材料科學(xué)概論-雷源源課件第2節(jié)晶體缺陷

線缺陷面缺陷點(diǎn)缺陷在實(shí)際晶體中，由于原子（或離子、分子）的熱運(yùn)動(dòng)，以及晶體的形成條件，冷熱加工過(guò)程和其他輻射、雜質(zhì)等因素的影響，實(shí)際晶體中原子的排列不可能那樣規(guī)則、完整，常存在各種偏離理想結(jié)構(gòu)的情況，即晶體缺陷。晶體缺陷對(duì)晶體的性能，特別是對(duì)那些結(jié)構(gòu)敏感的性能，如屈服強(qiáng)度、斷裂強(qiáng)度、塑性、電阻率、磁導(dǎo)率等都有很大影響。另外，晶體缺陷還與擴(kuò)散、相變、塑性變形、再結(jié)晶、氧化、燒結(jié)等都有密切關(guān)系。根據(jù)晶體缺陷的幾何特征，可將它們分為三類：第二節(jié)晶體缺陷點(diǎn)缺陷點(diǎn)缺陷是最簡(jiǎn)單的晶體缺陷，它是在結(jié)點(diǎn)上或鄰近的微觀區(qū)域內(nèi)偏離晶體結(jié)構(gòu)正常排列的一種缺陷。晶體點(diǎn)缺陷包括：空位置換原子雜質(zhì)間隙原子材料科學(xué)基礎(chǔ)第二章點(diǎn)缺陷引起晶格畸變,能量升高，結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，易發(fā)生轉(zhuǎn)變。點(diǎn)缺陷的存在會(huì)引起性能的變化：(1)物理性質(zhì)、如R、V、ρ等；(2)力學(xué)性能：采用高溫急冷(如淬火,大量的冷變形）,高能粒子輻照等方法可獲得過(guò)飽和點(diǎn)缺陷，如使σS提高；(3)影響固態(tài)相變,化學(xué)熱處理等。點(diǎn)缺陷對(duì)結(jié)構(gòu)和性能的影響材料科學(xué)基礎(chǔ)第二章位錯(cuò)位錯(cuò)的起源：位錯(cuò)的概念最早是在研究晶體滑移過(guò)程時(shí)提出來(lái)的。剛性相對(duì)滑動(dòng)模型：

τm=G/30

純鐵：G≈100GPa

純鐵的理論臨界切應(yīng)力：約3000MPa

純鐵的實(shí)際屈服強(qiáng)度：10MPa

1934年

Taylor、Orowan、Polanyi提出位錯(cuò)模型，滑移是通過(guò)稱為位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)而進(jìn)行的1950年代位錯(cuò)模型為試驗(yàn)所驗(yàn)證現(xiàn)在，位錯(cuò)是晶體的性能研究中最重要的概念。材料科學(xué)基礎(chǔ)第二章位錯(cuò)的間接觀測(cè)：若材料中的位錯(cuò)線與材料表面相交（俗稱位錯(cuò)“露頭”），則交點(diǎn)處附近由于位錯(cuò)應(yīng)力場(chǎng)的存在，其化學(xué)穩(wěn)定性將低于表面的其它部分。若用酸性腐蝕劑（如氫氟酸和硝酸的混合溶液）對(duì)這樣的表面進(jìn)行腐蝕，則位錯(cuò)“露頭”處的腐蝕速度將遠(yuǎn)高于其它部分，可形成一個(gè)“腐蝕坑”。再利用一些表面顯微觀察技術(shù)（如掃描電子顯微鏡、干涉顯微鏡等等）便可以觀察到位錯(cuò)的“露頭”位置。圖6中展示了在干涉顯微鏡下，經(jīng)上述方法制備得到硅片表面位錯(cuò)腐蝕坑的形態(tài)，根據(jù)腐蝕坑邊緣的形狀可以確定硅片的晶體學(xué)取向——橢圓形代表硅片表面為(100)晶面，三角形代表硅片表面為(111)晶面。位錯(cuò)的直接觀測(cè)：利用透射電子顯微鏡（TransmissionElectronMicroscope，簡(jiǎn)稱TEM）可直接觀察到材料微結(jié)構(gòu)中的位錯(cuò)。TEM觀察的第一步是將金屬樣品加工成電子束可以穿過(guò)的薄膜。在沒(méi)有位錯(cuò)存在的區(qū)域，電子通過(guò)等間距規(guī)則排列的各晶面時(shí)將可能發(fā)生衍射，其衍射角、晶面間距及電子波長(zhǎng)之間滿足布拉格定律（Bragg'slaw）。而在位錯(cuò)存在的區(qū)域附近，晶格發(fā)生了畸變，因此衍射強(qiáng)度亦將隨之變化，于是位錯(cuò)附近區(qū)域所成的像便會(huì)與周?chē)鷧^(qū)域形成襯度反差，這就是用TEM觀察位錯(cuò)的基本原理，因上述原因造成的襯度差稱為衍射襯度。在圖7和圖8中，中間稍亮區(qū)域（晶粒）里的暗線就是所觀察到位錯(cuò)的像。由于多晶材料中不同晶粒的晶體學(xué)取向不同，因此晶粒之間亦存在襯度差別，這就是圖7和圖8中中間區(qū)域較周?chē)鷧^(qū)域更亮的原因。值得注意的是，圖中位錯(cuò)像所具有的“蜿蜒”的形態(tài)，這是位錯(cuò)線在厚度方向穿過(guò)試樣（薄膜）的位錯(cuò)在TEM下的典型形態(tài)；還需注意的是圖中位錯(cuò)像的終結(jié)處實(shí)際上是因?yàn)槲诲e(cuò)線到達(dá)了試樣表面，而非終結(jié)在了試樣內(nèi)部。所有位錯(cuò)都只能以位錯(cuò)環(huán)的形式終結(jié)于晶粒的內(nèi)部。2.3.1位錯(cuò)的基本類型和特征1、刃型位錯(cuò)刃型位錯(cuò)形成過(guò)程原子排列具體模型多余的半原子面與滑移面的交線就稱為刃型位錯(cuò)線刃型位錯(cuò)線也可理解為晶體中已滑移區(qū)與未滑移區(qū)的邊界線刃型位錯(cuò)的特征2、螺型位錯(cuò)3、混合位錯(cuò)除了上面介紹的兩種基本型位錯(cuò)外，還有一種形式更為普遍的位錯(cuò)，其滑移矢量既不平行也不垂直于位錯(cuò)線，而是與位錯(cuò)線相交成任意角度，這種位錯(cuò)稱為混合位錯(cuò)。插入混合位錯(cuò)的形成過(guò)程動(dòng)畫(huà)2.3.3位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)方式有兩種最基本形式:位錯(cuò)最重要的性質(zhì)之一是它可在晶體中運(yùn)動(dòng)，而晶體宏觀的塑性變形是通過(guò)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。晶體的力學(xué)性能如強(qiáng)度、塑性和斷裂等均與位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)有關(guān)?；婆室?.3.5位錯(cuò)的生成和增殖

