晶体缺陷的观察1
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近代物理实验
实验二 晶体缺陷的观察
基础知识介绍
一、晶体与晶体点阵 二、晶体中的缺陷 1. 点缺陷 2. 线缺陷 3. 面缺陷
晶格点阵
理想晶体是由原子或原子团有规律的排列而 成的。为了方便的认识晶体排列的规律性，把晶 体中每一个原子或原子团用处在那个原子或原子 团位置的几何点来代替，得到一个与晶体几何性 质有关的点的集合，称为晶格或空间点阵。在晶 格中的每一个点都与晶体中的一个原子或原子团 对应，这些点称为格点。
点缺陷
(a) 肖脱基缺陷 图2.2 点缺陷
(b)弗伦克耳缺陷
线缺陷
线缺陷是发生在晶格中一条线周围，其特征是在
两个方向上的尺寸很小，而另一个方向上的尺寸 很大，晶体中的线缺陷主要是各种类型的位错， 是晶体中某处的一列或几列原子发生错排产生的 线形点阵畸变区。位错还影响着晶体的力、电、 光学等性质，对相变和扩散等过程也有重大的影 响。
实验原理
2、缺陷的观察 、
在晶体中有缺陷的地方，原子排列很不规则，且常常容 易聚集一些杂质，原子在这些区域处于不稳定状态，它 们比正常格点上的原子有较高的能量，因此对于某些腐 蚀剂来说，这些区域腐蚀速度快些。如果晶体经过抛光 以后，在腐蚀剂作用下，便在一些特定的晶面上如硅单 晶中的（111）、（110）、（100）晶面上显示出腐蚀 坑，而且对于不同的晶面其腐蚀坑的形状是不同的。对 于GeSi等金刚石结构类型的材料，（111）、（110）、 （100）晶面上腐蚀坑的形状分别为三角形、菱形、正方 形。
B 螺型位错
线缺陷
图2.3 刃位错及其原子结构模型
(a) 螺位错
(b) 位错线周围原子螺型排列 图2.4 螺位错及其原子结构模型
在简立方晶格中的螺型位错
面缺陷
面缺陷是发生在晶格二维平面上的缺陷，其特征是在一 个方向上的尺寸很小，而另两个方向上的尺寸很大，也 可称二维缺陷。 晶体的面缺陷包括两类：晶体的外表面和晶体中的内界 面，其中内界面又包括了晶界、亚晶界、孪晶界，相界、 堆垛层错等。这些界面通常只有几个原子层厚，而界面 面积远远大于其厚度，因此称为面缺陷。面缺陷对材料 的力学、物理、化学性能都有影响。
金相显微镜
光学系统 如图2.1所示，由灯泡1发出一束光线， 经聚光透镜2的会聚和反光镜8的反 射，将光线聚集在孔径光栏9上，之 后经过聚光镜3，再度将光聚集再物 镜的后焦面上，最后光线通过物镜使 试样表面得到充分均匀的照明，从试 样反射回来的光线再经过物镜组6、 辅助透镜5、半反射镜4、辅助透镜 11以及棱镜12和棱镜13等造成一个 被观察物体的道理的放大的实象，该 象再经过目镜15的两次放大，观察 者就能再目镜视场中试样表明最后被 放大的象。
金相显微镜的构造通常由光学系统照明系统和机械系统三大部分组成有时显微镜还附设有照相摄影装置金相显微镜光学系统如图21所示由灯泡1发出一束光线经聚光透镜2的会聚和反光镜8的反射将光线聚集在孔径光栏9上之后经过聚光镜3再度将光聚集再物镜的后焦面上最后光线通过物镜使试样表面得到充分均匀的照明从试样反射回来的光线再经过物镜组6辅助透镜5半反射镜4辅助透镜11以及棱镜12和棱镜13等造成一个被观察物体的道理的放大的实象该象再经过目镜15的两次放大观察者就能再目镜视场中试样表明最后被放大的象
