无机材料科学基础 第四章晶体中的点缺陷与线缺陷

1、1第四章 晶体中的点缺陷与线缺陷理想晶体：热力学上最稳定的状态，内能最低，存在于K。真实晶体：在高于0K的任何温度下，都或多或少地存在着对理想晶体结构的偏离。 实际晶体结构中和理想点阵结构发生偏离的区域，就是晶体结构缺陷。或：造成晶体点阵结构的周期势场畸变的一切因素，都称之为晶体缺陷。 晶体结构缺陷与固体的电学性质、机械强度、扩散、烧结、化学反应性、非化学计量化合物组成以及对材料的物理化学性能都密切相关。只有在理解了晶体结构缺陷的基础上，才能阐明涉及到质点迁移的速度过程。掌握晶体结构缺陷的知识是掌握材料科学的基础。21、点缺陷：零维缺陷，尺寸在一、二个原子大小的级别。 按点缺陷产生原因划分：热

2、缺陷、杂质缺陷、非化学计量结构缺陷：2、线缺陷：一维缺陷，通常指位错。3、面缺陷：二维缺陷，如：界面和表面等。按作用范围和几何形状分：缺陷分类晶体中最基本的点缺陷是点阵空位和填隙原子。本征缺陷：产生于纯净无缺陷理想晶体结构中。非本征缺陷：由于杂质原子的存在而形成的。 比如替代杂质原子和填隙杂质原子 又称为杂质点缺陷或非本征点缺陷341. 点缺陷的类型 按偏离理想晶格的几何位置及成分划分：（1）填隙原子：原子进入晶体中正常结点之间的间隙位置，成为填隙原子或间隙原子。CaF2（2）空位：正常结点没有被原子或离子所占据，成为空结点。ZnO、TiO2（3）杂质原子：取代晶格中的原子，进入正常结点位置或

3、进入间隙位置的杂质原子。杂质取代缺陷杂质填隙缺陷4-1 热力学平衡态点缺陷热力学平衡态点缺陷：由于热振动而引起的理想晶体结构的点缺陷。5热缺陷是指热振动使一部分能量较大的原子离开平衡位置造成的缺陷。 弗仑克尔（Frenkerl）缺陷：热振动中，能量较大的原子离开平衡位置进入晶格空隙形成间隙原子而在原来位置上留下空位，而形成的缺陷。间隙原子和空位成对产生，晶体体积不变。 肖特基（Schottky) 缺陷：能量较大的原子迁移到晶体表面正常结点位置，在内部留下空位，而形成的缺陷。为保持电中性，正、负离子空位是成对产生的，伴随有晶体体积的增加。 反肖特基（Schottky) 缺陷：晶体表面的正常原子脱

4、离格点并迁移进入晶体内部成为间隙原子。2.热缺陷（a）晶体中弗兰克尔缺陷的形成（b）晶体质中的肖特基缺陷的形成67 肖特基缺陷 弗仑克尔缺陷二元化合物 对于离子晶体，为了使体系静电能达到最低和晶体内部保持电中性，正负电荷的空位或间隙离子必须同时产生。因此，在离子晶体中，阴阳离子的肖特基缺陷都是按化学计量比同时出现的。7空位和间隙原子的出现都会造成晶格体积的增加。893.平衡态热缺陷浓度在一定温度下，当热缺陷的产生与复合过程达到热力学平衡时，它们具有相同的速率。热缺陷浓度是温度的函数。肖特基缺陷浓度为：弗仑克尔缺陷浓度为：为一对肖特基缺陷形成能为一对弗仑克尔缺陷形成能处于热平衡态下的点缺陷，温度

