材料科学基础多媒体第二章晶体缺陷.doc

图 3－1 空位和间隙原子第三章 晶体缺陷晶体结构完整幷规则排列只是理想情况由于原子的热震动以及晶体的形成过程、加工过程及使用过程中将受到各种条件的影响,在实际晶体结构中原子（离子或原子团）并非完整规则排列，且存在各种不完整性即晶体缺陷依据缺陷尺寸特征分为三类：点缺陷、线缺陷和面缺陷①点缺陷（point Defect ）: 空位和间隙原子②线缺陷（Line Defect）：位错③面缺陷（Place Defect）：晶界、相界、表面和堆垛层错§3.1 点缺陷点缺陷包括空位（vacancy）和间隙原子(Self-interstitial)一. 空位和间隙原子(一) ．点缺陷的形成由于原子的热运动和能量起伏是某些原子具有较高的能量从而脱离了平衡位置，从而迁移到其它位置而形成“空位”或“间隙原子” 能量起伏：对金属进行加热、变形、结晶及高能离子轰击等使微小体积偏离体系平均能量的现象二） ．点缺陷的类型依据原子的去向将空位分为：1.肖脱基空位（简称肖氏空位）肖氏空位：离位原子迁移到外表面或内界面（如晶界等）处这种空位成为肖氏空位肖氏空位在晶内只留下空位2.弗兰克尔空位（简称弗氏空位）弗氏空位：离位原子迁移到晶体点阵的间隙中，空位和间隙原子同时存在的空位。

动作：首先做一个完美晶体，然后分别出现图中所示的图形（空位处的原子作一个虚线原子，大小与白圈原子相同）并且分别闪烁，以示区别异类图 3－2 肖脱基空位和弗兰克尔空位（a）肖脱基空位（b）弗兰克尔空位动作：两图分别作出 a)图先做完美晶体，然后将空位处原子一次照图中拉出晶体外面b）图同样作完美晶体，再照图中将空位处原子拉进间隙中23.间隙原子间隙原子可以是晶体同类原子（称自间隙原子） ，也可以是外来的异类间隙原子（包括间隙溶质原子和置换溶质原子） ，如图 3－1 所示二. 点缺陷的平衡浓度由于能量起伏和原子热振动，点缺陷将不断产生、运动和消亡点缺陷是热力学稳定的缺陷－即在一定温度下及有一定数量的空位浓度（C） C ＝ ＝Aexp 由此式可知: T 越高, C 也越大.NnKTuv……空位数(n)与原子总数(N)之比.UV…….一个空位的形成能K……..波尔茲曼常数 1.38×10－23 J/mole.KT………绝对温度(℃) A 为常数推导如下:设想有 N 个结点的晶体,在 T 温度时理想晶体的自有能为 G = U-TS（无空位时，TS-束缚能，U-内能，S－熵， T－绝对温度）设有 N 个空位形成， △G＝△U－T△S空位地形成导致内能的增加， △U ＝ n U V ( UV –一个空位形成能 )空位地形成导致熵值的增加，△S ＝ n S f + ScSf –原子振动熵即一个原子形成时引起原子振动造成原子混乱度变化.Sc –晶体排列熵即晶体中不同排列组态引起原子混乱度变化.△G＝△U－T△S ＝n U V – T(n Sf + Sc) ……………………①依据统计力学可知: S = K Lnω ω＝ !(nNω-微观组态数 ∴ S C = K Lnω= K Ln ……………………②!)(当 N 和 n 很大时可用斯特林近似公式:3Ln x! = x Ln x – x ∴②式可以写成: S C = K [(N+n)Ln(N+n)-NLnN-NLnn] ……………………③将③式代入①式得 △G = n U V – T (n Sf+ Sc)△G = n U V – T n Sf+TK [(N+n)Ln(N+n)-NLnN-NLnn]在 T 温度时含有 n 各空位的晶体的自由能取得最小值得条件是: ＝0nG∴ U V – TSf －KT Ln ＝0 nN∵U V ，S f不是 n 的函数∴与 n 无关，只取决于温度与结构。

