晶体结构缺陷-材料科学基础-课件-西南石油大学-03ppt课件

第三章 晶体结构缺陷引言： 在介 绍 晶体 结 构 时 ， 为 了 说 明晶体的周期性和方向性，把晶体 处 理 为 完全理想状 态 ， 实际 上晶体中存在着偏离理想的 结 构，晶体缺陷就是指 实际 晶体中与理想的点 阵结构 发 生偏差的区域。 这 些区域的存在，并不影响晶体 结 构的基本特性， 仅 是晶体中少数原子的排列特征 发 生了改 变 。缺陷分 类 （ 1）点缺陷（零 维 缺陷）：空位、 间 隙原子、 杂质 等（ 2） 线 缺陷（一 维 缺陷）：位 错 等（ 3）面缺陷（二 维 缺陷）：晶界、表面、相界、 层错（ 4）体缺陷（三 维 缺陷）：沉淀相、孔洞、 亚结 构等1第三章 晶体结构缺陷引言3.1 点缺陷3.2 位 错 的 结 构3.3 位 错 的运 动3.4 位 错 的 应 力 场3.5 位 错 与晶体缺陷 间 的 交互作用3.6 位 错 的增 殖、塞 积 与交割3.7 实 际 晶体中的位 错23 1 点缺陷晶体中的点缺陷除了包括空位、 间 隙原子、置 换 原子外， 还 包括由 这 些基本缺陷组 成的三 维 方向上尺寸都很小的复 杂 缺陷。33 1 1 点缺陷的 类 型图 3.1 晶体中的各种点缺陷1-大的置换原子； 2-肖脱基空位；3-异类间隙原子； 4-复合空位；5弗兰克尔空位； 6-小的置换原子4本 节讨论 的主要是空位和 间 隙原子 。图 3.2 晶体中简单点缺陷（示意图）53 1 2 点缺陷的平衡 浓 度 热 力学分析表明：在高于 0K的任何温度下，晶体最 稳 定的状 态 是含有一定 浓 度点缺陷的状 态 。在某一温度下，晶体自由 焓 最低 时 随 对应 的点缺陷 浓 度 为 点缺陷的平衡 浓 度 ，用CV表示。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。设 自由能 F=U TSU为 内能， S为 系 统熵 （包括振 动熵 Sf和排列 熵 SC）空位的引入，一方面由于 弹 性畸 变 使晶体内能增加；另一方面又使晶体中混乱度增加，使 熵 增加。而 熵 的 变 化包括两部分： 空位改 变 它周 围 原子的振 动 引起振 动熵 Sf ； 空位在晶体点 阵 中的排列可有 许 多不同的几何 组态 ，使排列 熵 SC增加。 8设 在温度 T时 ，含有 N个 结 点的晶体中形成 n个空位，与无空位晶体相比F=nEV-TSS=SC+nSfn个空位引入，可能的原子排列方式利用玻 尔 兹 曼关系，化 简 可得：当 N和 n很大 时 ，可用斯特令近似公式将上式改写 为9令： 式中 A=exp(Sf/k)，由振动熵决定，约为 1 10。上式表示的是空位平衡浓度和空位形成能以及温度之间的关系，由于间隙原子的形成能较大，在相同温度下，间隙原子浓度比空位浓度小的多，通常可以忽略不计，所以一般情况下，金属晶体的点缺陷主要是指空位。10若已知 EV和 Sf， 则 可由上式 计 算出任一温度 T下的 浓 度 C.由上式可得：1）晶体中空位在 热 力学上是 稳 定的，一定温度 T对应 一平衡浓 度 C2） C与 T呈指数关系，温度升高，空位 浓 度增大3）空位形成能 EV大，空位 浓 度小例如：已知 铜 中 EV=1.710-19J， A取 为 1， 则 T 100K 300K 500K 700K 900K 1000KCV 10-57 10-19 10-11 10-8.1 10-6.3 10-5.711例 题 Cu晶体的空位形成能 Ev为 0.9ev/atom，或 1.4410 19 J/atom，材料常数 A取作 1，玻 尔 兹 曼常数 k 1.3810 23J/K， 计 算：1）在 500 下，每立方米 Cu中的空位数目。2） 500 下的平衡空位 浓 度。解：首先确定 1m3体 积 内 Cu原子的 总 数（已知 Cu的摩 尔 质量 为 MCu 63.54g/mol， 500 下 Cu的密度 Cu 8.96 106 g/m3121）将 N代入空位平衡 浓 度公式， 计 算空位数目 nv 2） 计 算空位 浓 度即在 500 时 ，每 106个原子中才有 1.4个空位。13空位在晶体中的分布是一个 动态 平衡，其不断地与周 围 原子交换 位置，使空位移 动 所必需的能量，叫空位移 动 能 Em。