材料科學基礎第7章晶體缺陷

1、晶晶 體體 缺缺 陷陷概念及分類概念及分類0點缺陷點缺陷1位錯的基本知識位錯的基本知識2位錯的運動位錯的運動3位錯的生成與增殖位錯的生成與增殖5位錯的彈性性質位錯的彈性性質4實際晶體中的位錯實際晶體中的位錯6缺陷的概念及分類缺陷的概念及分類平移對稱性的平移對稱性的示圖示圖 一、缺陷的概念一、缺陷的概念平移對稱性的破壞平移對稱性的破壞缺陷的概念及分類缺陷的概念及分類特點：特點：晶體缺陷晶體缺陷普遍存在普遍存在晶體缺陷數(shù)量上晶體缺陷數(shù)量上微不足道微不足道 例如例如，2020時，時，CuCu的空位濃度為的空位濃度為3.83.81010-17-17；充分充分退火后退火后FeFe中的位錯密度為中的位錯密

2、度為10101212m m-2-2。（空位、空位、位錯位錯都是將要都是將要介紹的缺陷形態(tài)）介紹的缺陷形態(tài)）。 對某些結構對某些結構敏感性敏感性能影響巨大能影響巨大二、缺陷的分類二、缺陷的分類缺陷的概念及分類缺陷的概念及分類 按照按照破壞區(qū)域的幾何特征，缺陷可以分為四類：破壞區(qū)域的幾何特征，缺陷可以分為四類： 缺陷類型缺陷類型線缺陷線缺陷面缺陷面缺陷體缺陷體缺陷點缺陷點缺陷點缺陷點缺陷(Point Defect)(Point Defect)：在三維方向上尺寸都很小，：在三維方向上尺寸都很小，又稱零維缺陷。（又稱零維缺陷。（空位、間隙原子及雜質原子空位、間隙原子及雜質原子等）；等）； 線缺陷線缺陷

3、(Line Defect)(Line Defect)：在空間兩個方向尺寸很小，：在空間兩個方向尺寸很小，一個方向尺寸較大，又稱一維缺陷。（一個方向尺寸較大，又稱一維缺陷。（位錯位錯，本章重，本章重點討論對象）；點討論對象）； 面缺陷面缺陷(Plane Defect)(Plane Defect)：在空間一個方向尺寸很小，：在空間一個方向尺寸很小，另兩個方向尺寸較大，又稱二維缺陷。（另兩個方向尺寸較大，又稱二維缺陷。（晶界、相界、晶界、相界、晶體表面及層錯晶體表面及層錯等）；等）； 體缺陷體缺陷：在三維方向上尺度都較大，又稱三維缺陷。：在三維方向上尺度都較大，又稱三維缺陷。（沉淀相、氣孔等）。（沉

4、淀相、氣孔等）。 缺陷的概念及分類缺陷的概念及分類多多晶晶體體中中的的常常見見缺缺陷陷模模擬擬圖圖7.1 7.1 點缺陷點缺陷(Point Defect)(Point Defect)7.1.1 7.1.1 點缺陷的形成點缺陷的形成一、點缺陷的類型一、點缺陷的類型 在點陣節(jié)點上或鄰近的區(qū)域內偏離在點陣節(jié)點上或鄰近的區(qū)域內偏離晶體結構，包括晶體結構，包括空位空位、自間隙原子、外來間隙原子、置換原子等、自間隙原子、外來間隙原子、置換原子等。1 1、空位空位 原子原子脫離了正常格點脫離了正常格點，在在原來的位置上留下原來的位置上留下了了空節(jié)點。空節(jié)點。2 2、間隙原子間隙原子 進入進入點陣間隙中的原點

5、陣間隙中的原子。子。7.1 7.1 點缺陷點缺陷(Point Defect)(Point Defect)空位和間隙原子作為缺陷，會引起點陣對空位和間隙原子作為缺陷，會引起點陣對稱性的稱性的破壞，并引起晶格畸變。破壞，并引起晶格畸變。7.1 7.1 點缺陷點缺陷(Point Defect)(Point Defect)二、點缺陷的形成二、點缺陷的形成 熱運動熱運動，具有足夠能量的，具有足夠能量的原子離開原子離開原來位置。原來位置。離位原子離位原子遷移到晶體的表面或晶界遷移到晶體的表面或晶界-肖脫基空位肖脫基空位；離位原子離位原子擠入晶體的間隙位置，在晶體內部擠入晶體的間隙位置，在晶體內部同時形同時

6、形 成成數(shù)目相等的空位和間隙原子數(shù)目相等的空位和間隙原子-弗蘭克空位弗蘭克空位。7.1 7.1 點缺陷點缺陷(Point Defect)(Point Defect)三三、離子晶體中的點缺陷離子晶體中的點缺陷 肖脫基缺陷：為了肖脫基缺陷：為了維持電性的中性維持電性的中性，出現(xiàn)，出現(xiàn)空位團，空位團由正離子和負離子空位空位團，空位團由正離子和負離子空位組成。組成。7.1 7.1 點缺陷點缺陷(Point Defect)(Point Defect)弗蘭克缺陷：弗蘭克缺陷：在離子晶體中把離子從正常在離子晶體中把離子從正常位置位置移入移入附近的間隙位置，這樣就形成弗蘭克缺陷附近的間隙位置，這樣就形成弗蘭克

