1、晶体缺陷,缺陷的含义： 通常把晶体点阵结构中周期性势场的畸变称为晶体的结构缺陷。理想晶体：质点严格按照空间点阵排列。实际晶体：存在着各种各样的结构的不完整性。(原因：原子或离子、分子的热运动，晶体形成条件、冷热加工过程和辐射、杂质等因素）,意义： 1.缺陷对材料性能，比如对结构敏感的屈服强度、断裂强度、塑性、电阻率、磁导率等有很大的影响. 2.晶体缺陷与扩散、相变、塑性变形、再结晶、氧化、烧结有着密切关系。,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，它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。点缺陷可分为热力学平衡缺陷和杂质缺陷。,点缺陷（零维缺陷）,1
2、.热缺陷定义:热缺陷亦称为本征缺陷，是指由热起伏的原因所产生的空位或间隙质点（原子或离子）。 类型:弗兰克尔缺陷（Frenkel defect）和肖脱基缺陷（Schottky defect）热缺陷浓度与温度的关系:温度升高时，热缺陷浓度增加。,一、点缺陷类型,A 弗兰克尔缺陷离开平衡位置的原子（离子)，挤入点阵的间隙位置，而在晶体中同时形成数目相等的空位和间隙原子。 B 肖特基缺陷离开平衡位置的原子（离子), 迁移到其他空位或 晶体界面、表面。,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,在离子晶体中： 肖特基缺陷为了维持电中性，当离子
3、晶体中有一个正离子产生空缺，则邻近必有1个负离子空位，即正负离子空位是成对出现。弗兰克尔缺陷如果1个正离子跳到离子晶体的间隙位置，则在正常的正离子位置出现1个正离子空位，即空位-间隙离子。,离子晶体中的点缺陷,2.杂质缺陷定义:亦称为组成缺陷，是由外加杂质的引入所产生的缺陷。 类型：间隙原子：位于晶体点阵间隙的原子。置换原子：位于晶体点阵位置的异类原子。,从位置上看，它可以进入结点位置，也可以进入间隙位置,1-大的置换原子,2-肖脱基缺陷,3-异类间隙原子,4-复合空位,5-弗兰克尔缺陷,6-小的置换原子,二、平衡点缺陷的浓度,晶体中点缺陷的存在：造成点阵畸变，使晶体的内能升高，降低了晶体的热
4、力学稳定性；由于增大了原子排列的混乱程度，引起熵值增加，并且少量点缺陷的存在使体系的排列方式大大增加，会显著增加熵值，使自由能降低，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。,U的变化是线性的,TS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 。,等温等容过程,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：该类缺陷形成能; N：晶体的原子总数； ne：平衡点缺陷数目； A：材料
5、常数，其值常取1; K：玻尔兹曼常数, 约为8.62 10-23eV/ K或1.38 10-23J/ K ；,温度越高，平衡浓度越大； 空位形成能越大，平衡浓度越小；,不同材料的空位形成能,金属熔点越高，空位形成能越大，空位数,越少。,由600降至300时，Ge晶体中的空位平衡浓度降低了6个数量级，试计算Ge晶体中的空位形成能。,例题1,Cu晶体的空位形成能为1.4410-19J/atom，材料常数A取1，Cu摩尔质量为63.54g/mol，500下密度为8.96106g/m3，求500下每立方米Cu中的空位数。,例题2,原子总数,空位数,Nb的晶体结构为bcc，晶格常数为0.3294nm，密
6、度为8.57g/cm3，摩尔质量为92.91g/mol，求106Nb中的空位数。,例题3,无空位下的密度,空位浓度,空位数：,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。,三、过饱和点缺陷的产生,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
7、(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、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(弗兰克尔缺陷)。,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
8、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。,四、点缺陷与材料行为,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。,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一些晶面聚集，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。,位错是晶体中普遍存在的线缺陷，它的特点是在一维方向的尺寸较长，
9、另外二维方向上尺寸很小，从宏观看缺陷是线状的。从微观角度看，位错是管状的。位错对晶体的生长、扩散、相变、塑性变形、断裂等许多物理、化学性质及力学性质都有很大影响。因此位错理论是材料科学基础中一个重要内容。,位错（Dislocation）,单晶试棒在拉伸应力作用下的变化（宏观）,（a）变形前,（b）变形后,滑移机理,F,一个滑移面和其面上的一个滑移方向组成一个滑移系(Slip System)。当外界应力达到某一临界值时，滑移系才发生滑移，使晶体产生宏观的变形，将这个应力称之为临界切应力。为了从理论上解释滑移现象，弗兰克(Frenkel)从刚体模型出发，对晶体的屈服强度进行了计算。计算出的m约为G
