1、23:24:30,第二章 晶體缺陷 缺陷形成過程：晶體生長(zhǎng)過程中、晶體形成后。 晶體缺陷：原子排列規(guī)則性受到嚴(yán)重破壞的區(qū)域。 晶體缺陷分三大類: 1）點(diǎn)缺陷：屬零維缺陷，它在三維空間各方向尺寸都很小，如空位、間隙原子和異類原子等。 2）線缺陷：屬一維缺陷，它在兩個(gè)方向尺寸很小，而在另一個(gè)方向上尺寸卻很大，主要是位錯(cuò)。可被電鏡觀察到。 3）面缺陷：屬二維缺陷，它在一個(gè)方向上尺寸很小，而在另兩個(gè)方向上尺寸卻很大，如晶界、相界、層錯(cuò)和表面等。光學(xué)顯微鏡可觀察到。,1,材 料 科 學(xué) 基 礎(chǔ),西安石油大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,23:24:30,2,材 料 科 學(xué) 基 礎(chǔ),西安石油大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,

2、位錯(cuò)的電鏡照片,位錯(cuò)纏結(jié)形成位錯(cuò)胞（晶界）,空位聚合形成位錯(cuò),面缺陷：晶界,23:24:30,3,材 料 科 學(xué) 基 礎(chǔ),西安石油大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,圖2-1 晶體中的點(diǎn)缺陷,遷移到晶格間隙中，在晶體中同時(shí)形成數(shù)目相等的空位和間隙原子：弗蘭克爾（Frankel）缺陷。,遷移到晶體表面的正常結(jié)點(diǎn)位置上，而使晶體內(nèi)部留下空位：肖脫基（Schottky）空位。,遷移到其它空位中，使空位消失或使空位移動(dòng)。,2.1 點(diǎn)缺陷：結(jié)點(diǎn)上或鄰近的微觀區(qū)域內(nèi)偏離晶體結(jié)構(gòu)的正常排列的缺陷。 點(diǎn)缺陷包括：空位、間隙原子、異類原子。 2.1.1 點(diǎn)缺陷的類型及形成,23:24:30,2.1.2 點(diǎn)缺陷的運(yùn)動(dòng)及平衡濃

3、度 點(diǎn)缺陷存在的影響： （1）造成點(diǎn)陣畸變，使晶體的內(nèi)能升高，降低了晶體的熱力學(xué)穩(wěn)定性。 （2）增大了原子排列的混亂程度，改變周圍原子的振動(dòng)頻率，使晶體熵值增大，增加了晶體的熱力學(xué)穩(wěn)定性。 一定溫度下空位或者間隙原子的平衡濃度： 其中，E為形成一個(gè)空位或者間隙原子所需的能量；n為超過平均能量而具有高能量的原子數(shù)；N為總原子數(shù)；A為比例常數(shù)；k為玻耳茲曼常數(shù)；T為絕對(duì)溫度。,4,材 料 科 學(xué) 基 礎(chǔ),西安石油大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,2.1.3點(diǎn)缺陷對(duì)性能的影響 電阻增大、密度降低、提高金屬的屈服強(qiáng)度,23:24:30,2.2 線缺陷：位錯(cuò) 一、位錯(cuò)（dislocation） 位錯(cuò)模型的提出：

4、晶體完整無缺陷且剛性滑動(dòng)金屬晶體的切變強(qiáng)度理論切變強(qiáng)度比實(shí)測(cè)切變強(qiáng)度高出幾個(gè)數(shù)量級(jí) 晶體缺陷的設(shè)想 線缺陷（位錯(cuò)）的模型 以位錯(cuò)滑移模型計(jì)算出的晶體強(qiáng)度，與實(shí)測(cè)值基本相符。 位錯(cuò)定義：線缺陷，晶體中某處有一列或若干列原子發(fā)生有規(guī)律的錯(cuò)排現(xiàn)象，錯(cuò)排區(qū)是細(xì)長(zhǎng)的管狀畸變區(qū)。 位錯(cuò)類型：刃型位錯(cuò)、螺型位錯(cuò)、混合位錯(cuò)。,5,材 料 科 學(xué) 基 礎(chǔ),西安石油大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,23:24:30,6,材 料 科 學(xué) 基 礎(chǔ),西安石油大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,刃型位錯(cuò)的形成示意圖,刃型位錯(cuò)定義：位錯(cuò)線垂直于滑移方向，則會(huì)存在一多余半排原子面，它象一把刀刃插入晶體中，使此處上下兩部分晶體產(chǎn)生原子錯(cuò)排，這種晶體

