材料科学基础 第三章晶体缺陷

绪论

第一章原子结构与键合

第二章固体结构

第三章晶体缺陷

第四章固体中原子及分子的运动

第五章材料的形变与再结晶

第六章单组元相图及纯晶体的凝固

第七章二元相图及其合金的凝固

材料科学基础5/1/20241第三章晶体缺陷

Imperfections(defects)inCrystals

Itisthedefectsthatmakesmaterialssointeresting,justlikethehumanbeing.Defectsareattheheartofmaterialsscience.材料中的缺陷宏观缺陷：孔洞，裂纹，氧化，微观缺陷：晶体缺陷非晶体缺陷腐蚀，杂质…5/1/20242实际晶体中的缺陷晶体缺陷：晶体中各种偏离理想结构的区域根据几何特征分为三类点缺陷（pointdefect)三维空间的各个方向均很小零维缺陷(zero-dimensionaldefect)线缺陷（linedefect)在二个方向尺寸均很小面缺陷（planedefect)在一个方向上尺寸很小一维缺陷(one-dimensionaldefect)二维缺陷(two-dimensionaldefect)5/1/202433.1点缺陷点缺陷：空位、间隙原子、溶质原子、和杂质原子、+复合体（如：空位对、空位-溶质原子对）1、点缺陷的形成（productionofpointdefects)原因：热运动：热振动强度是温度的函数能量起伏=〉原子脱离原来的平衡位置而迁移别处=〉空位(vacancy)Schottky空位，-〉晶体表面Frenkel空位，-〉晶体间隙空位消失或移位5/1/20244肖脱基缺陷——原子迁移到表面——仅在晶体内部形成空位弗兰克缺陷——原子迁移到间隙中——形成空位-间隙对杂质或溶质原子——间隙式（小原子）或置换式（大原子）*点缺陷分类：5/1/202453.2位错–线缺陷实验观察：位错的“线索”或“影子”晶体中的生长螺旋二维球泡阵列中的位错变形晶体表面的滑移位错概念的提出（一）5/1/20248单晶体强度：理论与实验之间的巨大误差理论值：根据刚性相对滑动模型得到tc=103~104MPa实验值：tc=1~10MPa，相差甚远位错概念的提出（二）1934年，Taylor等提出位错的概念，认为存在着某种缺陷--位错，模型：位错的运动（逐步传递）=>晶体的逐步滑移，计算证实理论屈服强度接近实验值。后来实验观察到实际位错。5/1/202493.2.1位错的基本类型和特征a.刃型位错edgedislocationb.螺型位错screwdislocation根据几何结构特征：5/1/202410特征：

1）有一额外原子面，刃口处的原子列称为位错线。半原子面在上,正刃型位错┻；下为负刃型位错┳2）刃位错的位错线不一定是直线，可以是折线，也可以是曲线，但位错线必与滑移矢量垂直。

3）位错线垂直于滑移矢量，位错线与滑移矢量构成的面是滑移面，刃位错的滑移面是唯一的。4）刃型位错周围的晶体产生畸变，上压，下拉，半原子面是对称的，位错线附近畸变大，远处畸变小。5）位错周围的畸变区一般只有几个原子宽（一般点阵畸变程度大于其正常原子间距的1/4的区域宽度，定义为位错宽度，约2~5个原子间距。）*畸变区是狭长的管道，故位错可看成是线缺陷。a.刃型位错edgedislocation5/1/202411b.螺型位错screwdislocation1）无额外半原子面，原子错排是轴对称的2）分左螺旋位错，符合左手法则；右螺旋位错，符合右手法则3）位错线与滑移矢量平行，且为直线，位错线的运动方向与滑移矢量垂直4）凡是以螺型位错线为晶带轴的晶带所有晶面都可以为滑移面。5)点阵畸变引起平行于位错线的切应变，无正应变。6）螺型位错是包含几个原子宽度的线缺陷。位错线bb’：已滑移区和未滑移区的边界线特征：5/1/202412混合位错滑移矢量既不平行也不垂直于位错线，而是与位错线相交成任意角度，一般混合位错为曲线形式，故每一点的滑移矢量与位错线的交角不同。位错线不能终止于晶体内部，只能露头于晶体表面5/1/2024131。首先选定位错的正向；(出纸面的方向)2。然后绕位错线周围作右旋闭合回路-------柏氏回路；在不含有位错的完整晶体中作同样步数和方向的路径，3。由终点向始点引一矢量，即为此位错线的柏氏矢量，记为3.2.2柏氏矢量（BurgersVector）1、柏氏矢量的确定刃型位错5/1/202414各种位错的柏氏矢量5/1/2024151、反映位错周围点阵畸变的总积累（包括强度和方向）2、该矢量的方向表示位错运动导致晶体滑移的方向，而该矢量的模表示畸变的程度称为位错的强度。（strengthofdislocation）2、柏氏矢量的物理意义5/1/2024161、柏氏矢量的守恒性：与柏氏回路起点的选择无关，也与回路的具体途径无关2、柏氏矢量的唯一性：一根位错线具有唯一的柏氏矢量，其各处的柏氏矢量都相同，且当位错运动时，其柏氏矢量也不变。3、位错的连续性：位错线只能终止在晶体表面或界面上，而不能中止于晶体内部（单晶和多晶）；在晶体内部它只能形成封闭的环线或与其他位错相交于结点上。3、柏氏矢量的特性5/1/202417柏氏矢量的大小和方向可用它在晶轴上的分量-------点阵矢量来表示在立方晶体中，可用于相同的晶向指数来表示：