7、缺陷對。對。 7.1 7.1 點缺陷點缺陷(Point Defect)(Point Defect)7.1.2 7.1.2 點缺陷的平衡濃度點缺陷的平衡濃度 晶體中出現(xiàn)點缺陷后，對體系存在兩種相反的影響：晶體中出現(xiàn)點缺陷后，對體系存在兩種相反的影響：造成造成點陣畸變，使晶體的內能增加，提高了系統(tǒng)的點陣畸變，使晶體的內能增加，提高了系統(tǒng)的自由能，降低了晶體的穩(wěn)定性；自由能，降低了晶體的穩(wěn)定性；增加了點陣排列的混亂度，系統(tǒng)的微觀狀態(tài)數(shù)目發(fā)增加了點陣排列的混亂度，系統(tǒng)的微觀狀態(tài)數(shù)目發(fā)生變化，使體系的組態(tài)熵增加，引起自由能下降生變化，使體系的組態(tài)熵增加，引起自由能下降。7.1 7.1 點缺陷點缺陷(Po

8、int Defect)(Point Defect)當內能和組當內能和組態(tài)熵達到態(tài)熵達到統(tǒng)一統(tǒng)一時，系統(tǒng)就達時，系統(tǒng)就達到平衡到平衡。由此由此確定的確定的點缺陷濃度即點缺陷濃度即為該溫度下的為該溫度下的平衡濃度。平衡濃度。7.1 7.1 點缺陷點缺陷(Point Defect)(Point Defect) 系統(tǒng)系統(tǒng)的自由能的自由能FUTS 設設一完整晶體中總共有一完整晶體中總共有N個同類原子排列在個同類原子排列在N個陣點上。若個陣點上。若將其中將其中n個原子從晶體內部移至晶體表面，則可形成個原子從晶體內部移至晶體表面，則可形成n個肖脫基個肖脫基空位，假定空位，假定空位的形成能為空位的形成能為Ef

9、，則晶體內能將增加，則晶體內能將增加D DUnEf。 另一方面，空位形成后，由于晶體比原來增加了另一方面，空位形成后，由于晶體比原來增加了n個空位，個空位，因此晶體的組態(tài)熵（混合熵）增大。因此晶體的組態(tài)熵（混合熵）增大。 根據(jù)統(tǒng)計熱力學原理，組態(tài)熵可表示為：根據(jù)統(tǒng)計熱力學原理，組態(tài)熵可表示為：Sc = klnW 其中其中k為玻爾茲曼常數(shù)為玻爾茲曼常數(shù)(1.3810-23J/K), W W為微觀狀態(tài)數(shù)：為微觀狀態(tài)數(shù)：7.1 7.1 點缺陷點缺陷(Point Defect)(Point Defect)!)!(nNnN W!)!(lnnNnNkSC 由于由于(N+n)!/(N!n!)中各項的數(shù)目都很

10、大中各項的數(shù)目都很大(Nn1)，可用斯特林可用斯特林(Stirling)近似公式近似公式lnx!xlnxx(x1時時)將上式簡化：將上式簡化：lnln)ln()(nnNNnNnNkScD7.1 7.1 點缺陷點缺陷(Point Defect)(Point Defect)0DTnFvfSTnnNNnNnNnkTEDlnln)ln()(0lnDvfSTnnNkTE 此時系統(tǒng)自由能變化此時系統(tǒng)自由能變化D DF：)(VcfSSTnESTUFDDDDDvfSnTnnNNnNnNkTnEDlnln)ln()( 在平衡態(tài)，自由能應為最小，即在平衡態(tài)，自由能應為最小，即:7.1 7.1 點缺陷點缺陷(Poi

11、nt Defect)(Point Defect) 將將上式中指數(shù)的分子分母同乘以阿伏加德羅常數(shù)上式中指數(shù)的分子分母同乘以阿伏加德羅常數(shù)NA：式式中中Qf為形成為形成1mol空位所需作的空位所需作的功功(空位形成激活能）空位形成激活能），R為氣體常數(shù)（為氣體常數(shù)（8.31J/mol）。）。 按照類似的方法，也可求得間隙原子的平衡濃度：按照類似的方法，也可求得間隙原子的平衡濃度：可得可得空位平衡濃度空位平衡濃度：exp ()/exp(/)fvfnCET SkTAEkTN D/)exp(/)exp(AAffN EkN TAQRTnCNexp(/)fAEkTnCN7.1 7.1 點缺陷點缺陷(Poin

12、t Defect)(Point Defect)缺陷類缺陷類型型形成能形成能(eV)(eV)不同溫度下不同溫度下FeFe中的缺陷平衡濃度中的缺陷平衡濃度5735731073107315731573空空 位位1 11010-17-171010-7-71010-4-4間隙原間隙原子子4 41010-67-671010-25-251010-15-15 間隙原子與空位相比數(shù)量可忽略不計；間隙原子與空位相比數(shù)量可忽略不計； 肖脫基空位形成遠比弗蘭克空位更容易。肖脫基空位形成遠比弗蘭克空位更容易。7.1 7.1 點缺陷點缺陷(Point Defect)(Point Defect)7.1.3 7.1.3 點缺

