缺陷物理與性能第1頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期六缺陷的含義：晶體缺陷就是指實(shí)際晶體中與理想的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)發(fā)生偏差的區(qū)域。

理想晶體：質(zhì)點(diǎn)嚴(yán)格按照空間點(diǎn)陣排列。

實(shí)際晶體：存在著各種各樣的結(jié)構(gòu)的不完整性。第2頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期六晶體非晶體第3頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期六晶體非晶體規(guī)則幾何外形無定形確定的熔點(diǎn)各向異性各向同性無確定的熔點(diǎn)對(duì)X射線的衍射效應(yīng)無對(duì)稱性無

晶體與非晶體的區(qū)別第4頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期六晶體缺陷的類型

分類方式：

幾何形態(tài)：點(diǎn)缺陷、線缺陷、面缺陷等

形成原因：熱缺陷、雜質(zhì)缺陷、非化學(xué)計(jì)量缺陷等第5頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期六缺陷分類

根據(jù)晶體缺陷的幾何形態(tài)特征，可將它們分為以下三類：①點(diǎn)缺陷特征是在三維方向上的尺寸都很小，約一個(gè)或幾個(gè)原子間距，亦稱為零維缺陷。例如空位、填隙原子、雜質(zhì)原子等。②線缺陷特征是在兩維方向上的尺寸很小，僅在另一維方向上的尺寸較大，亦稱為一維缺陷。例如位錯(cuò)。③面缺陷特征是在兩維方向上的尺寸較大，只在另一維方向上的尺寸很小，亦稱為二維缺陷。例如晶體表面、晶界、相界和堆垛層錯(cuò)等。第6頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期六一點(diǎn)缺陷根據(jù)點(diǎn)缺陷的形成機(jī)理，晶體中的點(diǎn)缺陷可以分為熱缺陷和雜質(zhì)缺陷兩種。熱缺陷的三種形式：圖2.1弗倫克爾缺陷

圖2.2肖脫基缺陷

圖2.3只有填隙原子第7頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期六一點(diǎn)缺陷第8頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期六離子晶體的點(diǎn)缺陷結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：正、負(fù)離子相間排列在格點(diǎn)上，尺寸較小的離子一般是正離子。缺陷導(dǎo)致電導(dǎo)率增加一點(diǎn)缺陷第9頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期六離子晶體的點(diǎn)缺陷第10頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期六第11頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期六點(diǎn)缺陷與材料性能1）填隙原子和肖脫基缺陷可以引起晶體密度的變化，弗倫克爾缺陷不會(huì)引起晶體密度的變化理論計(jì)算結(jié)果表明，填隙原子引起的體膨脹為1～2個(gè)原子體積，而空位的體膨脹則約為0.5個(gè)原子體積。金屬晶體中出現(xiàn)空位，將使其體積膨脹、密度下降。第12頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期六2）點(diǎn)缺陷可以引起晶體電導(dǎo)性能的變化點(diǎn)缺陷破壞了原子的規(guī)則排列，使傳導(dǎo)電子受到散射，產(chǎn)生附加電阻。附加電阻的大小與點(diǎn)缺陷濃度成正比，因而可用來標(biāo)志點(diǎn)缺陷濃度。從附加電阻和溫度的關(guān)系可以確定空位的形成能。測(cè)量方法：一種是直接在高溫測(cè)量電阻對(duì)溫度的曲線，曲線上的異常部分就是由于空位的影響造成的；另一種方法是將樣品淬火，使金屬快速冷卻，過飽和的空位就被凍結(jié)，這時(shí)就可以在室溫下對(duì)不同淬火溫度后的樣品進(jìn)行電阻的測(cè)量，測(cè)量結(jié)果也可以求出空位的形成能。對(duì)于離子晶體，點(diǎn)缺陷增加電導(dǎo)點(diǎn)缺陷與材料性能第13頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期六空位換位——運(yùn)動(dòng)

