第二章-缺陷物理与性能.ppt

第二章缺陷物理与性能 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 晶体 非晶体 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 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 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 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 一点缺陷 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 离子晶体的点缺陷 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 位错 刃位错示意图 位错 刃位错 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 螺型位错的形成 位错 螺位错 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 刃位错的运动方式 滑移 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 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 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 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 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 位错与物理性能 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 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 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 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 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 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 缩回及再钉扎过程示意图 面缺陷 面缺陷是发生在晶格二维平面上的缺陷 其特征是在一个方向上的尺寸很小 而另两个方向上的尺寸很大 也可称二维缺陷 晶体的面缺陷包括两类 晶体的外表面和晶体中的内界面 其中内界面又包括了晶界 亚晶界 孪晶界 相界 堆垛层错等 这些界面通常只有几个原子层厚 而界面面积远远大于其厚度 因此称为面缺陷 面缺陷对材料的力学 物理 化学性能都有影响 表面界面 晶界 相界 面缺陷 钢中的晶粒 其中黑线为晶界 面缺陷 晶界 a 晶界 b 亚晶界晶界与亚晶界 面缺陷 小角晶界 小角倾侧晶界 由一列刃型位错构成 扭转晶界 当相邻晶粒的位相差大于10 15 时 晶粒间的界面称为大角晶