5、与缺陷形成能是影响其平衡浓度的重要因素。随温度升高，点缺陷浓度增大；由于点缺陷形成能远大于KB值，因此，形成能大小不仅影响热缺陷总浓度，而且决定了晶体中主要平衡态点缺陷的类型。例：面心立方结构的Cu晶体中空位形成能约为1eV，间隙原子的形成能约为4eV，铜晶体中间隙原子的浓度远远小于空位原子的浓度（二者比值约为1/1000），空位为主要点缺陷。10 对于一定的晶体，温度一定时，热缺陷浓度是一定的，热平衡时新产生的缺陷与复合的缺陷数目相等。 用化学反应平衡的质量作用定律处理缺陷反应。(1)弗仑克尔缺陷 平衡时： 正常格点离子+未被占据的间隙位置=间隙离子+空位 以AgBr为例： AgAg+Vi=

6、Agi+VAg Kf=(Ag.iVAg)/(AgAgVi) 缺陷浓度较小时：Vi=AgAg=1 Kf=AgiVAg 且Kf=exp(-Gf/kT) Agi=VAg=Kf1/2=K0exp(-Gf/2kT)11(2)肖特基缺陷 以MgO为例： 0=VMg+VO Ks=VMgVO VMg=VO 且Ks=Kexp(-Gs/kT) VO=Ks1/2=K0exp(-Gs/2kT) 若用n表示单位体积内的缺陷数，用N表示单位体积内的结点数，则热缺陷的平衡浓度可表示为：单质中的Schottky缺陷：124-2 非热力学平衡态点缺陷热平衡态点缺陷：纯净和严格化学配比的晶体中，由于体系能量涨落而形成的，浓度大小

7、取决于温度和缺陷形成能。非平衡态点缺陷：通过各种手段在晶体中引入额外的点缺陷，形态和数量完全取决于产生点缺陷的方法，不受体系温度控制。晶体中引入非平衡态点缺陷的方法：（1）淬火 ：高温-低温，形成过饱和点缺陷（2）辐照：利用高能射线轰击晶体，使晶体内部原子离位 接受的能量与离位阈能 Ed 比较 快中子辐照、粒子辐照、电子辐照、光子辐照（3）离子注入：高能离子轰击材料并嵌入近表面区域形成各种点缺陷 半导体器件工艺中、不溶的合金元素快速冷却（4）非化学计量：有一些化合物，它们的化学组成会明显地随着周围气氛的性质和压力的大小的变化而发生组成偏离化学计量的现象，这一类缺陷是生成 n 型、p型半导体的重

8、要基础。又称为电荷缺陷。 比如，真空炉内金红石晶体（TiO2）的Ti4+ 在氧分压不太低时，形成大量的氧空位（TiO2-x） 在极低氧分压时下，出现大量的钛填隙（Ti1+xO2）（5）塑性变形 晶体中位错滑移形成的点缺陷 金属材料塑形变形的物理本质是晶体中位错的大量滑移。消除非平衡态点缺陷可以通过退火快速达到。13141.点缺陷的表示方法及缺陷化学反应方程式 缺陷化学：从理论上定性定量地把材料中的点缺陷看成化学实物，并用化学热力学的原理来研究缺陷的产生、平衡及其浓度等问题的学科。 研究对象：主要是晶体缺陷中的点缺陷。点缺陷之间发生一系列的缺陷化学反应与化学反应类似。 点缺陷化学符号：人为规定的

9、一套点缺陷化学符号，与化学元素符号类似。4-3 点缺陷符号与化学方程式缺陷的内容缺陷所带的有效电荷缺陷所在的晶格位置）一个处在正常位置上的离子，当它的价数与化合物的化学计量式一致时，所带的有效电荷为零。 用“X”表示有效零电荷）一个空位或替代离子所带的有效电荷是其电价与该位置上正常离子电价之差。 用“”及其个数表示有效正电电荷 用“ ”及其个数表示有效负电电荷151）Ni2+在Ni2+格点上：2）Al3+在Ni2+格点上：3）Li+在Ni2+格点上：1617 主符号缺陷种类，上角标缺陷所带电荷，下角标缺陷所在位置以MX晶体为例：（1）空位Vacancy ：VM，Vx，VM，Vx VM=VM+2

