第二章-缺陷物理与性能

晶体与非晶体的区别
晶 体
规则几何外形 确定的熔点 各向异性
非晶体
无定形 无确定的熔点 各向同性
对X射线的衍射效应 射线的衍射效应 对称性
无 无
晶体缺陷的类型
分类方式： 分类方式：
几何形态：点缺陷、线缺陷、面缺陷等 几何形态：点缺陷、线缺陷、 形成原因：热缺陷、杂质缺陷、 形成原因：热缺陷、杂质缺陷、非化学计量缺陷等
点缺陷
电荷中心束缚态
电子或空位在束 缚态之间跃迁 透明晶体呈现颜色 （色心） 色心）
5）点缺陷可以引起比热容的反常 含有点缺陷的晶体，其内能比理想晶体的内能 大，这种由缺陷引起的在定容比热容基础上增 加的附加比热容称为比热容的“反常”。
6）对金属强度的影响
影响晶体力学性能的主要缺陷是非平衡点缺陷，在常 温晶体中热力学平衡的点缺陷的浓度很小，因此点缺 陷具有平衡浓度时对晶体的力学性能没有明显影响。 但过饱和点缺陷（超过平衡浓度的点缺陷）可以提高 金属的屈服强度。 获得过饱和点缺陷的方法： ① 淬火法 ② 辐照法 ③ 塑性变形
面缺陷——大角晶界（孪晶界形成与分类）
面缺陷——大角晶界（堆垛层错）
（a）面心立方堆垛次序
（b）密集六方堆垛次序 刚球密排面的堆垛
面缺陷——相界
位错的运动方式——攀移
刃型位错可以在滑移面内运动，也可以垂直于滑移面运动， 这后一种运动称为位错的“攀移”。由于螺型位错没有附 加的半原子平面，因此不能直接攀移。
（a）正攀移（半原子 ）正攀移（ 面缩短） 面缩短）
(b)未攀移 未攀移
（c）负攀移（半 ）负攀移（ 原子面伸长） 原子面伸长）
刃位错攀移示意图
一 点缺陷
根据点缺陷的形成机理， 根据点缺陷的形成机理，晶体中的点缺陷可以分为热缺陷和 杂质缺陷两种。 杂质缺陷两种。 热缺陷的三种形式： 热缺陷的三种形式
图2.1 弗伦克尔缺陷
图2.2 肖脱基缺陷
图2.3 只有填隙原子
一 点缺陷
一 点缺陷
离子晶体的点缺陷
结构特点：正、负离子相间排列在格点上，尺寸较小的离子一般是 正离子。
4）点缺陷可以引起晶体光学性能的变化
无色透明晶体 用途：利用点缺陷可以引起 晶体光学性能变化的原理，可 以为透明材料和无机非金属材 料进行着色和增色，用来制作 红宝石、彩色玻璃、彩色水泥、 彩釉、色料等。例如，蓝宝石 是Al2O3单晶，呈无色，而红 宝石是在这种单晶氧化物中加 入少量的Cr2O3。这样，在单 晶氧化铝禁带中引进了Cr3+的 杂质能级，造成了不同于蓝宝 石的选择性吸收，故显红色。
表面 界面：晶界、相界
面缺陷
钢中的晶粒（其中黑线为晶界）
面缺陷——晶界
（a）晶界 晶界与亚晶界
（b）亚晶界
面缺陷——小角晶界
小角倾侧晶界（由一列刃型位错构成）；扭转晶界
面缺陷——大角晶界
当相邻晶粒的位相差大于 10°-15°时，晶粒间的界 面称为大角晶界。一般的大 角晶界约为几个原子间距的 薄层，层中的原子排列较疏 松杂乱，结构比较复杂。但 是并非所有大角晶界都具有 松散紊乱的原子组态。当相 邻两个晶粒具有某些特定的 位向关系时，晶界上可以有 较多的原子与两个晶粒的点 阵结点都吻合的相当好。
由于位错和杂质原子的相互作用，位错的存在 影响着杂质在晶格中的扩散过程。
——位错与晶体生长
晶体生长的前提——晶核 螺型位错台阶具有凝聚核的作用——产生晶核
位错与物理性能 ——位错与固体内耗
内耗的定义：振动着的固体,即使与外界完全隔离, 其机械振动也会逐渐衰减下来,这种使机械能量耗 散变为热能的现象,叫做内耗。 即固体在振动过程中由于内部的原因而引起的能量 消耗,在英文文献中通用“internal friction”表示. 内耗是一个对结构高度灵敏的量,对内耗的研究不 但可以推知固体中的结构和结构缺陷的情况,也可 以得到固体结构变化及原子扩散的知识.
