材料科学基础晶体缺陷

螺型位错 柏氏矢量与位错线相互平行。(依方向关系可 分左螺和右螺型位错)
混合位错 柏氏矢量与位错线的夹角非0或90度。
柏氏矢量守恒：
①同一位错的柏氏矢量与柏氏回路的大小和走向无关。
②位错不可能终止于晶体的内部，只能到表面、晶界和其他位 错，在位错网的交汇点，必然
2021/2/21
19
第三节 位错的基本概念
三、位错的运动
滑移面：过位错线并和柏氏矢量平行的平面 (晶面)是该位错的滑移面。
位错的滑移运动：位错在滑移面上的运动。
2021/2/21
20
第三节 位错的基本概念
三、位错的运动
1. 刃型位错的滑移运动：在图示的晶体上施加一切应力，当
应力足够大时，有使晶体上部向有发生移动的趋势。假如
晶体中有一刃型位错，显然位错在晶体中发生移动比整个
3. 面缺陷 在三维空间的两个方向上的尺寸很大(晶
粒数量级)，另外一个方向上的尺寸很小(原子尺
寸大小)的晶体缺陷。
2021/2/21
8
第二节 点缺陷
点缺陷：在三维空间各方向上尺寸都很小，在原子尺寸大小
的晶体缺陷。
一、点缺陷的类型 ：
1) 空位 在晶格结点位置应有原子的 地方空缺，这种缺陷称为“空位”。
27
第三节 位错的基本概念
四、位错的观察
位错密度
表示晶体中含有位错数量的参数。
位错密度ρ用单位体积位错线的总长度表示。 在金属材料中，退火状态下，接近平衡状态所得
到的材料，这时位错的密度较低，约在106的数量级； 经过较大的冷塑性变形，位错的密度可达1010--12
的数量级。详细内容到塑性变形一章再论述。
2021/2/21
3
第一节 材料的实际晶体结构
一、多晶体结构
多晶体:
实际应用的工程材料 中，那怕是一块尺寸很小 材料，绝大多数包含着许 许多多的小晶体，每个小 晶体的内部，晶格位向是 均匀一致的，而各个小晶 体之间，彼此的位向却不 相同。称这种由多个小晶 体组成的晶体结构称之为 “多晶体”。
2021/2/21
2) 间隙原子 在晶格非结点位置，往 往是晶格的间隙，出现了多余的原 子。它们可能是同类原子，也可能 是异类原子。
3) 异类原子 在一种类型的原子组成
的晶格中，不同种类的原子替换原
有的原子占有其应有的位置。
2021/2/21
9
第二节 点缺陷
二、点缺陷对材料性能的影响
原因：无论那种点缺陷的存在，都会使其附近的原子稍微偏
在位错线的周围存在内应力，例如刃型位错，在多余半原 子面区域为压应力，而缺少半原子面的区域存在着拉应力；在 螺位错周围存在的是切应力。所以位错周围存在弹性应变能。 可见由于位错的存在，在其周围存在一应力场，应力场的分布 有机会进一步学习时再分析。
二、多晶体的组织 与性能：
组织：
性能： 组织敏感的性能 组织不敏感的性能
伪各向同性：多晶体材料中，尽管每个晶粒内部象单 晶体那样呈现各向异性，每个晶粒在空间取向是随机 分布，大量晶粒的综合作用，整个材料宏观上不出现 各向202异1/2/2性1 ，这个现象称为多晶体的伪各向同性。 6
第一节 材料的实际晶体结构
2021/2/21
24
第三节 位错的基本概念
三、位错的运动
综合位错的运动：以位错环为例来说明。在一个滑移面上存在 一位错环，如图所示，简化为一多边型。前后为刃位错，在切 应力τ的作用下，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。所 有运动都使上部晶体向后移动了一个原子间距。所有位错移出 晶体，整个晶体上部移动了一个原子间距。可见无论那种位错， 最后达到的效果是一样的。如果外加切应力相反，位错环将缩 小，最后消失。位错环存在时，环所在区间原子已经偏后一原 子间距，环缩小到消失，表明这个偏移的消失，而环扩大表明 其他区间向后移动。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。
三、晶体中的缺陷概论
晶体缺陷：即使在每个晶粒的内部，也并不完全象 晶体学中论述的(理想晶体)那样，原子完全呈现 周期性的规则重复的排列。把实际晶体中原子排 列与理想晶体的差别称为晶体缺陷。晶体中的缺 陷的数量相当大，但因原子的数量很多，在晶体 中占有的比例还是很少，材料总体具有晶体的相 关性能特点，而缺陷的数量将给材料的性能带来 巨大的影响。