10、/30，与实验值相差很大。G为切变模量。,相差24个数量级,1934年泰勒(Taylor)提出了位错的局部滑移来解释晶体的塑性形变。所谓局部滑移就是原子面间的滑移不是整体进行，而是发生在滑移面的局部区域，其他区域的原子仍然保持滑移面上下相对位置的不变。,如果滑移是逐步进行的，通过计算得到的m 与实验值相差不大。,24个数量级的偏差，不能完全归咎于实验误差或计算精度。这里一定存在着本质上的问题，因此整体滑移模型受到怀疑。,Geoffrey Taylor爵士1934年提出位错的概念,在位错概念提出后的近20年中，虽然成功地解决了理论强度与实验值差别过大的问题，但总因未能直接在晶体中观察到位错，位错
11、模型似为空中楼阁，仅仅是理论上的一种假设而或多或少地受到怀疑。直到1956年门特(J.W.Menter)用电子显微镜直接观察到铂钛花青晶体中的位错，才使位错理论建立在坚实的基础上而被人们完全接受，并得以迅速的发展。,透射电镜下观察到的位错线,位错模型的提出完整晶体塑性变形刚性相对滑移的模型金属晶体的理论强度理论强度比实测强度高出24个数量级 （1934）晶体缺陷的设想 线缺陷（位错）的模型 以位错滑移模型计算出的晶体强度，与实测值基本相符。,位错的类型,晶体在不同的应力状态下，其滑移方式不同。根据原子的滑移方向和位错线取向的几何特征不同，位错分为刃型位错、螺型位错和混合位错。,刃型位错,形成及
12、定义：晶体在切应力作用下，以ABCD面为滑移面发生滑移。EF是晶体已滑移部分和未滑移部分的交线，犹如砍入晶体的一把刀的刀刃，即刃型位错。,刃型位错示意图,几何特征：位错线与原子滑移方向相垂直；滑移面上部位错线周围原子受压应力作用，原子间距小于正常晶格间距；滑移面下部位错线周围原子受张应力作用，原子间距大于正常晶格间距。,几何特征：位错线与原子滑移方向相垂直；滑移面上部位错线周围原子受压应力作用，原子间距小于正常晶格间距；滑移面下部位错线周围原子受张应力作用，原子间距大于正常晶格间距。 分类：正刃型位错， “” ；负刃型位错， “T” 。符号中水平线代表滑移面，垂直线代表半个原子面。,正刃型位错
13、,位错线,负刃型位错,位错在晶体中引起的畸变在位错线中心处最大，随着离位错中心距离的增大，晶体的畸变逐渐减小。一般说来，位错是以位错线为中心，晶体畸变超过20%的范围。,位错从宏观看缺陷是线状的，从微观角度看是管状的。,螺型位错,形成及定义：晶体在外加切应力作用下，沿ABCD面滑移，图中EF线为已滑移区与未滑移区的分界处。由于位错线周围的一组原子面形成了一个连续的螺旋形坡面，故称为螺型位错。,螺位错形成示意图,几何特征：位错线与原子滑移方向相平行；位错线周围原子的配置是螺旋状的。 分类：有左、右旋之分，它们之间符合左手、右手螺旋定则。,除了刃型位错和螺型位错这两种典型的基本位错外，还有就是这两
14、种位错的混合型，称为混合型位错。如果滑移从晶体的一角开始，然后逐渐扩大滑移范围，滑移区和未滑移区的交界为曲线，曲线与滑移方向既不垂直也不平行，原子的排列介于刃型位错和螺型位错之间，就称为混合型位错。,混合型位错,混合位错的形成,混合位错线附近原子滑移透视图,位错线上任意一点，经矢量分解后，可分解为刃型位错和螺型位错分量。晶体中位错线的形状可以是任意的，但位错线上各点的伯氏矢量相同，只是各点的刃型、螺型分量不同而已。,混合位错分解为刃型位错和螺型位错示意图,伯格斯矢量,伯格斯矢量：晶体中有位错存在时，滑移面一侧质点相对于另一侧质点的相对位移或畸变（1939年伯格斯提出）。 性质：大小表征了位错的
15、单位滑移距离，方向与滑移方向一致。,柏氏矢量的确定 柏氏矢量可由柏氏回路而求得。实际晶体有一位错，在位错周围的“好”区内围绕位错线作一任意大小的闭合回路。回路的方向与位错线方向（一般规定位错线垂直纸面时，由纸面向外为正向）符合右手螺旋法则，回路的起点 S 是任取的。回路的每一步必须连接最近邻原子。然后按照同样的作法在完好的晶体中作同样的回路(在每一方向上的步数必须相同)，发现终点 F 与起点 S 不重合，连接 F 点与 S 点的矢量 b 即为柏氏矢量。,（a) (b) 简单立方结构中，围绕刃型位错的伯格斯回路 (a)实际晶体的伯氏回路 (b)完整晶体的相应回路,柏氏矢量与起点的选择无关，也与路
16、径无关。,螺型位错柏氏矢量的确定,从柏氏矢量的定义，我们可以知道： (1)刃型位错的柏氏矢量与位错线垂直。 (2)螺型位错的柏氏矢量与位错线平行。 (3)混合位错的柏氏矢量既不与位错线垂直也不与位错线平行，而是与位错线成角(90，0)。混合位错线上每一段位错线和柏氏矢量之间的夹角都不同，但都可分解为刃型和螺型两个分量， 刃型分量: be = b sin螺型分量: bs = b cos,柏氏矢量是其他缺陷所没有，位错所独有的性质，是描述位错实质的重要物理量。它反映出柏氏回路包含的位错所引起点阵畸变的总积累。柏氏矢量越大，位错引起的晶体弹性能越高。通常将柏氏矢量称为位错强度，位错的许多性质如位错的能量，所受的力，应力场，位错反应等均与其有关。它也表示出晶体滑移的大小和方向。,柏氏矢量具有守恒性，柏氏回路任意扩大和移动中，只要不与原位错线或其他位错线相遇，回路的畸变总累积不变，由此可引伸出一个结论：一根不分叉的任何形状的位错只有一个柏氏矢量。,(1)柏氏矢量 对于柏氏矢量 b 沿晶向u v w的位错：(2)柏氏矢量的模 柏氏矢量的模的计算就是矢量模的计算，同第二章中介绍的晶向长度计算。对于立方晶系： 位错的加法按照矢量加法规则进行。,柏氏矢量的表示方法,
