第3章点缺陷、位错的基本类型和特征_材料科学基础

原因：空位的出现破坏了其周围的结合状态， 因而造成局部能量的升高（由空位的出现而高 于没有空位时的那一部分能量称为“空位形成 能”）但同时空位的出现大大提高了体系的熵 值
11
3.1
点 ② 点缺陷的平衡浓度的计算：假设温度T和压强
缺
P条件下，从N个原子组成的完整晶体中取走
陷
n个原子，即生成n个空位。并定义晶体中空
错
界线。它不一定是直线，也可以是折线或曲线，但它
必与滑移方向相垂直，也垂直于滑移矢量。
滑移面必定是同时包含有位错线和滑移矢量的平面， 由于在刃型位错中，位错线与滑移矢量互相垂直，因 此，由它们所构成的滑移面只有一个。
晶体中存在刃型位错之后，位错周围的点阵发生弹性 畸变，既有切应变，又有正应变。
在位错线周围的过渡区（畸变区）每个原子具有较大 的平均能量。但该区只有几个原子间距宽，畸变区是 狭长的管道，所以刃型位错是线缺陷。
③ 一个柏氏矢量为b的位错分解为柏氏矢量分别为b1， b2….bn的n个位错，则分解后各位错柏氏矢量之和等 于原位错的柏氏矢量，即 b= b1＋b2＋b3+……
27
3.2
4. 位错的性质
位
① 由于位错线是已滑移区与未滑移区的边界线，因此，
错
位错具有一个重要的性质，即一根位错线不能终止
于晶体内部，而只能露头于晶体表面（包括晶界）。
② 刃型位错滑移：运动方向始终与位错线垂直而 与柏氏矢量平行。刃型位错的滑移面就是由位 错线与柏氏矢量所构成的平面，因此刃型位错 的滑移限于单一的滑移面上。
③ 螺型位错滑移：螺型位错的移动方向与位错线 垂直，也与柏氏矢量垂直。
31
3.2 位 错
32
3.2
位 ④ 刃型位错与螺型位错滑移比较：
错 • 不同点：螺型位错可以有多个滑移面，切应力
24
3.2 3.2.2 伯氏矢量 Burgers vector
位 1. 伯氏矢量的确定：a. 在位错周围(避开严重畸
错
变区)沿着点阵结点形成封闭回路；b. 在理想
晶体中按同样顺序作同样大小的回路；c. 在理
想晶体中从终点到起点的矢量即为伯氏矢量。
图3-8 柏氏回路与柏氏矢量的确定
25
3.2
位 3.2.2 伯氏矢量 错 2. 基本类型位错的矢量图解
（b）单质中的肖特基缺陷的 形成
Frenkel defect 和 Schottky defect产生示意图
10
3.1
点 3. 点缺陷的平衡浓度
缺 ① 热力学分析表明，晶体最稳定的状态并不是完
陷
整晶体，而是含有一定浓度的点缺陷状态，即
在该浓度情况下，自由能最低。这个浓度就称
为该温度下晶体中点缺陷的平衡浓度。
方向与位错线平行；晶体滑移方向与位错运动 方向垂直。
• 共同点：晶体两部分的相对移动量决定于柏氏
矢量的大小和方向，与位错线的移动方向无关。 切应力方向与柏氏矢量一致；晶体滑移与柏氏 矢量一致。
33
3.2 位
错 ⑤ 位错环的滑移：
34
3.2
⑤ 位错环的滑移：在一个滑移面上存在一位错环，如图所
位
示。前后为刃位错，在切应力τ的作用下，
b l
positive
b
l
negative
Edge dislocations
b
b
right-handed left-handed Screw dislocations
26
3.2
3. 伯氏矢量的特性 位 ① 柏氏矢量是一个反映位错周围点阵畸变总累积的物理
错
量。该矢量的方向表示位错的性质与位错的取向，即
23
3.2
螺型位错的特点：
位
① 螺型位错无额外半原子面，原子错排呈轴对称。螺
错
型位错线与滑移矢量平行，因此一定是直线，而且 位错线的移动方向与晶体滑移方向互相垂直。 ② 纯螺型位错的滑移面不是唯一的。凡是包含螺型位 错线的平面都可以作为它的滑移面。但实际上，滑 移通常是在那些原子密排面上进行。 ③ 螺型位错线周围的点阵只有平行于位错线的切应变 而无正应变，即不会引起体积膨胀和收缩，在垂直 于位错线的方向看不出有缺陷。 ④ 螺型位错周围的点阵畸变随离位错线距离的增加而 急剧减少，故它也是包含几个原子宽度的线缺陷。
4
第
三 缺陷的形成原因
章
晶 2.杂质缺陷
体 ➢ 定义：亦称为组成缺陷，是由外加杂质的引入所
缺
陷
产生的缺陷。
➢ 特征：如果杂质的含量在固溶体的溶解度范围内，
