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1 第3章晶体缺陷 分类 几何特征 点缺陷 在三维空间的各个方面上尺寸都很小 尺寸范围约为一个或几个原子尺度 节点上或邻近的微观区域内 包括空位 间隙原子 杂质或溶质原子等 线缺陷 在两个方向上尺寸很小 另外一个方向上延伸较长 也称一维缺陷 如各类位错 面缺陷 在一个方向上尺寸很小 另外两个方向上扩展很大 也称二维缺陷 晶界 相界 孪晶界和堆垛层错等都属于面缺陷 13 9 晶体中各种偏离理想结构的区域 晶体缺陷 2 晶体缺陷 扩散 塑形变形 烧结 相变 再结晶 氧化 性能 屈服强度 断裂强度 塑性 电阻率 磁导率 2 3 3 1点缺陷 Pointdefect 空位 vacancy 间隙原子 interstitialatom a 肖脱基缺陷 b 弗兰克尔缺陷 c 间隙原子Schottky空位Frenkel空位 间隙原子 4 3 1 1点缺陷的形成 原子热振动 热平衡缺陷 点阵弹性畸变改变电子的动能和势能 由于热起伏促使原子脱离点阵位置而形成的点缺陷 热平衡缺陷 空位形成能E 在晶体内取出一个原子放在晶体表面所需的能量 不改变晶体的表面积和表面能 a 体系能量与原子间距的关系 b 原子间作用力和距离的关系 5 点缺陷的其他形成方式 高温淬火 高能粒子 如中子 质子 粒子等 的辐照效应 冷变形加工 晶体中的点缺陷数量超过了其平衡浓度 过饱和的点缺陷 6 3 1 2点缺陷的平衡浓度 由热力学原理可知 在恒温下 系统的自由能F为F U TS 3 1 F U T S F nEv T Sc n Sf 3 2 U为内能 S为总熵值 组态熵Sc和振动熵Sf T为绝对温度 设由N个原子组成的晶体中含有n个空位 形成一个空位所需能量为Ev 空位形成能 则晶体中含有n个空位时 其内能增量为 U nEvn个空位造成晶体组态熵的改变为 Sc 振动熵的改变为 Sf故自由能的改变为 k为玻尔兹曼常数 1 38X10 23J K W为微观状态数 根据统计热力学 组态熵可表示为Sc klnW 3 3 7 在晶体中N n阵点位置上存在n个空位和N个原子时可能出现的不同排列方式数为 W N n N n 3 4 Sc S n空位 S 0空位 k ln N n N n ln1 kln N n N n 3 5 当N和n值都非常大时 可用Stirling近似公式 lnx xlnx x 将上式改写为 在平衡时自由能为最小 即 F n T 0 F n T Ev T Sf kT ln N n lnn 0 则 3 2 式为 F nEv T Sc n Sf n Ev T Sf kT N n ln N n NlnN nlnn Sc k N n ln N n NlnN nlnn ln n N n Ev T Sf kT 当N n时 ln n N 故空位在T温度时的平衡浓度为C n N exp Ev T Sf kT exp Sf k exp Ev kT 8 A exp Sf k 是由振动熵决定的系数 在1 10之间 C Aexp Ev kT 3 6 将 3 6 式中指数的分子分母同乘以阿伏加德罗常数NA 6 023xl0 23 有 C Aexp NAEv kNAT Aexp Qf RT 3 7 Qf NAEv 为形成1摩尔空位所需作的功 J mol R kN为气体常数 8 31J mol 9 按照类似的计算 也可求得间隙原子的平衡浓度C C n N A exp E v kT 3 8 点缺陷平衡浓度的影响因素 EvT N 为晶体中间隙位置总数n 为间隙原子数 E v为间隙原子的形成能 10 3 1 3点缺陷的运动 点缺陷 金属晶体的电阻增加 体积膨胀 密度减小离子晶体的导电性改善过饱和点缺陷 淬火空位 辐照缺陷 可提高金属的屈服强度 原子的自扩散 点缺陷的迁移能 11 晶体缺陷的分类 几何特征 点缺陷的概念点缺陷的平衡浓度及其公式推导 习题集P143 1 3 53 9 3 15 12 3 2位错 dislocation 弹性变形塑性变形 主要方式是滑移 sliporglide 在晶体表面有滑移线 3 2 1位错理论的产生 3 2 1 1理论切变强度 TheoreticalShearStrength 的估算 弗兰克尔假设 1 完整晶体 2 刚性滑移 13 14 3 2 1 2位错概念的引入 根据塑性变形的晶体学性 不均匀性和滑移行为是逐渐扩展等特点 人们设想在晶体中会存在某些缺陷 这些缺陷可以使形变过程在局部地方发生 滑移区逐渐扩展 而不需要2个晶面作整体的相对刚性滑动 这样就有可能降低晶体滑移所需要的力 