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第二章缺陷物理与性能 2019 12 27 1 缺陷的含义 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 理想晶体 质点严格按照空间点阵排列 实际晶体 存在着各种各样的结构的不完整性 2019 12 27 2 晶体 非晶体 2019 12 27 3 晶体 非晶体 规则几何外形 无定形 确定的熔点 各向异性 各向同性 无确定的熔点 对X射线的衍射效应无对称性无 晶体与非晶体的区别 2019 12 27 4 晶体缺陷的类型 分类方式 几何形态 点缺陷 线缺陷 面缺陷等形成原因 热缺陷 杂质缺陷 非化学计量缺陷等 2019 12 27 5 缺陷分类 根据晶体缺陷的几何形态特征 可将它们分为以下三类 点缺陷特征是在三维方向上的尺寸都很小 约一个或几个原子间距 亦称为零维缺陷 例如空位 填隙原子 杂质原子等 线缺陷特征是在两维方向上的尺寸很小 仅在另一维方向上的尺寸较大 亦称为一维缺陷 例如位错 面缺陷特征是在两维方向上的尺寸较大 只在另一维方向上的尺寸很小 亦称为二维缺陷 例如晶体表面 晶界 相界和堆垛层错等 2019 12 27 6 一点缺陷 根据点缺陷的形成机理 晶体中的点缺陷可以分为热缺陷和杂质缺陷两种 热缺陷的三种形式 图2 1弗伦克尔缺陷 图2 2肖脱基缺陷 图2 3只有填隙原子 2019 12 27 7 一点缺陷 2019 12 27 8 离子晶体的点缺陷 结构特点 正 负离子相间排列在格点上 尺寸较小的离子一般是正离子 缺陷导致电导率增加 一点缺陷 2019 12 27 9 离子晶体的点缺陷 2019 12 27 10 2019 12 27 11 点缺陷的平衡浓度 F U T S 2019 12 27 12 自由能随点缺陷数量的变化 2019 12 27 13 空位形成能 vacancyformationenergy 点缺陷的平衡浓度通过热力学分析 在绝对零度以上的任何温度 晶体中最稳定的状态是含有一定浓度的点缺陷的状态 这个浓度称为该温度下晶体中点缺陷的平衡浓度 equilibriumconsistence 经热力学推导 C n N Aexp U kT C与T U之间呈指数关系 T上升 C升高 2019 12 27 14 点缺陷与材料性能 1 填隙原子和肖脱基缺陷可以引起晶体密度的变化 弗伦克尔缺陷不会引起晶体密度的变化理论计算结果表明 填隙原子引起的体膨胀为1 2个原子体积 而空位的体膨胀则约为0 5个原子体积 金属晶体中出现空位 将使其体积膨胀 密度下降 2019 12 27 15 2 点缺陷可以引起晶体电导性能的变化 点缺陷破坏了原子的规则排列 使传导电子受到散射 产生附加电阻 附加电阻的大小与点缺陷浓度成正比 因而可用来标志点缺陷浓度 从附加电阻和温度的关系可以确定空位的形成能 测量方法 一种是直接在高温测量电阻对温度的曲线 曲线上的异常部分就是由于空位的影响造成的 另一种方法是将样品淬火 使金属快速冷却 过饱和的空位就被冻结 这时就可以在室温下对不同淬火温度后的样品进行电阻的测量 测量结果也可以求出空位的形成能 对于离子晶体 点缺陷增加电导 点缺陷与材料性能 2019 12 27 16 空位换位 运动空位复合 消失 3 点缺陷能加速与扩散有关的相变 2019 12 27 17 以各种目的进行的金属材料热处理 利用了金属中原子的扩散 加工后的金属进行退火 是加工导致产生大量位错 由于原子扩散引起攀移 正负位错相互抵消的过程 为时效硬化进行热处理 通过扩散在母晶体中析出过饱和固溶状态的固溶原子等 都是点缺陷空位扩散的结果 3 点缺陷能加速与扩散有关的相变 2019 12 27 18 无色透明晶体 4 点缺陷可以引起晶体光学性能的变化 点缺陷 电荷中心束缚态 透明晶体呈现颜色 色心 用途 利用点缺陷可以引起晶体光学性能变化的原理 可以为透明材料和无机非金属材料进行着色和增色 用来制作红宝石 彩色玻璃 彩色水泥 彩釉 色料等 例如 蓝宝石是Al2O3单晶 呈无色 而红宝石是在这种单晶氧化物中加入少量的Cr2O3 这样 在单晶氧化铝禁带中引进了Cr3 的杂质能级 造成了不同于蓝宝石的选择性吸收 故显红色 电子或空位在束缚态之间跃迁 2019 12 27 19 含有点缺陷的晶体 其内能比理想晶体的内能大 这种由缺陷引起的在定容比热容基础上增加的附加比热容称为比热容的 反常 5 点缺陷可以引起比热容的反常 