[工学]04晶体缺陷.ppt

第四章 晶体缺陷 4.1 点缺陷 4.2 位错 4.3 晶体中的界面 1 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 2 4.1 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 3 1.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） 4 2. 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。 5 4. 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 6 5.离子晶体缺陷 7 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（EV）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EV大，空位浓度小 二、空位形成热力学 8 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。 9 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 10 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） 11 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 12 4.2 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。 13 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/30 F 实际晶体的滑移临界切应力远小于理论值？-位错 14 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 15 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）。 16 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。 17 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 18 2. 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。 19 3. 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。 20 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。 21 刃位错b与位错线 垂直 任意一根位错线错线 上各点b相同，同一位错错只有一个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 22 Burgers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 。 O I II III 23 四、位错密度 体密度：=S/V,单位体积内位错线总长度（m/m3） 面密度：=n/A,单位面积内位错线总根数（1/m2） u超纯金属：109-1010 m/m3 u晶须：10 m/cm3 24 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。 25 1. 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 26 刃位错的运动 27 螺位错的运动 28 混合位错的运动 29 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 30 2. 位错滑移作用力 把各种力简简化为为沿位错错运动动方向的力 。 切应应力对对位错错做功：dw=(dsdl)b=Fds 单单位长长度位错错受力：Fd=b 垂直于位错线错线 ，指向位错错运动动方向。 代替切应应力。 31 （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 32 3. 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） 33 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 34 六、位错应变能 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， ; bcc:a/2; hcp:a/3 u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,a/3 bcc:a/3,a/8 hcp:c/2 46 3. 面心立方晶体全位错分解 滑移面111 上的a/2可以分解为两个 a/6分位错 a/2110 a/6121+ a/6211 a/6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 47 ABCABCABC全位错滑移 ABCACCABC不全位错滑移堆垛层错 C 48 扩展位错平衡宽度d:层错能和位错对斥力综合作用 unslipped unfaulted slipped (faulted) zones III III 扩展位错：一对不全位 错以及中间层错之和。 49 4.3 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。 50 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。 2-3个原子厚的过渡层，原子排列无序稀疏 。 53 孪晶：晶体沿某公共晶面（孪晶面）构成镜面对称。 54 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 。 55 56 2. 晶体相界 具有不同晶体结构的两相之间的界面。 失配度，0.25非共格，其间为部分共格 57 3.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 58 4. 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。 59 n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。 60 n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。 61 p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 62 p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 d0 d 63 p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 d0d0 as a 64 n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。 65 n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。 66 5. 润湿与粘附 n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。 67 p 沾湿：液体在固体表面上的粘附 S L v 沾湿的粘附功Wa： Wa0， 则（G）TP0，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 68 p浸湿 S V L 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 69 p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/S Wc是液体的内聚功 只要液体对固体的粘附功大于 液体的内聚功，液体即可在固 体表面自发展开 S V L 70 n接触角和 Young方程 S V L SV LV SL 平面固体上液滴受三个界面张 力的作用达到平衡： Young方程 71 铺展： 粘湿： 浸湿： =0或不存在，S0 对同一对液体和固体，在不同的润湿过程中，其润湿条件是 不同的。对于浸湿过程，=90完全可作为润湿和不润湿的界 限；90，则不润湿。但对于铺展，则这 个界限不适用。 72 S V L S 沾湿浸湿铺展 73 p表面粗糙度的影响 Wenze1方程，式中r为粗糙因子，也就是真实面积与表观面 积之比，总大于1 90时，润湿前提下，粗糙化后变小，更易为液 体所润湿 90时， ，不润湿的前提下，表面粗糙化后变大 ，更不易为液体所润湿。 74 n粘附及其化学条件 固体表面的剩余力场不仅可与气体分子 及溶液中的质点相互作用发生吸附，还