位错的弹性性质
——位错的应力场与应变能
理论基础： 理论基础：连续弹性介质模型 假设： 完全服从虎克定律 即不存在塑性变形； 完全服从虎克定律， 假设：1.完全服从虎克定律，即不存在塑性变形； 2. 各向同性；3. 连续介质，不存在结构间隙。 各向同性； 连续介质，不存在结构间隙。 位错的应力场: 位错的应力场 刃位错上面的原子处于压应力状态，为压应力场， 刃位错上面的原子处于压应力状态，为压应力场，刃位错 下面的原子处于张应力状态，为张应力场。 下面的原子处于张应力状态，为张应力场。 围绕一个螺位错的晶体圆柱体区域也有应力场存在。 围绕一个螺位错的晶体圆柱体区域也有应力场存在。
淬火引起的点缺陷变化
将晶体加热到高温，晶 体中便形成较多的空位， 然后从高温快速冷却到 低温（称淬火）使空位 在冷却过程中来不及消 失，在低温形成过饱和 空位。
辐照引起的点缺陷变化
未辐照和受辐照的多晶铜的应力-应 变曲线（在20℃下的实验）
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
(a) 螺位错
(b) 位错线周围原子螺型排列 螺位错及其原子结构模型
位错——螺位错
螺型位错的形成
刃位错的运动方式——滑移
刃型位错的滑移 （a）正刃型位错 （b）负刃型位错 滑移过程中，原子的滑移方向、 滑移过程中，原子的滑移方向、位错线的运动方向和 外加应力方向三者是平行的
刃位错的运动方式——滑移 滑移
螺位错的运动方式——滑移 滑移
螺型位错的运动 滑移过程中，原子滑移方向与外加应力方向相同， 滑移过程中，原子滑移方向与外加应力方向相同， 而与位错线运动方向垂直
刃位错的运动
位错滑移对比： 位错滑移对比：
螺位错的运动
刃位错滑移过程中，原子的滑移方向、位错线的运动方向和外 刃位错滑移过程中，原子的滑移方向、 加应力方向三者是平行的； 加应力方向三者是平行的； 螺位错滑移过程中，原子滑移方向与外加应力方向相同， 螺位错滑移过程中，原子滑移方向与外加应力方向相同，而与位 错线运动方向垂直
3）点缺陷能加速与扩散有关的相变
空位换位——运动 空位复合——消失
3）点缺陷能加速与扩散有关的相变
以各种目的进行的金属材料 热处理，利用了金属中原子 的扩散。加工后的金属进行 退火，是加工导致产生大量 位错，由于原子扩散引起攀 移、正负位错相互抵消的过 程；为时效硬化进行热处理， 通过扩散在母晶体中析出过 饱和固溶状态的固溶原子等， 都是点缺陷空位扩散的结果
位错与物理性能 ——位错对材料的电学、光学性质的影响
因为位错的周围有应力场，从而杂质原子会聚 集到位错的近邻，使晶体的性质发生改变,位 错对杂质原子有聚集作用。 在半导体材料中，由于杂质向位错周围的聚集， 就可能形成复杂的电荷中心，从而影响半导体 的电学、光学以及其它性质。
位错与物理性能 ——位错对扩散过程的影响
缺陷导致电导率增加
离子晶体的点缺陷
点缺陷与材料性能
1）填隙原子和肖脱基缺陷可以引起晶体密度的 ） 变化，弗伦克尔缺陷不会引起晶体密度的变化 理论计算结果表明，填隙原子引起的体膨胀为 1～2个原子体积，而空位的体膨胀则约为0.5个 原子体积。金属晶体中出现空位，将使其体积膨 胀、密度下降。
点缺陷与材料性能
位错与物理性能 ——位错与固体内耗
要点：
位错内耗强烈地依赖于冷加工的程度；若内耗对冷加wk.baidu.com 敏感，就可以肯定这种内耗与位错有关。
在外加交变应力下位错弦的弓出、脱钉、 在外加交变应力下位错弦的弓出、脱钉、缩回及再钉扎过程示意图
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。