实验内容
3、底片冲洗和印相 、
（1）显影 选用D—72显影液，将相纸乳剂向下 浸入显影液中，注意不要使乳剂层与盆底面接触， 也不能几张相纸重叠在一起。显影5分钟后，即 可取出放入清水中冲洗。 （2）定影 将显影后的相纸放入定影液中，定影 15分钟。 （3）水洗和干燥 定影后的相纸必须放在清水 （流水）中清洗30分钟，以清除附在片上的定影 液，使相片便于长期保存。清洗后烘干或晾干。
实验原理
显微镜中的主要放大倍数一般是通过物镜来保证， 物镜的最高放大倍数可达到100倍，目镜的放大 倍数可达25倍。显微镜的放大倍数是物镜的放大 倍数与目镜的放大倍数的乘积。放大倍数的符号 用“×”表示（见表2.1），例如物镜的放大倍数 为25×，目镜的放大倍数为10×，则显微镜的放 大倍数为25×10=250×。放大倍数一般都标注 在物镜与目镜的镜筒上。 评判显微镜质量的优劣，主要取决于以下三点： （1）显微镜的放大倍数，（2）透镜成象的质量， （3）显微镜的鉴别能力（鉴别率）。
晶格点阵
为了体现出晶体的周期性，一般选取体积最 小的平行六面体作为原胞，格点都处在平行六面 体的顶角上。原胞是晶体中体积最小的重复单元。 但是在有些晶格结构中，选取上述定义的原胞， 无论怎样选取，都不能反映出整个晶格的对称性。 为了反映这种对称性，往往选取体积较大的重复 单元，称为晶胞。晶胞在有些情况下是原胞，有 些情况下不是。在一般情况下，格点不仅仅在平 行六面体的顶角上，也可能是在其它位置，如在 体心或面心位置上。
思考题
1、简述晶体缺陷的类型及其特点。 2、简述金相显微镜光学系统的工作原理。
实验内容
2、显微摄影过程 、 （1）显微摄影时，首先将相纸装入照相盒，乳剂层向外 盖好，安装在金相显微镜上，然后通过目镜观察，选择 试样中具有代表性的部位。 （2）将反光镜拉出，否则光线被反光镜所挡。检查快门 是否关闭。 （3） 取下暗箱上的毛玻璃，换上装有相纸的夹子并抽出 其保护板（但不可取下）。 （4）打开快门并使相纸曝光（曝光时间由实验确定，选 择半分钟、一分钟、一分半，选择恰当的曝光时间）。 曝光后应及时将保护板推回原位，取下相纸夹并立即换 上毛玻璃，以免灰尘落入暗箱。
实验内容
1、金相显微镜的调节 、 （1）首先将显微镜的光源插接通电源。 （2）根据放大倍数选用所需的目镜和物镜，分别安装在 物镜座上及目镜筒内，并使转换器转换至固定位置。 （3）将试样放在样品台中心，使观察面朝下。 （4）转动粗调手轮先使镜筒上升，同时用眼观察，使物 镜尽可能的接近试样表面（但不能与试样相碰），然后 相反方向转动粗调手轮，使镜筒渐渐下降以调节焦距， 当视场亮度增强时再改用细调手轮调节，直到物象调整 到最清晰程度为止。 （5）适当调节孔径光栏和视场光栏，以获得最佳质量的 物象。
实验原理
3. 腐蚀剂的作用
腐蚀剂的作用大体分为两种度越快，择优性越差。择优腐蚀剂要 求缺陷的出现率高，特征性强，再现性好，腐蚀 时间短。
实验仪器
4XB型金相显微镜（带有摄影装置） 相纸 显影液 定影液 样品
金相显微镜
金相显微镜的种类和型式很多，最常见的 有台式、立式和卧式金相显微镜三大类。 金相显微镜的构造通常由光学系统、照明 系统和机械系统三大部分组成，有时显微 镜还附设有照相摄影装置 。
面缺陷
