第二章晶体缺陷

1.淬火
• 高温时晶体中的空位 浓度很高，经过淬火 后，空位来不及通过 扩散达到平衡浓度， 在低温下仍保持了较 高的空位浓度,
2.冷加工
• 金属在室温下进行压力 加工时，由于位错交割 所形成的割阶发生攀移， 从而使金属晶体内空位 浓度增加
3.辐照
• 当金属受到高能粒子（中子、质子、氘
核、α粒子、电子等）辐照时，晶体中
错线与滑移矢量互相垂直,它们构成平面只有一个。
透射电镜下观察到的位错线
2. 螺型位错 设想在简单立方晶体右端施加一切应力，使 右端ABCD滑移面上下两部分晶体发生一个原子间 距的相对切变，在已滑移区与未滑移区的交界处， AB线两侧的上下两层原子发生了错排和不对齐现 象，它们围绕着AB线连成了一个螺旋线，而被AB 线所贯穿的一组原来是平行的晶面则变成了一个 以AB线为轴的螺旋面。 此种晶格缺陷被称为螺型位错。螺旋位错分 为左旋和右旋。
2.线缺陷（一维缺陷）
指在一维方向上偏离理想晶体中的周期性、规
则性排列所产生的缺陷，即缺陷尺寸在一维方
向较长，另外二维方向上很短，如各种位错
（dislocation）。
线缺陷的产生及运动与材料的韧性、脆性密切
相关。
(a)
(b)
图4-2
(a) 刃位错
(b)螺位错
2.2 位错 Dislocation,位错是原子的一种特殊组态，是一种 具有特殊结构的晶格缺陷，也称为线缺陷。 位错概念的提出 用于解释晶体的塑性变形。
•在完整晶体中按同样的方向和步数作相同的回路，该回路并 不闭合，由终点Q向始点M引一矢量，使该回路闭合这个矢 量QM就是实际晶体中刃型位错的柏氏矢量b。
• 螺型位错线周围的点阵也发生了畸变，但是只有平行于位错线 的切应变而无正应变，即不会引起体积膨胀和收缩。
• 滑移面不是唯一的，包含螺型位错线的平面都可以作为它的 滑移面
3. 混合位错 如果局部滑移从晶体的一角开始，然后 逐渐扩大滑移范围，滑移区和未滑移区的交 界为曲线AB在A处，位错线和滑移方向平行， 是纯螺型位错；在B处，位错线和滑方向垂 直，是纯刃型位错。其他AB上的各点，曲线 和滑移方向既不垂直又不平行，原子排列介 于螺型和刃型位错之间，所以称为混合型位 错。
（a）弗仑克尔缺陷的形成 （空位与间隙质点成对出现）
（b）单质中的肖特基缺陷的形成
图2-4
热平衡缺陷产生示意图
（1）弗仑克尔缺陷：
在晶格热振动时，一些能量较大的质点离开平衡位置
后，进入到间隙位置，形成间隙质点，而在原来位置上
形成空位 。 特点：间隙质点与空位总是成对出现
（2）肖特基缺陷：
如果正常格点上的质点，在热起伏过程中获得 能量离开平衡位置迁移到晶体的表面，而在晶体内 部正常格点上留下空位。 特点： 肖特基缺陷的生成需要一个像晶界、位错或者表面之 类的晶格排列混乱的区域； 正离子空位和负离于空位按照分子式同时成对产生； 伴随晶体体积增加。
2、杂质缺陷：
由于外来质点进入晶体而产生的缺陷
取代
间隙
杂质掺杂量一般较小(~ 0.1%）， 进入晶体后无论位于何处，均因杂
质质点和原有的质点性质不同，故
它不仅破坏了质点有规则的排列， 而且在杂质质点周围的周期势场引 起改变，因此形成—种缺陷。
晶体中杂质含量在未超过其固溶度时，
杂质缺陷的浓度与温度无关，这与热缺陷
第二章晶体缺陷
• 在实际晶体中，由于原子（或离子、分子）的热运动， 以及晶体的形成条件、冷热加工过程和其他辐射、杂质 等因素的影响，实际晶体中原子的排列不可能那样规则、 完整，常存在各种偏离理想结构的情况，即晶体缺陷。
• 晶体缺陷对晶体的性能，特别是对那些结构敏感性能， 如屈服强度、断裂强度、塑性、电阻率、磁导率等有很 大影响。另外晶体缺陷还与扩散、相变、塑性变形、再 结晶、氧化、烧结等有密切关系。 • 因此，研究晶体缺陷具有重要的理论与实际意义。
过饱和点缺陷的产生 (supersaturated point defect)
在点缺陷的平衡浓度下晶体的自由能最低，系 统最稳定。当在一定的温度下，晶体中点缺 陷的数目明显超过其平衡浓度时，这些点缺 陷称为过饱和点缺陷，通常 它的产生方式有 三种: – 淬火(quenching) – 冷加工(cold working) – 辐照(radiation)
• 由于热运动，间隙原子也可由一个间隙位 置迁移到另一个间隙位置空位和间隙原子 迁移也会引起点阵畸变，引起能量升高。
• 空位或间隙原子迁移所需要克服的能垒， 分别称为空位迁移激活能和间隙原子迁移 激活能
– 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
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