则杂质缺陷的浓度与温度无关。
➢ 杂质缺陷对材料性能的影响
5
第
三 缺陷的形成原因
章
晶 3. 非化学计量缺陷
体 定义：组成上偏离化学中的定比定律所形成的缺
19
3.2
3.2.1 位错的基本类型和特征
位
1. 刃型位错：刃型位错的位错线垂直于滑移方向，
错
模型如图所示，相当于在正常排列的晶体当中
插入了半个原子面。拥有半原子面的晶体部分，
原子间距减小，晶格受到压应力；在缺少半原
子面的晶体部分，原子间距增大，晶体收到拉
应力。
20
3.2
2. 螺ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ位错: 位错线垂直于滑移方向，模型如图
缺
陷
陷，如Fe1－xO、Zn1+xO等晶体中的缺陷。
特点：其化学组成随周围气氛的性质及其分压大
小而变化。是一种半导体材料。
4. 其它原因，如电荷缺陷，辐照缺陷等
6
第
三
3.1 点缺陷
章
1. 基本概念：如果在任何方向上缺陷区的尺寸
晶
体
都远小于晶体或晶粒的线度，因而可以忽略
缺
不计，那么这种缺陷就叫做点缺陷。 点缺陷
位错运动导致晶体滑移的方向；该矢量的模|b|表示
了畸变的程度，即位错强度。
② 柏氏矢量的守恒性：柏氏矢量与回路起点及其具体途 径无关。一根不分岔的位错线，不论其形状如何变化 （直线、曲折线或闭合的环状），也不管位错线上各 处的位错类型是否相同，其各部位的柏氏矢量都相同； 而且当位错在晶体中运动或者改变方向时，其柏氏矢 量不变，即一根位错线具有唯一的柏氏矢量。
缺
－浓度升高－塌陷
陷
➢ 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。
16
3.1
点 5. 点缺陷的运动： 缺 ➢ 空位在晶体中的分布是一个动态平衡，其不
陷
断地与周围原子交换位置，使空位移动所必
位
3-7所示。晶体右上半部分在外力的作用下
错
发生局部滑移，滑移面为ABCD，滑移方向
如图所示。
21
3.2
位 3. 混合位错：混合位错的位错线呈曲线状，与
错
滑移方向既不垂直也不平行，而是呈任意角
度。因此，混合位错可以看成是由刃型位错
和螺型位错混合而成。
22
3.2 刃型位错的特点：
位 刃型位错线可理解为晶体中已滑移区与未滑移区的边
18
第
3.2 位错
三 章
3.2.1 位错的基本类型和特征
1. 位错的概念：位错是晶体的线性缺陷。晶体中
晶
某处一列或若干列原子有规律的错排。
体
• 意义：对材料的力学行为如塑性变形、强度、断裂等
缺
起着决定性的作用，对材料的扩散、相变过程有较大
陷
影响。
• 位错的提出：1926年，弗兰克尔发现理论晶体模型刚
若它终止于晶体内部，则必与其他位错线相连接，
或在晶体内部形成封闭线。形成封闭线的位错称为
位错环。
② 位错反应： b= b1＋b2
b2
b1
b3
28
3.2
位 5. 伯氏矢量的表示方法：用点阵矢量来表示 ，
错
也用与伯氏矢量同向的晶向指数来表示。
➢ 表示: b=a [uvw] /n （可以用矢量加法
进行运算）。
缺
陷
缺陷等
按几何形态：点缺陷、线缺陷、面缺陷等
3
第
三 缺陷的形成原因
章
晶 1. 热缺陷
体 ➢ 定义：热缺陷亦称为本征缺陷，是指由热起伏的
缺
原因所产生的空位或间隙质点（原子或离子）。
陷
➢ 类型：弗仑克尔缺陷（Frenkel defect）和肖特
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
第3章 晶体缺陷
3.1 点缺陷 3.2 位错 3.3 表面及界面
1
第
三 缺陷的含义：通常把晶体点阵结构中周期
章 性势场的畸变称为晶体的结构缺陷。
晶
理想晶体：质点严格按照空间点阵排列。
体
缺
实际晶体：存在着各种各样的结构的不
陷 完整性。
2
第
三
章
缺陷的分类方式：
晶
体 按形成原因：热缺陷、杂质缺陷、非化学计量
需的能量，叫空位移动能Em。自扩散激活能 相当于空位形成能与移动能的总和。
17
3.1
6. 点缺陷与材料行为
点
缺 （1）结构变化：晶格畸变（如空位引起晶格收
陷
缩，间隙原子引起晶格膨胀，置换原子可引
起收缩或膨胀。）；形成其他晶体缺陷（如