10、e Vx=Vx+2h（2）填隙原子insertion: Mi ，Xi （3）错放原子: Mx ，Xm （4）溶质原子LM( L溶质处在M位置上 ): CaMg, Cai （5）自由电子及空穴: e，h（6）带电缺陷：不同价离子替代：CaNa, CaZr。（7）两个以上带有相反电荷的点缺陷相互缔合成一组或 群缔合的缺陷：(VM, VX)，(VNa, VCl)克罗格明克（Krger-vink）符号18理想晶体实际晶体中的缺陷AlMg、VMg 、Cai19（1）位置关系：在化合物MaXb中，M位置的数目必须永远与X位置的数目成一个正确的比例（M:X=a:b），反应式必须反映与点缺陷产生过程相关的晶格

11、位置关系变化。如：在Al2O3中Al:O=2:3，比例不变，位置总数可以改变。若物质的摩尔量比例与位置比不同时 ，则存在缺陷，如TiO2TiO2-x，此时在晶体中生成氧空位，Ti与O由原来的1:2变为1:(2-x)，其中包括x个VO 。（2）位置增殖：缺陷发生变化时，有可能引入M空位VM，也可能消除VM。当发生这些变化时，要服从位置关系。引起位置增殖的缺陷有：VM、VX、MM 、MX、XM、XX等，不发生增殖的缺陷有：e 、 h、Mi、Xi等。（3）质量平衡：缺陷反应方程式左右必须保持质量平衡，空位的质量为零。（4）电荷平衡：缺陷反应前后晶体必须保持电中性。（5）表面位置：当一个M原子从内部迁

12、移到表面时，用符号Ms表示，下标s表示表面位置。表面位置不用特别表示。 把每个缺陷看作化学物质，缺陷反应就如同化学反应方程式一样，必须遵守一些基本原则：2.写缺陷反应方程式遵循的基本规则例如发生肖特基缺陷时，晶体中原子迁移到晶体表面，在晶体内留下空位，增加了位置数目。当然这种增殖在离子晶体中是成对出现的，因此事服从位置关系的。20Frenkel缺陷: MM+Vi = MiVM （正离子进入间隙） 如AgBr中的Frenkel缺陷： AgAg=AgiVAg XX+Vi=XiVX （负离子进入间隙） 如CaF2中的Frenkel缺陷：FF=FiVFSchottky缺陷: 0=VMVX 如MgO中的

13、Schottky缺陷: MgMgOO= MgsOsVMgVO 0=VMgVO以MX化合物为例3.热缺陷的缺陷化学反应方程式21 MgO置换型固溶体： Al2O3 2AlMgVMg3OO 4-19 ZrO2 CaO CaZrVOOO ZrO2 间隙型固溶体： 2CaO Cai CaZr2OO CaF2 YF3 YCaFi2FF杂质（固溶体）缺陷反应方程式22 把少量CaCl2溶解到KCl中： KCl CaCl2 CaK +VK+2ClCl KCl CaCl2 CaK +ClCl+Cli KCl CaCl2 Cai+2VK+2ClCl 阴离子半径较大时，一般不会形成阴离子填隙； 阳离子空位和阳离子

14、填隙一般不会同时出现。在动力学条件充分的条件下，使体系能量达到最低水平的点缺陷状态时最可能发生的。 由于气氛的变化，MX中的微量X进入气相，而变为缺少X的非化学计量化合物MX1-。为保证电价平衡，MX中的部分阳离子将可能降为低价。库仑电场 电子或空穴分别向带正点或带负点的点缺陷位置移动，并被束缚，形成电中性的点缺陷。2324 凡在固态条件下，一种组分（溶剂）内“溶解”了其它组分（溶质）而形成的单一均匀的晶态固体称为固体溶液，简称固溶体。 溶剂：原组分或含量较高的组分，主晶相，基质。 溶质：掺杂原子或杂质。 混合尺寸为原子尺度相互混合，不破坏晶格。1.固溶体定义4-5 掺杂与非化学计量化合物比如

