海南大材料科学基础课件Chapter 3-1 晶体缺陷-点缺陷、位错

第三章晶体缺陷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…理想晶体结构实际晶体结构晶体缺陷的由来理想晶体所有质点都在自己的结点位置，质点严格按照空间点阵排列实际晶体与理想的点阵结构发生偏离(位置、组成)，存在着各种各样的结构的不完整性原子（或离子、分子）的热运动，晶体的形成条件、冷热加工过程和其他辐射、杂质等因素的影响。①晶体缺陷的定义晶体缺陷：晶体结构中与理想的点阵结构发生偏差的区域，即晶体中原子正常周期性排列遭到破坏的区域。

晶体缺陷普遍存在晶体缺陷数量上微不足道缺陷的存在只是晶体中局部的破坏。因为缺陷存在的比例毕竟只是一个很小的量（通常情况下）。例如20℃时，Cu的空位浓度为3.8×10-17，充分退火后Fe中的位错密度为10-12m-2（空位、位错都是以后要介绍的缺陷形态）

平移对称性的示意图平移对称性的破坏点缺陷（零维缺陷）--原子尺度的偏离.

例：空位、间隙原子、杂质原子等线缺陷（一维缺陷）--原子行列的偏离.

例：位错等面缺陷（二维缺陷）--表面、界面处原子排列混乱.

例：表面、晶界、堆积层错、镶嵌结构等体缺陷（三维缺陷）--局部的三维空间偏离理想晶体的周期性例：异相夹杂物、孔洞、亚结构等按缺陷的几何形态②分类热缺陷杂质缺陷非化学计量缺陷其它原因：电荷缺陷，辐照缺陷等按缺陷产生的原因空位间隙原子小置换原子大置换原子点缺陷破坏了原子的平衡状态，使晶格发生扭曲，称晶格畸变使强度、硬度提高，塑性、韧性下降；与材料的电学性质、光学性质有关；影响材料的高温动力学过程(扩散、相变、固相反应、烧结)；对耐腐蚀性和化学反应性能也有较大影响线缺陷（位错）的产生及运动与材料的韧性、脆性密切相关空位缺陷大置换原子③缺陷与材料性能的关系研究缺陷的意义：由于缺陷的存在，才使晶体表现出各种各样的性质，使材料加工、使用过程中的各种性能得以有效控制和改变，使材料性能的改善和复合材料的制备得以实现。因此，了解缺陷的形成及其运动规律，对材料工艺过程的控制，对材料性能的改善，对于新型材料的设计、研究与开发具有重要意义海蓝宝石含Fe2+的绿柱石Be3Al2[Si6O18]GGG激光晶体掺钕钆镓石榴石(Nd:GGG)点缺陷：固有的

空位、自间隙原子

外来的

杂质原子，原则上可看成固溶体

Pt表面的STM像

1.点缺陷：任何方向尺寸都远小于晶体线度的缺陷区

空位：(a)无原子的阵点位置

间隙原子：(d)挤入点阵间隙的原子

肖特基缺陷：(c)离子对空位

弗兰克尔缺陷：(e)等量的正离子空位和正离子间隙(b)双空位间隙原子

间隙原子是提高金属材料强度一种重要方式处于晶格间隙中的原子即为间隙原子。在形成弗仑克尔空位的同时，也形成一个间隙原子，另外溶质原子挤入溶剂的晶格间隙中后，也称为间隙原子，他们都会造成严重的晶体畸变间隙原子也是一种热平衡缺陷，在一定温度下有一平衡浓度，对于异类间隙原子来说，常将这一平衡浓度称为固溶度或溶解度杂质（异类）原子定义：

任何纯金属中都或多或少会存在杂质,即其它元素,这些原子称杂质（异类）原子热缺陷的两种基本形式弗伦克尔缺陷肖特基缺陷热缺陷：

热起伏促使原子脱离点阵位置而形成的点缺陷。热缺陷示意图金属晶体：弗兰克尔缺陷比肖特基缺陷少得多离子晶体：结构配位数低-弗兰克尔缺陷较常见结构配位数高-肖特基缺陷较重要化合物离子晶体中的两种点缺陷肖特基缺陷弗兰克尔缺陷

当晶体中剩余空隙比较小，如NaCl型结构，容易形成肖特基缺陷；当晶体中剩余空隙比较大时，如萤石CaF2型结构等，容易产生弗仑克尔缺陷思考题：

为什么CaF2比NaCl容易形成弗仑克尔缺陷？据其晶体结构简要解释

Nv=Nexp(-)Qv

kT

N为总的原子数密度；Qv为空位形成能；

空位数Nv与温度有关，温度升高，空位数增加。与空位形成能有关。点缺陷的平衡浓度定义：热力学分析表明：在高于0K的任何温度下，晶体的最稳定状态是含有一定浓度的点缺陷的状态，这个浓度就称为在该温度下晶体中点缺陷的平衡浓度。计算铜在1000oC时每立方米平衡态空位数。已知空位形成能为0.9eV/原子；铜的原子量和密度分别63.5g/mol和8.40g/cm3例1例2求解1cm3BCC结构Fe的空位数，密度7.87g/cm3，Fe的摩尔质量55.847g/mol，晶格常数为2.866×10-8cm解:单位晶胞内空位数应为2.00—1.9971=0.0029例3计算铜在室温下的的平衡空位浓度(25℃)，R为8.3145J·K−1·mol−1，ΔGv为83.68KJ/mol