∴ Ln = NKTSfV∴当 nb2a（3）体心立方结构中的单位位错在体心立方结构中最短的点阵矢量是由原点到 C 点，＝ = n ＝n× [111] ， （n＝1）bOCt2aB0C图 3－36 bcc 的单位位错B32此短的为 = a [100] , ＞OBBOC所以体心立方结构中的单位位错为 ＝ b2a（4）密排六方结构中的单位位错＝ b3a22．面心立方结构中的部分位错（1）堆垛层错（stacking fault ）fcc 结构的密排晶面为{111} ，沿方向呈 ABCABCABC…………. 或写成△△△△△△………………堆垛堆垛层错：某层原子面原子所处位置发生有规律的错排如图 3－37 所示① 滑移型堆垛层错－产生层错后原子的堆垛为：△△ △△△△……………… 堆垛即第四排原子由 A 位置沿方向滑移到 B 位置；B 层原子由 B 位置沿同样方向滑移到 C 位置；C 层原子滑移到 A 位置………….滑移前：ABCABCABC………….或 △△△△△△………………滑移后：ABCBCABCA………….或△△ △△△△……………② 抽出型堆垛层错滑移前：ABCABCABC……… 或 △△△△△△………………滑移后：ABC(A)BCABC……… 或△△ △△△△ ……………③ 插入型堆垛层错滑移前：ABCABCABC……… 或 △△△△△△………………滑移后：ABCBABCABC……… 或△△ △△△△……………图 3－37 滑移型堆垛层错↑B↓33（2）面心立方结构中的部分位错① 肖克莱部分位错（Shockley partial dislocation ）(滑移型堆垛层错)部分位错－层错区与完整区的边界线。

部分位错是一种层错A） 在 A1 结构中，选纸面为（ 10）晶面（ 10）⊥（111） ，其交线为 ，晶11OA向指数为[11 ]，如图 3－38 所示2（B ） 在（111）晶面上使某层原子沿[11 ]方向（图中的 M 方向）发生滑移，即 A2位置沿[11 ]方向滑移到 B 位置；B 层原子由 B 位置沿同样方向滑移到 C 位置；C 层原子滑移到 A 位 置………….于是在 M 点产生肖克莱部图 3－38 肖克莱部分位错及其的柏氏矢量（滑移型）（ 101）A（111）[ 10] 1[11 ]2O[11 ]2纸面为（ 10）1（111）34分位错如图 3－38 所示滑移矢量是： 矢量的 大小OA31（C）肖克莱部分位错的柏氏矢量 ＝ . [11 ]＝ [11 ]（ ＝ ）b2a62t31（D）肖克莱部分位错的性质： ＝ [11 ] 与位错线相垂直因此是刃型位错可滑6移面（111）＝易滑移面（111）故为滑移型位错相当于层错面的扩大或缩小肖克莱部分位错分两种：刃型位错和螺型位错肖克莱部分位错；滑移矢量为 ＝ [11 ]层错区与完整区的分界线，可滑移型位错b6a2②弗兰克部分位错（Frank partial dislocation ）- 插入或抽出型（以抽出型为例）（A）在 A1 结构中，选纸面为（ 10）晶面，当完整晶体抽出 B 层(111) 晶面后，1(111)晶面的堆垛次序由 ABCABCABC……… 或 △△△△△△…………；变为[111] (111)M纸面（ 10）1图 3－39 弗兰克部分位错及其柏氏矢量（抽出型）35ABC(A)BCABC……… 或△△ △△△△………… 。

