[理学]第三章 晶体缺陷.pptVIP

第三章 晶体缺陷 3.1 点缺陷 3.2 线缺陷 3.2.1 位错的基本类型和特征 3.2.2 柏氏矢量 3.2.3 位错的运动 3.2.4 位错的弹性性质 3.2.5 位错的生成与增殖 3.2.6 位错与晶体缺陷的相互作用 3.2.7 实际晶体中的位错 3.3 3.3 表面及界面表面及界面 3.3.1 3.3.1 外表面外表面 3.3.2 3.3.2 晶界和亚晶界晶界和亚晶界 3.3.3 3.3.3 相界相界 晶体中的缺陷概论 晶体缺陷：即使在每个晶粒的内部，也并不完全象 晶体学中论述的(理想晶体)那样，原子完全呈现 周期性的规则重复的排列。把实际晶体中原子排 列与理想晶体的差别称为晶体缺陷。晶体中的缺 陷的数量相当大，但因原子的数量很多，在晶体 中占有的比例还是很少，材料总体具有晶体的相 关性能特点，而缺陷的数量将给材料的性能带来 巨大的影响。 晶体缺陷按范围分类： 1. 点缺陷 在三维空间各方向上尺寸都很小，在原 子尺寸大小的晶体缺陷。 2. 线缺陷 在三维空间的一个方向上的尺寸很大(晶 粒数量级)，另外两个方向上的尺寸很小(原子尺 寸大小)的晶体缺陷。其具体形式就是晶体中的 位错Dislocation 3. 面缺陷 在三维空间的两个方向上的尺寸很大(晶 粒数量级)，另外一个方向上的尺寸很小(原子尺 寸大小)的晶体缺陷。 3.1 点缺陷 点缺陷：在三维空间各方向上尺寸都很小，在原子尺寸大小 的晶体缺陷。 3.1.1、点缺陷的形成 点缺陷通常有三种类型： 1) 空位： 在晶格结点位置应有原子的 地方空缺，这种缺陷称为“空位” 。 2）间隙原子： 在晶格非结点位置，往 往是晶格的间隙，出现了多余的原子 。它们可能是同类原子，也可能是异 类原子。 3）置换原子： 在一种类型的原子组成 的晶格中，不同种类的原子替换原有的 原子占有其应有的位置。 空位的形成能Ev： 空位的出现破坏了其周围的结合状态，因而造成局部能量的升 高，由空位的出现而高于没有空位时的那一部分能量称为“空位 形成能”。 3.1.2、点缺陷对材料性能的影响 原因：无论那种点缺陷的存在，都会使其附近的原子稍微偏 离原结点位置才能平衡，即造成小区域的晶格畸变。 效果 1) 提高材料的电阻 定向流动的电子在点缺陷处受到非 平衡力(陷阱)，增加了阻力，加速运动提高局部温度 (发热)。 2) 加快原子的扩散迁移 空位可作为原子运动的周转站 。 3) 形成其他晶体缺陷 过饱和的空位可集中形成内部的 空洞，集中一片的塌陷形成位错。 4) 改变材料的力学性能 空位移动到位错处可造成刃位 错的攀移，间隙原子和异类原子的存在会增加位错的 运动阻力。会使强度提高，塑性下降。 3.1.3、空位的平衡浓度 空位形成能：在晶体内取出一个原子放在晶体表面上（但不改 变晶体的表面积和表面能）所需要的能量。空位的出现破坏了 其周围的结合状态，因而造成局部能量的升高，由空位的出现 而高于没有空位时的那一部分能量称为“空位形成能”。 空位的出现提高了体系的熵值 在一摩尔的晶体中如存在n个空位，晶体中有N=6.0231023个晶格 位置，这这是空位的浓浓度为为x=n/N，系统熵值为统熵值为 ： 平衡空位浓度 体系的自由能最低时，晶体处于平 衡稳定状态，晶体中存在的空位浓度。 设每个空位的形成能为u，空位浓度为x时自由能 的变化为： P83间隙原子的平衡浓度与空位平衡浓度的区别。 过饱和空位 晶体中含点缺陷的数目明显超过平衡 值。如高温下停留平衡时晶体中存在一平衡空位， 快速冷却到一较低的温度，晶体中的空位来不及移 出晶体，就会造成晶体中的空位浓度超过这时的平 衡值。