15、，Al2O3晶体中掺入少量Cr2O3结构缺陷：占据在正常格点上的杂质原子或离子实际上破坏了基质晶体中质点排列的周期性，并引起了晶体内周期性势场的畸变。25名称相组成混合尺度组成 结构固溶体单相均匀原子尺度 有一定范围主晶相结构化合物不同于A和B 原子尺度 一定比例 不同于A和B机械混合物A相和B相不均匀 颗粒任意颗粒堆积固溶体、机械混合物和化合物的区别溶液析晶或高温熔体凝固形成，也可以在较高温度下固-固相间原子或离子扩散过程形成。26（1）按溶质原子在溶剂晶格中的位置分类 置换型固溶体：进入溶剂晶格中正常格点位置，生成取代（置换）型的固溶体，例如 MgO-CaO, PbZrO3-PbTiO3等

16、； 填隙型固溶体：进入溶剂晶格中的间隙位置则生成填隙型固溶体。（2）按溶质原子在溶剂晶体中的溶解度分类 连续固溶体：指溶质和溶剂可以按任意比例相互固溶，例如MgO-NiO,Al2O3-Cr2O3, ThO2-WO2,PbZrO3-PbTiO3等； 有限固溶体：表示溶质只能以一定的限量溶入溶剂，超过这一限度即出现第二相， 例如MgO-Al2O3,MgO-CaO,ZrO2-CaO等。如在2000时，有 3wt% CaO 溶入 MgO 中。2.固溶体的分类27影响固溶体溶解度的因素:（1）离子尺寸因素 相互替代的离子的尺寸愈相近，则固溶体愈稳定。 |(r1- r2)/r1|15%， 式中： r1 大

17、离子的半径 r2 小离子的半径 离子半径之差30%，不能形成固溶体。 如MgO-CaO系统中 Ca2+、Mg2+子半径之差为：(1.06-0.78)/1.06=26.4%，只能形成有限固溶体。3.置换型固溶体28（2）晶体结构类型-不是充分条件 两个组分具有相同的晶体结构。 MgO、NiONaCl型，Al2O3、Cr2O3刚玉型。 PbZrO3、PbTiO3钙钛矿型，虽然Zr4+与Ti4+半径之差为：(r1-r2)/r1=(0.072061)/0.072=15.28%15%，高于相变温度时，任意的锆钛比下都是稳定的立方晶系，即形成连续置换型固溶体。（3）离子电价的影响 离子电价相等或离子电价总

18、和相等。单一离子电价相等相互取代，如果取代离子价不同，则要求用两种以上不同离子组合起来，满足电中性的条件，如：CaAl2Si2O8NaAlSi3O8形成连续固溶体是（Na+Si4+）置换（Ca2+Al3+）。29（4）电负性 电负性相近，有利于固溶体的生成，电负性差别大，则倾向于生成化合物，其差值为：0.4。达肯（Darkon）椭圆 121/)(rrr-电负性差 0.4 -0.4 -15% 15% 65%具有很大的溶解度 85%固溶度小于5% 30(5)不等价置换型固溶体中的“组分缺陷” 不等价置换的固溶体，为了保持电中性，必然会在晶体结构中产生“组分缺陷”，即在原来结构的结点位置产生空位或间

19、隙原子。与热缺陷不同，热缺陷浓度是T的函数，而不等价置换固溶体中组分缺陷浓度则取决于掺杂量（溶质数量）和固溶度。由于晶体结构和电价都不同，只能形成有限置换固溶体。31 （a）出现阳离子空位（置换型固溶体） MgO 高价置换低价 如 Al2O3 2AlMg +VMg+3OO （b）出现阴离子填隙（填隙型固溶体） CaF2 如 YF 3 YCa Fi2FF （a）出现阴离子空位（置换型固溶体） ZrO2低价置换高价 如 CaO CaZr+VO +OO （b）出现阳离子填隙（填隙型固溶体） ZrO2 如 2CaO CaZr+Cai +2OO不等价置换型固溶体组分缺陷固溶体生成时的热力学条件即温度、气