2021/2/21
26
第三节 位错的基本概念
四、位错的观察
位错在晶体表面的露头 抛光后的
试样在侵蚀时，由于易侵蚀而出现 侵蚀坑，其特点是坑为规则的多边 型且排列有一定规律。只能在晶粒 较大，位错较少时才有明显效果。
2021/2/21
薄膜透射电镜观察 将试 样减薄到几十到数百个原 子层(500nm以下)，利用透 射电镜进行观察，可见到 位错线。
4) 改变材料的力学性能 空位移动到位错处可造成刃位 错的攀移，间隙原子和异类原子的存在会增加位错的 运动阻力。会使强度提高，塑性下降、
2021/2/21
10
第二节 点缺陷
三、空位的平衡浓度
空位形成能 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”。 空位的出现提高了体系的熵值
材料科学基础晶体缺陷
2021/2/21
1
第二章 晶体缺陷
➢材料的实际晶体结构 ➢点缺陷 ➢位错的基本概念 ➢位错的弹性特征 ➢晶体中的界面
2021/2/21
2
第一节 材料的实际晶体结构
一、多晶体结构
单晶体:
一块晶体材料，其内部 的晶体位向完全一致时，即 整个材料是一个晶体，这块 晶体就称之为“单晶体”， 实用材料中如半导体集成电 路用的单晶硅、专门制造的 金须和其他一些供研究用的 材料。
2021/2/21
12
第二节 点缺陷
三、空位的平衡浓度
例如： Cu晶体得空位形成能为0.9ev/atom =1.44X10-19J/atom， 在500℃时计算可得出平衡空位的浓度为1.4X10-6(很低)，而在 每立方米的铜晶体存在1.2X1023个空位(数量很多)。
过饱和空位 晶体中含点缺陷的数目明显超过平衡 值。如高温下停留平衡时晶体中存在一平衡空位， 快速冷却到一较低的温度，晶体中的空位来不及移 出晶体，就会造成晶体中的空位浓度超过这时的平 衡值。过饱和空位的存在是一非平衡状态，有恢复 到平衡态的热力学趋势，在动力学上要到达平衡态 还要一时间过程。
离原结点位置才能平衡，即造成小区域的晶格畸变。
效果
1) 提高材料的电阻 定向流动的电子在点缺陷处受到非 平衡力(陷阱)，增加了阻力，加速运动提高局部温度 (发热)。
2) 加快原子的扩散迁移 空位可作为原子运动的周转站。
3) 形成其他晶体缺陷 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。
4
第一节 材料的实际晶体结构
一、多晶体结构
晶粒：多晶体材料中每个 小晶体的外形多为不规则 的颗粒状，通常把它们叫 做“晶粒”。
晶界：晶粒与晶粒之间的 分界面叫“晶粒间界”， 或简称“晶界”。为了适 应两晶粒间不同晶格位向 的过渡，在晶界处的原子 排列总是不规则的。
2021/2/21
5
第一节 材料的实际晶体结构
第三节 位错的基本概念
三、位错的运动
刃、螺型位错滑移的比较：
①因为位错线和柏氏矢量平行，所以螺型位错可以有多个滑 移面，螺型位错无论在那个方向移动都是滑移。
②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。
2021/2/21
23
第三节 位错的基本概念
三、位错的运动
分析一位错环的运动
在一摩尔的晶体中如存在n个空位，晶体中有N=6.023X1023 个晶格位置，这是空位的浓度为x=n/N，系统熵值为：
2021/2/21
11
Байду номын сангаас
第二节 点缺陷
三、空位的平衡浓度
平衡空位浓度 体系的自由能最低时，晶体处于平 衡稳定状态，晶体中存在的空位浓度。
设每个空位的形成能为u，空位浓度为x时自由能 的变化为：
2021/2/21
7
第一节 材料的实际晶体结构
三、晶体中的缺陷概论
晶体缺陷按范围分类：
1. 点缺陷 在三维空间各方向上尺寸都很小，在原 子尺寸大小的晶体缺陷。
2. 线缺陷 在三维空间的一个方向上的尺寸很大(晶 粒数量级)，另外两个方向上的尺寸很小(原子尺 寸大小)的晶体缺陷。其具体形式就是晶体中的 位错Dislocation
他部分基本都是完好的晶体。在分界线的上方将多出半个原