如需将铜的空位浓度提升至室温的1000倍，需要加热到多少度？解:

例4已知金属铝属立方晶系,空间点阵型为FCC,晶格常数a为4.049×10-8

cm,密度2.6790g/cm3，分子量为26.98，求金属铝单位体积(cm3)中的Schottky缺陷空位数解:对于面心立方FCC，单位晶胞原子数n=4例5MgO晶体的肖特基缺陷生成能为84KJ/mol，计算该晶体1000K和1500K的缺陷浓度解:单晶体强度：理论与实验之间存在巨大的差距理论值：103～104MPa实验值：1～10MPa存在着某种缺陷——位错位错概念的提出位错的运动（逐步传递）晶体的逐步滑移透射电镜下钛合金中的位错线(黑线)高分辨率电镜下的刃位错（白点为原子）

上世纪50年代，位错模型为试验所验证研究位错的意义：塑性变形、晶体生长、扩散烧结、固相反应TEM下的位错线

线缺陷(位错)：仅一维尺寸可与晶体线度比拟的缺陷一或数列原子发生有规则的错排

EF⊥BB’

1)

棱位错(刃位错)

位错线与滑移方向(柏格斯矢量)垂直压力、拉力一般把多出的半原子面在滑移面上边的称为正刃型位错，记作⊥由于应力作用使晶体内部质点排列变形，原子行列间相互滑移所形成的线状缺陷刃型位错线可理解为晶体中已滑移区与未滑移区的边界线，它不一定为直线，也可以为折线或者曲线，但必与滑移方向垂直，也垂直于滑移矢量。晶体凝固过程中原子错排；高温空位快冷后保留，并聚合为空位片；应力作用下晶体内局部区域滑移。刃型位错形成原因

2）螺旋位错：

位错线与滑移方向(柏格斯矢量)平行与位错线垂直的平面在螺旋斜面受剪切力作用易发生AD∥B’B立方晶体右侧受到切应力τ作用，其右侧上下两部分晶体沿滑移面ABCD发生了错动，已滑移区和未滑移区的边界线平行于滑移方向。图b中是bb′附近原子排列的俯视图。圆点.表示滑移面ABCD下方原子，圆圈O表示滑移面上方原子。可见aa′右边晶体上下层原子相对错动了一个原子间距，而在bb′和aa′之间出现了上下层原子位置不相吻合的过渡区。若以位错线bb′为轴线，从a开始按顺时针方向依次连接过渡区的各原子，其走向与一个螺旋线的前进方向一样如图c所示。即位错线附近原子是按螺旋形排列的，因此这种位错称为螺型位错。螺位错与晶体生长理想晶体的生长有螺位错的晶体的生长要快得多．在剪切晶面处不仅有二面角，而且螺位错附近可视为变形的三面角，原子首先围绕螺位错旋转堆积生长3)混合位错A与B之间位错既不垂直也不平行于滑移矢量，每一段位错线都可分解为刃型和螺型两个分量更为普遍的位错讨论：图中何处是刃位错和螺位错？位错有两个特征：一个是位错线的方向，它表明给定点上位错线的方向，如EF，AD，用单位矢量ξ表示，另一个是为了表明位错存在时，晶体一侧的质点相对另一侧质点的位移，用一个柏格斯矢量b

表示。它是指该位错的单位滑移距离，其方向和滑移方向平行

b·ξ=0相互垂直，纯棱位错

b·ξ=-b相互逆向平行，纯螺旋位错柏格斯矢量(BurgersVector)柏格斯回路伯格斯回路只是把存在于位错周围原子间距的畸变量叠加在一起，其总的结果就是伯格斯矢量。刃型位错，位错线与柏氏矢量垂直MNOPQMNOPQ柏氏矢量用柏氏回路确定伯氏矢量：

首先选定位错线的正向(ξ)，通常规定出纸面的方向为位错线的正方向

右手螺旋法则确定回路的方向：右手拇指－位错线正向，四指－柏氏回路方向

在实际晶体中，围绕位错(避开严重畸变区)以一定的步数作一闭合回路(称柏氏回路)

在完整晶体中按同样的方向、步数作相同的回路，该回路并不封闭

由终点向起点引一矢量，使该回路闭合，这个矢量

就是实际晶体中位错的柏氏矢量螺型位错柏氏矢量的确定(a)有位错的晶体(b)完整晶体柏氏矢量在有缺陷区作回路，定出步数，闭合；在无缺陷区走同样的步数，始点、终点不闭合。终点Q到始点M的大小和方向为

螺型位错，位错线与柏氏矢量平行。右手规则：拇指----位错线方向

四指转向-----柏格斯回路转向

晶体中存在弯曲的位错线ab，在线上各点的方向就是从各点作位错线切线的方向，以右手大拇指指向表示位错线方向，其余四指转向就是伯格斯回路转向，并规定a点位错线方向指向晶面内，则b点处位错线方向必须朝向晶面外。位错的正负螺型位错：

右螺：与位错线同向平行；

左螺：与位错线逆向平行。刃型位错：右手三指定则多的半排原子面在滑移面上侧为正刃；在下侧为负刃柏氏矢量的大小和方向要用它在各个晶轴上的分量，即点阵矢量a，b，c来表示。对于立方晶系，由于a=b=c