空位復(fù)合——消失3）點(diǎn)缺陷能加速與擴(kuò)散有關(guān)的相變

第14頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期六以各種目的進(jìn)行的金屬材料熱處理，利用了金屬中原子的擴(kuò)散。加工后的金屬進(jìn)行退火，是加工導(dǎo)致產(chǎn)生大量位錯(cuò)，由于原子擴(kuò)散引起攀移、正負(fù)位錯(cuò)相互抵消的過程；為時(shí)效硬化進(jìn)行熱處理，通過擴(kuò)散在母晶體中析出過飽和固溶狀態(tài)的固溶原子等，都是點(diǎn)缺陷空位擴(kuò)散的結(jié)果3）點(diǎn)缺陷能加速與擴(kuò)散有關(guān)的相變

第15頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期六無色透明晶體

4）點(diǎn)缺陷可以引起晶體光學(xué)性能的變化點(diǎn)缺陷電荷中心束縛態(tài)透明晶體呈現(xiàn)顏色（色心）用途：利用點(diǎn)缺陷可以引起晶體光學(xué)性能變化的原理，可以為透明材料和無機(jī)非金屬材料進(jìn)行著色和增色，用來制作紅寶石、彩色玻璃、彩色水泥、彩釉、色料等。例如，藍(lán)寶石是Al2O3單晶，呈無色，而紅寶石是在這種單晶氧化物中加入少量的Cr2O3。這樣，在單晶氧化鋁禁帶中引進(jìn)了Cr3+的雜質(zhì)能級(jí)，造成了不同于藍(lán)寶石的選擇性吸收，故顯紅色。電子或空位在束縛態(tài)之間躍遷第16頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期六含有點(diǎn)缺陷的晶體，其內(nèi)能比理想晶體的內(nèi)能大，這種由缺陷引起的在定容比熱容基礎(chǔ)上增加的附加比熱容稱為比熱容的“反?！?。5）點(diǎn)缺陷可以引起比熱容的反常第17頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期六6）對(duì)金屬?gòu)?qiáng)度的影響影響晶體力學(xué)性能的主要缺陷是非平衡點(diǎn)缺陷，在常溫晶體中熱力學(xué)平衡的點(diǎn)缺陷的濃度很小，因此點(diǎn)缺陷具有平衡濃度時(shí)對(duì)晶體的力學(xué)性能沒有明顯影響。但過飽和點(diǎn)缺陷（超過平衡濃度的點(diǎn)缺陷）可以提高金屬的屈服強(qiáng)度。獲得過飽和點(diǎn)缺陷的方法：①淬火法②輻照法③塑性變形第18頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期六淬火引起的點(diǎn)缺陷變化將晶體加熱到高溫，晶體中便形成較多的空位，然后從高溫快速冷卻到低溫（稱淬火）使空位在冷卻過程中來不及消失，在低溫形成過飽和空位。第19頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期六輻照引起的點(diǎn)缺陷變化未輻照和受輻照的多晶銅的應(yīng)力-應(yīng)變曲線（在20℃下的實(shí)驗(yàn)）第20頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期六線缺陷線缺陷是發(fā)生在晶格中一條線周圍，其特征是在兩個(gè)方向上的尺寸很小，而另一個(gè)方向上的尺寸很大，晶體中的線缺陷主要是各種類型的位錯(cuò)，是晶體中某處的一列或幾列原子發(fā)生錯(cuò)排產(chǎn)生的線形點(diǎn)陣畸變區(qū)。位錯(cuò)還影響著晶體的力、電、光學(xué)等性質(zhì)，對(duì)相變和擴(kuò)散等過程也有重大的影響。

第21頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期六位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)位錯(cuò)的滑移：指位錯(cuò)在外力作用下，在滑移面上的運(yùn)動(dòng)，結(jié)果導(dǎo)致永久形變。位錯(cuò)的攀移：指在熱缺陷的作用下，位錯(cuò)在垂直滑移方向的運(yùn)動(dòng)，結(jié)果導(dǎo)致空位或間隙原子的增值或減少。第22頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期六刃位錯(cuò)刃位錯(cuò)位錯(cuò)——刃位錯(cuò)假設(shè)晶體內(nèi)有一個(gè)原子平面在晶體內(nèi)部中斷，其中斷處的邊沿就是一個(gè)刃型位錯(cuò)。第23頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期六位錯(cuò)——刃位錯(cuò)示意圖第24頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期六位錯(cuò)——刃位錯(cuò)第25頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期六(a)螺位錯(cuò)