2019 12 27 20 6 对金属强度的影响 影响晶体力学性能的主要缺陷是非平衡点缺陷 在常温晶体中热力学平衡的点缺陷的浓度很小 因此点缺陷具有平衡浓度时对晶体的力学性能没有明显影响 但过饱和点缺陷 超过平衡浓度的点缺陷 可以提高金属的屈服强度 获得过饱和点缺陷的方法 淬火法 辐照法 塑性变形 2019 12 27 21 淬火引起的点缺陷变化 将晶体加热到高温 晶体中便形成较多的空位 然后从高温快速冷却到低温 称淬火 使空位在冷却过程中来不及消失 在低温形成过饱和空位 2019 12 27 22 辐照引起的点缺陷变化 未辐照和受辐照的多晶铜的应力 应变曲线 在20 下的实验 2019 12 27 23 线缺陷 线缺陷是发生在晶格中一条线周围 其特征是在两个方向上的尺寸很小 而另一个方向上的尺寸很大 晶体中的线缺陷主要是各种类型的位错 是晶体中某处的一列或几列原子发生错排产生的线形点阵畸变区 位错还影响着晶体的力 电 光学等性质 对相变和扩散等过程也有重大的影响 2019 12 27 24 位错的运动 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 位错在垂直滑移方向的运动 结果导致空位或间隙原子的增值或减少 2019 12 27 25 刃位错 刃位错 位错 刃位错 假设晶体内有一个原子平面在晶体内部中断 其中断处的边沿就是一个刃型位错 2019 12 27 26 位错 刃位错示意图 2019 12 27 27 位错 刃位错 2019 12 27 28 a 螺位错 b 位错线周围原子螺型排列螺位错及其原子结构模型 螺型位错则是原子面沿一根轴线盘旋上升 每绕轴线盘旋一周而上升一个晶面间距 在中央轴线处就是一个螺型位错 位错 螺位错 2019 12 27 29 螺型位错的形成 位错 螺位错 2019 12 27 30 刃位错的运动方式 滑移 刃型位错的滑移 a 正刃型位错 b 负刃型位错滑移过程中 原子的滑移方向 位错线的运动方向和外加应力方向三者是平行的 2019 12 27 31 刃位错的运动方式 滑移 2019 12 27 32 螺位错的运动方式 滑移 螺型位错的运动滑移过程中 原子滑移方向与外加应力方向相同 而与位错线运动方向垂直 2019 12 27 33 2019 12 27 34 刃位错的运动 螺位错的运动 位错滑移对比 刃位错滑移过程中 原子的滑移方向 位错线的运动方向和外加应力方向三者是平行的 螺位错滑移过程中 原子滑移方向与外加应力方向相同 而与位错线运动方向垂直 2019 12 27 35 位错的运动方式 攀移 刃型位错可以在滑移面内运动 也可以垂直于滑移面运动 这后一种运动称为位错的 攀移 由于螺型位错没有附加的半原子平面 因此不能直接攀移 2019 12 27 36 刃位错攀移示意图 a 正攀移 半原子面缩短 b 未攀移 c 负攀移 半原子面伸长 2019 12 27 37 位错的弹性性质 位错的应力场与应变能理论基础 连续弹性介质模型假设 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 位错的应力场 刃位错上面的原子处于压应力状态 为压应力场 刃位错下面的原子处于张应力状态 为张应力场 围绕一个螺位错的晶体圆柱体区域也有应力场存在 2019 12 27 38 混合位错 补充 位错线与滑移矢量两者方向夹角呈任意角度 滑移面ABC范围内原子发生了位移 其滑移矢量用b表示 混合位错的形成 位错线上任一点的滑移矢量相同 晶体右上角在外力F作用下发生切变 弧线AC即是位错线 为已滑移区和未滑移区的边界 与滑移矢量成任意角度 是晶体中较常见的一种位错 2019 12 27 39 混合位错 AC位错线中 混合位错原子组态 靠近A端的位错线段平行于滑移矢量 属于纯螺型位错 靠近C端的位错线段垂直于滑移矢量 属于纯刃型位错 其余部分线段与滑移矢量成任意角度 属混合位错 每一段位错线均可分解为刃型和螺型两个分量 2019 12 27 40 混合位错 每一段位错线均可分解为刃型和螺型两个分量 2019 12 27 41 2 3柏氏矢量 柏氏矢量是描述位错性质的一个重要物理量 表示位错区原子的畸变特征 包括畸变的位置和畸变的程度 是矢量 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 2019 12 27 42 柏氏矢量的确定方法 1 人为假定位错线方向 2 用右手螺旋法则来确定柏格斯回路的旋转方向 