晶体缺陷PPT学习教案

1、会计学1 晶体缺陷晶体缺陷 一、多晶体结一、多晶体结 构构 单晶体单晶体: : 一块晶体材料，其内部的晶体位向完全一致时，即整个材料是一个晶体，这块晶体就称之为一块晶体材料，其内部的晶体位向完全一致时，即整个材料是一个晶体，这块晶体就称之为“单晶体单晶体”，实用材料中如半导体集成电路用的单晶硅、专门制造的金须和其他一些供研究用的材料。，实用材料中如半导体集成电路用的单晶硅、专门制造的金须和其他一些供研究用的材料。 第1页/共49页 第一节第一节 材料的实际晶体结构材料的实际晶体结构 多晶体多晶体: : 实际应用的工程材料中，那怕是一块尺寸很小材料，绝大多数包含着许许多多的小晶体，每个小晶体的内

2、部，晶格位向是均匀一致的，而各个小晶体之间，彼此的位向却不相同。称这种由多个小晶体组成的晶体结构称之为实际应用的工程材料中，那怕是一块尺寸很小材料，绝大多数包含着许许多多的小晶体，每个小晶体的内部，晶格位向是均匀一致的，而各个小晶体之间，彼此的位向却不相同。称这种由多个小晶体组成的晶体结构称之为“多晶体多晶体”。 第2页/共49页 第一节第一节 材料的实际晶体结构材料的实际晶体结构 晶粒：晶粒：多晶体材料中每个小晶体的外形多为不规则的颗粒状，通常把它们叫做多晶体材料中每个小晶体的外形多为不规则的颗粒状，通常把它们叫做“晶粒晶粒”。 晶界：晶界：晶粒与晶粒之间的分界面叫晶粒与晶粒之间的分界面叫“

3、晶粒间界晶粒间界”，或简称，或简称“晶界晶界”。为了适应两晶粒间不同晶格位向的过渡，在晶界处的原子排列总是不规则的。为了适应两晶粒间不同晶格位向的过渡，在晶界处的原子排列总是不规则的。 第3页/共49页 第一节第一节 材料的实际晶体结构材料的实际晶体结构 伪各向同性：伪各向同性：多晶体材料中，尽管每个晶粒内部象单晶体那样呈现各向异性，每个晶粒在空间取向是随机分布，大量晶粒的综合作用，整个材料宏观上不出现各向异性，这个现象称为多晶体的伪各向同性。多晶体材料中，尽管每个晶粒内部象单晶体那样呈现各向异性，每个晶粒在空间取向是随机分布，大量晶粒的综合作用，整个材料宏观上不出现各向异性，这个现象称为多晶

4、体的伪各向同性。 组织：组织： 性能：性能： 组织敏感的性能组织敏感的性能 组织不敏感的性能组织不敏感的性能 第4页/共49页 第一节第一节 材料的实际晶体结构材料的实际晶体结构 晶体缺陷：晶体缺陷：即使在每个晶粒的内部，也并不完全象即使在每个晶粒的内部，也并不完全象 晶体学中论述的晶体学中论述的( (理想晶体理想晶体) )那样，原子完全呈那样，原子完全呈 现周期性的规则重复的排列。把实际晶体中原现周期性的规则重复的排列。把实际晶体中原 子排列与理想晶体的差别称为晶体缺陷。晶体子排列与理想晶体的差别称为晶体缺陷。晶体 中的缺陷的数量相当大，但因原子的数量很多中的缺陷的数量相当大，但因原子的数量

5、很多 ，在晶体中占有的比例还是很少，材料总体具，在晶体中占有的比例还是很少，材料总体具 有晶体的相关性能特点，而缺陷的数量将给材有晶体的相关性能特点，而缺陷的数量将给材 料的性能带来巨大的影响。料的性能带来巨大的影响。 第5页/共49页 第一节第一节 材料的实际晶体结构材料的实际晶体结构 晶体缺陷按范围分类：晶体缺陷按范围分类： 1.点缺陷点缺陷 在三维空间各方向上尺寸都很小，在在三维空间各方向上尺寸都很小，在 原子尺寸大小的晶体缺陷。原子尺寸大小的晶体缺陷。 2.线缺陷线缺陷 在三维空间的一个方向上的尺寸很大在三维空间的一个方向上的尺寸很大( ( 晶粒数量级晶粒数量级) )，另外两个方向上的