1934年 TaylorOrowanPlanyi 位错 15 3 2 2位错的基本类型和特征 3 2 2 1刃型位错 edgedislocation 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 位错线是己滑移区与未滑移区的边界线EF 可以是直线 折线或曲线 16 几种形状的刃型位错线 17 刃型位错的特点 3 正 负之分 相对的 4 位错周围的点阵发生弹性畸变 有切 正 应变 滑移面上下方应力符号相反 5 在位错线周围的过渡区 畸变区 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 end 18 3 2 2 2螺型位错 screwdislocation 螺型位错的特征 4 分为右旋和左旋螺型位错 左右手法则 1 无额外半原子面 原子错排是呈轴对称的 2 位错线周围点阵发生弹性畸变 只有平行于位错线的切应变 无正应变 3 位错线一定是直线 是已滑移区与未滑移区的边界线 19 螺型位错的结构特征 右旋螺位错左旋螺位错逆时针顺时针 4 分为右旋和左旋螺型位错 左右手法则 5 位错周围的点阵畸变随离位错线距离的增加而急剧减小 20 3 2 2 3混合型位错 mixeddislocation 21 22stop 23 3 2 3柏氏矢量 3 2 3 1柏氏回路和柏氏矢量 BurgersCircuitandBurgersVector 实际晶体的柏氏回路完整晶体的相应回路 正 刃型位错 刃型位错的重要特征 柏氏矢量与位错线垂直 2019 12 29 24 25 实际晶体的柏氏回路完整晶体的相应回路 负 刃型位错 右手法则确定刃型位错的正 负即食指指向位错线的方向 中指指向柏氏矢量的方向 则拇指的指向代表多余半原子面的位向 且规定拇指向上者为正刃型位错 反之为负刃型位错 26 右旋 螺型位错 实际晶体的柏氏回路完整晶体的相应回路 螺型位错的重要特征 柏氏矢量与位错线平行 27 左旋螺型位错 实际晶体的柏氏回路完整晶体的相应回路 柏氏矢量与位错线同向平行为右螺旋位错柏氏矢量与位错线反向平行为左螺旋位错 28 混合型位错 29 刃型位错 b L 0右螺旋位错 b L b 0 bxLxcos 左螺旋位错 b L b 180 混合位错b bs be螺型分量 bs bcos 刃型分量 be bsin 位错类型的定义 STOP 30 3 2 3 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 由此 可把位错定义为柏氏矢量不为零的晶体缺陷 b 表示畸变的程度 称为位错的强度 2 柏氏矢量的守恒性 一根位错线的柏氏矢量是恒定不变的 与回路无关 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 各处的位错类型是否相同 其各部位的柏氏矢量都相同 而且当位错运动改变方向时 其柏矢量不变 一根位错线具有唯一的柏氏矢量 位错结点b2 b3 b1柏氏矢量的总和为零的情况 31 4 柏氏矢量为b的位错分解后各位错柏氏矢量之和等于原位错的柏氏矢量 即 32 立方晶系其中n为正整数 3 2 3 3柏氏矢量的表示法 如果有二个柏氏矢量 则按矢量加法法则有 柏氏矢量的大小或模 即位错的强度 33 3 3位错的运动 3 3 1位错的滑移3 3 1 1刃型位错的滑移 正刃型位错 位错在切应力作用下从一个亚稳定状态迁移至另一个亚稳定状态 移动距离不超过一个原子间距 两种最基本形式 滑移 slip 和攀移 climb 切应力平行于位错滑移面垂直于多余半原子面刃型位错只有一个滑移面 不均匀的滑移 34 位错运动的滑移过程和结果1根位错产生1个b大小的滑移台阶 35 右手定则 判断位错运动方向 36 负刃型位错 37 3 3 1 2螺型位错的滑移 a 原始位置 b 位错向左移动一个原子间距 上层原子右旋螺型位错 38 螺型位错的滑移过程和结果1根位错产生1个b大小的滑移台阶 39 左旋和右旋螺型位错相抵消 左旋螺型位错右旋螺型位错 切应力平行于位错滑移面平行于柏氏矢量螺型位错有多个滑移面 40 交滑移 螺型位错从原滑移面转移到与之相交的另一滑移面上去继续滑移的过程双交滑移 交滑移后的位错再转回和原滑移面平行的滑移面上继续运动 41 3 3 1 3混合型位错的滑移 42 晶体的局部滑移形成位错环位错环各部分的结构 晶体中的位错环 滑移为守恒运动 不产生体积变化 43 43 44 3 3 2位错的攀移 a 未攀移的位错 b 空位运动引起半 c 间