晶体缺陷和柏氏矢量及位错运动

05 08 00 第二章晶体缺陷缺陷形成过程 晶体生长过程中 晶体形成后 晶体缺陷 原子排列规则性受到严重破坏的区域 晶体缺陷分三大类 1 点缺陷 属零维缺陷 它在三维空间各方向尺寸都很小 如空位 间隙原子和异类原子等 2 线缺陷 属一维缺陷 它在两个方向尺寸很小 而在另一个方向上尺寸却很大 主要是位错 可被电镜观察到 3 面缺陷 属二维缺陷 它在一个方向上尺寸很小 而在另两个方向上尺寸却很大 如晶界 相界 层错和表面等 光学显微镜可观察到 1 材料科学基础 西安石油大学材料科学与工程学院 05 08 00 2 材料科学基础 西安石油大学材料科学与工程学院 位错的电镜照片 位错缠结形成位错胞 晶界 空位聚合形成位错 面缺陷 晶界 05 08 00 3 材料科学基础 西安石油大学材料科学与工程学院 图2 1 晶体中的点缺陷 迁移到晶格间隙中 在晶体中同时形成数目相等的空位和间隙原子 弗兰克尔 Frankel 缺陷 迁移到晶体表面的正常结点位置上 而使晶体内部留下空位 肖脱基 Schottky 空位 迁移到其它空位中 使空位消失或使空位移动 2 1点缺陷 结点上或邻近的微观区域内偏离晶体结构的正常排列的缺陷 点缺陷包括 空位 间隙原子 异类原子 2 1 1点缺陷的类型及形成 05 08 00 2 1 2点缺陷的运动及平衡浓度点缺陷存在的影响 1 造成点阵畸变 使晶体的内能升高 降低了晶体的热力学稳定性 2 增大了原子排列的混乱程度 改变周围原子的振动频率 使晶体熵值增大 增加了晶体的热力学稳定性 一定温度下空位或者间隙原子的平衡浓度 其中 E为形成一个空位或者间隙原子所需的能量 n为超过平均能量而具有高能量的原子数 N为总原子数 A为比例常数 k为玻耳兹曼常数 T为绝对温度 4 材料科学基础 西安石油大学材料科学与工程学院 2 1 3点缺陷对性能的影响电阻增大 密度降低 提高金属的屈服强度 05 08 00 2 2线缺陷 位错一 位错 dislocation 位错模型的提出 晶体完整无缺陷且刚性滑动 金属晶体的切变强度 理论切变强度比实测切变强度高出几个数量级 晶体缺陷的设想 线缺陷 位错 的模型 以位错滑移模型计算出的晶体强度 与实测值基本相符 位错定义 线缺陷 晶体中某处有一列或若干列原子发生有规律的错排现象 错排区是细长的管状畸变区 位错类型 刃型位错 螺型位错 混合位错 5 材料科学基础 西安石油大学材料科学与工程学院 05 08 00 6 材料科学基础 西安石油大学材料科学与工程学院 刃型位错的形成示意图 刃型位错定义 位错线垂直于滑移方向 则会存在一多余半排原子面 它象一把刀刃插入晶体中 使此处上下两部分晶体产生原子错排 这种晶体缺陷称为刃型位错 1 刃型位错 edgedislocation 位错是已滑移区和未滑移区的边界 05 08 00 7 材料科学基础 西安石油大学材料科学与工程学院 刃型位错的平面示意图 刃型位错的立体示意图 负刃型位错 正刃型位错 05 08 00 刃型位错的结构特点 1 刃型位错有一个额外的半原子面 2 刃型位错线为晶体中已滑移区与未滑移区的边界线 多余的半原子面不一定是直线 也可以是折线或曲线 但它必与滑移方向和滑移矢量相垂直 3 滑移面是同时包含位错线和滑移矢量的平面 在其它面上不能滑移 4 位错线是具有一定宽度的细长的晶格畸变的管道 5 刃型位错周围的点阵既有正应变又有切应变 8 材料科学基础 西安石油大学材料科学与工程学院 05 08 00 9 材料科学基础 西安石油大学材料科学与工程学院 图2 4 螺型位错 a 立体图 b 俯视图 螺型位错的定义 位错线平行于滑移方向 位错线附近的原子按螺旋形式排列 这种晶体缺陷称为螺型位错 电镜下的螺型位错 2 螺型位错 screwdislocation 05 08 00 材料科学基础 西安石油大学材料科学与工程学院 05 08 00 螺型位错的结构特征 1 螺型位错无额外半原子面 2 螺型位错线与滑移矢量平行 位错线是直线 位错线移动方向与晶体滑移方向垂直 3 纯螺型位错的滑移面不是唯一的 凡是包含螺形位错线的平面都可作为滑移面 4 螺型位错线是具有一定宽度的细长的晶格畸变管道 其中只有切应变 而无正应变 即不会引起体积膨胀和收缩 11 材料科学基础 西安石油大学材料科学与工程学院 刃型位错和螺型位错的异同点 