13、陷的運動點缺陷的運動空位遷移空位遷移7.1 7.1 點缺陷點缺陷(Point Defect)(Point Defect)間隙原子移動間隙原子移動7.1 7.1 點缺陷點缺陷(Point Defect)(Point Defect)7.1.4 7.1.4 點缺陷對材料性能的影響點缺陷對材料性能的影響1 1、電阻率的變化、電阻率的變化淬火溫度淬火溫度T()30050070010001500電阻率電阻率10-8 (cm)12.29012.54812.68612.81912.966 2.密度的變化密度的變化 晶體體積膨脹，密度減小。晶體體積膨脹，密度減小。 例如，形成一個肖脫基空位，晶體增加一個原子體積

14、?？紤]例如，形成一個肖脫基空位，晶體增加一個原子體積。考慮空位周圍原子收縮，約增大空位周圍原子收縮，約增大0.5倍原子體積。倍原子體積。 一個間隙原子引起一個間隙原子引起12倍原子體積膨脹。倍原子體積膨脹。7.1 7.1 點缺陷點缺陷(Point Defect)(Point Defect)7.1.5 7.1.5 熱力學非平衡點缺陷熱力學非平衡點缺陷1 1、淬火：將晶體加熱到、淬火：將晶體加熱到高溫急冷，使高溫急冷，使空位在冷卻過空位在冷卻過程中來不及消失，在低溫時保留下來，形成過飽和空程中來不及消失，在低溫時保留下來，形成過飽和空位；位；2 2、輻照、輻照：高能粒子轟擊，形成弗蘭克缺陷。：高能

15、粒子轟擊，形成弗蘭克缺陷。 如如：每個直接被快中子：每個直接被快中子(1Mev)(1Mev)擊中的原子，大約擊中的原子，大約可產生可產生100100200200對空位和間隙原子；對空位和間隙原子；3 3、塑性變形：晶體塑性變形時，通過位錯的相互作、塑性變形：晶體塑性變形時，通過位錯的相互作用也可產生大量用也可產生大量的過飽和點缺陷。的過飽和點缺陷。7.2 7.2 位錯位錯 (Dislocation)(Dislocation)晶體生長和相變過程常常依賴位錯進行晶體生長和相變過程常常依賴位錯進行金剛砂晶體生長的螺線金剛砂晶體生長的螺線7.2 7.2 位錯位錯 (Dislocation)(Dislo

16、cation)晶體的力學性能與位錯密切相關晶體的力學性能與位錯密切相關7.2 7.2 位錯的基本知識位錯的基本知識7.2.1 7.2.1 位錯概念的產生位錯概念的產生 是對晶體塑性變形過程研究的結果是對晶體塑性變形過程研究的結果鈷單晶形變掃描電鏡圖鈷單晶形變掃描電鏡圖7.2 7.2 位錯的基本知識位錯的基本知識滑移系滑移系研究結果表明晶體塑性變形與晶體結構存在相關性：研究結果表明晶體塑性變形與晶體結構存在相關性： 滑移面滑移面 滑移方向滑移方向 臨界切應力臨界切應力：導致滑移的滑移面滑移方向上最?。簩е禄频幕泼婊品较蛏献钚∏袘η袘?。7.2 7.2 位錯的基本知識位錯的基本知識上述過程

17、的宏觀特征：上述過程的宏觀特征：上述過程的微觀特征：上述過程的微觀特征：7.2 7.2 位錯的基本知識位錯的基本知識19261926年晶體屈服強度的計算：弗蘭克年晶體屈服強度的計算：弗蘭克(Frenkel)(Frenkel)的剛體模型的剛體模型晶體：完整的簡單結構，平行于滑移面的原子面間距為晶體：完整的簡單結構，平行于滑移面的原子面間距為a a。7.2 7.2 位錯的基本知識位錯的基本知識假定假定t t是是x的正弦函數(shù)：的正弦函數(shù)： 其中其中t tm對應正弦函數(shù)的振幅，對應正弦函數(shù)的振幅，a是周期。是周期。t tm估計：估計： 一方面，考慮位移很小一方面，考慮位移很小( (x0)(y0)，xx

18、xx00，說明晶體受壓應力；不包，說明晶體受壓應力；不包含半原子面的晶體含半原子面的晶體(y0)(y00，說明晶體受拉應力。，說明晶體受拉應力。 在滑移面上（在滑移面上（y=0y=0），只有切應力，沒有正應力；當），只有切應力，沒有正應力；當x=0 x=0或或|x|=|y|x|=|y|時時，無切應力。，無切應力。7.7.4 4 位錯的彈性性質位錯的彈性性質刃位錯應力分量符號與位置的關系刃位錯應力分量符號與位置的關系7.7.4 4 位錯的彈性性質位錯的彈性性質7.4.2 7.4.2 位錯的應變能位錯的應變能 位錯中心的能量位錯中心的能量E Ec c： 點陣畸變很大，點陣模型，點陣畸變很大，點陣模