过饱和空位的存在是一非平衡状态，有恢复 到平衡态的热力学趋势，在动力学上要到达平衡态 还要一时间过程。 3.3.4 点缺陷的运动 布朗运动 原子的自扩散 固态相变 表面化学热处理 蠕变 3.2 位错 线缺陷：在三维空间的一个方向上的尺寸很大(晶粒数量级) ，另外两个方向上的尺寸很小(原子尺寸大小)的晶体缺陷。 其具体形式就是晶体中的位错Dislocation 3.2.1、位错的基本类型和特征 1、刃型位错 参看南昌第一章动画 刃型位错结构的特点： (1)刃型位错有一个额外的半原子面。有正负之分。 (2)刃型位错线可理解为晶体中己滑移区与未滑移区的边界线 。它不一定是直线，也可以是折线或曲线，但它必与滑移方向相 垂直，也垂直于滑移矢量，如图35所示。 (3)滑移面必定是同时包含有位错线和滑移矢量的平面，在其 他面上不能滑移。刃型位错中，位错线与滑移矢量互相垂直，因 此，由它们所构成的平面只有一个。 (4)晶体中存在刃型位错之后，位错周围的点阵发生弹性畸变 ，既有切应变，又有正应变。就正刃型位错而言，滑移面上方点 阵受到压应力，下方点阵受到拉应力；负刃型位错与此相反。 (5)在位错线周围的过渡区(畸变区)每个原子具有较大的平均能 量。但该区只有几个原子间距宽，畸变区是狭长的管道，所以刃 型位错是线缺陷。 2、螺型位错 参看南昌第一章动画 螺型位错具有以下特征： (1)螺型位错无额外半原子面，原子错排是呈轴对称的。 (2)根据位错线附近呈螺旋形排列的原子的旋转方向不同螺 型位错可分为右旋（以右拇指表示螺旋面前进方向，四指表示 螺旋面旋转方向）和左旋螺型位错。 (3)螺型位错线与滑移矢量平行，因此一定是直线，而且位错 线的移动方向与晶体滑移方向互相垂直。 (4)纯螺型位错的滑移面不是唯一的。凡是包含螺型位错线的 平面都可以作为它的滑移面。但实际上，滑移通常是在那些原 子密排面上进行。 (5)螺型位错线周围的点阵也发生了弹性畸变，但是，只有平 行于位错线的切应变而无正应变，即不会引起体积膨胀和收缩 ，且在垂直于位错线的平面投影上，看不到原子的位移，看不 出有缺陷。(6) 螺型位锗周围的点阵畸变随离位错线距离的增加 而急剧减少，故它也是包含几个原子宽度的线缺陷。 3、混合位错 3.2.2 伯氏矢量 确定方法： 首先在原子排列基本正常区域作一个包含位错的 回路，也称为柏氏回路，这个回路包含了位错发生的畸变 。然后将同样大小的回路置于理想晶体中，回路当然不可 能封闭，需要一个额外的矢量连接才能封闭，这个矢量就 称为该位错的柏氏(Burgers)矢量。 说明：这是一个并不十分准确的定义方法。柏氏矢量的方向与位错线 方向的定义有关，应该 首先定义位错线 的方向，再依据位错线 的方向来定柏氏回路的方向，再确定柏氏矢量的 方向。在专门 的位错理论中还会纠正。 1、 伯氏矢量的确定 2、伯氏矢量的特性 伯氏矢量与位错类型的关系： 刃型位错 柏氏矢量与位错线相互垂直。(依方向关系可 分正刃和负刃型位错) 螺型位错 柏氏矢量与位错线相互平行。(依方向关系可 分左螺和右螺型位错) 混合位错 柏氏矢量与位错线的夹角非0或90度。 (1) 柏氏矢量是一个反映位错周围点阵畸变总累积的物理量。 该矢量的方向表示位错的性质与位错的取向，即位错运动 导致晶体滑移的方向；而该矢量的模lbI表示了畸变的程度 ，称为位错的强度。由此，可把位错定义为柏氏矢量不为 零的晶体缺陷。 （2）同一位错的柏氏矢量与柏氏回路的大小和走向无关。 （3）一根位错线具有唯一的柏氏矢量。 （4） 若一个柏氏矢量为b的位错可以分解为伯氏矢量分别为 b1,b2bn的n个位错，则分解后各位错柏氏矢量之和等于 原位错的柏氏矢量，即 伯氏矢量的特性: （5）位错的连续性： 位错在晶体中存在的形态可形成一个闭 合的位错环，或连接于其他位错(交于位错结点)，或终止在晶 界，或露头于晶体表面，但不能中断于晶体内部。 在位错网的交汇点，必然 3、伯氏矢量的表示方法 n为正整数 位错的强度，称为柏氏矢量的大小或模： 3.2.3 位错的运动 滑移面：过位错线并和柏氏矢量平行的平面(晶面) 是该位错的滑移面。 位错的滑移运动：位错在滑移面上的运动。 位错运动的两种基本形式：滑移和攀移 1. 位错的滑移 刃型位错的滑移运动：在图示的晶体上施加一切应力，当应力 足够大时，有使晶体上部向右发生移动的趋势。假如晶体中有 一刃型位错，显然位错在晶体中发生移动比整个晶体移动要容 易。因此，位错的运动在外加切应力的作用下发生；位错 移动的方向和位错线垂直，与柏氏矢量平行；运动位错扫过 的区域晶体的两部分发生了柏氏矢量大小的相对运动(滑移)； 位错移出晶体表面将在晶体的表面上产生柏氏矢量大小的台阶。 螺型位错的滑移：在图示的晶体上施加一切应力，当应力足够大 时，有使晶体的左右部分发生上下移动的趋势。假如晶体中有一 螺型位错，显然位错在晶体中向后发生移动，移动过的区间右边 晶体向下移动一柏氏矢量。因此，螺位错也是在外加切应力的 作用下发生运动；位错移动的方向总是和位错线垂直；运动 位错扫过的区域晶体的两部分发生了柏氏矢量大小的相对运动( 滑移)；位错移过部分在表面留下部分台阶，全部移出晶体的 表面上产生柏氏矢量大小的完整台阶。这四点同刃型位错。 刃、螺型位错滑移的比较： 因为位错线和柏氏矢量平行，所以螺型位错可以有多个滑 移面，螺型位错无论在哪个方向移动都是滑移。 晶体两部分的相对移动量决定于柏氏矢量的大小和方向， 与位错线的移动方向无关。 确定位错线运动方向 的右手法则： 交滑移 双交滑移 2. 位错的攀移 位错攀移：“非守恒运动”，因其伴随着位错线附近原子增加或 减少，即有物质迁移，需要通过扩散才能进行。位错攀移需要 热激活，较之滑移所需的能量更大。对大多数材料，在室温下 很难进行位错的攀移，而在较高温度下，攀移较易实现。 位错滑移：“守恒运动”。 3. 位错运动的交割 刃型位错的割阶部分仍为刃型位错，而扭折部分则为螺型位 错；螺型位措中的扭折和割阶线段，由于均与柏氏矢量相垂 直，故均属于刃型位错。 (1) 割阶与扭折 (2) 几种典型的位错交割 3.2.4 位错的弹性性质 1、位错的应力场 （1） 螺型位错的应力场 因此，螺型位错的应力场具有以下特点： (1)只有切应力分量，正应力分量全为零，这表明螺位错不 引起晶体的膨胀和收缩。 (2)螺型位错所产生的切应力分量只与r有关(成反比)，而与 、z无关。只要r一定，z就为常数。因此，螺型位错的应力 场是的对称的，即与位错等距离的各处，其切应力值相 等，并随着与位错距离的增大，应力值减小。 注意，这里当r0时， z ，显然与实际情况不符，这 说明上述结果不适用位错中心的严重畸变区。 （2） 刃型位错的应力场 (1)刃型位错应力场具有的特点： p98 2、位错的应变能 3、位错的线张力 位错总应变能与位错线的长度成正比。为了降低能量，位错 线有力求缩短的倾向，故在位错线上存在一种使其变直的线 张力T。 线张力是一种组态力，类似于液体的表而张力，可定义为 使位错增加单位长度所需的能量。所以位错的线张力T可近似 地用下式表达： 4、作用在位错上的力 在外切应力的作用下，位错将在滑移面上产生 滑移运动。由于位错的移动方向总是与位错线垂直 ，因此，可理解为有一个垂直于位错线的“力”作用 在位错线上。 