6、尺寸很小，另外两个方向上的尺寸很小( (原原 子尺寸大小子尺寸大小) )的晶体缺陷。其具体形式就是晶的晶体缺陷。其具体形式就是晶 体中的位错体中的位错Dislocation 3.面缺陷面缺陷 在三维空间的两个方向上的尺寸很大在三维空间的两个方向上的尺寸很大( ( 晶粒数量级晶粒数量级) )，另外一个方向上的尺寸很小，另外一个方向上的尺寸很小( (原原 子尺寸大小子尺寸大小) )的晶体缺陷。的晶体缺陷。 第6页/共49页 点缺陷：点缺陷：在三维空间各方向上尺寸都很小，在原子尺寸大小在三维空间各方向上尺寸都很小，在原子尺寸大小 的晶体缺陷。的晶体缺陷。 一、点缺陷的类型一、点缺陷的类型 ： 1)1

7、)空位空位 在晶格结点位置应有原子在晶格结点位置应有原子 的地方空缺，这种缺陷称为的地方空缺，这种缺陷称为“空空 位位”。 2)2)间隙原子间隙原子 在晶格非结点位置，在晶格非结点位置， 往往是晶格的间隙，出现了多余往往是晶格的间隙，出现了多余 的原子。它们可能是同类原子，的原子。它们可能是同类原子， 也可能是异类原子。也可能是异类原子。 3)3)异类原子异类原子 在一种类型的原子组在一种类型的原子组 成的晶格中，不同种类的原子替成的晶格中，不同种类的原子替 换原有的原子占有其应有的位置换原有的原子占有其应有的位置 。 第7页/共49页 弗仑克耳缺陷：原子离开平衡位置进入间隙，形成等量的空 位

8、和间隙原子。 肖特基缺陷：只形成空位不形成间隙原子。（构成新的晶面 ） 金属： 离子晶体： 1 负离子不 能到间隙 2 局部电中 性要求 第8页/共49页 Kroger-Vink提出了一套描写点缺陷的记号，并发展了应用质量作用定律等来处理晶格缺陷间关系的缺陷化学。以MO为例： 空位 Vacancy VM，VO 间隙原子 Interstitial Mi，Oi 错位原子 MO，OM 溶质原子（外来原子）LM，Li 自由电子及电子空穴 e,，h 带电荷的缺陷 VM,，VO 第9页/共49页 缺陷方程三原则: 质量守恒, 电荷平衡, 正负离子格点成比例增减。 肖特基缺陷生成：0VM,+ VO 弗仑克尔

9、缺陷生成： 0VM,+ Mi 非计量氧化物： 不等价参杂： 第10页/共49页 第二节第二节 点缺陷点缺陷 热力学分析表明，在高于热力学分析表明，在高于0K0K的任何温度下，晶体最稳定的状态的任何温度下，晶体最稳定的状态 是含有一定浓度点缺陷的状态。此浓度称为点缺陷的平衡浓度是含有一定浓度点缺陷的状态。此浓度称为点缺陷的平衡浓度 。 空位形成能空位形成能 空位的出现破坏了其周围的结合状态，因而造成空位的出现破坏了其周围的结合状态，因而造成 局部能量的升高，由空位的出现而高于没有空位时的那一部分局部能量的升高，由空位的出现而高于没有空位时的那一部分 能量称为能量称为“空位形成能空位形成能”。 在

10、一摩尔的晶体中如存在在一摩尔的晶体中如存在n n个空位，晶体中有个空位，晶体中有N=6.023X10N=6.023X1023 23个晶 个晶 格位置，这是空位的浓度为格位置，这是空位的浓度为x=n/Nx=n/N，系统熵值为：，系统熵值为： 空位的出现提高了体系的熵值空位的出现提高了体系的熵值 第11页/共49页 设每个空位的形成能为设每个空位的形成能为u u，空位浓度为，空位浓度为x x时自由能的变化为：时自由能的变化为： 第12页/共49页 第二节第二节 点缺陷点缺陷 第13页/共49页 第二节第二节 点缺陷点缺陷 例如例如： CuCu晶体得空位形成能为晶体得空位形成能为0.9ev/atom

11、 =1.44X100.9ev/atom =1.44X10-19 -19J/atom J/atom ，在，在500500时计算可得出平衡空位的浓度为时计算可得出平衡空位的浓度为1.4X101.4X10-6 -6( (很低 很低) )，而，而 在每立方米的铜晶体存在在每立方米的铜晶体存在1.2X101.2X1023 23个空位 个空位( (数量很多数量很多) )。 过饱和空位过饱和空位 晶体中含点缺陷的数目明显超过平衡值。如高温下停留平衡时晶体中存在一平衡空位，快速冷却到一较低的温度，晶体中的空位来不及移出晶体，就会造成晶体中的空位浓度超过这时的平衡值。过饱和空位的存在是一非平衡状态，有恢复到平衡