19、型，1/10-1/151/10-1/15 位錯中心區(qū)域以外的能量位錯中心區(qū)域以外的能量E Ee e：彈性力學理論：彈性力學理論 采用連續(xù)介質彈性力學模型根據(jù)單位長度位錯所作的采用連續(xù)介質彈性力學模型根據(jù)單位長度位錯所作的功功7.7.4 4 位錯的彈性性質位錯的彈性性質韌性位錯的應變能，如圖，韌性位錯的應變能，如圖，單位長度單位長度韌位錯韌位錯假設從完整晶體至目前狀態(tài)逐步進行：假設從完整晶體至目前狀態(tài)逐步進行：7.7.4 4 位錯的彈性性質位錯的彈性性質同樣可得螺型位錯應變能：同樣可得螺型位錯應變能：02ln4rRGbEseseeeEE)1 (1 考慮到一般金屬的泊松比考慮到一般金屬的泊松比v

20、v0.30.30.40.4，若取，若取 =1/3=1/3，則刃型位錯的彈性應，則刃型位錯的彈性應變能比螺型位錯約大變能比螺型位錯約大50%50%。7.7.4 4 位錯的彈性性質位錯的彈性性質對混合位錯：對混合位錯：02022022ln4ln4cosln)1 (4sinrRkGbrRGbrRGbEEEseeeme2cos1)1 (K，混合位錯的角度因素，混合位錯的角度因素，k k110.75 0.75 位錯應變能與位錯應變能與b b2 2成正比。因此，成正比。因此，|b|b|小的位錯更穩(wěn)定，因而小的位錯更穩(wěn)定，因而|b|b|大的位錯可能分解為大的位錯可能分解為|b|b|小的位錯，以降低系統(tǒng)能量，

21、同時小的位錯，以降低系統(tǒng)能量，同時位 錯 滑 移 方 向 一 般 都 是 沿 原 子 的 密 排 方 向位 錯 滑 移 方 向 一 般 都 是 沿 原 子 的 密 排 方 向 ; ; 單位長度單位長度位錯應變能可進一步簡化為位錯應變能可進一步簡化為 E=aGbE=aGb2 2 ，a a取取0.50.51 17.7.4 4 位錯的彈性性質位錯的彈性性質7.4.3 7.4.3 位錯運動的動力和阻力位錯運動的動力和阻力一、位錯滑移的動力一、位錯滑移的動力 位錯在外切應力作用下，將會在滑移面上產生滑移運動。位錯在外切應力作用下，將會在滑移面上產生滑移運動。由于位錯的滑移方向總是與位錯線垂直，因此，可以

22、理解為有由于位錯的滑移方向總是與位錯線垂直，因此，可以理解為有一垂直于位錯線的力作用在位錯線一垂直于位錯線的力作用在位錯線上。上。 如果如果作用在位錯線的力為作用在位錯線的力為F F，并使位錯位移，并使位錯位移dsds，該力做功，該力做功為為W W，則有：，則有：F = dW / ds7.7.4 4 位錯的彈性性質位錯的彈性性質設位錯貫穿晶體長度為設位錯貫穿晶體長度為l, ,當滑移當滑移dsds距離時，法向力作功為距離時，法向力作功為FdsFds。若晶體滑移面總面積為若晶體滑移面總面積為A A，位錯滑移，位錯滑移dsds距離使滑移區(qū)同樣增加距離使滑移區(qū)同樣增加dsds距離，產生的滑移量為距離，

23、產生的滑移量為 ，分切應力所作的功，分切應力所作的功 bAldsbAldsAtbldsFdstblFtblFft/單位長度位錯受力：單位長度位錯受力：7.7.4 4 位錯的彈性性質位錯的彈性性質二、位錯滑移的點陣阻力二、位錯滑移的點陣阻力 位錯所受滑移力大于滑移的阻力時，位錯就可滑動。位錯位錯所受滑移力大于滑移的阻力時，位錯就可滑動。位錯移動時受到周期性的期性的晶格阻力，稱移動時受到周期性的期性的晶格阻力，稱Peierls-NabarroPeierls-Nabarro力力（P-NP-N模型）。模型）。7.7.4 4 位錯的彈性性質位錯的彈性性質P-NP-N力相當于在理想簡單立方晶體中使一刃位錯

24、運動所需的臨力相當于在理想簡單立方晶體中使一刃位錯運動所需的臨近切應力。近切應力。7.7.4 4 位錯的彈性性質位錯的彈性性質注意：注意：7.7.4 4 位錯的彈性性質位錯的彈性性質7.7.4 4 位錯的彈性性質位錯的彈性性質7.4.4 7.4.4 位錯的線張力位錯的線張力 因為位錯能量與位錯線的長度成正比，所以它有盡可能縮因為位錯能量與位錯線的長度成正比，所以它有盡可能縮短其長度而降低自由能的趨勢。短其長度而降低自由能的趨勢。 定義：位錯線增加單位長度時，引起晶體能量的增加，即，定義：位錯線增加單位長度時，引起晶體能量的增加，即，單位長度位錯的應變能（數(shù)量級為單位長度位錯的應變能（數(shù)量級為G

