第4章固体中原子及分子的运动1

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1、n晶体内原子在平衡位置做热运动,离开平衡位置两个去处:晶体内原子在平衡位置做热运动,离开平衡位置两个去处:n(1)迁移到晶体表面,)迁移到晶体表面,在原位置只形成空位,不形成间隙原子,在原位置只形成空位,不形成间隙原子,此空位称为此空位称为肖特基缺陷肖特基缺陷(Schottky defect)(图(图a););n(2)迁移到晶体点阵间隙中,)迁移到晶体点阵间隙中,形成的空位称形成的空位称弗兰克尔缺陷弗兰克尔缺陷(Frenkel defece) ,同时产生间隙原子(图,同时产生间隙原子(图b)。)。(a) 肖特基空位肖特基空位 (b) 弗兰克尔空位弗兰克尔空位3.1 3.1 点缺陷点缺陷 要点回

2、顾要点回顾3.1 3.1 点缺陷点缺陷 要点回顾要点回顾n晶体中晶体中空位缺陷空位缺陷的的平衡浓度平衡浓度为:为:NnCveeRTUkTUC为空位的生成能,为空位的生成能,K玻尔兹曼常数。玻尔兹曼常数。Un空位和间隙原子的平衡浓度:随温度的升高而急剧增加,空位和间隙原子的平衡浓度:随温度的升高而急剧增加,呈指数关系。呈指数关系。n晶体晶体在一定温度下,有一定的热力学平衡浓度,在一定温度下,有一定的热力学平衡浓度,这是这是点缺点缺陷区别于其它类型晶体缺陷的重要特点陷区别于其它类型晶体缺陷的重要特点。n线缺陷:线缺陷:特征是在两个方向上的尺寸很小,在一个方向上特征是在两个方向上的尺寸很小,在一个方

3、向上的尺寸较大,亦称为的尺寸较大,亦称为一维缺陷(位错)一维缺陷(位错)。n根据原子滑移方向和位错线取向几何特征不同,根据原子滑移方向和位错线取向几何特征不同,位错:位错:分分为为刃位错、螺位错刃位错、螺位错和和混合位错混合位错。 n刃位错:刃位错:位错线位错线EF与与滑移矢量滑移矢量b b垂直,垂直,滑移面滑移面是是位错线位错线EF和和滑移矢量滑移矢量b所构成唯一平面,位错在其他面上不能滑移。所构成唯一平面,位错在其他面上不能滑移。n螺位错:螺位错:无额外半原子面无额外半原子面,原子错排是呈,原子错排是呈轴对称轴对称的,的,螺位螺位错线与滑移矢量平行错线与滑移矢量平行,故一定是,故一定是直线

4、直线,且,且位错线的移动方位错线的移动方向与晶体滑移方向互相垂直,纯螺位错滑移面不唯一向与晶体滑移方向互相垂直,纯螺位错滑移面不唯一的。的。n混合位错:位错线都可混合位错:位错线都可分解为刃型和螺型两个分量分解为刃型和螺型两个分量。 3.2 3.2 位错位错 要点回顾要点回顾 n柏氏矢量特性:柏氏矢量特性:n1 1)表示晶体滑移的大小和方向表示晶体滑移的大小和方向。n2 2)可判定位错类型。)可判定位错类型。n刃型位错:刃型位错:柏氏矢量柏氏矢量b b 位错线位错线;n螺型位错:螺型位错:柏氏矢量柏氏矢量b b 位错线;位错线;n3 3)柏氏矢量)柏氏矢量b b 守恒性:位错线的守恒性:位错线

5、的柏氏矢量是唯一的(守柏氏矢量是唯一的(守恒性)。恒性)。n4 4)位错线不能中断于晶体的内部,而只能终止在晶体表位错线不能中断于晶体的内部,而只能终止在晶体表面或晶界上,即面或晶界上,即位错线的连续性位错线的连续性。n柏氏矢量表示符号:柏氏矢量表示符号:b=kab=kauvwuvw表示。表示。3.2 3.2 位错位错 要点回顾要点回顾 n位错运动方式:滑移和攀移。位错运动方式:滑移和攀移。n1 1)滑移:)滑移:位错线沿着滑移面的移动。位错线沿着滑移面的移动。n2 2)攀移:)攀移:位错线垂直于滑移面的移动。位错线垂直于滑移面的移动。n刃位错的运动:刃位错的运动:可有滑移和攀移两种方式。可有