3 将含有位错的实际晶体和理想的完整晶体相比较 在实际晶体中作柏氏回路 在完整晶体中按相同的路线和步法作回路 路线终点指向起点的矢量 即 柏氏矢量 使位错线的正向与右螺旋的正向一致 一般是从纸背向纸面或由上向下为位错线正向 2019 12 27 43 刃型位错的柏氏回路与柏氏矢量 刃型位错的柏氏回路和柏氏矢量 a 含有位错的晶体 b 供比较用的理想晶体 2019 12 27 44 确定刃型位错的右手法则 2019 12 27 45 螺型位错的柏氏回路和柏氏矢量 2019 12 27 46 从柏氏矢量和位错线取向关系确定位错类型 1 刃型位错 柏氏矢量与位错线相垂直 位错线与柏氏矢量的位向关系区分位错的类型和性质 2 螺型位错 柏氏矢量与位错线相平行 柏氏矢量与位错线同向的则为右螺型位错 柏氏矢量与位错线反向的则为左螺型位错 3 混合位错 柏氏矢量与位错线成任意角度 2019 12 27 47 螺型位错类型判断 确定左 右螺型位错类型右手法则 2019 12 27 48 1 表征位错线的性质 柏氏矢量b的物理意义 2 表征了总畸变的积累 3 表征了位错强度 据b与位错线的取向关系可确定位错线性质 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 同一晶体中b大的位错有严重点阵畸变 能量高且不稳定 位错许多性质 如位错的能量 应力场 位错受力等 都与b有关 2019 12 27 49 位错是滑移区和未滑移区的边界 柏氏矢量b的物理意义 螺型位错滑移方向平行于位错线 滑移量也是一个原子间距 和柏氏矢量完全一致 畸变是由滑移面上局部滑移引起的 滑移区上滑移的大小和方向与位错线上原子畸变特征一致 刃型位错滑移区的滑移方向正好垂直于位错线 滑移量为一个原子间距 对于任意位错 不管其形状如何 只要知道它的柏氏矢量 就得知晶体滑移的方向和大小 而不必从原子尺度考虑运动细节 为讨论塑性变形提供了方便 4 柏氏矢量的另一个重要意义是指出了位错滑移后 晶体上 下部分产生相对位移的方向和大小 即滑移矢量 2019 12 27 50 1 柏氏矢量与回路起点选择无关 也与柏氏回路的具体路径 大小无关 3 柏氏矢量特征 2 几根位错相遇于一点 其方向朝着节点的各位错线的柏氏矢量b之和等于离开节点之和 一条位错线只有一个柏氏矢量 如有几根位错线的方向均指向或离开节点 这些位错线的柏氏矢量之和值为零 三位错线相遇于一点 2019 12 27 51 位错与物理性能 2019 12 27 52 晶体受到的应力超过弹性限度后 将产生永久形变 即范性形变 范性形变 原子面的滑移比如在立方晶格中具有最重要意义的三种晶面为 100 110 111 具有最重要意义的三种晶向为 100 110 111 范性形变可以通过位错的运动来实现 位错与物理性能 位错的滑移与晶体的范性形变 2019 12 27 53 位错与物理性能 位错对金属强度的影响 材料在塑性变形时 位错密度大大增加 从而使材料出现加工硬化 当外加应力超过屈服强度时 位错开始滑移 如果位错在滑移面上遇上障碍物 就会被障碍物钉住而难以继续滑移 热弹性高分子材料在塑性变形时的硬化现象 其原因不是加工硬化 而是长链分子发生了重新排列甚至晶化 2019 12 27 54 因为位错的周围有应力场 从而杂质原子会聚集到位错的近邻 使晶体的性质发生改变位错对杂质原子有聚集作用 在半导体材料中 由于杂质向位错周围的聚集 就可能形成复杂的电荷中心 从而影响半导体的电学 光学以及其它性质 位错与物理性能 位错对材料的电学 光学性质的影响 2019 12 27 55 由于位错和杂质原子的相互作用 位错的存在影响着杂质在晶格中的扩散过程 位错与晶体生长晶体生长的前提 晶核螺型位错台阶具有凝聚核的作用 产生晶核 位错与物理性能 位错对扩散过程的影响 2019 12 27 56 内耗的定义 振动着的固体 即使与外界完全隔离 其机械振动也会逐渐衰减下来 这种使机械能量耗散变为热能的现象 叫做内耗 即固体在振动过程中由于内部的原因而引起的能量消耗 在英文文献中通用 internalfriction 表示 内耗是一个对结构高度灵敏的量 对内耗的研究不但可以推知固体中的结构和结构缺陷的情况 也可以得到固体结构变化及原子扩散的知识 位错与物理性能 位错与固体内耗 2019 12 27 57 要点 位错内耗强烈地依赖于冷加工的程度 若内耗对冷加工敏感 就可以肯定这种内耗与位错有关 位错与物理性能 位错与固体内耗 在外加交变应力下位错弦的弓出 脱钉