子2面021/，2/21这就是刃型位错。
14
第三节 位错的基本概念
一、位错的原子模型
若将上半部分向上移动一个原子间距，之间插入半个原子面， 再按原子的结合方式连接起来，得到和(b)类似排列方式(转 90度)，这也是刃型位错。
2021/2/21
15
第三节 位错的基本概念
一、位错的原子模型
若将晶体的上半部分向后
移动一个原子间距，再按原子
的结合方式连接起来(c)，同样
除分界线附近的一管形区域例
外，其他部分基本也都是完好
的晶体。而在分界线的区域形
成一螺旋面，这就是螺型位错。
2021/2/21
16
第三节 位错的基本概念
一、位错的原子模型
若将上半部分向上移动一个原子间距，之间插入半个原子 面，再按原子的结合方式连接起来，得到和(b)类似排列 方式(转90度)，这也是刃型位错。
说明：这是一个并不十分准确的定义方法。柏氏矢量的方向与位错线方向的定义有关，应该首
先定义位错线的方向，再依据位错线的方向来定柏氏回路的方向，再确定柏氏矢量的方
向202。1/在2/2专1 门的位错理论中还会纠正。
18
第三节 位错的基本概念
二、柏氏矢量
柏氏矢量与位错类型的关系：
刃型位错 柏氏矢量与位错线相互垂直。(依方向关系可 分正刃和负刃型位错)
晶体移动要容易。因此，①位错的运动在外加切应力的作
用下发生；②位错移动的方向和位错线垂直；③运动位错
扫过的区域晶体的两部分发生了柏氏矢量大小的相对运动
(滑移)；④位错移出晶体表面将在晶体的表面上产生柏氏
矢2021量/2/2大1 小的台阶。
21
第三节 位错的基本概念
三、位错的运动
螺型位错的滑移：在图示的晶体上施加一切应力，当应力足够大 时，有使晶体的左右部分发生上下移动的趋势。假如晶体中有一 螺型位错，显然位错在晶体中向后发生移动，移动过的区间右边 晶体向下移动一柏氏矢量。因此，①螺位错也是在外加切应力的 作用下发生运动；②位错移动的方向总是和位错线垂直；③运动 位错扫过的区域晶体的两部分发生了柏氏矢量大小的相对运动 (滑移)；④位错移过部分在表面留下部分台阶，全部移出晶体 的表20面21/2上/21 产生柏氏矢量大小的完整台阶。这四点同刃型位错22。
2021/2/21
25
第三节 位错的基本概念
三、位错的运动
刃位错的攀移运动：刃型位错在垂直于滑移面方向上的运动。 刃位错发生攀移运动时相当于半原子面的伸长或缩短，通常把 半原子面缩短称为正攀移，反之为负攀移。
滑移时不涉及单个原子迁移，即扩散。刃型位错发生正攀 移将有原子多余，大部分是由于晶体中空位运动到位错线上的 结果，从而会造成空位的消失；而负攀移则需要外来原子，无 外来原子将在晶体中产生新的空位。空位的迁移速度随温度的 升高而加快，因此刃型位错的攀移一般发生在温度较高时；另 外，温度的变化将引起晶体的平衡空位浓度的变化，这种空位 的变化往往和刃位错的攀移相关。切应力对刃位错的攀移是无 效的，正应力的存在有助于攀移(压应力有助正攀移，拉应力 有助负攀移)，但对攀移的总体作用甚小。
2021/2/21
28
第四节 位错的弹性特征
一、位错的应变能
位错线周围的原子偏离了平衡位置，处于较高的 能量状态，高出的能量称为位错的应变能，或简称位 错能。
来源：位错应变能主要是弹性应变能。弹簧或其他弹性体的弹
性位能0.5kx2。同样在单位体积内弹性位能，正应力引起的为 0.5σε，而切应力引起的为0.5τγ。
2021/2/21
13
第三节 位错的基本概念
线缺陷：在三维空间的一个方向上的尺寸很大(晶粒数量级)，
另外两个方向上的尺寸很小(原子尺寸大小)的晶体缺陷。其 具体形式就是晶体中的位错Dislocation
一、位错的原子模型
将晶体的上半部分向左移动一个原子间距，再按原子的
结合方式连接起来(b)。除分界线附近的一管形区域例外，其
位错的形式 ：
2021/2/21
17
第三节 位错的基本概念
二、柏氏矢量
确定方法： 首先在原子排列基本正常区域作一个包含位错的 回路，也称为柏氏回路，这个回路包含了位错发生的畸变。 然后将同样大小的回路置于理想晶体中，回路当然不可能 封闭，需要一个额外的矢量连接才能封闭，这个矢量就称 为该位错的柏氏(Burgers)矢量。