25、bGb2 2）2GbT221GbT 考慮到位錯通常都是彎曲的：考慮到位錯通常都是彎曲的：7.7.4 4 位錯的彈性性質位錯的彈性性質2sin2tdTdsb22sinddrdds rGbrTb22trGbbrT2t tt t或7.7.4 4 位錯的彈性性質位錯的彈性性質7.4.5 7.4.5 位錯間的相互作用力位錯間的相互作用力1 1、平行螺位錯間的力、平行螺位錯間的力位錯位錯b b1 1在在(r(r，)處的切應力為：處的切應力為：rGbzt21顯然，位錯顯然，位錯b b2 2在在t t Z Z作用下受到的力為：作用下受到的力為：rbGbbfzrt22127.7.4 4 位錯的彈性性質位錯的彈性

26、性質2 2、平行刃位錯間的力、平行刃位錯間的力 b b1 1應力場中，應力場中，只有切應力分量只有切應力分量yxyx和正應力分量和正應力分量xxxx對位錯對位錯b b2 2起作用，前者驅使其沿起作用，前者驅使其沿X X軸方向滑移，后者驅使其沿軸方向滑移，后者驅使其沿Y Y軸方向攀軸方向攀移。這兩個力分別為移。這兩個力分別為：22222212)()()1 (2yxyxxbGbbfyxxt22222212)()3()1 (2yxyxybGbbfxxy/4/4xxyy7.7.4 4 位錯的彈性性質位錯的彈性性質22222212)()()1 (2yxyxxbGbbfyxxt22222212)()3()

27、1 (2yxyxybGbbfxxy同號刃性位錯的交互作用同號刃性位錯的交互作用 異號刃位錯的交互作用異號刃位錯的交互作用7.7.4 4 位錯的彈性性質位錯的彈性性質其他情況位錯相互作用（了解）其他情況位錯相互作用（了解）7.4.6 7.4.6 位錯塞積位錯塞積7.7.4 4 位錯的彈性性質位錯的彈性性質 塞積群在垂直于位錯線方向的長度，對于刃型位錯為塞積群在垂直于位錯線方向的長度，對于刃型位錯為nGb/tt (1-v)，對于螺型位錯為，對于螺型位錯為nGb/tt，其中，其中n為塞積群中的位錯總數(shù)，為塞積群中的位錯總數(shù)，t t為外加切應力（實際上應為減掉晶格阻力之后的有效切應力）。為外加切應力（

28、實際上應為減掉晶格阻力之后的有效切應力）?？梢娙e群的長度正比于可見塞積群的長度正比于n，反比于，反比于t t。 當有當有n個位錯被外加切應力個位錯被外加切應力t t推向障礙物時，在塞積群的前端推向障礙物時，在塞積群的前端將產生將產生n倍于外力的應力集中。倍于外力的應力集中。 7.7.4 4 位錯的彈性性質位錯的彈性性質刃型位錯塞積造成的微裂紋刃型位錯塞積造成的微裂紋7.7.4 4 位錯的彈性性質位錯的彈性性質7.4.7 7.4.7 運動位錯的交割運動位錯的交割 割階割階 扭折扭折 1 1、兩刃型位錯的交割、兩刃型位錯的交割7.7.4 4 位錯的彈性性質位錯的彈性性質7.7.4 4 位錯的彈性

29、性質位錯的彈性性質7.7.4 4 位錯的彈性性質位錯的彈性性質7.7.4 4 位錯的彈性性質位錯的彈性性質2 2、刃型位錯與螺型位錯的交割、刃型位錯與螺型位錯的交割7.7.4 4 位錯的彈性性質位錯的彈性性質7.7.4 4 位錯的彈性性質位錯的彈性性質3 3、兩螺型位錯的交割、兩螺型位錯的交割7.7.4 4 位錯的彈性性質位錯的彈性性質7.7.4 4 位錯的彈性性質位錯的彈性性質帶刃型割階的螺型位錯的運動帶刃型割階的螺型位錯的運動7.7.4 4 位錯的彈性性質位錯的彈性性質帶帶刃刃型型割割階階的的螺螺型型位位錯錯的的運運動動帶小割階位錯運動帶小割階位錯運動帶位錯偶極的位錯運動帶位錯偶極的位錯運

30、動帶大割階位錯運動帶大割階位錯運動7.7.4 4 位錯的彈性性質位錯的彈性性質7.4.8 7.4.8 位錯與點缺陷的交互作用位錯與點缺陷的交互作用 科垂耳科垂耳(Cottrell)(Cottrell)：簡化模型首：簡化模型首先假定：晶體為連續(xù)彈性介質；溶先假定：晶體為連續(xù)彈性介質；溶質原子為剛球；溶質原子所引起的畸質原子為剛球；溶質原子所引起的畸變是球面對稱的。變是球面對稱的。( (只存在于刃位錯中）只存在于刃位錯中）100rrr錯配度錯配度 304rV DVvvGbAD)1 (3)1 ( rAU sin刃位錯和溶質原子交互作用能為刃位錯和溶質原子交互作用能為7.7.4 4 位錯的彈性性質位錯

