[理学]第三章 晶体缺陷

(5)螺型位错线周围的点阵也发生了弹性畸变，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，
且在垂直于位错线的平面投影上，看不到原子的位移，看不出
有缺陷。(6) 螺型位锗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。
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3、混合位错
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3.1.3、空位的平衡浓度
空位形成能：在晶体内取出一个原子放在晶体表面上（但不改 变晶体的表面积和表面能）所需要的能量。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
在一摩尔的晶体中如存在n个空位，晶体中有N=6.023×1023个晶格 置，这是空位的浓度为x=n/N，系统熵值为：
第三章 晶体缺陷
3.1 点缺陷 3.2 线缺陷 3.2.1 位错的基本类型和特征 3.2.2 柏氏矢量 3.2.3 位错的运动 3.2.4 位错的弹性性质 3.2.5 位错的生成与增殖 3.2.6 位错与晶体缺陷的相互作用 3.2.7 实际晶体中的位错
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3.3 表面及界面 3.3.1 外表面 3.3.2 晶界和亚晶界 3.3.3 相界
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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。
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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
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。
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。
3.3.4 点缺陷的运动
0ZexpSmexp ET m
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布朗运动 原子的自扩散 固态相变 表面化学热处理 蠕变
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3.2 位错
线缺陷：在三维空间的一个方向上的尺寸很大(晶粒数量级)，
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。
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
3.2.1、位错的基本类型和特征
1、刃型位错
参看南昌第一章动画
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刃型位错结构的特点： (1)刃型位错有一个额外的半原子面。有正负之分。 (2)刃型位错线可理解为晶体中己滑移区与未滑移区的边界线。
3）置换原子： 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。
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空位的形成能Ev：
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”。
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3.1.2、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
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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：
P83间隙原子的平衡浓度与空位平衡浓度的区别。
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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
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3.1 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。
3.1.1、点缺陷的形成
点缺陷通常有三种类型：
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”。
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。
型位错可分为右旋（以右拇指表示螺旋面前进方向，四指表示
螺旋面旋转方向）和左旋螺型位错。
(3)螺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。
(4)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。
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3.2.2 伯氏矢量 1、 伯氏矢量的确定
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。
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，如图3．5所示。
(3)滑移面必定是同时包含有位错线和滑移矢量的平面，在其 他面上不能滑移。刃型位错中，位错线与滑移矢量互相垂直， 因此，由它们所构成的平面只有一个。
(4)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。就正刃型位错而言，滑移面上方点 阵受到压应力，下方点阵受到拉应力；负刃型位错与此相反。
(5)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。
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2、螺型位错
参看南昌第一章动画
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螺型位错具有以下特征：
(1)螺型位错无额外半原子面，原子错排是呈轴对称的。
(2)根据位错线附近呈螺旋形排列的原子的旋转方向不同．螺