12、态的热力学趋势，在动力学上要到达平衡态还要一时间过程。晶体中含点缺陷的数目明显超过平衡值。如高温下停留平衡时晶体中存在一平衡空位，快速冷却到一较低的温度，晶体中的空位来不及移出晶体，就会造成晶体中的空位浓度超过这时的平衡值。过饱和空位的存在是一非平衡状态，有恢复到平衡态的热力学趋势，在动力学上要到达平衡态还要一时间过程。 第14页/共49页 第二节第二节 点缺陷点缺陷 原因：原因：无论那种点缺陷的存在，都会使其附近的原子稍微偏离原结无论那种点缺陷的存在，都会使其附近的原子稍微偏离原结 点位置才能平衡，即造成小区域的晶格畸变。点位置才能平衡，即造成小区域的晶格畸变。 效果效果 1)1)提高材料的

13、电阻提高材料的电阻 定向流动的电子在点缺陷处受到定向流动的电子在点缺陷处受到 非平衡力非平衡力( (陷阱陷阱) )，增加了阻力，加速运动提高局部，增加了阻力，加速运动提高局部 温度温度( (发热发热) )。 2)2)加快原子的扩散迁移加快原子的扩散迁移 空位可作为原子运动的周转空位可作为原子运动的周转 站。站。 3)3)形成其他晶体缺陷形成其他晶体缺陷 过饱和的空位可集中形成内部过饱和的空位可集中形成内部 的空洞，集中一片的塌陷形成位错。的空洞，集中一片的塌陷形成位错。 4)4)改变材料的力学性能改变材料的力学性能 空位移动到位错处可造成刃空位移动到位错处可造成刃 位错的攀移，间隙原子和异类原

14、子的存在会增加位位错的攀移，间隙原子和异类原子的存在会增加位 错的运动阻力。会使强度提高，塑性下降、错的运动阻力。会使强度提高，塑性下降、 第15页/共49页 线缺陷：线缺陷：在三维空间的一个方向上的尺寸很大在三维空间的一个方向上的尺寸很大( (晶粒数量级晶粒数量级) ) ，另外两个方向上的尺寸很小，另外两个方向上的尺寸很小( (原子尺寸大小原子尺寸大小) )的晶体缺陷的晶体缺陷 。其具体形式就是晶体中的位错。其具体形式就是晶体中的位错Dislocation 一、位错的原子模型一、位错的原子模型 将晶体的上半部分向左移动一个原子间距，再按原子的将晶体的上半部分向左移动一个原子间距，再按原子的

15、结合方式连接起来结合方式连接起来(b)。除分界线附近的一管形区域例外，其。除分界线附近的一管形区域例外，其 他部分基本都是完好的晶体。在分界线的上方将多出半个原他部分基本都是完好的晶体。在分界线的上方将多出半个原 子面，这就是刃型位错。子面，这就是刃型位错。 第16页/共49页 第三节第三节 位错的基本概念位错的基本概念 若将上半部分向上移动一个原子间距，之间插入半个原子面若将上半部分向上移动一个原子间距，之间插入半个原子面 ，再按原子的结合方式连接起来，得到和，再按原子的结合方式连接起来，得到和(b)(b)类似排列方式类似排列方式( ( 转转9090度度) )，这也是刃型位错。，这也是刃型位

16、错。 第17页/共49页 第三节第三节 位错的基本概念位错的基本概念 若将晶体的上半部分向后若将晶体的上半部分向后 移动一个原子间距，再按原子移动一个原子间距，再按原子 的结合方式连接起来的结合方式连接起来(c)(c)，同，同 样除分界线附近的一管形区域样除分界线附近的一管形区域 例外，其他部分基本也都是完例外，其他部分基本也都是完 好的晶体。而在分界线的区域好的晶体。而在分界线的区域 形成一螺旋面，这就是螺型位形成一螺旋面，这就是螺型位 错。错。 第18页/共49页 第三节第三节 位错的基本概念位错的基本概念 位错的形式位错的形式 ： 若将上半部分向上移动一个原子间距，之间插入半个原子若将上

17、半部分向上移动一个原子间距，之间插入半个原子 面，再按原子的结合方式连接起来，得到和面，再按原子的结合方式连接起来，得到和(b)(b)类似排列类似排列 方式方式( (转转9090度度) )，这也是刃型位错。，这也是刃型位错。 第19页/共49页 第三节第三节 位错的基本概念位错的基本概念 确定方法：确定方法： 首先在原子排列基本正常区域作一个包含位错的首先在原子排列基本正常区域作一个包含位错的 回路，也称为柏氏回路，这个回路包含了位错发生的畸变回路，也称为柏氏回路，这个回路包含了位错发生的畸变 。然后将同样大小的回路置于理想晶体中，回路当然不可。然后将同样大小的回路置于理想晶体中，回路当然不可