钢中的晶粒（其中黑线为晶界）
面缺陷
孪晶界
面缺陷
密堆积中的层错
面缺陷
小角倾侧晶界（由一列刃型位错构成）
实验目的
1、了解金相显微镜的光学原理和构造； 2、掌握金相显微镜的使用方法及显微摄影 的操作； 3、掌握底片冲洗和印相的暗室技术。
实验原理
1、金相显微镜的原理
金相显微镜是利用光线的反射将不透明物体（如 金属、岩石、塑料等）放大后进行观察的。 金相显微镜主要利用放大镜的原理，但是一般放 大镜的倍数在2.5～25倍之间，若要进一步提高放 大倍数，将会由于透镜焦距缩短使其表面曲率过 分增大，而使所形成的影象模糊不清，所以为了 得到高倍放大而又清晰的影象，就得采用多个透 镜组成的显微镜。
金相显微镜
照明系统 照明系统是仪器的主要组成部分，在底座内有 一低压（6～8V，15W）灯泡，由变压器降压供 电，靠次级电压调节改变亮度。此外再通过聚光 镜、孔径光栏15、视场光栏14以及反光镜的一系 列的透镜作用和配合，使试样表面获得充分均匀 的照明。
金相显微镜
机械系统 金相显微镜的机械系统主要有显微镜的调焦装置 和载物台。在显微镜镜体两侧有粗调和微调调焦 手轮通过内部齿轮传动，使支撑载物台的弯臂作 上下运动。载物台用于放置金相试样，与下面托 盘之间有导架，可在水平面的一定范围内十字定 向运动，以改变试样的观察部位。
线缺陷分类
A 刃型位错
设有一简单立方晶体，其上半部分相对 于下半部分滑移了一个原子间距，结果在滑移面的上 半部分出现了多余的半个原子面，这半个原子面象一 把刀插入晶体中，形成刃位错，如图2.3所示 。 设想用刀子将晶体切开一部分，并使两 边晶体相对滑移一个原子间距，然后粘合起来得到如 图2.4所示的情况。在已滑移区和未滑移区边界线附近 原子失去晶格周期性，发生错排，构成螺位错缺陷。
布拉菲点阵和晶系
法国晶体学家布拉菲（Bravais）经过研究， 选取的晶胞有14种，称为布拉菲点阵。晶胞的 形状和大小用相交于某一定点的三条棱边上的 点阵周期a、b、c以及它们之间的夹角α、β、γ 来表示。一般以b、c之间的夹角为α，a、c之 间的夹角为β，a、b之间的夹角为γ。a、b、c和 α、β、γ称为点阵常数或晶格常数。根据点阵 常数将晶体点阵分为7个晶系，每个晶系有几 种点阵类型。
晶体中的缺陷
在理想完整晶体中，原子按一定的次序严格地处在 空间有规则的、周期性的格点上。但在实际的晶体中， 由于晶体形成条件、原子的热运动及其它条件的影响， 原子的排列不可能那样完整和规则，往往存在偏离了理 想晶体结构的区域。这些与完整周期性点阵结构的偏离 就是晶体中的缺陷，它破坏了晶体的对称性。 晶体中存在的缺陷种类很多，根据几何形状和涉及 的范围常可分为点缺陷、面缺陷、线缺陷几种主要类型。 由于晶格空位和间隙原子的出现，原子间的作用力 平衡被破坏，使其周围的其它原子发生移动，偏离晶体 的结点位置，这种现象称为晶格畸变。
点缺陷
点缺陷是发生在晶体中一个或几个晶格常数范围内， 其特征是在三维方向上的尺寸都很小，例如空位、间 隙原子、杂质原子等，也可称零维缺陷。点缺陷与温 度密切相关所以也称为热缺陷。 在晶体中，晶格中的原子由于热振动能量的涨落而脱 离格点移动到晶体表面的正常格点位置上，在原来的 格点位置留下空位。这种空位称为肖脱基缺陷，如图 2.2（a）所示。如果脱离格点的原子跑到邻近的原子 空隙形成间隙原子，这种缺陷称为弗伦克耳缺陷，如 图2.2（b）所示。