4、柏氏矢量的表示法位错强度位错合并5/1/2024183.2.3位错的运动人们为什么对位错感兴趣？大量位错在晶体中的运动=〉晶体宏观塑性变形力学性能如强度、塑性、断裂都与位错运动有关位错运动的两种基本形式：滑移和攀移5/1/202419滑移面：位错线与柏氏矢量所在平面刃位错的滑移面：位错线与滑移矢量构成的面是滑移面，刃位错的滑移面是唯一的螺位错的滑移面：凡是以螺型位错线为晶带轴的晶带面都可以为滑移面1、位错的滑移滑移：在外加切应力的作用下，通过位错中心附近的原子沿柏氏矢量方向在滑移面上，不断地作少量的位移（小于一个原子间距）5/1/202420滑移时，刃型位错的运动方向始终垂直于位错线，而平行于柏氏矢量刃型位错的滑移仅限于单一的滑移面上5/1/202421螺型位错的滑移螺型位错的滑移不仅限于单一的滑移面上滑移时，螺型位错的运动方向，垂直于位错线和柏氏矢量板书：P945/1/202422螺型位错的交滑移：当某一螺型位错在原滑移面上运动受阻时，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。是滑移的一种特殊方式。滑移受阻后，滑移面的转移。涉及多个滑移面的滑移5/1/2024232、刃型位错的攀移攀移：刃型位错⊥滑移面←多余半原子面的扩大或缩小←原子或空位的扩散5/1/2024243、运动位错的相互作用-交割（略）交割：位错与穿过其滑移面的位错彼此切割意义：有利于晶体强化及空位和间隙原子的产生。5/1/202425割阶与扭折JogandKink所有的割阶都是刃位错；扭折可以是刃位错也可以是螺位错攀移会形成割阶：已攀移段与未攀移段之间的台阶割阶与扭折的定义：板书图3.175/1/2024263.2.4位错的弹性性质（略）5/1/2024273.2.5位错的生成和增殖位错密度：单位体积中的位错线的总长度。

r=L/V（1/cm2）（1）r=nl/lA=n/A（2）（实际计算：面积A中所见的位错线数目）（2）<（1）1、位错的密度5/1/2024282、位错的生成-Important晶体凝固过程中产生的位错：

1、凝固过程杂质原子不均匀分布=>成分不同=>晶块点阵常数不同=>位错过渡2、温度浓度梯度、振动=>生长晶体偏转、弯曲=>位相差=>位错过渡3、相邻晶粒碰撞、体积变化、热应力=>台阶或变形=>产生位错快速凝固=>过饱和空位=>聚集=>位错热应力和组织应力=>界面和微裂纹处应力集中=>局部滑移=>位错5/1/2024293、位错的增殖事实上：密度增加，可达4-5个数量级-位错因此，必有增殖！位错滑移到表面=>宏观变形（减少？）5/1/202430F-R源动作过程刃位错AB的两端A和B被位错用结点钉扎住m,n两处同属纯螺型位错，但位错性质恰好相反，两者相遇时，彼此便会抵消，这使原来整根位错线断开成两部分，外面为封闭的位错环，里面为一段连接A和B的位错线，在线张力作用下变直恢复到原始状态。在外力的继续作用下，它将重复上述过程，每重复一次就产生一个位错环，从而造成位错的增殖，并使晶体产生可观的滑移量。F－R位错增殖机制已为实验所证实：Si，Al-Cu…晶体中观察到主要增殖机制：Frank-Read位错源其它增殖机制：

1、双交滑移增殖；2、攀移增殖5/1/2024313.2.6实际晶体结构中的位错（略）简单立方晶体：柏氏矢量=点阵矢量实际晶体：柏氏矢量=，>,<点阵矢量全位错（perfectdislocation：柏氏矢量=n*点阵矢量n=1时:单位位错