31、的彈性性質位錯與溶質原子的相互作用示意圖位錯與溶質原子的相互作用示意圖 由于溶質原子與位錯有相互作用，若溫度和時間允許，它由于溶質原子與位錯有相互作用，若溫度和時間允許，它們將向位錯附近聚集，形成溶質原子氣團即所謂的們將向位錯附近聚集，形成溶質原子氣團即所謂的柯垂耳柯垂耳(Cottrell)(Cottrell)氣團氣團，使位錯的運動受到限制。，使位錯的運動受到限制。7.7.5 5 位錯的位錯的生成與增殖生成與增殖7.5.1 7.5.1 位錯密度位錯密度VLVSnS 嚴格地說嚴格地說v v與與s s是不同的。一般來說是不同的。一般來說v v s s。 一些實例：一些實例： 1 1、劇烈冷加工的晶

32、體：、劇烈冷加工的晶體： s s = 10 = 101616m m-2-2。 2 2、充分退火的金屬晶體：、充分退火的金屬晶體： s s = = 10108 810101212m m-2-2。 3 3、精心制備超純半導體：、精心制備超純半導體： s s = 10 = 106 6m m-2-2。即使在即使在s s=10=101616m m-2-2的情況下，則試樣的任一平面上，約的情況下，則試樣的任一平面上，約10001000個原子中才有一個位錯露頭，最終缺陷所占的比例很小。個原子中才有一個位錯露頭，最終缺陷所占的比例很小。 7.7.5 5 位錯的位錯的生成與增殖生成與增殖7.5.2 7.5.2

33、位錯的生成位錯的生成1 1、凝固時相位略有偏差的兩部分晶體交會時由于原子錯配而形、凝固時相位略有偏差的兩部分晶體交會時由于原子錯配而形成位錯；成位錯；2 2、在隨后的生長及冷卻過程中，由于溫度梯度、成分不均、晶、在隨后的生長及冷卻過程中，由于溫度梯度、成分不均、晶體結構變化等將導致局部應力集中，從而導致位錯產生；體結構變化等將導致局部應力集中，從而導致位錯產生；3 3、過飽和空位、過飽和空位聚集形成空位片，在應力作用下，可發(fā)生塌陷而聚集形成空位片，在應力作用下，可發(fā)生塌陷而在空位片周圍形成位錯環(huán)。在空位片周圍形成位錯環(huán)。7.7.5 5 位錯的位錯的生成與增殖生成與增殖7.5.3 7.5.3 位

34、錯的增殖位錯的增殖 在晶體塑性變形過程中，有大量的位錯滑移出晶體表面在晶體塑性變形過程中，有大量的位錯滑移出晶體表面而消失，晶體中位錯數(shù)量按理將越來越少，但是實驗表明，而消失，晶體中位錯數(shù)量按理將越來越少，但是實驗表明，塑性變形過程中位錯的數(shù)量不僅沒有減少，反而大大增加了，塑性變形過程中位錯的數(shù)量不僅沒有減少，反而大大增加了，這表明，位錯在以某種方式進行增殖，這個能增殖位錯的地這表明，位錯在以某種方式進行增殖，這個能增殖位錯的地方就是位錯源。方就是位錯源。7.7.5 5 位錯的位錯的生成與增殖生成與增殖Frank-ReadFrank-Read提出的位錯增殖機制提出的位錯增殖機制U U型平面源型

35、平面源7.7.5 5 位錯的位錯的生成與增殖生成與增殖7.7.5 5 位錯的位錯的生成與增殖生成與增殖Frank-ReadFrank-Read提出的位錯增殖機制提出的位錯增殖機制U U型平面源型平面源1 1、滑移面上存在一刃位錯、滑移面上存在一刃位錯DDDD；2 2、DDDD兩端被釘軋；兩端被釘軋；3 3、在外力作用下，、在外力作用下，DDDD開始運動；開始運動； 4 4、由于、由于D D、DD點被釘軋，位錯線彎曲擴展，并會發(fā)生回轉；點被釘軋，位錯線彎曲擴展，并會發(fā)生回轉；5 5、由于位錯的柏氏矢量不變，因此彎曲回轉后位錯各處性質、由于位錯的柏氏矢量不變，因此彎曲回轉后位錯各處性質發(fā)生變化；發(fā)

36、生變化；6 6、p p、q q處位錯同為純螺型位錯，且旋向相反，相遇時彼此抵處位錯同為純螺型位錯，且旋向相反，相遇時彼此抵消；消；7 7、形成位錯環(huán)繼續(xù)擴展，留下、形成位錯環(huán)繼續(xù)擴展，留下DDDD位錯循環(huán)上述過程。位錯循環(huán)上述過程。7.7.5 5 位錯的位錯的生成與增殖生成與增殖rGb2tlGbrGbc2t 通常通常l的數(shù)量級為的數(shù)量級為1010-4-4cmcm，b b1010-8-8cmcm，則上式給出的，則上式給出的c c約為約為1010-4-4。如果把位錯源的開動看成是晶體的屈服，則。如果把位錯源的開動看成是晶體的屈服，則c c就是臨界分切應力，這和實際晶體的屈服強度接近。就是臨界分切應