利用虚功原理可以导出这个作用在位错上的力。如图3-29 所示，设有切应力使一小段位错线dl移动了ds距离，结果 使晶体沿滑移面产生了b的滑移，故切应力所做的功为： Fd是作用在单位长度位错上的力，它与外切应力和位错的 柏氏矢量b成正比，其方向总是与位错线相垂直并指向滑移 面的未滑移部分。 需要特别指出的是作用于位错的力只是一种组态力，它不 代表位错附近原子实际所受到的力，也区别于作用在晶体上 的力。Fd的方向与外切应力的方向可以不同，如对纯螺型 位错，Fd的方向与的方向相互垂直(见图329(b)；其次 ，由于一根位错具有唯一的柏氏矢量，故只要作用在晶体上 的切应力是均匀的，那么各段位错线所受的力的大小完全相 同。 滑移力，攀移力 5、位错间的交互作用 a、两平行螺型位错的交互作用 b、两平行刃型位错间的交互作用 3.2.5 位错的生成与增殖 1、 位错的密度 位错在晶体表面的露头 抛光后的 试样在侵蚀时，由于易侵蚀而出现 侵蚀坑，其特点是坑为规则的多边 型且排列有一定规律。只能在晶粒 较大，位错较少时才有明显效果。 薄膜透射电镜观察 将试 样减薄到几十到数百个原 子层(500nm以下)，利用透 射电镜进行观察，可见到 位错线。 位错密度：单位体积晶体中所含的位错线的总长度，其数 学表达式为 式中L为位错线的总长度，v是晶体的体积。 穿过单位面积的位错线数目： 式中l为每根位错线的长度；n为在面积A中所见到的位错数目。 2、 位错的生成 (1)晶体土长过程中产生位错。其主要来源有； 由于熔体中杂质原子在凝固过程中不均匀分布使晶体的先 后凝固部分成分不同，从而点阵常数也有差异，可能形成位错 作为过渡； 由于温度梯度、浓度梯度、机械振动等的影响，致使生长 着的晶体偏转或弯曲引起相邻晶块之间有位相差，它们之间就 会形成位错； 晶体生长过程中由于相邻晶粒发生碰撞或因液流冲击，以 及冷却时体积变化的热应力等原因会使晶体表面产生台阶或受 力变形而形成位错。 (2) 由于自高温较快凝固及冷却时晶体内存在大量过饱和空 位，空位的聚集能形成位错。 (3) 晶体内部的某些界面(如第二相质点、李晶、晶界等)和 微裂纹的附近，由于热应力和组织应力的作用，往往出现应 力集中现象，当此应力高至足以使该局部区域发生滑移时， 就在该区域产生位错。 3、 位错的增殖 FR源发生作用的临界切应力为: 3.2.6 实际晶体结构中的位错 1. 实际晶体中位错的柏氏矢量 单位位错：柏氏矢量等于单位点阵矢量的位错。 全位错：柏氏矢量等于点阵矢量或其整数倍的位错。故全位错 滑移后晶体原子排列不变。 不全位错（或部分位错）：把柏氏矢量不等于点阵矢量的整数 倍的位错，不全位错滑移后原子排列规律发生变化。 2. 堆垛层错 形成层错时几乎不产生点阵畸变，但它破坏了晶体的完整性和正 常的周期性，使电子发生反常的衍射效应，故位晶体的能量有所 增加，这部分增加的能量称“堆垛层错能(Jm2)”。 晶体中出现层错的几率与层错能有关，层错能越高则几率越小。 如在层错能很低的奥氏体不锈钢中，常可看到大量的层错，而在 层错能高的铝中，就看不到层错。 3不全位错 在面心立方晶体中，有两种重要的不全位错：肖克利 (shockley)不全位错和弗兰克（Frank）不全位错。 a、肖克利(shockley)不全位错：刃型不全位错， 可动位错 b、弗兰克（Frank）不全位错 b= 4位错反应 位错反应能否进行，决定于是否满足如下两个条件： (1)几何条件：按照伯氏矢量守恒性的要求，反应后诸位错的怕 氏矢量之和应该等于反应前诸位错的伯氏矢量之和，即 (2)能量条件：从能量角度，位错反应必须是一个伴随着能 量降低的过程。