不全位错（imperfectdislocation):柏氏矢量!=n*点阵矢量n<1时:部分位错(partialdislocation)1、实际晶体中位错的柏氏矢量5/1/2024323.3表面及界面（面缺陷）界面包括：外表面（自由表面）和内界面表面：固体与气体或液体的分界面。对于低维材料很重要内界面：晶粒边界、晶粒内的亚晶界、孪晶界、层错、相界面（不同结构，如固溶体与中间相的界面）界面厚度为几个原子层厚，原子排列于成分不同于内部—二维面缺陷5/1/2024333.3.1外表面表面特征：**晶体中的表面张力是各向异性的**表面能与晶体表面原子排列致密度有关，一般为原子密度最大的面–密排面**表面能还与曲率有关：曲率越大，表面能越大（比如纳米粉体）5/1/2024343.3.2晶界和亚晶界晶界定义：组成晶体的多个晶粒中，属于同一固相（具有相同结构）、但位向不同的晶粒之间的界面。大角度晶界和小角度晶界的区别。10o为界5/1/202435亚晶界定义：每个晶粒有时由位向稍有差异的亚晶粒组成，相邻亚晶粒间的界面。事实上，每个晶粒中还可分成若干个更为细小的亚晶粒（0.001mm），亚晶粒之间存在着小的位相差，相邻亚晶粒之间的界面成为亚晶界。亚晶粒更接近于理想的单晶体。位相差一般小于2o，属于小角度晶界，具有晶界的一般特征。5/1/2024361、小角度晶界的结构5/1/202437A、对称倾斜晶界5/1/202438B、不对称倾斜晶界两个自由度5/1/202439C、扭转晶界***一般小角度晶界都可看成两部分晶体绕某一轴旋转一角度而形成，不过该转轴即不平行也不垂直晶界，故可看成一系列刃位错，螺位错或混合位错的网络组成。5/1/2024402、大角度晶界的结构台阶模型（左图）

*相邻晶粒在交界处的形状不是光滑的曲面，而是由不规则台阶组成的，A,B,C,D特征区域

重合位置点阵模型（右图）

**晶界能较低**特殊位向

*晶界可看成是好区与坏区交替相间组合而成的。*一般大角度晶界的宽度一般不超过三个原子间距。5/1/2024413、晶界能晶界能：等于接口区单位面积的能量减去无界面时该区单位面积的能量。也可看成由于晶界上点阵畸变增加的那部分额外自由能。在纯金属中在合金中晶介面积A改变而引起的晶粒内i组元原子数的改变5/1/202442小角度晶界的界面能：P127单位长度刃型位错的能量：

而令则

，故小角度晶界能g是相邻两晶粒之间位相差q的函数，随位向差增加而增大。（3.42）5/1/202443大角度晶界的界面能大角度晶界能与晶粒间的位向差无关，以界面张力形式表现。可通过测定界面交角求出其相对值：如图3.69，三个晶粒相遇，在达到平衡时，在o点处接口张力必须达到力学平衡故测得在平衡状态下，三叉晶界的各面角均趋于最稳定的120°。图3.695/1/2024444、晶界的特性（Important）1）晶界处点阵畸变变大，存在晶界能，故晶粒长大和晶界平直化是一个自发过程2）晶界处原子排列不规则→阻碍塑性变形→Hb，sb↑（细晶强化）3）晶界处存在较多缺陷（位错、空位等）→有利原子扩散4）晶界能量高→固态相变先发生，d↓形核率↑5）成分偏析和内吸附，又富集杂质原子→晶界熔点低→“过烧”现象6）晶界能高→晶界腐蚀速度↑5/1/2024453.3.3孪晶界Twinboundary

孪晶——指两个晶体（或一个晶体的两部分）沿一个公共晶面构成对称的位相关系，这两个晶体就称为孪晶，这个公共的晶面即成为孪晶面

共格孪晶界：即孪晶面，其上的原子同时位于两侧晶体点阵的节点上，为两者共有。无畸变的完全共格界面，界面能（约为普通晶界能1/10）很低很稳定

非共格孪晶界：孪晶界相对于孪晶面旋转一角度，其上的原子只有部分为两者共有，原子错排较严重，孪晶能量相对较高，约为普通晶界的1/2孪晶界图见讲义5/1/202446孪晶的形成孪晶的形成与堆垛层错密度相关，如fcc的{111}面发生堆垛层错时为ABCACBACBA△△△△△△△→△△△▽▽▽▽▽

CAC处为堆