《点缺陷及位错》PPT课件

完整晶体塑性变形─滑移的模型→金属晶体的理论强度→理论强度比实测强度 高出几个数量级（表）→ 晶体缺陷的设想─ 线缺陷（位错）的模型→ 以位错滑移 模型计算出的晶体强度，与实测值基本相符。
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第三章 晶体缺陷
3.2 线缺陷-位错
3.2.0 位错的提出
晶体的一部分区域发生了一个原子间距的滑移，另一部分不滑移，那么在以滑 移区和未滑移区的交界处的原子就不可能“对齐”，必然产生严重的“错配”， 这个原子错配的过渡区域，即为位错，这个区域的宽度只有几个或几十个原子间 距的宽度，长度可以达到晶体的宏观尺寸，故位错为一个线缺陷。
二是挤人点阵的间隙位置，而在 晶体中同时形成数目相等的空位 和间隙原子，则称为弗兰克尔 （Frenkel）缺陷；
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第三章 晶体缺陷
3.1 点缺陷 3.1.1 点缺陷的形成
三是跑到其他空位中，使 空位消失或使空位移位。
另外，在一定条件下，晶 体表面上的原子也可能跑 到晶体内部的间隙位置形 成间隙原子
第三章 晶体缺陷
3.0 晶体缺陷的分类
第一章讲的晶体学基础，都是假设晶体完全处于理想状 态，即晶体严格地按周期性的有规则的排列。
然而，对于现实中使用的材料来说，其原子或离子的排 列不可能是完全规则的，即存在着晶体缺陷。晶体缺陷有其 不可避免性。晶体缺陷的存在对于材料性能的影响是有利有 弊的，有时人们要尽量避免、减少缺陷的存在；有时人们又 要有目的地引入某种缺陷以改进材料的性能。对于这些原子 或离子排列上的缺陷，我们必须用一分为二的观点来对待它。
（1）结构变化：晶格畸变（如空位引起晶格收缩，间隙原子引起晶格膨 胀，置换原子可引起收缩或膨胀。）
（2）性能变化： 力学性能—影响较小 屈服强度提高 物理性能——影响较大 密度减小——空位的产生使体积增大 电阻率增大——缺陷区域对电子产生散射 比热容——形成点缺陷需要向晶体提供附加的能量
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第三章 晶体缺陷
3.0 晶体缺陷的分类
按照缺陷区相对于晶体的大小，将晶体缺陷分为4类：
（1） 点缺陷 典型代表有空位与间隙原子等
点缺陷在三维空间各方向上的尺寸都很小，所以也称为零维缺陷。 如果晶格中某格点上的原子空缺了，则称为空位，这是晶体中最重要的点缺陷。 脱位原子有可能挤入格点的间隙位置，形成间隙原子。
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3.1 点缺陷 3.1.1 点缺陷的形成
第三章 晶体缺陷
点缺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。晶体点缺陷包括空位、间隙原子、杂 质或溶质原子，以及由它们组成的复杂点缺陷，如空位对、空位团和空 位-溶质原子对等。
空位和间隙原子是由于原子的热运动而产生的，属于热力学平衡缺陷。
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第三章 晶体缺陷
3.2 线缺陷-位错 3.2.1 位错的基本类型和性质
类型的划分依据——位错线与位错滑移方向之间的相互关系
（1）刃型位错—位错线垂直于位错的滑移方向
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第三章 晶体缺陷
3.2 线缺陷-位错 3.2.1 位错的基本类型和性质 （1）刃型位错
刃型位错的基本特征： ① 存在一个对称的半原子面。即在完整的晶体中插入半个原子面而形
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第三章 晶体缺陷
3.1 点缺陷 3.1.2 点缺陷的平衡浓度
点缺陷形成的驱动力与温度有关，在一定的温度场下，能够使原子离 位形成点缺陷，那么点缺陷的数目会无限制增加吗？
从理论上分析可以知道：一定温度下，点缺陷的数目是一定的，这就 是点缺陷的平衡浓度。
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第三章 晶体缺陷
3.1 点缺陷 3.1.2 点缺陷的平衡浓度
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第三章 晶体缺陷
3.1 点缺陷 3.1.3 过饱和点缺陷的形成 a. 热平衡点缺陷：由热起伏促使原子脱离点阵位置而形成的点缺陷，体系 自由能最低。 b.过饱和点缺陷：利用某些手段使晶体中形成的点缺陷浓度超过了热平衡浓 度，此时的点缺陷浓度成为过饱和点缺陷。体系自由能高，晶体处于非 热平衡状态。
对点缺陷的平衡浓度如何来理解？从热力学的观点：点缺陷平衡浓度 是矛盾双方的统一。
(1)一方面，晶体中点缺陷的形成引起了点阵的畸变，使晶体的内能 增加，提高了系统的自由能。
(2)另一方面，由于点缺陷的形成，增加了点阵排列的混乱度，系统 的微观状态数目发生变化，使体系的组态熵增加，引起自由能下降。
当这对矛盾达到统一时，系统就达到平衡。因为系统都具有最小自 由能的倾向，由此确定的点缺陷浓度即为该温度下的平衡浓度。
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第三章 晶体缺陷
3.1 点缺陷 3.1.3 过饱和点缺陷的形成 某些手段： • 高温淬火—高温时产生大量的空位，急剧冷却时被保留下来 • 冷加工—位错交割 • 高能辐照—原子被撞击，产生大量的空位和间隙原子。
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第三章 晶体缺陷
3.1 点缺陷
3.1.4 点缺陷对晶体性能的影响
第三章 晶体缺陷
3.2 线缺陷-位错
3.2.0 位错的提出 “位错”这个概念是在1934年提出的。是为了解释晶体在切应力作用下变形所
受的力，实验值大大低于理论值这个现象。随着科学技术的发展，在二十世纪五 十年代末科学家们已能从晶体生长情况判断出位错的存在（上图），并进而用透 射电子显微镜观察到了晶体中的位错（下图）。
点缺陷与线、面缺陷的区别之一是后者为热力学
不稳定的缺陷。
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第三章 晶体缺陷
3.1 点缺陷 3.1.1 点缺陷的形成
一是迁移到晶体表面或内表面的正 常结点位置上，而使晶体内部留下 空位，称为肖脱基（Schottky）空 位；
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第三章 晶体缺陷
3.1 点缺陷 3.1.1 点缺陷的形成
（2） 线缺陷 即位错 线缺陷在两个方向上的尺寸都很小，在另一个方向上延伸较长，也称为一维
缺陷。 （3）面缺陷 如晶界、相界、孪晶界、堆垛层错等
面缺陷在两个方向上的尺寸都很大，在另一个方向上尺度较小，也称为二维 缺陷。 （4）体缺陷 如沉积相、孔洞、气泡等
体缺陷在三维空间各方向上的尺寸都很大，所以也称为三维缺陷。 这些缺陷在晶体中的浓度很低，但是对晶体性质的影响却很大。他们经常共 存，并相互联系，相互制约，在一定的条件下可以相互转化。