(b)位錯(cuò)線周圍原子螺型排列螺位錯(cuò)及其原子結(jié)構(gòu)模型

螺型位錯(cuò)則是原子面沿一根軸線盤旋上升，每繞軸線盤旋一周而上升一個(gè)晶面間距。在中央軸線處就是一個(gè)螺型位錯(cuò)。位錯(cuò)——螺位錯(cuò)第26頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期六螺型位錯(cuò)的形成位錯(cuò)——螺位錯(cuò)第27頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期六刃位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)方式——滑移

刃型位錯(cuò)的滑移（a）正刃型位錯(cuò)（b）負(fù)刃型位錯(cuò)滑移過程中，原子的滑移方向、位錯(cuò)線的運(yùn)動(dòng)方向和外加應(yīng)力方向三者是平行的第28頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期六刃位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)方式——滑移第29頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期六螺位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)方式——滑移螺型位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)滑移過程中，原子滑移方向與外加應(yīng)力方向相同，而與位錯(cuò)線運(yùn)動(dòng)方向垂直第30頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期六刃位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)螺位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)位錯(cuò)滑移對(duì)比：刃位錯(cuò)滑移過程中，原子的滑移方向、位錯(cuò)線的運(yùn)動(dòng)方向和外加應(yīng)力方向三者是平行的；螺位錯(cuò)滑移過程中，原子滑移方向與外加應(yīng)力方向相同，而與位錯(cuò)線運(yùn)動(dòng)方向垂直第31頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期六位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)方式——攀移刃型位錯(cuò)可以在滑移面內(nèi)運(yùn)動(dòng)，也可以垂直于滑移面運(yùn)動(dòng)，這后一種運(yùn)動(dòng)稱為位錯(cuò)的“攀移”。由于螺型位錯(cuò)沒有附加的半原子平面，因此不能直接攀移。

第32頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期六刃位錯(cuò)攀移示意圖

（a）正攀移（半原子面縮短）(b)未攀移（c）負(fù)攀移（半原子面伸長(zhǎng)）第33頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期六位錯(cuò)的彈性性質(zhì)——位錯(cuò)的應(yīng)力場(chǎng)與應(yīng)變能理論基礎(chǔ)：連續(xù)彈性介質(zhì)模型假設(shè)：1.完全服從虎克定律，即不存在塑性變形；

2.各向同性；3.連續(xù)介質(zhì)，不存在結(jié)構(gòu)間隙。位錯(cuò)的應(yīng)力場(chǎng):

刃位錯(cuò)上面的原子處于壓應(yīng)力狀態(tài)，為壓應(yīng)力場(chǎng)，刃位錯(cuò)下面的原子處于張應(yīng)力狀態(tài)，為張應(yīng)力場(chǎng)。圍繞一個(gè)螺位錯(cuò)的晶體圓柱體區(qū)域也有應(yīng)力場(chǎng)存在。第34頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期六位錯(cuò)與物理性能位錯(cuò)與內(nèi)耗位錯(cuò)與晶體生長(zhǎng)擴(kuò)散過程金屬?gòu)?qiáng)度電學(xué)、光學(xué)性質(zhì)范性變形位錯(cuò)第35頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期六晶體受到的應(yīng)力超過彈性限度后，將產(chǎn)生永久形變，即范性形變。范性形變——原子面的滑移比如在立方晶格中具有最重要意義的三種晶面為（100）、（110）、（111）；具有最重要意義的三種晶向?yàn)閇100]、[110]、[111]范性形變可以通過位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)位錯(cuò)與物理性能

——位錯(cuò)的滑移與晶體的范性形變第36頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期六位錯(cuò)與物理性能