实验二 晶体缺陷的观察
基础知识介绍
一、晶体与晶体点阵 二、晶体中的缺陷 1. 点缺陷 2. 线缺陷 3. 面缺陷
晶格点阵
理想晶体是由原子或原子团有规律的排列而 成的。为了方便的认识晶体排列的规律性，把晶 体中每一个原子或原子团用处在那个原子或原子 团位置的几何点来代替，得到一个与晶体几何性 质有关的点的集合，称为晶格或空间点阵。在晶 格中的每一个点都与晶体中的一个原子或原子团 对应，这些点称为格点。
点缺陷
(a) 肖脱基缺陷 图2.2 点缺陷
(b)弗伦克耳缺陷
线缺陷
线缺陷是发生在晶格中一条线周围，其特征是在
两个方向上的尺寸很小，而另一个方向上的尺寸 很大，晶体中的线缺陷主要是各种类型的位错， 是晶体中某处的一列或几列原子发生错排产生的 线形点阵畸变区。位错还影响着晶体的力、电、 光学等性质，对相变和扩散等过程也有重大的影 响。
实验原理
2、缺陷的观察 、
在晶体中有缺陷的地方，原子排列很不规则，且常常容 易聚集一些杂质，原子在这些区域处于不稳定状态，它 们比正常格点上的原子有较高的能量，因此对于某些腐 蚀剂来说，这些区域腐蚀速度快些。如果晶体经过抛光 以后，在腐蚀剂作用下，便在一些特定的晶面上如硅单 晶中的（111）、（110）、（100）晶面上显示出腐蚀 坑，而且对于不同的晶面其腐蚀坑的形状是不同的。对 于GeSi等金刚石结构类型的材料，（111）、（110）、 （100）晶面上腐蚀坑的形状分别为三角形、菱形、正方 形。
B 螺型位错
线缺陷
图2.3 刃位错及其原子结构模型
(a) 螺位错
(b) 位错线周围原子螺型排列 图2.4 螺位错及其原子结构模型
在简立方晶格中的螺型位错
面缺陷
面缺陷是发生在晶格二维平面上的缺陷，其特征是在一 个方向上的尺寸很小，而另两个方向上的尺寸很大，也 可称二维缺陷。 晶体的面缺陷包括两类：晶体的外表面和晶体中的内界 面，其中内界面又包括了晶界、亚晶界、孪晶界，相界、 堆垛层错等。这些界面通常只有几个原子层厚，而界面 面积远远大于其厚度，因此称为面缺陷。面缺陷对材料 的力学、物理、化学性能都有影响。
金相显微镜
光学系统 如图2.1所示，由灯泡1发出一束光线， 经聚光透镜2的会聚和反光镜8的反 射，将光线聚集在孔径光栏9上，之 后经过聚光镜3，再度将光聚集再物 镜的后焦面上，最后光线通过物镜使 试样表面得到充分均匀的照明，从试 样反射回来的光线再经过物镜组6、 辅助透镜5、半反射镜4、辅助透镜 11以及棱镜12和棱镜13等造成一个 被观察物体的道理的放大的实象，该 象再经过目镜15的两次放大，观察 者就能再目镜视场中试样表明最后被 放大的象。
金相显微镜的构造通常由光学系统照明系统和机械系统三大部分组成有时显微镜还附设有照相摄影装置金相显微镜光学系统如图21所示由灯泡1发出一束光线经聚光透镜2的会聚和反光镜8的反射将光线聚集在孔径光栏9上之后经过聚光镜3再度将光聚集再物镜的后焦面上最后光线通过物镜使试样表面得到充分均匀的照明从试样反射回来的光线再经过物镜组6辅助透镜5半反射镜4辅助透镜11以及棱镜12和棱镜13等造成一个被观察物体的道理的放大的实象该象再经过目镜15的两次放大观察者就能再目镜视场中试样表明最后被放大的象
实验内容
3、底片冲洗和印相 、