于是产生堆垛层错如图－39 的 M 点处，即为弗兰克部分位错B ） 弗兰克部分位错的柏氏矢量：B 层原子抽出， （111）原子面 A、C 层沿[111]方向协调一个原子面间距，滑移矢量为 大小，所以， = [111] 31][b3a（C）弗兰克部分位错的性质：因为 与位错线相垂直因此是刃型位错但是可滑移面是柱面≠易滑移面，因此是不可滑移型位错；但是可以攀移小结：一．肖克莱部分位错1．肖克莱部分位错是由滑移型堆垛层错而形成的不全位错2．其柏氏矢量为 ＝ 层错区与完整区的分界线b6a23．可滑移面（111）＝易滑移面（111）故为滑移型位错相当于层错面的扩大或缩小4．肖克莱部分位错分刃型位错和螺型位错两种二．弗兰克部分位错1．弗兰克部分位错是由插入或抽出型堆垛层错而形成的不全位错2．其柏氏矢量为 ＝ 层错区与完整区的分界线b3a3．可滑移面是柱面≠易滑移面（111） ，因此是不可滑移型位错；但是可以攀移，层错面扩大为正攀移，层错面缩小为负攀移4．是纯刃型位错三）位错反应与扩展位错一个位错可以分解为两个位错或两个位错合成为一个位错即发生了位错反应→ ＋ ， ＋ ＝ 1b23b12b31．位错的分解36有为错存在便有位错能，为措是热力学非稳定缺陷，从热力学角度讲，位错应变能越低稳定。

W＝ Gb2 )1（1）位错分解的条件（判据）：必须满足下列条件位错反应才能进行柏氏矢量守恒定律； ＝ 前b前能 量 条 件； ＞ 前W前（2）面心立方结构中位错的分解;若 A 为（111）晶面第一层原子位置，第二层原子位置用 B 表示在切应力作用下，B 层原子沿[ 10]方向由 B1 位置滑移到 B2 位置，滑移矢量为1＝ [ 10] ，但是该滑移所需能量较高，该滑移矢量可由 和 的滑移矢量所代1b2a b3替即 ＝ ＋ ，即发生了位错的分解如下列位错反应如图 3－40 所示123b[ 10] → 2 ] ＋ [ 11]a1[6a验证位错反应可否进行：结构条件－因为， ＝ [ 10]，前b2a1前b＝ [ 30]＝ [ 10]6a321 B1 B2C 1b23图 3－40 面心立方结构（111）面上位错的分解37所以 ＝ 前b前能量条件－b 12 = ，b 22 ＋ b32 ＝ ＋ ＝ ，所以 ＞ a6a2a前W前所以该位错反应 [ 10] → 2 ] ＋ [ 11] 能够进行1[62．扩展位错及其运动由上面的位错分解可以看出：一个全位错可以分解成两个肖克莱部分位错，中间必然夹一个层错。

上面反应式 可写成：→ ＋ 1b23b[ 10] 2 ] ＋ [ 11] ＋层错2a1[6a（1） 扩展位错：两个肖克莱部分位错中间夹一层错，此位错组态为扩展位错2）层错带的宽度（d）为刃型位错， ， 为混合型位错在扩展位错中不全位错可以分解成螺型分量1b2b3和刃型分量即： ， 为螺型分量； ， 为刃型分量如图 3－34 所示'' '2b'3， 同号刃型位错相互排斥， ， 异号螺型位错相互吸引'2'3 ''单位长度相互吸引力（或排斥力）F d = 2.(G3前G－弹性模量，d－层错带宽度，F d－作用在单位长度位错线上的力在层错区必然产生层错能（ ）和线张力，设单位长度的线张力＝单位面积的层错能即 Fd ＝ 时表面张力与斥力处于平衡状态所以： ＝ ， d ＝ ， ＝b 2b3Cosθd2b.(G3前 2)b.(G332.因此层错带的宽度 d 取决于：（111）图 3－41 （111）晶面上的扩展位错d1b38图 3－42 螺位错的交滑移（ 111）（1 1）1b① 的大小和方向b② 材料的层错能大小，d 越大，越易于形成扩展位错 越大，d 越小（如 Al 元素）， 越小，d 越大（如 Ni 元素） 。

3） 扩展位错的交滑移和“束集”（只有螺型位错才可交滑移）柏氏矢量为 的单位螺位错在切应力1b的作用下可以沿着（ 11）和（1 1）晶面上进行交滑移滑移过程如下：① 首先 ＝ [110]的螺位错在（ 11）晶面12a内分解为扩展位错即： → ＋ 1b23b[ 10] 2 ] ＋ [ 11] ＋层错 如图 3－43 的（a）图2a11[6a② 扩展位错的“束集”扩展位错在切应力作用下一旦在某处（如 A 处）运动受阻将发生位错的“束集”位错的“束集”。