20、氛有关。32形成条件： （1）溶质原子半径小和溶剂晶格结构空隙大。空隙大小：沸石CaF2（8配位）TiO2（6配位）MgO（4配位）。如斜发沸石的化学式： (Na,K,Ca)2-3Al3(Al,Si)2Si13O36 12H2O （2）保持结构中的电中性。一般可以通过形成空穴、复合阳离子和改变电子云结构达到。如B2+2Al3+=2Si4+ 定义：杂质原子比较小，能进入晶格的间隙位置形成的固溶体4.间隙型固溶体33间隙型固溶体类型：（1）原子填隙：原子半径较小的 H、C、B等元素易进入晶格间隙中，形成间隙原子。如钢是C+Fe的填隙型。（2）阳离子填隙：如 ZrO2中掺入CaO，当CaO加入量小于

21、0.15%时，在1800高温下，能形成阳离子填隙（Cai）。 2CaO CaZr+Cai +2OO（3）阴离子填隙：如 YF3 中掺入少量CaF2 时，能够形成阴离子填隙（Fi）。ZrO2YF 3 YCa Fi2FFCaF234 固溶体的生成可以借助相分析和结构分析的方法进行研究，因为不论何种类型的固溶体将引起结构及性质的变化。最本质的方法是用X-射线结构分析测定晶胞常数，并结合有关物性测试，来测定固溶体及其组分，鉴别固溶体的类型等。固溶体的类型主要通过测定晶胞常数并计算出固溶体的密度与实验精确测定的密度数据对比来判断。5.固溶体的研究方法35 例如：将少量CaO加入到ZrO2中生成的固溶体，

22、在1600，该固溶体具有立方萤石结构；当加入0.15克分子CaO 时，实验测定的晶胞常数为a0=0.513nm，用比重法得到的密度为D=5.477g/cm3，试判断固溶体的类型。 可以写出的两个缺陷反应方程式及固熔体化学式： ZrO2 CaO CaZr+VO+OO (1) Zr0.85Ca0.15O1.85 ZrO2 2CaO CaZr+Cai+OO (2) Zr0.85Ca0.30O236按（1）置换型固熔体，每个晶胞含有4个Zr0.85Ca0.15O1.85分子，每个晶胞的质量为: m=4(0.8591.22+0.1540.08+1.8516)/(6.021023) =75.1810-23

23、g V=a3=(0.51310-7)3=135.110-24cm3 D=m/V=75.1810-23/(135.110-24)=5.564g/cm3 1600淬冷后得到的D=5.477g/cm3，二者相差很小0.087g/cm3，可以确定固溶体的类型是置换型，(1)式是合理的。而1800急冷得到的样品的比重测定值明显高于X射线数据计算值，此时的固溶体为阳离子填隙型，(2)式比较合理。因此根据固溶体计算密度与实测密度可以鉴定其类型。37定比定律：化合物中不同原子的数量要保持固定的简单整数比。非化学计量化合物：实际中，很多化合物并不符合定比定律，正、负离子的比例并不是一个简单的比例，偏离了化学计量

24、的化合物。产生的缺陷叫非化学计量缺陷。6.非化学计量化合物Nonstoichiometric Compounds本征半导体：不含杂质且无晶格缺陷的半导体称为本征半导体。在极低温度下，半导体的价带是满带(见能带理论)，受到热激发后，价带中的部分电子会越过禁带进入能量较高的空带，空带中存在电子后成为导带。本征半导体的共价键结构硅原子价电子+4+4+4+4+4+4+4+4+438在常温下自由电子和空穴的形成+4+4+4+4+4+4+4+4+4自由电子空穴复合成对出现成对消失自由电子和空穴称为载流子空穴又称电洞（Electron hole），在固体物理学中指共价键上流失一个电子，最后在共价键上留下空位