缺陷分类
根据晶体缺陷的几何形态特征， 根据晶体缺陷的几何形态特征，可将它们分为以下 三类： 三类：
特征是在三维方向上的尺寸都很小， ① 点缺陷 特征是在三维方向上的尺寸都很小，约一个或 几个原子间距，亦称为零维缺陷。例如空位、填隙原子、 几个原子间距，亦称为零维缺陷。例如空位、填隙原子、杂 质原子等。 质原子等。 特征是在两维方向上的尺寸很小， ② 线缺陷 特征是在两维方向上的尺寸很小，仅在另一维 方向上的尺寸较大，亦称为一维缺陷。例如位错。 方向上的尺寸较大，亦称为一维缺陷。例如位错。 特征是在两维方向上的尺寸较大， ③ 面缺陷 特征是在两维方向上的尺寸较大，只在另一维 方向上的尺寸很小，亦称为二维缺陷。例如晶体表面、晶界、 方向上的尺寸很小，亦称为二维缺陷。例如晶体表面、晶界、 相界和堆垛层错等。 相界和堆垛层错等。
2）点缺陷可以引起晶体电导性能的变化
点缺陷破坏了原子的规则排列，使传导电子受到散射，产生附加电 阻。附加电阻的大小与点缺陷浓度成正比，因而可用来标志点缺陷 浓度。从附加电阻和温度的关系可以确定空位的形成能。 测量方法： 测量方法：一种是直接在高温测量电阻对温度的曲线，曲线上的异 常部分就是由于空位的影响造成的； 另一种方法是将样品淬火，使金属快速冷却，过饱和的空位就被冻 结，这时就可以在室温下对不同淬火温度后的样品进行电阻的测量， 测量结果也可以求出空位的形成能。 对于离子晶体，点缺陷增加电导
位错与物理性能 ——位错对金属强度的影响
材料在塑性变形时，位错密 度大大增加，从而使材料出 现加工硬化。当外加应力超 过屈服强度时，位错开始滑 移。如果位错在滑移面上遇 上障碍物，就会被障碍物钉 住而难以继续滑移。 热弹性高分子材料在塑性变 形时的硬化现象，其原因不 是加工硬化，而是长链分子 发生了重新排列甚至晶化。
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。
位错的运动
位错的滑移：指位错在外力作用下， 位错的滑移：指位错在外力作用下，在滑移面 上的运动，结果导致永久形变。 上的运动，结果导致永久形变。 位错的攀移：指在热缺陷的作用下，位错在垂 位错的攀移：指在热缺陷的作用下， 直滑移方向的运动， 直滑移方向的运动，结果导致空位或间隙原子 的增值或减少。 的增值或减少。
位错——刃位错
假设晶体内有一个原子平面在晶体内部中 其中断处的边沿就是一个刃型位错。 断，其中断处的边沿就是一个刃型位错。
刃位错
刃位错
位错——刃位错示意图
位错——刃位错
位错——螺位错
螺型位错则是原子面沿一根轴线盘旋上升， 螺型位错则是原子面沿一根轴线盘旋上升，每绕轴线盘旋一 周而上升一个晶面间距。在中央轴线处就是一个螺型位错 螺型位错。 周而上升一个晶面间距。在中央轴线处就是一个螺型位错。
位错与物理性能
范性变形 位错与 内耗 电学、 光学性质
位错
位错与 晶体生长 扩散过程 金属强度
位错与物理性能 ——位错的滑移与晶体的范性形变
晶体受到的应力超过弹性限度后，将产生永久 形变，即范性形变。 范性形变——原子面的滑移 比如在立方晶格中具有最重要意义的三种晶面 为（100）、（110）、（111）；具有最重要 意义的三种晶向为[100]、[110]、[111] 范性形变可以通过位错的运动来实现
第二章 缺陷物理与性能
缺陷的含义： 缺陷的含义：晶体缺陷就是指实际晶体中与理想的点阵结构 发生偏差的区域。 发生偏差的区域。 理想晶体：质点严格按照空间点阵排列。 理想晶体：质点严格按照空间点阵排列。 实际晶体：存在着各种各样的结构的不完整性。 实际晶体：存在着各种各样的结构的不完整性。
晶体
非晶体