18、 能封闭，需要一个额外的矢量连接才能封闭，这个矢量就能封闭，需要一个额外的矢量连接才能封闭，这个矢量就 称为该位错的柏氏称为该位错的柏氏(Burgers)(Burgers)矢量。矢量。 说明：这是一个并不十分准确的定义方法。柏氏矢量的方向与位错线方向的定义有关，应该 首先定义位错线的方向，再依据位错线的方向来定柏氏回路的方向，再确定柏氏矢量 的方向。在专门的位错理论中还会纠正。 第20页/共49页 第三节第三节 位错的基本概念位错的基本概念 柏氏矢量与位错类型的关系：柏氏矢量与位错类型的关系： 刃型位错刃型位错 柏氏矢量与位错线相互垂直。柏氏矢量与位错线相互垂直。( (依方向关系可依方向关系可

19、 分正刃和负刃型位错分正刃和负刃型位错) ) 螺型位错螺型位错 柏氏矢量与位错线相互平行。柏氏矢量与位错线相互平行。( (依方向关系可依方向关系可 分左螺和右螺型位错分左螺和右螺型位错) ) 混合位错混合位错 柏氏矢量与位错线的夹角非柏氏矢量与位错线的夹角非0 0或或9090度。度。 柏氏矢量守恒：柏氏矢量守恒： 同一位错的柏氏矢量与柏氏回路的大小和走向无关。同一位错的柏氏矢量与柏氏回路的大小和走向无关。 位错不可能终止于晶体的内部，只能到表面、晶界和其他位位错不可能终止于晶体的内部，只能到表面、晶界和其他位 错，在位错网的交汇点，必然错，在位错网的交汇点，必然 第21页/共49页 第三节第三

20、节 位错的基本概念位错的基本概念 滑移面滑移面：过位错线并和柏氏矢量平行的平：过位错线并和柏氏矢量平行的平 面面(晶面晶面)是该位错的滑移面。是该位错的滑移面。 位错的滑移运动位错的滑移运动：位错在滑移面上的运动：位错在滑移面上的运动 。 第22页/共49页 第三节第三节 位错的基本概念位错的基本概念 刃型位错的滑移运动：在图示的晶体上施加一切应力，当应力刃型位错的滑移运动：在图示的晶体上施加一切应力，当应力 足够大时，有使晶体上部向有发生移动的趋势。假如晶体足够大时，有使晶体上部向有发生移动的趋势。假如晶体 中有一刃型位错，显然位错在晶体中发生移动比整个晶体中有一刃型位错，显然位错在晶体中发

21、生移动比整个晶体 移动要容易。因此，位错的运动在外加切应力的作用下移动要容易。因此，位错的运动在外加切应力的作用下 发生；位错移动的方向和位错线垂直；运动位错扫过发生；位错移动的方向和位错线垂直；运动位错扫过 的区域晶体的两部分发生了柏氏矢量大小的相对运动的区域晶体的两部分发生了柏氏矢量大小的相对运动( (滑滑 移移) )；位错移出晶体表面将在晶体的表面上产生柏氏矢；位错移出晶体表面将在晶体的表面上产生柏氏矢 量大小的台阶。量大小的台阶。 第23页/共49页 第三节第三节 位错的基本概念位错的基本概念 螺型位错的滑移：在图示的晶体上施加一切应力，当应力足够螺型位错的滑移：在图示的晶体上施加一切

22、应力，当应力足够 大时，有使晶体的左右部分发生上下移动的趋势。假如晶体中大时，有使晶体的左右部分发生上下移动的趋势。假如晶体中 有一螺型位错，显然位错在晶体中向后发生移动，移动过的区有一螺型位错，显然位错在晶体中向后发生移动，移动过的区 间右边晶体向下移动一柏氏矢量。因此，螺位错也是在外加间右边晶体向下移动一柏氏矢量。因此，螺位错也是在外加 切应力的作用下发生运动；位错移动的方向总是和位错线垂切应力的作用下发生运动；位错移动的方向总是和位错线垂 直；运动位错扫过的区域晶体的两部分发生了柏氏矢量大小直；运动位错扫过的区域晶体的两部分发生了柏氏矢量大小 的相对运动的相对运动( (滑移滑移) )；位