过饱和的空位可集中形成内部的空洞，集中
一片的塌陷形成位错。）
（2）性能变化：物理性能：如电阻率增大，密 度减小。力学性能：屈服强度提高（间隙原 子和异类原子的存在会增加位错的运动阻 力。）加快原子的扩散迁移
性切变强度与与实测临界切应力的巨大差异（2～4个 数量级）。1934年，泰勒、波朗依、奥罗万几乎同时 提出位错的概念。1939年，柏格斯提出用柏氏矢量表 征位错。1947年，柯垂耳提出溶质原子与位错的交互 作用。1950年，弗兰克和瑞德同时提出位错增殖机制。 之后，用TEM直接观察到了晶体中的位错。
陷
是最简单的晶体缺陷，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。
7
3.1
3.1 点缺陷
点
缺 2. 基本类型： 陷 空位（vacancy） ：实际晶体中某些晶格结
点的原子脱离原位，形成的空着的结点位置 就叫做空位。 间隙原子（interstitial particle） ：进入 点阵间隙中的原子称为间隙原子。 置换原子（foreign particle）：那些占据 原来基体原子平衡位置上的异类原子称为置 换原子。
8
3.1 点 缺 陷
(a) 肖脱基空位－离位原子进入其它空位或迁移至界面。 (b)弗兰克尔空位－离位原子进入晶体间隙。 (c)间隙原子：位于晶体点阵间隙的原子。 (d)(e)置换原子：位于晶体点阵位置的异类原子。 (f)离子晶体：负离子不能到间隙; 局部电中性要求。
9
3.1
点 缺 陷
（a）弗仑克尔缺陷的形成 （空位与间隙质点成对出现）
错
前后部为刃位错，后部的半原子面在上方向后移动，
前部的半原子面在下方，向前运动。
左右为螺位错，但螺旋方向相反，左边向左，右边 向右运动；
其他为混合位错，均向外运动。
运动结果使上部晶体向后移动了一个原子间距。可 见位错的运动都将使扫过的区间两边的原子层发生 柏氏矢量大小的相对滑动。
35
3.2
2. 位错攀移：刃型位错除了可以在滑移面上滑移
位
外，还可以在垂直于滑移面的方向上通过原子
错
扩散进行运动，即发生攀移。通常把多余半原
子面向上运动称为正攀移，向下运动称为负攀
移。
36
3.2
3. 割阶与扭折：一个运动的位错线，如果其中一部分曲
位
折线段就在位错的滑移面上时，称为扭折；若该曲折
错
线段垂直于位错的滑移面时，称为割阶。
➢ 求模：/b/=a [u2+v2+w2]1/2 /n 。
29
3.2
位 3.2.3 位错运动 错 位错的易动性：原子的微小移动导致晶体产生
一个原子间距的位移。多个位错的运动导致晶 体的宏观变形。 位错的运动方式有两种最基本形式，即滑移和 攀移。
30
3.2
1. 位错滑移
位
错 ① 位错的滑移是在外加切应力的作用下，通过位 错中心附近的原子沿柏氏矢量方向在滑移面上 不断地作少量的位移（小于一个原子间距）而 逐步实现的。
位缺陷的平衡浓度为：x=n/N
12
3.1
点 ② 点缺陷的平衡浓度的计算
缺 陷
13
3.1
点 由上式可得：
缺 1）晶体中空位在热力学上是稳定的，一定温度
陷
T对应一平衡浓度X；
2）X与T呈指数关系，温度升高，空位浓度增 大；
3）空位形成能ΔUV大，空位浓度小。 例如：已知铜中ΔUV=1.7×10-19 J，A取为1，则
T 100K 300K 500K 700K 900K 1000K n/N 10-57 10-19 10-11 10-8.1 10-6.3 10-5.7
14
3.1
点 4. 点缺陷的产生
缺
陷 ➢ 平衡点缺陷：热振动中的能力起伏。 ➢ 过饱和点缺陷：外来作用，如高温淬火、辐 照、冷加工等。
15
3.1
点 5. 点缺陷的运动：迁移、复合－浓度降低；聚集
① 运动位错交割后，每根位错线上都可能产生一扭折 或割阶。刃型位错的割阶部分仍为刃型位错，而扭 折部分则为螺型位错；螺型位错中的扭折和割阶线 段，由于均与柏氏矢量相垂直，属于刃型位错。
② 所有的割阶都是刃型位错，而扭折可以是刃型也可 是螺型的。扭折与原位错线在同一滑移面上，可随 主位错线一道运动，几乎不产生阻力。割阶则与原 位错线不在同一滑移面上，因此不能跟随主位错线 一道滑移，成为位错运动的障碍，称为割阶硬化。