图 3-5所示 为 空位移 动 。 图 3.5 空位的移动3 1 3 点缺陷的运动和作用在点缺陷运 动 中，当 间 隙原子与一个空位相遇时 ，将落入 该 空位，使两者都消失，称 为 复合。14点缺陷运 动 的作用在于 ：由于空位和 间 隙原子不断的 产 生与复合，使得晶体中的原子不停地向 别处作不 规则 地布朗运 动 ， 这 就是晶体地自 扩 散，是固 态 相 变 、表面化学 热处 理、蠕 变 、 烧结 等 过 程地基 础 。153 1 4 过饱 和点缺陷给 定温度下，晶体中 存 在一平衡的点缺陷 浓 度，通 过 一些方法，晶体中的点缺陷 浓 度超 过 平衡 浓 度。1）高温淬火把 空位保留到室温：加 热 后，使缺陷 浓度 较 高，然后快速冷却，使点缺陷来不及复合 过 程。 2） 辐 照：高能粒子 辐 照晶体，形成数量相等的空位和间 隙原子（原子不断离位而 产 生）。3）塑性 变 形：位 错 滑移并交割后留下大量的点缺陷。 另外，点缺陷 还 会聚集成空位片， 过 多的空位片造成材料区域崩塌而破坏，形成孔洞。163 1 5 点缺陷 对 晶体性 质 的影响 1 对电 阻的影响空位引起点 阵 畸 变 ，使 传导电 子受到散射， 产 生附加 电 阻2 对 力学性能的影响3 对 高温蠕 变 的影响173 1 6 点缺陷小 结1、 点缺陷是 热 力学 稳 定的缺陷。2、不同金属点缺陷形成能不同。3、点缺陷 浓 度与点缺陷形成能、温度密切相关4、点缺陷 对 金属的物理及力学性能有明 显 影响5、点缺陷 对 材料的高温蠕 变 、沉淀、回复、表面氧化、 烧结有重要影响183 2 位 错 的基本 类 型及特征位 错 理 论 及其 发 展刃型位 错 :螺型位 错 :混合位 错193 2 1 刃型位 错 -刃位 错结 构示意 图20位 错线 ：晶体中已滑移区与未滑移区的 边 界正、 负 刃位 错弹 性畸 变位 错宽 度， 25个原子 间 距位 错 是一管道额 外（多余）半原子面滑移矢量滑移面刃位 错 不一定是直 线 ，可 为纯 刃型位 错环 基本点如下：21刃型位 错 特征：1）刃型位 错 有一 额 外半原子面2）位 错线 不一定是直 线 ，可以是折 线 或曲 线 ，但刃型位错线 必与滑移矢量垂直，且滑移面是位 错线 和滑移矢量所构成的唯一平面。3）位 错 周 围 的点 阵发 生 弹 性畸 变 ，既有正 应变 ，又有切 应变 位 错 是一管道 223 2 2 螺型位 错 图为 螺型位 错 形成模型23螺型位 错 -特征：1）螺型位 错 无 额 外半原子面，原子 错 排呈 轴对 称2）螺型位 错 与滑移矢量平行，故一定是直 线 3）包含螺位 错 的面必然包含滑移矢量，故螺位 错 可以有无 穷 个滑移面，但 实际 上滑移通常是在原子密排面上 进 行，故有限4）螺位 错 周 围 的点 阵 也 发 生了 弹 性畸 变 ，但只有平行于位 错线 的切 应变 ，无正 应变 （在垂直于位 错线 的平面投影上，看不出缺陷）5）位 错线 的移 动 方向与晶 块 滑移方向互相垂直243 2 3 混合位 错位 错线 上任一点的滑移矢量相同，但两者方向 夹 角呈任意角度， 图为 混合位 错 的 产 生253 3 柏氏矢量柏氏矢量是描述位 错 性 质 的一个重要物理量， 1939年Burgers提出，故称 该 矢量 为 “柏格斯矢量 ”或 “柏氏矢量 ”，用 b 表示1柏氏矢量的确定（方法与步 骤 ）1）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 的正向与右螺旋的正向一致3）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 ”。26如右 图为 刃型位 错 的柏氏回路与柏氏矢量27图为 螺型位 错 的柏氏回路和柏氏矢量282柏氏矢量 b的物理意 义1） 表征位 错线 的性 质据 b与位 错线 的取向关系可确定位 错线 性 质 ，如 图 6-162） b表征了 总 畸 变 的 积 累围绕 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 。3） b表征了位 错 强 度同一晶体中 b大的位 错 具有 严 重的点 阵 畸 变 ，能量高且