23、错移过部分在表面留下部分台阶，全；位错移过部分在表面留下部分台阶，全 部移出晶体的表面上产生柏氏矢量大小的完整台阶。这四点同部移出晶体的表面上产生柏氏矢量大小的完整台阶。这四点同 刃型位错。刃型位错。 第24页/共49页 第三节第三节 位错的基本概念位错的基本概念 刃、螺型位错滑移的比较：刃、螺型位错滑移的比较： 因为位错线和柏氏矢量平行，所以螺型位错可以有多个滑因为位错线和柏氏矢量平行，所以螺型位错可以有多个滑 移面，螺型位错无论在那个方向移动都是滑移。移面，螺型位错无论在那个方向移动都是滑移。 晶体两部分的相对移动量决定于柏氏矢量的大小和方向，晶体两部分的相对移动量决定于柏氏矢量的大小和方

24、向， 与位错线的移动方向无关。与位错线的移动方向无关。 第25页/共49页 第三节第三节 位错的基本概念位错的基本概念 分析一位错环的运动分析一位错环的运动 第26页/共49页 第三节第三节 位错的基本概念位错的基本概念 综合位错的运动综合位错的运动：以位错环为例来说明。在一个滑移面上存在：以位错环为例来说明。在一个滑移面上存在 一位错环，如图所示，简化为一多边型。前后为刃位错，在切一位错环，如图所示，简化为一多边型。前后为刃位错，在切 应力应力的作用下，后部的半原子面在上方向后移动；前部的半的作用下，后部的半原子面在上方向后移动；前部的半 原子面在下方，向前运动。左右为螺位错，但螺旋方向相反

25、，原子面在下方，向前运动。左右为螺位错，但螺旋方向相反， 左边向左，右边向右运动；其他为混合位错，均向外运动。所左边向左，右边向右运动；其他为混合位错，均向外运动。所 有运动都使上部晶体向后移动了一个原子间距。所有位错移出有运动都使上部晶体向后移动了一个原子间距。所有位错移出 晶体，整个晶体上部移动了一个原子间距。可见无论那种位错晶体，整个晶体上部移动了一个原子间距。可见无论那种位错 ，最后达到的效果是一样的。如果外加切应力相反，位错环将，最后达到的效果是一样的。如果外加切应力相反，位错环将 缩小，最后消失。位错环存在时，环所在区间原子已经偏后一缩小，最后消失。位错环存在时，环所在区间原子已经

26、偏后一 原子间距，环缩小到消失，表明这个偏移的消失，而环扩大表原子间距，环缩小到消失，表明这个偏移的消失，而环扩大表 明其他区间向后移动。可见位错的运动都将使扫过的区间两边明其他区间向后移动。可见位错的运动都将使扫过的区间两边 的原子层发生柏氏矢量大小的相对滑动。的原子层发生柏氏矢量大小的相对滑动。 第27页/共49页 第三节第三节 位错的基本概念位错的基本概念 刃位错的攀移运动：刃位错的攀移运动：刃型位错在垂直于滑移面方向上的运动。刃型位错在垂直于滑移面方向上的运动。 刃位错发生攀移运动时相当于半原子面的伸长或缩短，通常把刃位错发生攀移运动时相当于半原子面的伸长或缩短，通常把 半原子面缩短称

27、为正攀移，反之为负攀移。半原子面缩短称为正攀移，反之为负攀移。 滑移时不涉及单个原子迁移，即扩散。刃型位错发生正攀滑移时不涉及单个原子迁移，即扩散。刃型位错发生正攀 移将有原子多余，大部分是由于晶体中空位运动到位错线上的移将有原子多余，大部分是由于晶体中空位运动到位错线上的 结果，从而会造成空位的消失；而负攀移则需要外来原子，无结果，从而会造成空位的消失；而负攀移则需要外来原子，无 外来原子将在晶体中产生新的空位。空位的迁移速度随温度的外来原子将在晶体中产生新的空位。空位的迁移速度随温度的 升高而加快，因此刃型位错的攀移一般发生在温度较高时；另升高而加快，因此刃型位错的攀移一般发生在温度较高时

28、；另 外，温度的变化将引起晶体的平衡空位浓度的变化，这种空位外，温度的变化将引起晶体的平衡空位浓度的变化，这种空位 的变化往往和刃位错的攀移相关。切应力对刃位错的攀移是无的变化往往和刃位错的攀移相关。切应力对刃位错的攀移是无 效的，正应力的存在有助于攀移效的，正应力的存在有助于攀移( (压应力有助正攀移，拉应力压应力有助正攀移，拉应力 有助负攀移有助负攀移) )，但对攀移的总体作用甚小。，但对攀移的总体作用甚小。 第28页/共49页 第三节第三节 位错的基本概念位错的基本概念 位错在晶体表面的露头位错在晶体表面的露头 抛光后的抛光后的 试样在侵蚀时，由于易侵蚀而出现试样在侵蚀时，由于易侵蚀而出

