1、第二章 缺陷物理與性能,翅膀上的納米結(jié)構(gòu)造就蝴蝶之美,氧化錫納米線的掃描電鏡照片,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。,缺陷分類,幾何形態(tài),形成原因,熱缺陷的三種形式,圖2.3 只有填隙原子,圖2.1 弗侖克爾缺陷的形成（空位與間隙質(zhì)點(diǎn)成對(duì)出現(xiàn)）,圖2.2 肖特基缺陷,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,離子晶體的點(diǎn)缺陷,點(diǎn)缺陷與材料密度,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 替換雜質(zhì)原子

2、、間隙雜質(zhì)原子 理論計(jì)算結(jié)果表明，填隙原子引起的體膨脹為12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。,金屬：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。 應(yīng)用：從附加電阻和溫度的關(guān)系可以確定空位的形成能。 非金屬材料：（能帶理論）點(diǎn)缺陷增加電導(dǎo),點(diǎn)缺陷與導(dǎo)電性能,空位換位運(yùn)動(dòng)空位復(fù)合消失 高溫時(shí)點(diǎn)缺陷平衡濃度增加,點(diǎn)缺陷能加速與擴(kuò)散有關(guān)的相變,高溫塑性變形,空位擴(kuò)散機(jī)制,點(diǎn)缺陷加速擴(kuò)散的應(yīng)用： 以各種目的進(jìn)行的金屬材料熱處理 加工后的金屬進(jìn)行退火，是加工導(dǎo)致產(chǎn)生

3、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,無色透明晶體,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）,原理：在離子晶體中引入點(diǎn)缺陷，這些電荷中心可以束縛電子或空穴在其周圍形成束縛態(tài)，通過光吸收可使束縛態(tài)電子或空穴在束縛態(tài)之間躍遷，使原來透明的晶體呈現(xiàn)顏色，這類能吸收可見光的點(diǎn)缺陷稱為色心。,電子或空位在束縛態(tài)之間躍遷,F色心負(fù)離子空位缺陷俘獲了電子； V色心正離子空位缺陷俘獲空穴； M色心相鄰兩個(gè)F色心； R色心相鄰三個(gè)F色心； Yb釔；Nd

4、釹；Ce鈰；Er鉺,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“反常”。 例：金屬電阻隨淬火溫度的變化 文獻(xiàn)：楊正，夏上達(dá)，謝宏祖. 不同熱處理后錳鉍合金的電阻溫度曲線, 蘭州大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，1964年.,點(diǎn)缺陷可以引起比熱容的反常,對(duì)金屬強(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： 淬火法 輻照法 塑性變形,淬火引起的點(diǎn)缺陷變化

5、,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。,淬火是鑄劍的關(guān)鍵步驟,楚王劍,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)）,高頻輻照,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。,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。,

6、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。,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)。,位錯(cuò)刃位錯(cuò)示意圖,位錯(cuò)刃位錯(cuò),(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),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,螺位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)方式滑移,螺型位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)

7、 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,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,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)）,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

8、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。,位錯(cuò)與物理性能,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?cè)用娴幕?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)?00、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,位錯(cuò)與物理性能位錯(cuò)對(duì)金屬強(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

9、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。,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,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。 位錯(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,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

10、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“internal friction”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,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,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,面缺陷,鋼中的晶粒（其中黑線為晶界）,面缺陷晶界,晶界與亞晶界,（a）晶界,（b）亞晶界,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）；,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