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) 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、
晶体结构缺陷的类型
按几何形态分类:
1. 点缺陷
2. 线缺陷
3. 面缺陷
1.点缺陷（零维缺陷） 缺陷尺寸处于原子大小的数量级上，即三维方 向上缺陷的尺寸都很小。 包括：空位（vacancy）、 间隙质点（interstitial particle）、 杂质质点（foreign particle）。
• 形成一个空位或间隙原子所需提供的能量称为空 位形成能或间隙原子形成能。
点缺陷的产生
平衡点缺陷的浓度 (equilibrium point defect）
• 晶体中点缺陷的存在 造成点阵畸变，使晶体的内能升高，降低了 晶体的热力学稳定性； 由于增大了原子排列的混乱程度，并改变了 其周围原子的振动频率，引起组态熵和振动 熵的改变，使晶体熵值增大，增加了晶体的 热力学稳定性。 • 这两个相互矛盾的因素使得晶体中的点缺陷 在一定的温度下有一定的平衡浓度。
• ΔU的变化是线性的,TΔS随 着缺陷的增加变化是非线 性的，二者的综合作用是 使系统的总自由能随着点 缺陷的增加先降低，而后 又增加。在一定的温度下， 晶体中存在一个平衡的热 力学点缺陷浓度，在此浓 度下，系统最稳定，自由 能最低
A U TS U nu
•点缺陷在T温度时的平衡浓度为：
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。
• 在常温下，平衡浓度的点缺陷对材料力学性能影响并不大，但 是在高温下空位的浓度很高，空位在材料变形时的作用就不能 忽略。空位的存在及其运动是晶体高温下发生蠕变的重要原因 之一。 • 晶体在室温下也可能有大量非平衡空位，如从高温快速冷却时 保留的空位，或者经辐照处理后的空位，这些过量空位往往 沿—些晶面聚集，形成空位片。或者它们与其他晶体缺陷发生 交互作用．因而使材料强度有所提高、但同时也引起显著的脆 性。
晶体的理论切变强度：
G m 30
一般金属： τm=104~105MPa 实际金属单晶： 1~10MPa
材料 Cu Fe 理论切变 实际切变 强度 强度 4.1GPa 7.1GPa 0.49MPa 27.5MPa
Geoffrey Taylor爵士1934年提出位错的概念
τ
τ
τ
2.2.1 位错的基本类型 1. 刃型位错 设有一简单立方结构的晶体，在切应力的作用下发 生局部滑移，发生局部滑移后晶体内在垂直方向出现了 一个多余的半原子面，显然在晶格内产生了缺陷，这就 是位错，这种位错在晶体中有一个刀刃状的多余半原子 面，所以称为刃型位错。 通常称晶体上半部多出原子面的位错为正刃型位错，用 符号“┴”表示，反之为负刃型位错，用“┬”表示。
当晶体的温度高于0 K时，由于晶格上质点热振动，使
一部分能量较高的质点离开平衡位置而造成缺陷。
离开平衡位置的原子有三种去处：a 移到晶体表面的正
常结点而留下空位：肖特基缺陷（Schottky）
b 挤入点阵的间隙位置，晶体中形成数目相等的空位和 间隙原子称为弗仑克尔缺陷（Frenkel） C 跑到其他晶体缺陷处而使空位消失或使空位移位。
混合位错示意图
位错环
• 位错也可以在晶体内部形成封闭线，形成 封闭线的位错称为位错环
2.2.2 柏氏矢量(1939年柏格斯)
•（1）柏氏矢量的确定方法
•首先确定位错线的正方向，可以任意确定，习惯上常将由里 向外、由左向右、由下向上的方向作为位错线的正方向。
•根据右手定则确定柏氏回路的方向，即以右手拇指方向指向 位错线方向，其余四指方向为柏氏回路方向。 •在实际晶体中，从任一原子M出发，围绕位错线（避开位错 线附近的严重畸变区）以一定的步数作闭合回路MNOPQ
是不同的。
1-大的置换原子
2-肖脱基空位 3-异类间隙原子
4-复合空位
5-弗兰克尔空位 6-小的置换原子
• 形成空位或间隙原子等点缺陷时，其周围区域的 原子偏离平衡位置必然使晶体能量升高，这种由 点阵畸变造成的能量增加称为畸变能。
• 形成点缺陷时也将导致电子运动状态发生变化而 使晶体能量升高，这种能量增加称为电子能 缺陷产生的能量变化
的原子将被击出，挤入晶格间隙中，由
于被击出的原子具有很高的能量，因此
还有可能发生连锁作用，在晶体中形成
大量的空位和间隙原子
晶体中的点缺陷处于不断的运动状态．当空位周围原子 的热振动动能超过激活能时，就可能脱离原来结点位置 而跳跃到空位。正是靠这一机制．空位发生不断的迁移， 同时伴随原子的反向迁移。间隙原子也是在晶格的间隙 中不断运动。 点缺陷的迁移