6、滑移和攀移两种方式。n螺位错的运动:螺位错的运动:只作滑移、而不存在攀移。只作滑移、而不存在攀移。n刃位错滑移方向:刃位错滑移方向:与外应力与外应力 及伯氏矢量及伯氏矢量b b 平行;平行;螺型位螺型位错的移动方向:错的移动方向:与外应力与外应力 及柏氏矢量及柏氏矢量b b 垂直垂直,也与晶体也与晶体滑移方向相垂直滑移方向相垂直。n只有螺型位错才能够交滑移。只有螺型位错才能够交滑移。3.2 3.2 位错位错 要点回顾要点回顾 3.2 3.2 位错位错 要点回顾要点回顾 n攀移与滑移不同:攀移与滑移不同:n1 1)攀移伴随物质的迁移,需要空位的扩散,需要热激活,攀移伴随物质的迁移,需要空位的扩散

7、,需要热激活,比滑移需更大能量。比滑移需更大能量。n2 2)低温攀移较困难,高温时易攀移。低温攀移较困难,高温时易攀移。在许多高温过程如蠕在许多高温过程如蠕变、回复、单晶拉制中,攀移却起着重要作用。变、回复、单晶拉制中,攀移却起着重要作用。n3 3)攀移通常会引起体积的变化,攀移通常会引起体积的变化,故属非保守运动。故属非保守运动。n4 4)作用于攀移面的正应力有助于位错的攀移。作用于攀移面的正应力有助于位错的攀移。n压应力将促进正攀移,拉应力可促进负攀移。压应力将促进正攀移,拉应力可促进负攀移。n5 5)晶体中过饱和空位也有利于攀移。晶体中过饱和空位也有利于攀移。 3.2 3.2 位错位错

8、要点回顾要点回顾 n在滑移面上运动的某一位错,必与穿过此滑移面上的其它位在滑移面上运动的某一位错,必与穿过此滑移面上的其它位错相交截,该过程即为错相交截,该过程即为“位错交割位错交割”。位错折线有两种:。位错折线有两种:n1 1)割阶割阶:位错折线垂直(或不在)其所属滑移面上。:位错折线垂直(或不在)其所属滑移面上。 n2 2)扭折扭折:位错折线在其所属滑移面上。:位错折线在其所属滑移面上。n小结:小结:1 1)运动位错交割后,各位错线都可产生一扭折或割)运动位错交割后,各位错线都可产生一扭折或割阶,其阶,其大小和方向取决于另一位错的柏氏矢量大小和方向取决于另一位错的柏氏矢量,但,但具有原位具

9、有原位错线的柏氏矢量。错线的柏氏矢量。n2 2)所有割阶都是刃位错,而扭折可刃型、也可螺型。所有割阶都是刃位错,而扭折可刃型、也可螺型。n3 3)扭折与原位错线在同一滑移面上扭折与原位错线在同一滑移面上,可随主位错线一道运,可随主位错线一道运动,几乎不产生阻力,且扭折在线张力作用下易于消失。动,几乎不产生阻力,且扭折在线张力作用下易于消失。n4 4)割阶则与原位错线不在同一滑移面上,不能随主位错线)割阶则与原位错线不在同一滑移面上,不能随主位错线一道运动,成为位错运动的障碍,常称此为一道运动,成为位错运动的障碍,常称此为割阶硬化割阶硬化。3.2 3.2 位错位错 要点回顾要点回顾 n位错增殖机

10、制位错增殖机制有多种:有多种:弗兰克弗兰克- -瑞德瑞德( (Frank-Read)源,简称)源,简称F-R源源,双交滑移增殖双交滑移增殖等机制等机制n全位错全位错(perfect dislocation):(perfect dislocation):柏氏矢量等于点阵矢量或其柏氏矢量等于点阵矢量或其整数倍的位错整数倍的位错 。n单位位错单位位错( dislocation):( dislocation):柏氏矢量等于单位点阵矢量的位柏氏矢量等于单位点阵矢量的位错错 。n不全位错不全位错(imperfect dislocation):(imperfect dislocation):柏氏矢量不等于点

11、阵矢柏氏矢量不等于点阵矢量整数倍的位错量整数倍的位错 。n部分位错部分位错(partial dislocation):(partial dislocation):柏氏矢量小于点阵矢量的柏氏矢量小于点阵矢量的位错。位错。n堆垛层错堆垛层错(stacking faultstacking fault):堆垛顺序与正常的堆垛顺序):堆垛顺序与正常的堆垛顺序出现差异(正常堆垛顺序遭到破坏或错排)。出现差异(正常堆垛顺序遭到破坏或错排)。3.3 3.3 表面与界面表面与界面 要点回顾要点回顾 气相气相( (或真空或真空) )与凝聚相之间的分界面称为与凝聚相之间的分界面称为表面表面(surface)(sur

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