29、现 侵蚀坑，其特点是坑为规则的多边侵蚀坑，其特点是坑为规则的多边 型且排列有一定规律。只能在晶粒型且排列有一定规律。只能在晶粒 较大，位错较少时才有明显效果。较大，位错较少时才有明显效果。 薄膜透射电镜观察薄膜透射电镜观察 将试将试 样减薄到几十到数百个原样减薄到几十到数百个原 子层子层(500nm(500nm以下以下) )，利用，利用 透射电镜进行观察，可见透射电镜进行观察，可见 到位错线。到位错线。 第29页/共49页 第三节第三节 位错的基本概念位错的基本概念 表示晶体中含有位错数量的参数。表示晶体中含有位错数量的参数。 位错密度位错密度用单位体积位错线的总长度表示。用单位体积位错线的总

30、长度表示。 在金属材料中，退火状态下，接近平衡状态所得到的材料，这时位错的密度较低，约在在金属材料中，退火状态下，接近平衡状态所得到的材料，这时位错的密度较低，约在106的数量级；的数量级； 经过较大的冷塑性变形，位错的密度可达经过较大的冷塑性变形，位错的密度可达1010-12的数量级。详细内容到塑性变形一章再论述。的数量级。详细内容到塑性变形一章再论述。 位错密度位错密度 第30页/共49页 一、位错的应变能一、位错的应变能 来源：来源：位错应变能主要是弹性应变能。弹簧或其他弹性体的弹性位能位错应变能主要是弹性应变能。弹簧或其他弹性体的弹性位能 0.5kx2。同样在单位体积内弹性位能，正应力

31、引起的为。同样在单位体积内弹性位能，正应力引起的为 0.50.5，而切应力引起的为，而切应力引起的为0.50.5。 在位错线的周围存在内应力，例如刃型位错，在多余半原在位错线的周围存在内应力，例如刃型位错，在多余半原 子面区域为压应力，而缺少半原子面的区域存在着拉应力；在子面区域为压应力，而缺少半原子面的区域存在着拉应力；在 螺位错周围存在的是切应力。所以位错周围存在弹性应变能。螺位错周围存在的是切应力。所以位错周围存在弹性应变能。 可见由于位错的存在，在其周围存在一应力场，应力场的分布可见由于位错的存在，在其周围存在一应力场，应力场的分布 有机会进一步学习时再分析。有机会进一步学习时再分析。

32、 位错线周围的原子偏离了平衡位置，处于较高的能量状态，高出的能量称为位错的应变能，或简称位错线周围的原子偏离了平衡位置，处于较高的能量状态，高出的能量称为位错的应变能，或简称位错能位错能。 第31页/共49页 第三节第三节 位错的弹性特征位错的弹性特征 位错应变能的大小，以单位长度位错线上的应变能来表示，单位为位错应变能的大小，以单位长度位错线上的应变能来表示，单位为J JM M-1-1。 在数值上在数值上U=GbU=Gb2 2，其中，其中b为柏氏矢量的大小，为柏氏矢量的大小，G为材料的剪切变模量。为材料的剪切变模量。为常数，螺位错为为常数，螺位错为0.550.73，常用，常用0.5来简算；刃

33、型位错为来简算；刃型位错为0.811.09，常用，常用1.0来简算。来简算。 由于位错存在应变能，为减小这能量，位错线的分布一方由于位错存在应变能，为减小这能量，位错线的分布一方 面在可能的情况下尽量减小单位长度上的能量，由位错结果决面在可能的情况下尽量减小单位长度上的能量，由位错结果决 定的，只要晶体结构条件容许，柏氏矢量尽量小。另一方面就定的，只要晶体结构条件容许，柏氏矢量尽量小。另一方面就 是减小位错线的长度，两点之间只要结构容许，以直线分布。是减小位错线的长度，两点之间只要结构容许，以直线分布。 好像沿位错线两端作用了一个线张力。线张力和位错的能量在好像沿位错线两端作用了一个线张力。线

34、张力和位错的能量在 数量上是等价的。数量上是等价的。 第32页/共49页 第三节第三节 位错的弹性特征位错的弹性特征 晶体内同时含由位错和点缺陷时晶体内同时含由位错和点缺陷时( (特别时溶入的异类原子特别时溶入的异类原子) ) ，它们会发生交互作用。，它们会发生交互作用。 异类原子在刃位错处会聚集，如小原子到多出半原子面处，大异类原子在刃位错处会聚集，如小原子到多出半原子面处，大 原子到少半原子面处，而异类原子则溶在位错的间隙处。原子到少半原子面处，而异类原子则溶在位错的间隙处。 空位会使刃位错发生攀移运动。空位会使刃位错发生攀移运动。 第33页/共49页 第三节第三节 位错的弹性特征位错的弹

