ΔG）TP≤0，沾湿过程可自发进行其粘附功总是大于零，不管对什么液体和固体沾湿过程总是可自发进行的第68页/共77页69浸湿SVL浸润功Wi只有固体的表面自由能比固一液的界面自由能大时浸湿过程才能自发进行第69页/共77页70铺展：恒温恒压下，置于固体表面的液滴在固体表面上自动展开形成液膜，则称此过程为铺展润湿。铺展系数SL/SWc是液体的内聚功只要液