25、的现像。即共价键中的一些价电子由于热运动获得一些能量，从而摆脱共价键的约束成为自由电子，同时在共价键上留下空位，称这些空位为空穴。 自由电子的形成：在常温下，少数的价电子由于热运动获得足够的能量，挣脱共价键的束缚变成为自由电子。 39+4+4+4+4+4+4+4+4+4外电场方向空穴移动方向 电子移动方向 在外电场作用下，电子和空穴均能参与导电。这是半导体导电与导体导电最本质的区别。 价电子填补空穴载流子导电规律40+4+4+4+4+4+4+4+4一 、N 型半导体磷原子多余价电子自由电子正离子通过扩散工艺，在本征半导体中掺入微量特定元素，便可形成杂质半导体。 在纯净的硅或锗晶体中掺入微量五价

26、元素（如磷）所形成的杂质半导体称N型半导体。+4+5杂质半导体41少数载流子多数载流子正离子在N型半导中，自由电子是多数载流子，空穴是少数载流子。N型半导体结构示意图42二、P型半导体+4+4+4+4+4+4+4 在纯净的硅或锗的晶体中掺入微量的三价元素（如硼）所形成的杂质半导体称P 型半导体。 +4硼原子填补空位+4+3负离子43少数载流子负离子多数载流子在P型半导中，空穴是多数载流子，自由电子是少数载流子。P型半导体结构示意图不论是N型半导体还是P型半导体，虽然都有一种载流子占多数，但整个晶体仍然是不带电的。 4445 如 TiO2-x、ZrO2-x。 在缺氧（还原气氛）条件下，晶体中的氧

27、逸出到大气中，晶体中出现VO，金属离子过剩。 从化学观点，可以看成Ti3+取代了Ti4+形成的固溶体。 2TiTi+4OO=2TiTi+VO+1/2O2+3OO化简 2TiTi+4OO=2TiTi+2e+VO+1/2O2+3OO OO=2e+VO+1/2O2 根据质量作用定律：K=VOPO21/2e2/OO e=2VO K=VOPO21/2(2VO)2 VOPO2-1/6 氧空位的浓度与氧分压的1/6次方成反比,随PO2，VO。 在烧结TiO2材料时应严格控制氧气分压。（1）阴离子空位型4546 氧空位留下的自由电子不属于某个Ti4+，电场作用可使其在相邻的Ti4+间迁移，形成电子导电，是n型

28、半导体。 色心：分散于晶格中的电子俘获中心或空穴俘获中心 F-色心：自由电子陷落在阴离子缺位中形成的缺陷。陷落的电子能吸收一定波长的光，使晶体着色。例：TiO2在还原气氛下，由黄色变为灰黑色。47如Zn1+xO、Cd1+xO 在还原气氛下过剩的金属离子进入间隙位置，它是带正电的，为了保持电中性，等价的电子被束缚在间隙正离子周围。如ZnO在锌蒸汽中加热，颜色逐渐加深，缺陷反应方程式如下: ZnO=Zni+2e+1/2O2 (1) 间隙Zn的浓度或电子浓度和氧分压的1/6次方成反比的关系。 将ZnO晶体在Zn蒸气中加热即随PO2，Zni，是一种n型半导体。（2）阳离子填隙型48 如UO2+x 在氧

29、化气氛中，可以认为过剩的O2-填隙，为了保持电中性，结构中引入电子空穴，相应地正离子升价。 1/2O2=Oi+2h K=Oih.2/PO21/2 h.=2Oi OiPO21/6 氧分压，Oi。 这种电子空穴不局限于某个特定的正离子，在电场作用下可以运动（准自由地在整个晶体中作非局域化运动，占据正常位U4+作用，使U4+离子化学价进一步升高，形成U6+离子的点缺陷），形成p型半导体。（3）阴离子间隙型UU = UU+2h49 如Cu2-xO，Fe1-xO 在强氧化气氛下，氧溶入后捕获电子，迫使正离子给出电子而变为高价，产生正离子空位和电子空穴. 电子空穴导电，p型半导性 2FeFe+2OO+1/