37、力，這和實際晶體的屈服強度接近。 7.7.5 5 位錯的位錯的生成與增殖生成與增殖單邊單邊F-RF-R源動作過程源動作過程 實驗觀察實驗觀察7.7.5 5 位錯的位錯的生成與增殖生成與增殖 雙交滑移機制雙交滑移機制7.6.1 7.6.1 實際晶體中位錯的柏氏矢量實際晶體中位錯的柏氏矢量全位錯全位錯單位位錯單位位錯不全位錯不全位錯分位錯分位錯典型晶體結構中單位位錯的柏氏矢量及其大小和數(shù)量典型晶體結構中單位位錯的柏氏矢量及其大小和數(shù)量結構類型結構類型簡單立方簡單立方面心立方面心立方體心立方體心立方密排六密排六方方柏氏矢量柏氏矢量 數(shù)數(shù) 量量36437 7.6 .6 實際晶體中的位錯實際晶體中的位錯

38、面心立方晶體中的全位錯面心立方晶體中的全位錯7 7.6 .6 實際晶體中的位錯實際晶體中的位錯7.6.2 7.6.2 堆垛層錯堆垛層錯 1.1.正常堆垛順序正常堆垛順序7 7.6 .6 實際晶體中的位錯實際晶體中的位錯面心立方結構面心立方結構面心立方晶胞面心立方晶胞密排六方結構密排六方結構7 7.6 .6 實際晶體中的位錯實際晶體中的位錯7 7.6 .6 實際晶體中的位錯實際晶體中的位錯7 7.6 .6 實際晶體中的位錯實際晶體中的位錯2 2、堆垛層錯、堆垛層錯堆垛層錯：實際晶體中堆垛順序與正常的堆垛順序出現(xiàn)差異。堆垛層錯：實際晶體中堆垛順序與正常的堆垛順序出現(xiàn)差異。7 7.6 .6 實際晶體

39、中的位錯實際晶體中的位錯抽出型層錯抽出型層錯插入型層錯插入型層錯 形成堆垛層錯后并沒有產生點陣畸變，也不改變最近鄰關形成堆垛層錯后并沒有產生點陣畸變，也不改變最近鄰關系，僅僅改變了原子間的次近鄰關系，但是它破壞了晶體的周系，僅僅改變了原子間的次近鄰關系，但是它破壞了晶體的周期性和完整性，因此也會導致晶體能量的期性和完整性，因此也會導致晶體能量的增加。增加。 這這部分增加的能量稱為部分增加的能量稱為層錯能層錯能，層錯能越小，層錯出現(xiàn)的，層錯能越小，層錯出現(xiàn)的幾率越大。幾率越大。7 7.6 .6 實際晶體中的位錯實際晶體中的位錯7.6.3 7.6.3 不全位錯不全位錯 如果堆垛層錯不是發(fā)生在整個晶

40、面上，而是終止在晶體內如果堆垛層錯不是發(fā)生在整個晶面上，而是終止在晶體內部部 ，則層錯與完整晶體的交界處就存在柏氏矢量，則層錯與完整晶體的交界處就存在柏氏矢量b b不等于點陣不等于點陣矢量的不全位錯。矢量的不全位錯。7.6 實際晶體中的位錯實際晶體中的位錯一、一、 肖克萊不全位錯肖克萊不全位錯 在在(111)(111)面上把任意一層原子面以上的部分晶體沿面上把任意一層原子面以上的部分晶體沿b b1 1方向作方向作相對滑移，這樣形成的位錯是全位錯。相對滑移，這樣形成的位錯是全位錯。但是這樣運動能量較大，如果按如圖所示的路徑，分兩步但是這樣運動能量較大，如果按如圖所示的路徑，分兩步滑動，引起的晶體

41、畸變要小得多?；瑒?，引起的晶體畸變要小得多。7.6 實際晶體中的位錯實際晶體中的位錯7.6 實際晶體中的位錯實際晶體中的位錯7.6 實際晶體中的位錯實際晶體中的位錯7 7.6 .6 實際晶體中的位錯實際晶體中的位錯肖克萊位錯的特點：肖克萊位錯的特點：柏氏矢量平行于層錯面；柏氏矢量平行于層錯面； 由于層錯只能位于一個平面上，因此位錯為二維曲線；由于層錯只能位于一個平面上，因此位錯為二維曲線； 位錯位錯可為刃型、螺型和可為刃型、螺型和混合型；混合型；只能滑移，造成層錯面的擴大或縮小，不能攀移和交只能滑移，造成層錯面的擴大或縮小，不能攀移和交滑移滑移。7.6 實際晶體中的位錯實際晶體中的位錯二、弗蘭