5、缺陷稱為刃型位錯(cuò)。,1、刃型位錯(cuò)(edge dislocation),位錯(cuò)是已滑移區(qū)和未滑移區(qū)的邊界,23:24:30,7,材 料 科 學(xué) 基 礎(chǔ),西安石油大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,刃型位錯(cuò)的平面示意圖,刃型位錯(cuò)的立體示意圖,負(fù)刃型位錯(cuò),正刃型位錯(cuò),23:24:30,刃型位錯(cuò)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)： 1) 刃型位錯(cuò)有一個(gè)額外的半原子面。 2) 刃型位錯(cuò)線為晶體中已滑移區(qū)與未滑移區(qū)的邊界線。多余的半原子面不一定是直線，也可以是折線或曲線，但它必與滑移方向和滑移矢量相垂直。 3) 滑移面是同時(shí)包含位錯(cuò)線和滑移矢量的平面，在其它面上不能滑移。 4) 位錯(cuò)線是具有一定寬度的細(xì)長(zhǎng)的晶格畸變的管道。 5）刃型位錯(cuò)周圍的

6、點(diǎn)陣既有正應(yīng)變又有切應(yīng)變。,8,材 料 科 學(xué) 基 礎(chǔ),西安石油大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,23:24:30,9,材 料 科 學(xué) 基 礎(chǔ),西安石油大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,圖2-4螺型位錯(cuò) (a)立體圖；(b)俯視圖,螺型位錯(cuò)的定義：位錯(cuò)線平行于滑移方向，位錯(cuò)線附近的原子按螺旋形式排列，這種晶體缺陷稱為螺型位錯(cuò) 。,電鏡下的螺型位錯(cuò),2、螺型位錯(cuò)(screw dislocation),23:24:30,材 料 科 學(xué) 基 礎(chǔ),西安石油大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,23:24:30,螺型位錯(cuò)的結(jié)構(gòu)特征： 1)螺型位錯(cuò)無額外半原子面。 2)螺型位錯(cuò)線與滑移矢量平行，位錯(cuò)線是直線，位錯(cuò)線移動(dòng)方向與晶體滑移方向垂

7、直。 3)純螺型位錯(cuò)的滑移面不是唯一的。凡是包含螺形位錯(cuò)線的平面都可作為滑移面。 4)螺型位錯(cuò)線是具有一定寬度的細(xì)長(zhǎng)的晶格畸變管道，其中只有切應(yīng)變，而無正應(yīng)變，即不會(huì)引起體積膨脹和收縮。,11,材 料 科 學(xué) 基 礎(chǔ),西安石油大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,刃型位錯(cuò)和螺型位錯(cuò)的異同點(diǎn),23:24:30,12,材 料 科 學(xué) 基 礎(chǔ),西安石油大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,圖2-7 混合位錯(cuò),3、混合位錯(cuò)(mixed dislocation) 位錯(cuò)線既不平行也不垂直于滑移方向，滑移矢量與位錯(cuò)線成任意角度，這種晶體缺陷稱為混合型位錯(cuò)。,23:24:30,由于位錯(cuò)線是已滑移區(qū)與未滑移區(qū)的邊界線。 1）一根位錯(cuò)線不能

8、終止于晶體內(nèi)部，而只能露頭于晶體表面或晶界。 2）若位錯(cuò)終止于晶體內(nèi)部，則必與其它位錯(cuò)線相連接，或在晶體內(nèi)部形成封閉線。位錯(cuò)若在晶體內(nèi)部形成的封閉線稱為位錯(cuò)環(huán)。 A，B兩處是刃型位錯(cuò)，C，D兩處是螺型位錯(cuò)，其它各處均為混合位錯(cuò)。,13,西安石油大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,材 料 科 學(xué) 基 礎(chǔ),23:24:30,材 料 科 學(xué) 基 礎(chǔ),西安石油大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,23:24:30,三、柏氏矢量(Burgers vector )： 1939年柏格斯（J. M. Burgers）提出了采用柏氏回路來定義位錯(cuò)。 柏氏矢量：描述位錯(cuò)實(shí)質(zhì)的物理量，反映柏氏回路包含的位錯(cuò)所引起的點(diǎn)陣畸變的總積累。 位錯(cuò)的

9、很多性質(zhì)與柏氏矢量有關(guān)，也表示晶體滑移時(shí)原子移動(dòng)的大小和方向。,15,材 料 科 學(xué) 基 礎(chǔ),西安石油大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,23:24:30,16,材 料 科 學(xué) 基 礎(chǔ),西安石油大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,（a）實(shí)際晶體的柏式回路 （b） 完整晶體的相應(yīng)回路 圖2-5刃型位錯(cuò)的柏氏矢量確定,確定柏氏矢量的具體步驟： 1) 首先選定位錯(cuò)線的正向，通常規(guī)定出紙面的方向?yàn)槲诲e(cuò)線的正方向。 2) 按照右手法則作柏氏回路。在實(shí)際晶體中，從任一原子（例如M）出發(fā)，避開位錯(cuò)線附近的嚴(yán)重畸變區(qū)，圍繞位錯(cuò)以一定的步數(shù)作一閉合回路。 3) 在完整晶體中按同樣的方向和步數(shù)作相同的回路，該回路不封閉。由終點(diǎn)Q向起點(diǎn)M

