缺陷物理与性能省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx

第二章 缺点物理与性能第1页缺点含义缺点含义：晶体缺点就是指实际晶体中与理想点阵结构发生：晶体缺点就是指实际晶体中与理想点阵结构发生偏差区域。偏差区域。理想晶体：理想晶体：质点严格按照空间点阵排列。质点严格按照空间点阵排列。实际晶体：实际晶体：存在着各种各样结构不完整性。存在着各种各样结构不完整性。第2页晶体晶体非晶体非晶体第3页晶晶 体体非非 晶晶 体体规则几何外形规则几何外形无定形无定形确定熔点确定熔点各向异性各向异性各向同性各向同性无确定熔点无确定熔点对对X射线衍射效应射线衍射效应 无无 对称性对称性 无无 晶体与非晶体区分晶体与非晶体区分第4页 晶体缺点类型晶体缺点类型 分类方式：分类方式：几何形态几何形态：点缺点、线缺点、面缺点等点缺点、线缺点、面缺点等形成原因形成原因：热缺点、杂质缺点、非化学计量缺点等热缺点、杂质缺点、非化学计量缺点等第5页缺点分类 依据晶体缺点几何形态特征，可将它们分为以下三依据晶体缺点几何形态特征，可将它们分为以下三类：类：n 点缺点点缺点 特征是在三维方向上尺寸都很小，约一个或几特征是在三维方向上尺寸都很小，约一个或几个原子间距，亦称为零维缺点。比如空位、填隙原子、杂质个原子间距，亦称为零维缺点。比如空位、填隙原子、杂质原子等。原子等。n 线缺点线缺点 特征是在两维方向上尺寸很小，仅在另一维方特征是在两维方向上尺寸很小，仅在另一维方向上尺寸较大，亦称为一维缺点。比如位错。向上尺寸较大，亦称为一维缺点。比如位错。n 面缺点面缺点 特征是在两维方向上尺寸较大，只在另一维方特征是在两维方向上尺寸较大，只在另一维方向上尺寸很小，亦称为二维缺点。比如晶体表面、晶界、相向上尺寸很小，亦称为二维缺点。比如晶体表面、晶界、相界和堆垛层错等。界和堆垛层错等。第6页一 点缺点依据点缺点形成机理，晶体中点缺点能够分为热缺点和杂质依据点缺点形成机理，晶体中点缺点能够分为热缺点和杂质缺点两种。缺点两种。热缺点三种形式热缺点三种形式：图2.1 弗伦克尔缺点 图2.2 肖脱基缺点 图2.3 只有填隙原子第7页一 点缺点第8页离子晶体点缺点离子晶体点缺点结构特点：正、负离子相间排列在格点上，尺寸较小离子普通是正离子。缺点造成电导率增加一 点缺点第9页离子晶体点缺点离子晶体点缺点离子晶体点缺点离子晶体点缺点第10页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点缺陷可以引起晶体电导性能的变化点缺陷能加速与扩散有关的相变点缺陷能加速与扩散有关的相变点缺陷可以引起晶体光学性能的变化点缺陷可以引起晶体比热容的“反常”对金属强度的影响点缺陷与材料性能第11页点缺点与材料性能n1）填隙原子和肖脱基缺点能够引发晶体密度改变，弗伦克尔缺点不会引发晶体密度改变n理论计算结果表明，填隙原子引发体膨胀为12个原子体积，而空位体膨胀则约为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。第12页2）点缺点能够引发晶体电导性能改变点缺点破坏了原子规则排列，使传导电子受到散射，产生附加电阻。附加电阻大小与点缺点浓度成正比，因而可用来标志点缺点浓度。从附加电阻和温度关系能够确定空位形成能。测量方法：测量方法：一个是直接在高温测量电阻对温度曲线，曲线上异常部分就是因为空位影响造成；另一个方法是将样品淬火，使金属快速冷却，过饱和空位就被冻结，这时就能够在室温下对不一样淬火温度后样品进行电阻测量，测量结果也能够求出空位形成能。对于离子晶体，点缺点增加电导点缺点与材料性能第13页n空位换位运动空位复合消失3）点缺点能加速与扩散相关相变第14页n以各种目标进行金属材料热处理，利用了金属中原子扩散。