材料科学基础-4.ppt

第二章 晶体缺陷 2.1点缺陷 2.2 位错 2.3 表面及界面• 在实际晶体中，由于原子（或离子、分子）的热 运动，以及晶体的形成条件、冷热加工过程和其 他辐射、杂质等因素的影响，实际晶体中原子的 排列不可能那样规则、完整，常存在各种偏离理 想结构的情况，即晶体缺陷• 晶体缺陷对晶体的性能，特别是对那些结构敏感 性能，如屈服强度、断裂强度、塑性、电阻率、 磁导率等有很大影响另外晶体缺陷还与扩散、 相变、塑性变形、再结晶、氧化、烧结等有密切 关系• 因此，研究晶体缺陷具有重要的理论与实际意义 晶体结构缺陷的类型 按几何形态分类: 1. 点缺陷2. 线缺陷3. 面缺陷1.点缺陷（零维缺陷）缺陷尺寸处于原子大小的数量级上，即三维方向上缺陷的尺寸都很小包括：空位（vacancy）、间隙质点（interstitial particle）、杂质质点（foreign particle） 点缺陷与材料的电学性质、光学性质、高温动 力学过程等有关图2-1 晶体中的点缺陷 (a)空位(b)杂质质点(c)间隙质点2.线缺陷（一维缺陷）指在一维方向上偏离理想晶体中的周期性、规则性排列所产生的缺陷，即缺陷尺寸在一维方向较长，另外二维方向上很短，如各种位错（dislocation）。

线缺陷的产生及运动与材料的韧性、脆性密切相关 图4-2 (a) 刃位错 (b)螺位错(a) (b)3.面缺陷 面缺陷又称为二维缺陷，是指在二维方向 上偏离理想晶体中的周期性、规则性排列 而产生的缺陷，即缺陷尺寸在二维方向上 延伸，在第三维方向上很小，如晶界、相 界等面缺陷的取向及分布与材料断裂韧性有关 图4-3 面缺陷－晶界 2.1 点缺陷 (point defects) 是在结点上或邻近的微观区域内偏离晶体 结构的正常排列的一种缺陷 • 特征：三个方向尺寸都很小，不超过几 个原子间距 • 晶体点缺陷包括空位、间隙原子、杂质 或溶质原子，以及由它们组成的复杂点 缺陷，如空位对、空位团和空位-溶质原 子对等分类方法分别有按照位置、成分和产生原因等不同角度进行分类，不同分类方法可能产生重叠交叉 2.1.1 点缺陷的类型一、 按照位置和成分分类 空位 填隙质点 杂质缺陷 1、空位：正常结点没有被原子或离子所占据，成为 空结点，称为空位或空穴 2、填隙质点：Ø原子或离子进入晶体中正常结点之间的间隙位置，成为填隙原子（或离子）或间隙原子（或离子）Ø从成分上看，填隙质点可以是晶体自身的质点，也可以是外来杂质的质点 3、杂质缺陷：外来杂质质点进入晶体中就会生成杂质缺陷， 从位置上看，它可以进入结点位置，也可以进入 间隙位置 二、 按照缺陷产生原因分类 热缺陷杂质缺陷 非化学计量结构缺陷 1、热缺陷：当晶体的温度高于0 K时，由于晶格上质点热振动，使一部分能量较高的质点离开平衡位置而造成缺陷。

离开平衡位置的原子有三种去处：a 移到晶体表面的正常结点而留下空位：肖特基缺陷（Schottky） b 挤入点阵的间隙位置，晶体中形成数目相等的空位和间隙原子称为弗仑克尔缺陷（Frenkel）C 跑到其他晶体缺陷处而使空位消失或使空位移位图2-4 热缺陷产生示意图（a）弗仑克尔缺陷的形成（ 空位与间隙质点成对出现）（b）单质中的肖特基缺陷的形成（1）弗仑克尔缺陷：在晶格热振动时，一些能量较大的质点离开平衡位置后，进入到间隙位置，形成间隙质点，而在原来位置上形成空位 特点：间隙质点与空位总是成对出现 （2）肖特基缺陷：如果正常格点上的质点，在热起伏过程中获得能 量离开平衡位置迁移到晶体的表面，而在晶体内部正 常格点上留下空位 特点： Ø肖特基缺陷的生成需要一个像晶界、位错或者表面之 类的晶格排列混乱的区域； Ø正离子空位和负离于空位按照分子式同时成对产生； Ø伴随晶体体积增加取 代由于外来质点进入晶体而产生的缺陷填 隙 杂质掺杂量一般较小(~ 0.1%），进入晶体后无论位于何处，均因杂质质点和原有的质点性质不同，故它不仅破坏了质点有规则的排列，而且在杂质质点周围的周期势场引 起改变，因此形成—种缺陷。