（1）显影 选用D—72显影液，将相纸乳剂向下 浸入显影液中，注意不要使乳剂层与盆底面接触， 也不能几张相纸重叠在一起。显影5分钟后，即 可取出放入清水中冲洗。 （2）定影 将显影后的相纸放入定影液中，定影 15分钟。 （3）水洗和干燥 定影后的相纸必须放在清水 （流水）中清洗30分钟，以清除附在片上的定影 液，使相片便于长期保存。清洗后烘干或晾干。
实验原理
显微镜中的主要放大倍数一般是通过物镜来保证， 物镜的最高放大倍数可达到100倍，目镜的放大 倍数可达25倍。显微镜的放大倍数是物镜的放大 倍数与目镜的放大倍数的乘积。放大倍数的符号 用“×”表示（见表2.1），例如物镜的放大倍数 为25×，目镜的放大倍数为10×，则显微镜的放 大倍数为25×10=250×。放大倍数一般都标注 在物镜与目镜的镜筒上。 评判显微镜质量的优劣，主要取决于以下三点： （1）显微镜的放大倍数，（2）透镜成象的质量， （3）显微镜的鉴别能力（鉴别率）。
晶格点阵
为了体现出晶体的周期性，一般选取体积最 小的平行六面体作为原胞，格点都处在平行六面 体的顶角上。原胞是晶体中体积最小的重复单元。 但是在有些晶格结构中，选取上述定义的原胞， 无论怎样选取，都不能反映出整个晶格的对称性。 为了反映这种对称性，往往选取体积较大的重复 单元，称为晶胞。晶胞在有些情况下是原胞，有 些情况下不是。在一般情况下，格点不仅仅在平 行六面体的顶角上，也可能是在其它位置，如在 体心或面心位置上。
思考题
1、简述晶体缺陷的类型及其特点。 2、简述金相显微镜光学系统的工作原理。
实验内容
2、显微摄影过程 、 （1）显微摄影时，首先将相纸装入照相盒，乳剂层向外 盖好，安装在金相显微镜上，然后通过目镜观察，选择 试样中具有代表性的部位。 （2）将反光镜拉出，否则光线被反光镜所挡。检查快门 是否关闭。 （3） 取下暗箱上的毛玻璃，换上装有相纸的夹子并抽出 其保护板（但不可取下）。 （4）打开快门并使相纸曝光（曝光时间由实验确定，选 择半分钟、一分钟、一分半，选择恰当的曝光时间）。 曝光后应及时将保护板推回原位，取下相纸夹并立即换 上毛玻璃，以免灰尘落入暗箱。
实验内容
1、金相显微镜的调节 、 （1）首先将显微镜的光源插接通电源。 （2）根据放大倍数选用所需的目镜和物镜，分别安装在 物镜座上及目镜筒内，并使转换器转换至固定位置。 （3）将试样放在样品台中心，使观察面朝下。 （4）转动粗调手轮先使镜筒上升，同时用眼观察，使物 镜尽可能的接近试样表面（但不能与试样相碰），然后 相反方向转动粗调手轮，使镜筒渐渐下降以调节焦距， 当视场亮度增强时再改用细调手轮调节，直到物象调整 到最清晰程度为止。 （5）适当调节孔径光栏和视场光栏，以获得最佳质量的 物象。
实验原理
3. 腐蚀剂的作用
腐蚀剂的作用大体分为两种度越快，择优性越差。择优腐蚀剂要 求缺陷的出现率高，特征性强，再现性好，腐蚀 时间短。
实验仪器
4XB型金相显微镜（带有摄影装置） 相纸 显影液 定影液 样品
金相显微镜
金相显微镜的种类和型式很多，最常见的 有台式、立式和卧式金相显微镜三大类。 金相显微镜的构造通常由光学系统、照明 系统和机械系统三大部分组成，有时显微 镜还附设有照相摄影装置 。
面缺陷
钢中的晶粒（其中黑线为晶界）
面缺陷
孪晶界
面缺陷
密堆积中的层错
面缺陷