加工后金属进行退火，是加工造成产生大量位错，因为原子扩散引发攀移、正负位错相互抵消过程；为时效硬化进行热处理，经过扩散在母晶体中析出过饱和固溶状态固溶原子等，都是点缺点空位扩散结果 3）点缺点能加速与扩散相关相变第15页无色透明晶体无色透明晶体 4）点缺点能够引发晶体光学性能改变点缺点电荷中心束缚态电荷中心束缚态透明晶体展现颜色透明晶体展现颜色（色心）（色心）用途：利用点缺陷可以引发晶体光学性能变化原理，可认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Cr2O3。这么，在单晶氧化铝禁带中引进了Cr3+杂质能级，造成了不一样于蓝宝石选择性吸收，故显红色。电子或空位在束缚态之间跃迁第16页n含有点缺点晶体，其内能比理想晶体内能大，这种由缺点引发在定容比热容基础上增加附加比热容称为比热容“反常”。5）点缺点能够引发比热容反常第17页6）对金属强度影响n影响晶体力学性能主要缺点是非平衡点缺点，在常温晶体中热力学平衡点缺点浓度很小，所以点缺点含有平衡浓度时对晶体力学性能没有显著影响。但过饱和点缺点（超出平衡浓度点缺点）能够提升金属屈服强度。n取得过饱和点缺点方法：n 淬火法 n 辐照法 n 塑性变形第18页淬火引发点缺点改变淬火引发点缺点改变n将晶体加热到高温，晶体中便形成较多空位，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。第19页辐照引发点缺点改变辐照引发点缺点改变未辐照和受辐照多晶铜应力-应变曲线（在20下试验）第20页线缺点线缺点线缺点是发生在晶格中一条线周围，其特征是在两个方向上尺寸很小，而另一个方向上尺寸很大，晶体中线缺点主要是各种类型位错，是晶体中某处一列或几列原子发生错排产生线形点阵畸变区。位错还影响着晶体力、电、光学等性质，对相变和扩散等过程也有重大影响。第21页位错运动位错运动 n位错滑移：位错滑移：指位错在外力作用下，在滑移面上指位错在外力作用下，在滑移面上运动，结果造成永久形变。运动，结果造成永久形变。n位错攀移：位错攀移：指在热缺点作用下，位错在垂直滑指在热缺点作用下，位错在垂直滑移方向运动，结果造成空位或间隙原子增值或移方向运动，结果造成空位或间隙原子增值或降低。降低。第22页刃位错刃位错 刃位错刃位错 位错刃位错假设晶体内有一个原子平面在晶体内部中假设晶体内有一个原子平面在晶体内部中止，其中止处边缘就是一个刃型位错。止，其中止处边缘就是一个刃型位错。第23页位错刃位错示意图第24页位错刃位错第25页(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螺位错及其原子结构模型 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。位错螺位错第26页n螺型位错形成位错螺位错第27页刃位错运动方式滑移滑移n 刃型位错滑移n（a）正刃型位错 （b）负刃型位错n滑移过程中，原子滑移方向、位错线运动方向和外加滑移过程中，原子滑移方向、位错线运动方向和外加应力方向三者是平行应力方向三者是平行 第28页刃位错运动方式滑移滑移第29页螺位错运动方式滑移滑移n螺型位错运动n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而与位错线运动方向垂直第30页刃位错运动刃位错运动螺位错运动螺位错运动位错滑移对比：位错滑移对比：n刃位错滑移过程中，原子滑移方向、位错线运动方向和外加应力刃位错滑移过程中，原子滑移方向、位错线运动方向和外加应力方向三者是平行；方向三者是平行；n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错线运动方向垂直第31页位错运动方式攀移攀移刃型位错能够在滑移面内运动，也能够垂直于滑移面运动，这后一个运动称为位错“攀移”。因为螺型位错没有附加半原子平面，所以不能直接攀移。第32页刃位错攀移示意图刃位错攀移示意图（a）正攀移（半原子）正攀移（半原子面缩短）面缩短）(b)未攀移未攀移（c）负攀移（半）负攀移（半原子面伸长）原子面伸长）第33页位错弹性性质位错弹性性质位错应力场与应变能位错应力场与应变能理论基础：理论基础：连续弹性介质模型连续弹性介质模型假设：假设：1.