为此，反应后各位错的总能量应小于反应前 各位错的总能量。由于位错能量正比于其 ，故可近似地 把一组位错的总能量看作是 ，于是便可引入位错 反应的能量判据，即 3.3 表面与界面 面缺陷：在三维空间的两个方向上的尺寸很大(晶粒数量级) ，另外一个方向上的尺寸很小(原子尺寸大小)的晶体缺陷。 3.3.1、外表面 1.晶体的表面：就是晶体的外表面，一般是指晶体与 气体(气相或液相)的分界面。 2.晶体的表面能：同体积晶体的表面高出晶体内部的 能量称为晶体的表面自由能或表面能。计量单位为 J/m2。表面能就是表面张力，单位为N/m。晶体的表 面能在有些意义和大家已知液体表面张力是一样的。 3.表面能的来源：材料表面的原子和内部原子所处的 环境不同，内部在均匀的力场中，能量较低，而表面 的原子有一个方向没有原子结合，处在与内部相比较 高的能量水平。另一种设想为一完整的晶体，按某晶 面为界切开成两半，形成两个表面，切开时为破坏原 有的结合键单位面积所吸收的能量。由于不同的晶面 原子的排列方式不同，切开破坏的化学键的量也不同 ，所以用不同的晶面作表面对应的表面能也不相同， 一般以原子的排列面密度愈高，对应的表面能较小。 4.表面能与晶体形状之间的关系：在晶体形成的过程中，为了 使系统的自由能最低，尽量降低表面的总能量，即A最小。 为此一方面尽量让最小的晶面为表面，当然也可能是表面能 略高但能明显减小表面积的晶面为表面。例如fcc结构的晶体自 由生长就为14面体。 5.粗糙表面与平滑表面：晶体的表面在宏观为一能量较低的平 面，但表面原子的缺陷，局部表面原子的缺少或部分表面有多 余原子，以表面存在的阵点数与实有原子数的比x来表示，这些 缺陷的存在可提高表面的熵，是必然存在的。每种材料有特定 的x值下表面能最低，其中x=0.5的表面稳定的称为粗糙表面， 大多数的金属材料是属于粗糙表面；x值仅在0或1附近稳定的称 为平滑表面，大多是非金属材料。 3.3.2 晶界与亚晶界 2.晶界的结构：根据晶界两侧晶粒的位向差不同，晶 界的结构大致可分为三类。 1.晶界：晶界就是空间取向(或位向)不同的相邻晶粒 之间的分界面。 1）小角度晶界 晶界两侧 的晶粒位向差很小。可看 成是一系列刃位错排列成 墙，晶界中位错排列愈密 ，则位向差愈大。 2）大角度晶界 晶界两侧 的晶粒位向差较大，不能用 位错模型。关于大角度晶界 的结构说法不一，晶界可视 为23(5)个原子的过渡层 ，这部分的原子排列尽管有 其规律，但排列复杂，暂以 相对无序来理解。 3）共格界面 界面上一侧的晶体的某一晶面与另一侧的一 晶面具有相同的原子排列，例如同一族的不同晶面，作为 其共有界面。这时两侧的晶体应处于某写特定角度。 3.界面能：晶界面上的原子相对正常晶体内部的原子 而言，均处于较高的能量状态，因此，晶界也存在界 面能。 界面能与结构的关系： 4、晶界的特性 (1)晶界处点阵畸变大，存在着晶界能。因此，晶粒的长大和晶 界的平直化都能减少晶界面积，从而降低晶界的总能量，这是 一个自发过程。然面晶粒的长大和晶界的平直化均需通过原子 的扩散来实现，因此，随着温度升高和保温时间的增长，均有 利于这两过程的进行。 (2) 晶界处原子排列不规则，因此在常温下晶界的存在会对位 错的运动起阻碍作用，致使塑性变形抗力提高，宏观表现为晶 界较晶内具有较高的强度和硬度。晶粒愈细，材料的强度愈高 ，这就是细晶强化；而高温下则相反，因高温下晶界存在一定 的粘滞性，易位相邻晶粒产生相对滑动。 (3) 晶界处原子偏离平衡位置，具有较高的动能，并且晶界处 存在较多的缺陷如空穴、杂质原子和位铝等，故晶界处原子的 扩散速度比在晶