30、2O2(g)=2FeFe.+VFe+3OO 1/2O2(g)=2h+OO+VFe K=OOVFeh2/PO2 h.=2VFe h.PO21/6 随着PO2，h，电导率。（4）阳离子缺位型阳离子空位50 综上所述，非计量化合物的产生及其缺陷的浓度与气氛的性质及分压的大小有密切的关系。金属离子在不同的气氛中具有不同电价。非计量化合物也可以看成是一种固溶体，只是同一种离子的高价态与低价态之间相互置换，是不等价置换固溶体的一个特例。烧结材料时，应根据需要严格控制气氛的性质及大小。 另外，非计量化合物都是半导体，不是n型就是p型半导体。51 实际晶体在结晶时受到杂质、温度变化或振动产生的应力作用，或由于

31、晶体受到打击、切削、研磨等机械应力的作用，使晶体内部晶面间发生相对滑移，质点排列变形，原子行列不再符合理想晶格的有秩序的排列，形成线状的缺陷。 位错（线）： 当晶体中原子或离子的周期性在一维线状区域内遭到破坏，晶体的缺陷将具有线状几何特征。 晶体内部晶面间的滑移并不是整个晶面上所有的原子相对另一个晶面一起滑移，而是一部分原子可以在其它原子未运动之前先移动，这样晶体中已滑移部分和未滑移部分之间就形成位错原子线。 刃型位错 位错的基本类型 螺旋位错4-6 晶体中的线缺陷-位错52 特点：滑移方向与位错线方向垂直。 EF线是已滑移部分和未滑移部分之间的分界线，即位错线，它与滑移方向垂直。 已滑移部分

32、和未滑移部分之间（E处）实际上多了半片原子面，原子行列偏离了理想晶格的有序排列。在滑移面以上原子间距密，下部疏，上部晶格受压缩，下部受伸张，位错线周围存在一个弹性应力场。1. 刃型位错53 G H E F （a)立体模型 （b）平面图 刃型位错示意图晶体局部滑移造成的刃型位错54 刃型位错用符号“ ”表示。 刃型位错又分为： 正刃型位错()：在上半部滑移，多余的半片原子面在上面。 负刃型位错()：在下半部滑移，多余的半片原子面在下面。 当正、负两个刃型位错在同一个滑移面上移动并相遇时，将互相抵消，合并成同一个原子面。当它们在相距为2个原子间距的滑移面上移动时，相遇时生成一个空位。+ =空位+

33、=抵消55相距2个原子间距的滑移面同一个滑移面56螺旋位错：滑移面与未滑移面上的原子呈螺旋形。特点：位错线与滑移方向相互平行。2. 螺型位错CBAD(b) 螺型位错示意图ABCD(a )立体模型平面图57螺型位错示意图 从a开始，按顺时针方向依次连接此过渡地带的各原子，每旋转一周，原子面就沿滑移方向前进一个原子间距，如同一个右旋螺纹一样。57单晶体生长形貌与螺位错 5859混合位错：在实际晶体中可能同时产生刃错位和螺旋位错。 混合位错.螺旋位错刃型位错混合位错示意图6061 位错具有Burgers矢量 是位错的重要本质。 Burgers矢量是位错的单位滑移距离，大小一般等于原子间距；方向总是平

34、行于滑移方向。3.柏格斯矢量：标志位错特征滑移面两侧相对位移的矢量 先确定位错的方向（一般规定位错线垂直纸面时，由纸面向外为正），按右手法则做柏氏回路，右手大拇指指位错正方向，回路方向按右手螺旋方向确定。从实际晶体中任一原子M 出发，避开位错附近的严重畸变区作一闭合回路 MNOPQ，回路每一步连结相邻原子。按同样方法在完整晶体中做同样回路，步数，方向与上述回路一致，这时终点 Q 和起点 M 不重合，由终点Q 到起点M 引一矢量QM 即为柏氏矢量b。柏氏矢量与起点的选择无关，也与路径无关。刃型位错柏氏矢量的确定(a) 有位错的晶体 (b) 完整晶体 MNOPQMNOPQ柏氏矢量刃型位错的Burg