35、性特征 每条位错线周围存在应力场，对附近的其他位错有力的作每条位错线周围存在应力场，对附近的其他位错有力的作 用和影响，这个影响较复杂，下面仅对简单情况加以说明。用和影响，这个影响较复杂，下面仅对简单情况加以说明。 一对在同一滑移面上平行刃位错，当其方向相同时，表现一对在同一滑移面上平行刃位错，当其方向相同时，表现 为互相排斥，有条件时相互移动来增加其距离。当其方向相反为互相排斥，有条件时相互移动来增加其距离。当其方向相反 时，表现为互相吸引，有条件时相互靠近，最后可能互相中和时，表现为互相吸引，有条件时相互靠近，最后可能互相中和 而消失。而消失。 第34页/共49页 第三节第三节 位错的弹性

36、特征位错的弹性特征 一对平行的螺位错，按几何规律，其共有面可作为其滑移一对平行的螺位错，按几何规律，其共有面可作为其滑移 面。当其方向相同时，也表现为互相排斥，有条件时相互移动面。当其方向相同时，也表现为互相排斥，有条件时相互移动 来增加其距离。当其方向相反时，也表现为互相吸引，有条件来增加其距离。当其方向相反时，也表现为互相吸引，有条件 时相互靠近，最后可能互相中和而消失。时相互靠近，最后可能互相中和而消失。 处在其他情况下的位错间的相互作用较为复杂，暂时还难处在其他情况下的位错间的相互作用较为复杂，暂时还难 简单的说清楚，上例仅提供一分析的方向。简单的说清楚，上例仅提供一分析的方向。 第3

37、5页/共49页 第36页/共49页 面缺陷：面缺陷：在三维空间的两个方向上的尺寸很大在三维空间的两个方向上的尺寸很大( (晶粒数量级晶粒数量级) ) ，另外一个方向上的尺寸很小，另外一个方向上的尺寸很小( (原子尺寸大小原子尺寸大小) )的晶体缺陷的晶体缺陷 。 一、表面及表面能一、表面及表面能 1.1.晶体的表面晶体的表面：就是晶体的外表面，一般是指晶体与气体：就是晶体的外表面，一般是指晶体与气体(气相或液相气相或液相)的分界面。的分界面。 2.2.晶体的表面能：晶体的表面能：同体积晶体的表面高出晶体内部的能量称为晶体的表面自由能或表面能。计量单位为同体积晶体的表面高出晶体内部的能量称为晶体

38、的表面自由能或表面能。计量单位为J/m2。表面能就是表面张力，单位为。表面能就是表面张力，单位为N/m。晶体的表面能在有些意义和大家已知液体表面张力是一样的。晶体的表面能在有些意义和大家已知液体表面张力是一样的。 第37页/共49页 第五节第五节 晶体中的界面晶体中的界面 3.3.表面能的来源：表面能的来源：材料表面的原子和内部原子所处的环境不同，内部在均匀的力场中，能量较低，而表面的原子有一个方向没有原子结合，处在与内部相比较高的能量水平。另一种设想为一完整的晶体，按某晶面为界切开成两半，形成两个表面，切开时为破坏原有的结合键单位面积所吸收的能量。由于不同的晶面原子的排列方式不同，切开破坏的

39、化学键的量也不同，所以用不同的晶面作表面对应的表面能也不相同，一般以原子的排列面密度愈高，对应的表面能较小。材料表面的原子和内部原子所处的环境不同，内部在均匀的力场中，能量较低，而表面的原子有一个方向没有原子结合，处在与内部相比较高的能量水平。另一种设想为一完整的晶体，按某晶面为界切开成两半，形成两个表面，切开时为破坏原有的结合键单位面积所吸收的能量。由于不同的晶面原子的排列方式不同，切开破坏的化学键的量也不同，所以用不同的晶面作表面对应的表面能也不相同，一般以原子的排列面密度愈高，对应的表面能较小。 第38页/共49页 第五节第五节 晶体中的界面晶体中的界面 4.4.表面能与晶体形状之间的关

40、系：表面能与晶体形状之间的关系：在晶体形成的过程中，为了在晶体形成的过程中，为了 使系统的自由能最低，尽量降低表面的总能量，即使系统的自由能最低，尽量降低表面的总能量，即AA最小最小 。为此一方面尽量让。为此一方面尽量让最小的晶面为表面，当然也可能是表面最小的晶面为表面，当然也可能是表面 能略高但能明显减小表面积的晶面为表面。例如能略高但能明显减小表面积的晶面为表面。例如fccfcc结构的晶结构的晶 体自由生长就为体自由生长就为1414面体。面体。 5.5.粗糙表面与平滑表面：粗糙表面与平滑表面：晶体的表面在宏观为一能量较低的平晶体的表面在宏观为一能量较低的平 面，但表面原子的缺陷，局部表面原