10、引一矢量，使該回路閉合，這個(gè)矢量b就是實(shí)際晶體中位錯(cuò)的柏氏矢量。,23:24:30,17,材 料 科 學(xué) 基 礎(chǔ),西安石油大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,（a）實(shí)際晶體的柏式回路 （b） 完整晶體的相應(yīng)回路 圖2-6 螺形位錯(cuò)的柏氏矢量確定,確定柏氏矢量的具體步驟： 1) 首先選定位錯(cuò)線的正向，通常規(guī)定出紙面的方向?yàn)槲诲e(cuò)線的正方向。 2) 按照右手法則作柏氏回路。在實(shí)際晶體中，從任一原子（例如M）出發(fā)，避開位錯(cuò)線附近的嚴(yán)重畸變區(qū)，圍繞位錯(cuò)以一定的步數(shù)作一閉合回路。 3) 在完整晶體中按同樣的方向和步數(shù)作相同的回路，該回路不封閉。由終點(diǎn)Q向起點(diǎn)M引一矢量，使該回路閉合，這個(gè)矢量b就是實(shí)際晶體中位錯(cuò)的柏氏

11、矢量。,23:24:30,位錯(cuò)的確定方法： 刃型位錯(cuò)右手法則:食指指向位錯(cuò)線方向，中指指向柏氏矢量方向，拇指指向代表多余半面子面位向，向上為正，向下為負(fù)。 螺型位錯(cuò)的柏氏矢量: 螺型位錯(cuò)的柏氏矢量與位錯(cuò)線平行，且規(guī)定b與位錯(cuò)線正向平行者為右螺旋位錯(cuò)，b與位錯(cuò)線反向平行者為左螺旋位錯(cuò)。,18,材 料 科 學(xué) 基 礎(chǔ),西安石油大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,23:24:30,2柏氏矢量的特性 1) 柏氏矢量是一個(gè)反映位錯(cuò)周圍點(diǎn)陣畸變總累積的物理量。該矢量的方向表示位錯(cuò)的性質(zhì)與位錯(cuò)的取向，其方向表示晶體滑移的方向，而模|b|表示畸變的程度，稱為位錯(cuò)的強(qiáng)度。所以，位錯(cuò)也可定義為柏氏矢量不為零的晶體缺陷。 2)

12、 柏氏矢量具有守恒性：一條位錯(cuò)線的柏氏矢量是恒定不變的。 3) 柏氏矢量的唯一性：一根不分岔的位錯(cuò)線，不論其形狀如何變化（直線、曲折線或閉合的環(huán)狀），也不管位錯(cuò)線上各處的位錯(cuò)類型是否相同，其各部位的柏氏矢量都相同；而且當(dāng)位錯(cuò)在晶體中運(yùn)動(dòng)或者改變方向時(shí)，其柏氏矢量不變，即一根位錯(cuò)線具有唯一的柏氏矢量。 4) 柏氏矢量的守恒性定律 位錯(cuò)分解：若一個(gè)柏氏矢量為b的位錯(cuò)可以分解為柏氏矢量分別為b1，b2.bn的n個(gè)位錯(cuò)，則分解后各位錯(cuò)柏氏矢量之和等于原位錯(cuò)的柏氏矢量，即b= 位錯(cuò)交于一點(diǎn)：若由數(shù)根位錯(cuò)相交于一點(diǎn)，則指向結(jié)點(diǎn)的位錯(cuò)線的柏氏矢量的和等于離開結(jié)點(diǎn)的柏氏矢量的和。如果位錯(cuò)線都指向或者離開結(jié)點(diǎn)，則柏氏矢量和為零。,19,材 料 科 學(xué) 基 礎(chǔ),西安石油大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,23:24:30,3柏氏矢量的表示方法 柏氏矢量的大小可以用它在各個(gè)晶軸上的單位矢量（即用點(diǎn)陣矢量a、b、c）表示。 立方晶系中柏氏矢量的表示方法為b=a/nu v w，其中，n為正整數(shù)。 表示位錯(cuò)的強(qiáng)度，稱為柏氏矢量的大小或者模。 同一晶體中，柏氏矢量越大，點(diǎn)陣畸變?cè)絿?yán)重，能量越高。能量高的位錯(cuò)傾向于分解為兩個(gè)或者多個(gè)能量較低的位錯(cuò)，使系統(tǒng)的自由能下降。,20,材 料 科 學(xué) 基 礎(chǔ),西安石油大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,23:24:30,四、位錯(cuò)的密度：?jiǎn)挝惑w積晶體中所含的位錯(cuò)線的總長(zhǎng)度 式中，