35、ers矢量与位错线方向垂直6263螺型位错的Burgers矢量与位错线方向平行柏氏矢量螺型位错柏氏矢量的确定(a) 有位错的晶体 (b) 完整晶体 柏氏矢量的物理意义及特征 柏氏矢量是描述位错实质的重要物理量。反映出柏氏回路包含的位错所引起点阵畸变的总累计。通常将柏氏矢量称为位错强度，它也表示出晶体滑移时原子移动的大小和方向。 柏氏矢量具有守恒性。右手大拇指指位错正方向，回路方向按右手螺旋方向确定。 柏氏矢量与起点的选择无关，也与路径无关。64用柏氏矢量判断位错类型:(1) 刃型位错 ebe 右手法则:食指指向位错线方向，中指指向柏氏矢量方向，拇指指向代表多余半面子面位向，向上为正，向下为负。

36、(2) 螺型位错 sbs 正向（方向相同）为右螺旋位错，负向（方向相反）为左螺旋位错。(3) 混合位错 柏氏矢量与位错线方向成夹角 刃型分量be 螺型分量bs 用矢量图解法表示位错:数量积、向量积等65663.位错的运动：高能态到低能态（1）位错的滑移：位错沿着滑移面的移动称为滑移。 对含刃型位错的晶体加切应力，切应力方向平行于柏氏矢量，位错周围原子只要移动很小距离，就使位错由位置(a)移动到位置(b)。微观上的位错运动宏观上的塑性变形67滑移面滑移台阶 刃型位错移动的方向与柏氏矢量b的方向一致，和位错线垂直，由此决定了刃型位错的滑移面。68螺型位错： 沿滑移面运动时，在切应力作用下，螺型位错

37、使晶体右半部沿滑移面上下相对移动了一个沿原子间距。这种位移随着螺型位错向左移动而逐渐扩展到晶体左半部分的原子列。 螺型位错的移动方向与b垂直。此外因螺型位错b 与t平行，故通过位错线并包含b的随所有晶面都可能成为它的滑移面。当螺型位错在原滑移面运动受阻时，可转移到与之相交的另一个滑移面上去，这样的过程叫交叉滑移，简称交滑移。69滑移的特点：（1）滑移是沿着一定的晶面和晶面上一定的晶向进行的。（依据最小阻力原则，实际总是沿着该晶体中原子排列最紧密的晶面和晶向发生）（2）滑移量为原子间距的整数倍；（3）滑移前后晶体位向不变化； （4）滑移的结果会在金属表面上造成台阶，在显微镜下可观察到滑移带，不同

38、的结构其滑移情况不同。7071滑移系： 一个滑移面和该面上的一个滑移方向结合起来组成 在其它条件相同时, 滑移系越多, 金属晶体发生滑移的可能性越大, 金属的塑性越好。其中，滑移方向的作用更显著。这也是Al、Cu (fcc)比-Fe (bcc)的塑性更好的原因。空间取向72二、多晶体的塑性变形 多晶体塑性变形的基本方式与单晶体一样，也是滑移和孪生。但是由于多晶体各晶粒之间位向不同和晶界的存在，使得各个晶粒的塑性变形互相受到阻碍和制约。根据滑移面和滑移方向与外力所处的方位不同可分为：软位向滑移面和滑移方向与外力成450角的晶粒, 受到的应力最大。硬位向滑移面和滑移方向与外力平行或垂直的晶粒, 受到的应力最小。73（一）多晶体的塑性变形过程软位向的晶粒在一定外力作用下，不同晶粒的各滑移系的分切应力值相差很大临界分切应力率先滑移硬位向的晶粒未达到临界值位错在晶界处受阻、堆积应力集中分切应力外力叠加滑移已变形的晶粒发生转动, 由原软位向转至较硬位向, 而不能继续滑移，以此反复。74多晶体的塑性变形特点多晶体金属的塑性变形是晶粒分批地、逐步地发生；变形由少数晶粒开始, 逐步扩大到多数晶粒, 直到全部；变形是从不均匀变形逐步发展到均匀的变形，不同的结构情况其变形不同。小