1.位錯(cuò)的密度表達(dá)式：ρ=l/v

或ρ=n/A

單位:1/㎡2.位錯(cuò)的生成晶體中位錯(cuò)來(lái)源：(1)晶體生長(zhǎng)過(guò)程中產(chǎn)生。(2)晶體中過(guò)飽和空位的聚集。(3)應(yīng)力集中，產(chǎn)生局部區(qū)域滑移產(chǎn)生位錯(cuò)3.位錯(cuò)的增殖：為使F—R源動(dòng)作，外應(yīng)力需克服位錯(cuò)線彎曲時(shí)線張力所引起的阻力，計(jì)算可知其臨界切應(yīng)力為：4.位錯(cuò)的塞積晶體塑性變形時(shí)往往發(fā)生這樣的情況，即在一個(gè)滑移面上有許多位錯(cuò)被迫堆積在某種障礙物前，形成位錯(cuò)群的塞積。這些位錯(cuò)來(lái)自于同一位錯(cuò)源，所以具有相同的柏氏矢量。從理論上分析位錯(cuò)塞積群的分布，發(fā)現(xiàn)塞積群在垂直于位錯(cuò)線方向的長(zhǎng)度，對(duì)于刃型位錯(cuò)為Nμb/πτ(1-υ),對(duì)于螺型位錯(cuò)為Nμb/πτ，其中N為塞積群的位錯(cuò)總數(shù)，τ為外加切應(yīng)力（實(shí)際上應(yīng)為減掉晶格阻力之后的有效切應(yīng)力）?？梢?jiàn)塞積群的長(zhǎng)度正比于N，反比于τ。位錯(cuò)塞積群的一個(gè)重要效應(yīng)是在它的前端引起應(yīng)力集中。當(dāng)有n個(gè)位錯(cuò)被外加切應(yīng)力τ推向障礙物時(shí)，在塞積群的前端將產(chǎn)生n倍于外力的應(yīng)力集中。2.4材料中面缺陷

嚴(yán)格來(lái)說(shuō)，界面包括外表面（自由表面）和內(nèi)界面。表面是指固體材料與氣體或液體的分界面，它與摩擦、磨損、氧化、腐蝕、偏析、催化、吸附現(xiàn)象，以及光學(xué)、微電子學(xué)等均密切相關(guān)；而內(nèi)界面可分為晶粒邊界和晶內(nèi)的亞晶界、孿晶界、層錯(cuò)及相界面等。

界面通常包含幾個(gè)原子層厚的區(qū)域，該區(qū)域內(nèi)的原子排列甚至化學(xué)成分往往不同于晶體內(nèi)部，又因它系二維結(jié)構(gòu)分布，故也稱為晶體的面缺陷。界面的存在對(duì)晶體的力學(xué)、物理和化學(xué)等性能產(chǎn)生重要的影響。

2.4.1外表面

在晶體表面上，原子排列情況與晶內(nèi)不同,表面原子會(huì)偏離其正常的平衡位置，并影響到鄰近的幾層原子，造成表層的點(diǎn)陣畸變，使它們的能量比內(nèi)部原子高，這幾層高能量的原子層稱為表面。晶體表面單位面積自由能的增加稱為表面能（J/m2）。表面能也可理解為產(chǎn)生單位面積新表面所作的功：

式中dW為產(chǎn)生dS表面所作的功。表面能也可以單位長(zhǎng)度上的表面張力(N/m)表示。

表面能與晶體表面原子排列致密程度有關(guān)，原子密排的表面具有最小的表面能。所以自由晶體暴露在外的表面通常是低表面能的原子密排晶面。2.4.2晶界和亞晶界

晶界亞晶界確定晶界位置用：(1)兩晶粒的位向差θ(2)晶界相對(duì)于一個(gè)點(diǎn)陣某一平面的夾角φ。

按θ的大小分類：小角度晶界θ<10o

大角度晶界θ>10o4.晶界特征

（1）晶界處點(diǎn)畸變大，存在晶界能。（2）常溫下晶界的存在會(huì)對(duì)位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)起阻礙運(yùn)動(dòng)，使塑型變形抗力提高，使晶體（材料）的硬度和強(qiáng)度提高。（3）晶界處原子具有較高的動(dòng)能，且晶界處存在大量缺