05 08 00 12 材料科学基础 西安石油大学材料科学与工程学院 图2 7混合位错 3 混合位错 mixeddislocation 位错线既不平行也不垂直于滑移方向 滑移矢量与位错线成任意角度 这种晶体缺陷称为混合型位错 05 08 00 由于位错线是已滑移区与未滑移区的边界线 1 一根位错线不能终止于晶体内部 而只能露头于晶体表面或晶界 2 若位错终止于晶体内部 则必与其它位错线相连接 或在晶体内部形成封闭线 位错若在晶体内部形成的封闭线称为位错环 A B两处是刃型位错 C D两处是螺型位错 其它各处均为混合位错 13 西安石油大学材料科学与工程学院 材料科学基础 05 08 00 材料科学基础 西安石油大学材料科学与工程学院 05 08 00 三 柏氏矢量 Burgersvector 1939年柏格斯 J M Burgers 提出了采用柏氏回路来定义位错 柏氏矢量 描述位错实质的物理量 反映柏氏回路包含的位错所引起的点阵畸变的总积累 位错的很多性质与柏氏矢量有关 也表示晶体滑移时原子移动的大小和方向 15 材料科学基础 西安石油大学材料科学与工程学院 05 08 00 16 材料科学基础 西安石油大学材料科学与工程学院 a 实际晶体的柏式回路 b 完整晶体的相应回路图2 5 刃型位错的柏氏矢量确定 确定柏氏矢量的具体步骤 1 首先选定位错线的正向 通常规定出纸面的方向为位错线的正方向 2 按照右手法则作柏氏回路 在实际晶体中 从任一原子 例如M 出发 避开位错线附近的严重畸变区 围绕位错以一定的步数作一闭合回路 3 在完整晶体中按同样的方向和步数作相同的回路 该回路不封闭 由终点Q向起点M引一矢量 使该回路闭合 这个矢量b就是实际晶体中位错的柏氏矢量 05 08 00 17 材料科学基础 西安石油大学材料科学与工程学院 a 实际晶体的柏式回路 b 完整晶体的相应回路图2 6螺形位错的柏氏矢量确定 确定柏氏矢量的具体步骤 1 首先选定位错线的正向 通常规定出纸面的方向为位错线的正方向 2 按照右手法则作柏氏回路 在实际晶体中 从任一原子 例如M 出发 避开位错线附近的严重畸变区 围绕位错以一定的步数作一闭合回路 3 在完整晶体中按同样的方向和步数作相同的回路 该回路不封闭 由终点Q向起点M引一矢量 使该回路闭合 这个矢量b就是实际晶体中位错的柏氏矢量 05 08 00 位错的确定方法 刃型位错右手法则 食指指向位错线方向 中指指向柏氏矢量方向 拇指指向代表多余半面子面位向 向上为正 向下为负 螺型位错的柏氏矢量 螺型位错的柏氏矢量与位错线平行 且规定b与位错线正向平行者为右螺旋位错 b与位错线反向平行者为左螺旋位错 18 材料科学基础 西安石油大学材料科学与工程学院 05 08 02 2 柏氏矢量的特性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 其方向表示晶体滑移的方向 而模 b 表示畸变的程度 称为位错的强度 所以 位错也可定义为柏氏矢量不为零的晶体缺陷 2 柏氏矢量具有守恒性 一条位错线的柏氏矢量是恒定不变的 3 柏氏矢量的唯一性 一根不分岔的位错线 不论其形状如何变化 直线 曲折线或闭合的环状 也不管位错线上各处的位错类型是否相同 其各部位的柏氏矢量都相同 而且当位错在晶体中运动或者改变方向时 其柏氏矢量不变 即一根位错线具有唯一的柏氏矢量 4 柏氏矢量的守恒性定律 位错分解 若一个柏氏矢量为b的位错可以分解为柏氏矢量分别为b1 b2 bn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b 位错交于一点 若由数根位错相交于一点 则指向结点的位错线的柏氏矢量的和等于离开结点的柏氏矢量的和 如果位错线都指向或者离开结点 则柏氏矢量和为零 19 材料科学基础 西安石油大学材料科学与工程学院 05 08 02 3 柏氏矢量的表示方法柏氏矢量的大小可以用它在各个晶轴上的单位矢量 即用点阵矢量a b c 表示 立方晶系中柏氏矢量的表示方法为b a n uvw 其中 n为正整数 表示位错的强度 称为柏氏矢量的大小或者模 同一晶体中 柏氏矢量越大 点阵畸变越严重 能量越高 能量高的位错倾向于分解为两个或者多个能量较低的位错 使系统的自由能下降 20 材料科学基础 西安石油大学材料科学与工程学院 05 08 02 四