完全服从虎克定律，即不存在塑性变形；完全服从虎克定律，即不存在塑性变形；2.各向同性；各向同性；3.连续介质，不存在结构间隙。连续介质，不存在结构间隙。位错应力场位错应力场:刃位错上面原子处于压应力状态，为压应力场，刃位错下刃位错上面原子处于压应力状态，为压应力场，刃位错下面原子处于张应力状态，为张应力场。面原子处于张应力状态，为张应力场。围绕一个螺位错晶体圆柱体区域也有应力场存在。围绕一个螺位错晶体圆柱体区域也有应力场存在。第34页位错与物理性能位错与内耗位错与晶体生长扩散过程金属强度电学、光学性质范性变形位错第35页n晶体受到应力超出弹性程度后，将产生永久形变，即范性形变。n范性形变原子面滑移n比如在立方晶格中含有最主要意义三种晶面为（100）、（110）、（111）；含有最主要意义三种晶向为100、110、111范性形变能够经过位错运动来实现范性形变能够经过位错运动来实现位错与物理性能位错滑移与晶体范性形变第36页位错与物理性能位错对金属强度影响n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。当外加应力超出屈服强度时，位错开始滑移。假如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。n热弹性高分子材料在塑性变形时硬化现象，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。第37页n因为位错周围有应力场，从而杂质原子会聚集到位错近邻，使晶体性质发生改变,位错对杂质原子有聚集作用。n在半导体材料中，因为杂质向位错周围聚集，就可能形成复杂电荷中心，从而影响半导体电学、光学以及其它性质。位错与物理性能位错对材料电学、光学性质影响第38页n因为位错和杂质原子相互作用，位错存在影响着杂质在晶格中扩散过程。位错与晶体生长n晶体生长前提晶核n螺型位错台阶含有凝聚核作用产生晶核位错与物理性能位错对扩散过程影响第39页n内耗定义：振动着固体,即使与外界完全隔离,其机械振动也会逐步衰减下来,这种使机械能量耗散变为热能现象,叫做内耗。n即固体在振动过程中因为内部原因而引发能量消耗,在英文文件中通用“internal friction”表示.n内耗是一个对结构高度灵敏量,对内耗研究不但能够推知固体中结构和结构缺点情况,也能够得到固体结构改变及原子扩散知识.位错与物理性能位错与固体内耗第40页n关键点：q位错内耗强烈地依赖于冷加工程度；若内耗对冷加工敏感，就能够必定这种内耗与位错相关。位错与物理性能位错与固体内耗在外加交变应力下位错弦弓出、脱钉、缩回及再钉扎过程示意图在外加交变应力下位错弦弓出、脱钉、缩回及再钉扎过程示意图 第41页面缺点面缺点是发生在晶格二维平面上缺点，其特征是在一个方向上尺寸很小，而另两个方向上尺寸很大，也可称二维缺点。晶体面缺点包含两类：晶体外表面和晶体中内界面，其中内界面又包含了晶界、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，所以称为面缺点。面缺点对材料力学、物理、化学性能都有影响。表面界面：晶界、相界第42页面缺点钢中晶粒（其中黑线为晶界）第43页面缺点晶界（a）晶界 （b）亚晶界晶界与亚晶界第44页面缺点小角晶界小角倾侧晶界（由一列刃型位错组成）；扭转晶界第45页n当相邻晶粒位相差大于10-15时，晶粒间界面称为大角晶界。普通大角晶界约为几个原子间距薄层，层中原子排列较疏松杂乱，结构比较复杂。不过并非全部大角晶界都含有涣散紊乱原子组态。当相邻两个晶粒含有一些特定位向关系时，晶界上能够有较多原子与两个晶粒点阵结点都吻合相当好。面缺点大角晶界第46页面缺点大角晶界（孪晶界形成与分类）第47页面缺点大角晶界（堆垛层错）n（a）面心立方堆垛次序 （b）密集六方堆垛次序n刚球密排面堆垛第48页面缺点相界第49页