小角倾侧晶界（由一列刃型位错构成）
实验目的
1、了解金相显微镜的光学原理和构造； 2、掌握金相显微镜的使用方法及显微摄影 的操作； 3、掌握底片冲洗和印相的暗室技术。
实验原理
1、金相显微镜的原理
金相显微镜是利用光线的反射将不透明物体（如 金属、岩石、塑料等）放大后进行观察的。 金相显微镜主要利用放大镜的原理，但是一般放 大镜的倍数在2.5～25倍之间，若要进一步提高放 大倍数，将会由于透镜焦距缩短使其表面曲率过 分增大，而使所形成的影象模糊不清，所以为了 得到高倍放大而又清晰的影象，就得采用多个透 镜组成的显微镜。
金相显微镜
照明系统 照明系统是仪器的主要组成部分，在底座内有 一低压（6～8V，15W）灯泡，由变压器降压供 电，靠次级电压调节改变亮度。此外再通过聚光 镜、孔径光栏15、视场光栏14以及反光镜的一系 列的透镜作用和配合，使试样表面获得充分均匀 的照明。
金相显微镜
机械系统 金相显微镜的机械系统主要有显微镜的调焦装置 和载物台。在显微镜镜体两侧有粗调和微调调焦 手轮通过内部齿轮传动，使支撑载物台的弯臂作 上下运动。载物台用于放置金相试样，与下面托 盘之间有导架，可在水平面的一定范围内十字定 向运动，以改变试样的观察部位。
线缺陷分类
A 刃型位错
设有一简单立方晶体，其上半部分相对 于下半部分滑移了一个原子间距，结果在滑移面的上 半部分出现了多余的半个原子面，这半个原子面象一 把刀插入晶体中，形成刃位错，如图2.3所示 。 设想用刀子将晶体切开一部分，并使两 边晶体相对滑移一个原子间距，然后粘合起来得到如 图2.4所示的情况。在已滑移区和未滑移区边界线附近 原子失去晶格周期性，发生错排，构成螺位错缺陷。
布拉菲点阵和晶系
法国晶体学家布拉菲（Bravais）经过研究， 选取的晶胞有14种，称为布拉菲点阵。晶胞的 形状和大小用相交于某一定点的三条棱边上的 点阵周期a、b、c以及它们之间的夹角α、β、γ 来表示。一般以b、c之间的夹角为α，a、c之 间的夹角为β，a、b之间的夹角为γ。a、b、c和 α、β、γ称为点阵常数或晶格常数。根据点阵 常数将晶体点阵分为7个晶系，每个晶系有几 种点阵类型。
晶体中的缺陷
在理想完整晶体中，原子按一定的次序严格地处在 空间有规则的、周期性的格点上。但在实际的晶体中， 由于晶体形成条件、原子的热运动及其它条件的影响， 原子的排列不可能那样完整和规则，往往存在偏离了理 想晶体结构的区域。这些与完整周期性点阵结构的偏离 就是晶体中的缺陷，它破坏了晶体的对称性。 晶体中存在的缺陷种类很多，根据几何形状和涉及 的范围常可分为点缺陷、面缺陷、线缺陷几种主要类型。 由于晶格空位和间隙原子的出现，原子间的作用力 平衡被破坏，使其周围的其它原子发生移动，偏离晶体 的结点位置，这种现象称为晶格畸变。
点缺陷
点缺陷是发生在晶体中一个或几个晶格常数范围内， 其特征是在三维方向上的尺寸都很小，例如空位、间 隙原子、杂质原子等，也可称零维缺陷。点缺陷与温 度密切相关所以也称为热缺陷。 在晶体中，晶格中的原子由于热振动能量的涨落而脱 离格点移动到晶体表面的正常格点位置上，在原来的 格点位置留下空位。这种空位称为肖脱基缺陷，如图 2.2（a）所示。如果脱离格点的原子跑到邻近的原子 空隙形成间隙原子，这种缺陷称为弗伦克耳缺陷，如 图2.2（b）所示。