2、杂质缺陷：晶体中杂质含量在未超过其固溶度时，杂质缺陷的浓度与温度无关，这与热缺陷是不同的 1-大的置换原子 4-复合空 位2-肖脱基空位 5-弗 兰克尔空位3-异类间隙原子 6-小的 置换原子缺陷产生的能量变化• 形成空位或间隙原子等点缺陷时，其周围区域的原 子偏离平衡位置必然使晶体能量升高，这种由点阵 畸变造成的能量增加称为畸变能• 形成点缺陷时也将导致电子运动状态发生变化而使 晶体能量升高，这种能量增加称为电子能• 形成一个空位或间隙原子所需提供的能量称为空位 形成能或间隙原子形成能平衡点缺陷的浓度 (equilibrium point defect） • 晶体中点缺陷的存在 Ø造成点阵畸变，使晶体的内能升高，降低了 晶体的热力学稳定性； Ø由于增大了原子排列的混乱程度，并改变了 其周围原子的振动频率，引起组态熵和振动 熵的改变，使晶体熵值增大，增加了晶体的 热力学稳定性 • 这两个相互矛盾的因素使得晶体中的点缺陷 在一定的温度下有一定的平衡浓度 点缺陷的产生• ΔU的变化是线性的,TΔS随 着缺陷的增加变化是非线性 的，二者的综合作用是使系 统的总自由能随着点缺陷的 增加先降低，而后又增加。

在一定的温度下，晶体中存 在一个平衡的热力学点缺陷 浓度，在此浓度下，系统最 稳定，自由能最低 • 点缺陷在T温度时的平衡浓度为：Ce：某一种类型点缺陷的平衡浓度； u：该点缺陷形成能; N：晶体的原子总数； ne：平衡点缺陷数目； A：材料常数，其值常取1; K：玻尔兹曼常数, 约为1.38× 10-23J/K；(4-1)• 在一般的晶体中间隙原子的形成能较大 （约为空位形成能的3-4倍） • 因此，在同一温度下，晶体中间隙原子 的平衡浓度C要比空位的平衡浓度C′低 得多 – 在通常情况下，相对于空位，间 隙原子可以忽略不计； – 但是在高能粒子辐照后，产生大 量的弗兰克尔缺陷，间隙原子数就不 能忽略 过饱和点缺陷的产生 (supersaturated point defect)在点缺陷的平衡浓度下晶体的自由能最 低，系统最稳定当在一定的温度下， 晶体中点缺陷的数目明显超过其平衡浓 度时，这些点缺陷称为过饱和点缺陷， 通常 它的产生方式有三种: – 淬火(quenching) – 冷加工(cold working) – 辐照(radiation)1.淬火• 高温时晶体中的空 位浓度很高，经过 淬火后，空位来不 及通过扩散达到平 衡浓度，在低温下 仍保持了较高的空 位浓度,2.冷加工• 金属在室温下进行压 力加工时，由于位错 交割所形成的割阶发 生攀移，从而使金属 晶体内空位浓度增加3.辐照• 当金属受到高能粒子（中子、质子、 氘核、α粒子、电子等）辐照时，晶体中的原子将被击出，挤入晶格间隙中，由于被击出的原子具有很高的能量，因此还有可能发生连锁作用，在晶体中形成大量的空位和间隙原子晶体中的点缺陷处于不断的运动状态．当空位周围原子 的热振动动能超过激活能时，就可能脱离原来结点位置 而跳跃到空位。

正是靠这一机制．空位发生不断的迁移 ，同时伴随原子的反向迁移间隙原子也是在晶格的间 隙中不断运动点缺陷的迁移• 由于热运动，间隙原子也可由一个间隙 位置迁移到另一个间隙位置空位和间隙 原子迁移也会引起点阵畸变，引起能量 升高• 空位或间隙原子迁移所需要克服的能垒 ，分别称为空位迁移激活能和间隙原子 迁移激活能–晶体中的原子正是由于空位和间隙原子不断地产生与复合才不停地由一处向另一处作无规则的布朗运动，这就是晶体中原子的自扩散，是固态相变、表面化学热处理、蠕变、烧结等物理化学过程的基础• 在常温下，平衡浓度的点缺陷对材料力学性能影响并不大， 但是在高温下空位的浓度很高，空位在材料变形时的作用就 不能忽略空位的存在及其运动是晶体高温下发生蠕变的重 要原因之一 • 晶体在室温下也可能有大量非平衡空位，如从高温快速冷却 时保留的空位，或者经辐照处理后的空位，这些过量空位往 往沿—些晶面聚集，形成空位片或者它们与其他晶体缺陷 发生交互作用．因而使材料强度有所提高、但同时也引起显 著的脆性点缺陷对材料性能的影响原因：无论那种点缺陷的存在，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1) 提高材料的电阻 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) 2) 加快原子的扩散迁移 空位可作为原子运动的周转站 3) 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 4) 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、 。