材料物理晶体缺陷全讲义.ppt

2.3 晶体缺陷,材料的实际晶体结构 点缺陷 位错的基本概念 位错的弹性特征 晶体中的界面,,2.3.1 材料的实际晶体结构,一、多晶体结构,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“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”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“晶粒”晶界：晶粒与晶粒之间的分界面叫“晶粒间界”，或简称“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二、多晶体的组织与性能：,组织：多晶相的种类，晶粒的大小、形态、取向和分布，位错、晶界的状况伪各向同性：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。

性能：,组织敏感的性能：强度、断裂韧度、延性、超塑性 组织不敏感的性能：弹性模量,三、晶体中的缺陷概论,晶体缺陷： 即使在每个晶粒的内部，也并不完全象晶体学中论述的(理想晶体)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，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料的性能带来巨大的影响晶体缺陷按范围分类：,点缺陷 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 线缺陷 在三维空间的一个方向上的尺寸很大(晶粒数量级)，另外两个方向上的尺寸很小(原子尺寸大小)的晶体缺陷其具体形式就是晶体中的位错Dislocation 面缺陷 在三维空间的两个方向上的尺寸很大(晶粒数量级)，另外一个方向上的尺寸很小(原子尺寸大小)的晶体缺陷2.3.2 点缺陷,点缺陷：在三维空间各方向上尺寸都很小，在原子尺寸大小的晶体缺陷一、点缺陷的类型 ：,空位 在晶格结点位置应有原子的地方空缺，这种缺陷称为“空位” 间隙原子 在晶格非结点位置，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，也可能是异类原子。

异类原子 在一种类型的原子组成的晶格中，不同种类的原子替换原有的原子占有其应有的位置二、点缺陷的形成,弗仑克耳缺陷：原子离开平衡位置进入间隙，形成等量的空位和间隙原子 肖特基缺陷：只形成空位不形成间隙原子金属： 离子晶体： 1 负离子不能到间隙 2 局部电中性要求,(1) 淬火法,将晶体加热到高温,形成较高的空位浓度,然后由高温快速冷却,使空位在冷却过程中来不及消失,就得到包含有过剩空位的晶体,从而形成非平衡空位浓度. 其优点是得到单纯的过饱和空位,而且还可以从过饱和空位的消失过程来研究空位的移动能2) 塑性变形法,在塑性变形时将产生点缺陷,同时也产生大量的位错,而间隙原子是否增加尚未察觉到 缺点是在室温附近进行塑性变形时,空位和位错都增加,而且位错增加很显著,对晶体性能的影响很大, 因此不适合用于研究空位的行为3) 高能粒子辐照法,晶体在高能粒子(高速中子、重粒子、电子等)的辐照下，其原子受到碰撞.原子受到碰撞后,有可能形成弗仑克耳空位和间隙原子.,根据经典碰撞理论,可求出粒子在弹性碰撞后的能量转移的极大值Em，即为 式中 M1为碰撞粒子的质量,EK为碰撞粒子的动能:M2为被碰撞粒子的质量，其碰撞前动能为0(忽略热运动)．当M1 M2的情况下,可写为,热力学分析表明，在高于0K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 1. 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“空位形成能”三、点缺陷的平衡浓度,在一摩尔的晶体中如存在n个空位，晶体中有N=6.023X1023个晶格位置，这是空位的浓度为x=n/N，系统熵值为：,空位的出现提高了体系的熵值,设每个空位的形成能为u，空位浓度为x时自由能的变化为：,2. 利用过饱和空位浓度求空位形成能Q及空位移动能QM,将金属从高温进行淬火，得到过饱和空位浓度，与具有平衡空位浓度的同种金属相比，在物理性能方面有下列几点不同： (1)电阻率大; (2)密度小; (3)热容量大 从而可以通过对高温淬火后的性能进行测定,求得空位形成能Q; 通过对在淬火后不同时间的性能变化的测定,求得空位移动能QM1）空位对电阻的影响,原理： 定向流动的电子在点缺陷处受到非平衡力(陷阱)，增加了阻力，加速运动提高局部温度(发热) 金属的电阻主要来自离子对传导电子的散射在完整晶体中，电子基本上是在均匀电场中运动，而在有缺陷的晶体中，在缺陷区点阵的周期性被破坏，电场急剧变化，因此对在晶体 内运动的电子发生强烈散射，因此增加了电阻。