42、克不全位錯二、弗蘭克不全位錯 如果在如果在fccfcc晶體的晶體的111111面間插入或抽出半個原子面，這樣面間插入或抽出半個原子面，這樣形成的層錯邊界就是弗蘭克不全位錯形成的層錯邊界就是弗蘭克不全位錯。 這樣這樣形成的不全位錯柏矢量為形成的不全位錯柏矢量為 ，垂直于，垂直于111111面面( (垂垂直于層錯面和位錯線直于層錯面和位錯線) )，是純刃型的。，是純刃型的。 7.6 實際晶體中的位錯實際晶體中的位錯負弗蘭克不全位錯負弗蘭克不全位錯正弗蘭克不全位錯正弗蘭克不全位錯正弗蘭克不全位錯的形成正弗蘭克不全位錯的形成 7.6 實際晶體中的位錯實際晶體中的位錯負弗蘭克不全位錯的運動負弗蘭克不全位

43、錯的運動 7.6 實際晶體中的位錯實際晶體中的位錯7.6 實際晶體中的位錯實際晶體中的位錯弗蘭克不全位錯不能在滑移面上進行滑移，否則就要離弗蘭克不全位錯不能在滑移面上進行滑移，否則就要離開所在的開所在的111面，所以有時把弗蘭克不全位錯稱為不滑面，所以有時把弗蘭克不全位錯稱為不滑動位錯。不過弗蘭克不全位錯能夠通過點缺陷的運動沿動位錯。不過弗蘭克不全位錯能夠通過點缺陷的運動沿層錯面進行攀移，使層錯面擴大或縮小。層錯面進行攀移，使層錯面擴大或縮小。位錯名稱位錯名稱全位錯全位錯肖克萊位錯肖克萊位錯弗蘭克位錯弗蘭克位錯柏氏矢量柏氏矢量位錯類型位錯類型刃、螺、混刃、螺、混刃、螺、混刃、螺、混純刃純刃位錯

44、線形狀位錯線形狀空間曲線空間曲線111111面上任意面上任意曲線曲線111111面上任面上任意曲線意曲線可能的運動方可能的運動方式式滑移、攀移、滑移、攀移、交滑移交滑移只能滑移，不只能滑移，不能攀移、交滑能攀移、交滑移移只能攀移，不只能攀移，不能滑移能滑移1102a1126a1113a7.6 實際晶體中的位錯實際晶體中的位錯4 4、位錯反應、位錯反應位錯反應：晶體中組態(tài)不穩(wěn)定的位錯轉化為組態(tài)穩(wěn)定的位錯，位錯反應：晶體中組態(tài)不穩(wěn)定的位錯轉化為組態(tài)穩(wěn)定的位錯，或具有不同柏氏矢量的位錯發(fā)生合并或分解等轉換?；蚓哂胁煌厥鲜噶康奈诲e發(fā)生合并或分解等轉換。兩個條件：兩個條件：幾何條件幾何條件：根據(jù)柏氏矢

45、量守恒性的要求，反應前后位錯的：根據(jù)柏氏矢量守恒性的要求，反應前后位錯的柏氏矢量之和應當相等，即：柏氏矢量之和應當相等，即：S Sb b前前= =S Sb b后后 能量條件能量條件：位錯反應應當是一個導致系統(tǒng)能量降低的過程，：位錯反應應當是一個導致系統(tǒng)能量降低的過程，因此反應后位錯的總能量應當小于反應發(fā)生時的能量，由于因此反應后位錯的總能量應當小于反應發(fā)生時的能量，由于位錯的能量正比于位錯的柏氏矢量位錯的能量正比于位錯的柏氏矢量b b2 2，因此，有：，因此，有：S S|b|b前前| |2 2 | |S Sb b后后| |2 2 7.6 實際晶體中的位錯實際晶體中的位錯5 5、擴展位錯、擴展位

46、錯擴展位錯：分解后的這兩個不全位錯位于同一滑移面上，其柏擴展位錯：分解后的這兩個不全位錯位于同一滑移面上，其柏氏矢量夾角是氏矢量夾角是6060，它們是互相排斥的，有分開的趨勢，在兩，它們是互相排斥的，有分開的趨勢，在兩個不全位錯之間夾了一片層錯區(qū)。通常我們將這種兩個不全位個不全位錯之間夾了一片層錯區(qū)。通常我們將這種兩個不全位錯夾一個層錯區(qū)的組態(tài)稱之為擴展位錯。錯夾一個層錯區(qū)的組態(tài)稱之為擴展位錯。7.6 實際晶體中的位錯實際晶體中的位錯由于層錯能的存在，因此層錯區(qū)的出現(xiàn)會導致系統(tǒng)能量的增加，由于層錯能的存在，因此層錯區(qū)的出現(xiàn)會導致系統(tǒng)能量的增加，而由全位錯分解為不全位錯，會降低系統(tǒng)能量，或者說層錯能而由全位錯分解為不全位錯，會降低系統(tǒng)能量，或者說層錯能與不全位錯間的斥力平衡將導致擴展位錯存在一個平衡寬度與不全位錯