——位錯(cuò)對(duì)金屬?gòu)?qiáng)度的影響材料在塑性變形時(shí)，位錯(cuò)密度大大增加，從而使材料出現(xiàn)加工硬化。當(dāng)外加應(yīng)力超過屈服強(qiáng)度時(shí)，位錯(cuò)開始滑移。如果位錯(cuò)在滑移面上遇上障礙物，就會(huì)被障礙物釘住而難以繼續(xù)滑移。熱彈性高分子材料在塑性變形時(shí)的硬化現(xiàn)象，其原因不是加工硬化，而是長(zhǎng)鏈分子發(fā)生了重新排列甚至晶化。

第37頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期六因?yàn)槲诲e(cuò)的周圍有應(yīng)力場(chǎng)，從而雜質(zhì)原子會(huì)聚集到位錯(cuò)的近鄰，使晶體的性質(zhì)發(fā)生改變位錯(cuò)對(duì)雜質(zhì)原子有聚集作用。在半導(dǎo)體材料中，由于雜質(zhì)向位錯(cuò)周圍的聚集，就可能形成復(fù)雜的電荷中心，從而影響半導(dǎo)體的電學(xué)、光學(xué)以及其它性質(zhì)。位錯(cuò)與物理性能

——位錯(cuò)對(duì)材料的電學(xué)、光學(xué)性質(zhì)的影響第38頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期六由于位錯(cuò)和雜質(zhì)原子的相互作用，位錯(cuò)的存在影響著雜質(zhì)在晶格中的擴(kuò)散過程?！诲e(cuò)與晶體生長(zhǎng)晶體生長(zhǎng)的前提——晶核螺型位錯(cuò)臺(tái)階具有凝聚核的作用——產(chǎn)生晶核位錯(cuò)與物理性能

——位錯(cuò)對(duì)擴(kuò)散過程的影響第39頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期六內(nèi)耗的定義：振動(dòng)著的固體,即使與外界完全隔離,其機(jī)械振動(dòng)也會(huì)逐漸衰減下來,這種使機(jī)械能量耗散變?yōu)闊崮艿默F(xiàn)象,叫做內(nèi)耗。即固體在振動(dòng)過程中由于內(nèi)部的原因而引起的能量消耗,在英文文獻(xiàn)中通用“internalfriction”表示.內(nèi)耗是一個(gè)對(duì)結(jié)構(gòu)高度靈敏的量,對(duì)內(nèi)耗的研究不但可以推知固體中的結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)缺陷的情況,也可以得到固體結(jié)構(gòu)變化及原子擴(kuò)散的知識(shí).位錯(cuò)與物理性能

——位錯(cuò)與固體內(nèi)耗第40頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期六要點(diǎn)：位錯(cuò)內(nèi)耗強(qiáng)烈地依賴于冷加工的程度；若內(nèi)耗對(duì)冷加工敏感，就可以肯定這種內(nèi)耗與位錯(cuò)有關(guān)。位錯(cuò)與物理性能

——位錯(cuò)與固體內(nèi)耗在外加交變應(yīng)力下位錯(cuò)弦的弓出、脫釘、縮回及再釘扎過程示意圖

第41頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期六面缺陷面缺陷是發(fā)生在晶格二維平面上的缺陷，其特征是在一個(gè)方向上的尺寸很小，而另兩個(gè)方向上的尺寸很大，也可稱二維缺陷。晶體的面缺陷包括兩類：晶體的外表面和晶體中的內(nèi)界面，其中內(nèi)界面又包括了晶界、亞晶界、孿晶界，相界、堆垛層錯(cuò)等。這些界面通常只有幾個(gè)原子層厚，而界面面積遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其厚度，因此稱為面缺陷。面缺陷對(duì)材料的力學(xué)、物理、化學(xué)性能都有影響。

表面界面：晶界、相界第42頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期六面缺陷鋼中的晶粒（其中黑線為晶界）第43頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期六面缺陷——晶界（a）晶界（b）亞晶界晶界與亞晶界第44頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期六面缺陷——小角晶界小角傾側(cè)晶界（由一列刃型位錯(cuò)構(gòu)成）；扭轉(zhuǎn)晶界第45頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期六當(dāng)相鄰晶粒的位相差大于10°-15°時(shí)，晶粒間的界面稱為大角晶界。一般的大角晶界約為幾個(gè)原子間距的薄層，層中的原子排列較疏松雜亂，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。但是