四、点缺陷对材料性能的影响,对铜和金作精密的电阻测量，得出电阻率与绝对温度之间的关系曲线如右图：,电阻率与绝对温度之间关系可用下式表示：ρ=A+BT+CT2+Dexp（-Q/kT） 式中A、B、C及D为系数，前三项为一般热振动所引起的电阻率增加，第四项为空位引起的附加电阻率 即Δρ=Dexp(-Q/kT) 也可以写成 lnΔρ=lnD-Q/kT,lnΔρ 与1/T的关系曲线如下：,结论：由上式可知电阻的增加与空位浓度成比例关系，当温度增加时，金属晶体除了一般随原子热振动增加而增加的电阻以外，在接近熔点时由于空位浓度的增加，也有与空位浓度成比例的附加电阻的增加由直线的斜率可求得空位的形成能Q2)空位对体积的影响,为了在晶体内部产生一个空位，需要将该处的原子移到晶体表面上的新原子位置，这就导致了晶体体积的增加假设增加一个空位，晶体体积为一个原子的体积v,温度升高时，由于空位数目的增加，所以晶体除普通热膨胀外，还要出现附加膨胀ΔV若空位增加量为Δn，则ΔV=vΔn又若晶体体积为V,其中有原子数为N,当温度上升时，晶体体积随空位增加而增加可表示为,,,,,由平衡空位浓度公式 对温度微分，可求得 代入(1)式得,,,,,,,也可写成 可见 对1/T是直线关系。

根据实验结果做图，求出直线的斜率即为空位的形成能空位的形成使其邻近原子产生松弛，所以晶体体积增加比一个原子体积要小些3)空位对比热的影响,由于形成点缺陷需要向晶体提供附加的能量（空位生成焓），因此引起附加比热容假设在一摩尔分子的晶体分子的晶体中有n个空位；形成一个空位的能量为Q；有n个空位的晶体内能增加为ΔU=nQ, 代入（1）得： 设Δcp为由于空位存在而引起的比热增加，则,,,也可写成 由上式可知 与 1/T之间的关系为直线关系，斜率也可以求出空位形成能另外，无论何种点缺陷的存在，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效果：,加快原子的扩散迁移 空位可作为原子运动的周转站 形成其他晶体缺陷 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 改变材料的力学性能 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子的存在会增加位错的运动阻力，会使强度提高，塑性下降2.3.3 位错,线缺陷： 在三维空间的一个方向上的尺寸很大(晶粒数量级)，另外两个方向上的尺寸很小(原子尺寸大小)的晶体缺陷其具体形式就是晶体中的位错Dislocation。

将晶体的上半部分向左移动一个原子间距，再按原子的结合方式连接起来(b)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子面，这就是刃型位错一、位错的原子模型,(a) (b) (c),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(b)类似排列方式(转90度)，这也是刃型位错若将晶体的上半部分向后移动一个原子间距，再按原子的结合方式连接起来(c)，同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好的晶体而在分界线的区域形成一螺旋面，这就是螺型位错a) (b) (c),螺型位错 ：,二、柏氏矢量,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(Burgers)矢量柏氏矢量与位错类型的关系：,刃型位错 柏氏矢量与位错线相互垂直 (依方向关系可分正刃和负刃型位错：半原子面在上面的称正刃型位错，半原子面在下面的称负刃型位错) 螺型位错 柏氏矢量与位错线相互平行。

(依方向关系可分左螺和右螺型位错：根据原子旋转方向的不同,螺型位错可分为左螺型和右螺型位错,通常用拇指代表螺旋前进方向，其余四指代表螺旋方向，符合右手法则的称右螺旋位错；符合左手法则的称为左螺型位错) 混合位错 柏氏矢量与位错线的夹角非0或90度柏氏矢量守恒：,①同一位错的柏氏矢量与柏氏回路的大小和走向无关 ②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,三、位错的运动,滑移面：过位错线并和柏氏矢量平行的平面(晶面)是该位错的滑移面 位错的滑移运动：位错在滑移面上的运动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中有一刃型位错，显然位错在晶体中发生移动比整个晶体移动要容易因此， ①位错的运动在外加切应力的作用下发生； ②位错移动的方向和位错线垂直； ③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(滑移)； ④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，移动过的区间右边晶体向下移动一柏氏矢量。

因此，,刃、螺型位错滑移的比较： ①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，螺型位错无论在哪个方向移动都是滑移 ②晶体两部分的相对移动量决定于柏氏矢量的大小和方向，与位错线的移动方向无关①螺位错也是在外加切应力的作用下发生运动； ②位错移动的方向总是和位错线垂直； ③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(滑移)； ④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刃型位错综合位错的运动： 分析一位错环的运动,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，在切应力τ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，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，位错环将缩小，最后消失位错环存在时，环所在区间原子已经偏后一原子间距，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a）未攀移,(b)正攀移 （半原子面缩短）,（c）负攀移（半原子面伸长）,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位错发生攀移运动时相当于半原子面的缩短或伸。