41、子的缺少或部分表面有多面，但表面原子的缺陷，局部表面原子的缺少或部分表面有多 余原子，以表面存在的阵点数与实有原子数的比余原子，以表面存在的阵点数与实有原子数的比x x来表示，这来表示，这 些缺陷的存在可提高表面的熵，是必然存在的。每种材料有特些缺陷的存在可提高表面的熵，是必然存在的。每种材料有特 定的定的x x值下表面能最低，其中值下表面能最低，其中x=0.5x=0.5的表面稳定的称为粗糙表面的表面稳定的称为粗糙表面 ，大多数的金属材料是属于粗糙表面；，大多数的金属材料是属于粗糙表面；x x值仅在值仅在0 0或或1 1附近稳定附近稳定 的称为平滑表面，大多是非金属材料。的称为平滑表面，大多是

42、非金属材料。 第39页/共49页 第五节第五节 晶体中的界面晶体中的界面 2.2.晶界的结构：晶界的结构：根据晶界两侧晶粒的位向差不同，晶界的结构大致可分为三类。根据晶界两侧晶粒的位向差不同，晶界的结构大致可分为三类。 1.1.晶界：晶界：晶界就是空间取向晶界就是空间取向( (或位向或位向) )不同的相邻晶粒之间的分界面。不同的相邻晶粒之间的分界面。 1 1）小角度晶界）小角度晶界 晶界两侧晶界两侧 的晶粒位向差很小。可看的晶粒位向差很小。可看 成是一系列刃位错排列成成是一系列刃位错排列成 墙，晶界中位错排列愈密墙，晶界中位错排列愈密 ，则位向差愈大。，则位向差愈大。 第40页/共49页 第五

43、节第五节 晶体中的界面晶体中的界面 2 2）大角度晶界）大角度晶界 晶界两侧晶界两侧 的晶粒位向差较大，不能用的晶粒位向差较大，不能用 位错模型。关于大角度晶界位错模型。关于大角度晶界 的结构说法不一，晶界可视的结构说法不一，晶界可视 为为2 23(5)3(5)个原子的过渡层个原子的过渡层 ，这部分的原子排列尽管有，这部分的原子排列尽管有 其规律，但排列复杂，暂以其规律，但排列复杂，暂以 相对无序来理解。相对无序来理解。 第41页/共49页 第五节第五节 晶体中的界面晶体中的界面 3.3.界面能：界面能：晶界面上的原子相对正常晶体内部的原子而言，均处于较高的能量状态，因此，晶界也存在界面能。晶

44、界面上的原子相对正常晶体内部的原子而言，均处于较高的能量状态，因此，晶界也存在界面能。 界面能与结构的关系界面能与结构的关系： 第42页/共49页 第五节第五节 晶体中的界面晶体中的界面 4.4.晶界与杂质原子的相互作用：晶界与杂质原子的相互作用：在材料的研究中，发现少量杂质或合金元素在晶体内部的分布也是不均匀的，它们常偏聚于晶界，称这种现象为晶界内吸附。在材料的研究中，发现少量杂质或合金元素在晶体内部的分布也是不均匀的，它们常偏聚于晶界，称这种现象为晶界内吸附。 产生的原因可参见位错与点缺陷的作用，一般杂质原子与晶体的尺寸或性质差别愈大，这种偏聚愈严重。产生的原因可参见位错与点缺陷的作用，一

45、般杂质原子与晶体的尺寸或性质差别愈大，这种偏聚愈严重。 杂质原子在晶界的偏聚对晶体的某些性能产生重要的影响，具体的影响到学习材料性能时要使用，这里先介绍内吸附的概念。杂质原子在晶界的偏聚对晶体的某些性能产生重要的影响，具体的影响到学习材料性能时要使用，这里先介绍内吸附的概念。 第43页/共49页 第五节第五节 晶体中的界面晶体中的界面 2)2)相界面：相界面：两种不同相的分界面。液体的表面是液相和气相的两种不同相的分界面。液体的表面是液相和气相的 分界面；晶体的表面是晶体和气相分界面；晶体的表面是晶体和气相(或液相或液相)的分界面；两个不的分界面；两个不 同的固相之间的分界面也是相界面，在我们的课程中主要是指同的固相之间的分界面也是相界面，在我们的课程中主要是指 后者。后者。 1)1)相：相：在物理化学中已有了明确的解释。它是指成分相同、在物理化学中已有了明确的解释。它是指成分相同、(