第二章-缺陷物理与性能.pptx

第二章 缺陷物理与性能缺陷的含义缺陷的含义：晶体缺陷就是指实际晶体中与理想的点阵结构：晶体缺陷就是指实际晶体中与理想的点阵结构发生偏差的区域。发生偏差的区域。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：存在着各种各样的结构的不完整性。存在着各种各样的结构的不完整性。晶体晶体非晶体非晶体晶晶 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的熔点确定的熔点各向异性各向异性各向同性各向同性无确定的熔点无确定的熔点对对X射线的衍射效应射线的衍射效应 无无 对称性对称性 无无 晶体与非晶体的区别晶体与非晶体的区别 晶体缺陷的类型晶体缺陷的类型 分类方式：分类方式：几何形态几何形态：点缺陷、线缺陷、面缺陷等点缺陷、线缺陷、面缺陷等形成原因形成原因：热缺陷、杂质缺陷、非化学计量缺陷等热缺陷、杂质缺陷、非化学计量缺陷等缺陷分类根据晶体缺陷的几何形态特征，可将它们分为以下根据晶体缺陷的几何形态特征，可将它们分为以下三类：三类：n 点缺陷点缺陷 特征是在三维方向上的尺寸都很小，约一个或特征是在三维方向上的尺寸都很小，约一个或几个原子间距，亦称为零维缺陷。例如空位、填隙原子、杂几个原子间距，亦称为零维缺陷。例如空位、填隙原子、杂质原子等。质原子等。n 线缺陷线缺陷 特征是在两维方向上的尺寸很小，仅在另一维特征是在两维方向上的尺寸很小，仅在另一维方向上的尺寸较大，亦称为一维缺陷。例如位错。方向上的尺寸较大，亦称为一维缺陷。例如位错。n 面缺陷面缺陷 特征是在两维方向上的尺寸较大，只在另一维特征是在两维方向上的尺寸较大，只在另一维方向上的尺寸很小，亦称为二维缺陷。例如晶体表面、晶界、方向上的尺寸很小，亦称为二维缺陷。例如晶体表面、晶界、相界和堆垛层错等。相界和堆垛层错等。一 点缺陷根据点缺陷的形成机理，晶体中的点缺陷可以分为热缺陷和根据点缺陷的形成机理，晶体中的点缺陷可以分为热缺陷和杂质缺陷两种。杂质缺陷两种。热缺陷的三种形式热缺陷的三种形式：图2.1弗伦克尔缺陷图2.2肖脱基缺陷图2.3只有填隙原子一 点缺陷离子晶体的点缺陷离子晶体的点缺陷结构特点：正、负离子相间排列在格点上，尺寸较小的离子一般是正离子。缺陷导致电导率增加一 点缺陷离子晶体的点缺陷离子晶体的点缺陷离子晶体的点缺陷离子晶体的点缺陷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点缺陷的平衡浓度点缺陷的平衡浓度nF=UTS自由能随点缺陷数量的变化空位形成能空位形成能空位形成能空位形成能(vacancy formation energyvacancy formation energyvacancy formation energyvacancy formation energy):):):):点缺陷的平衡浓度点缺陷的平衡浓度点缺陷的平衡浓度点缺陷的平衡浓度 通过热力学分析，在绝对零度以上的任何温度，通过热力学分析，在绝对零度以上的任何温度，通过热力学分析，在绝对零度以上的任何温度，通过热力学分析，在绝对零度以上的任何温度，晶体中最稳定的状态是含有一定浓度的点缺陷的晶体中最稳定的状态是含有一定浓度的点缺陷的晶体中最稳定的状态是含有一定浓度的点缺陷的晶体中最稳定的状态是含有一定浓度的点缺陷的状态，这个浓度称为该温度下晶体中状态，这个浓度称为该温度下晶体中状态，这个浓度称为该温度下晶体中状态，这个浓度称为该温度下晶体中点缺陷的平点缺陷的平点缺陷的平点缺陷的平衡浓度衡浓度衡浓度衡浓度(equilibrium consistenceequilibrium consistenceequilibrium consistenceequilibrium consistence)。经热力学推经热力学推经热力学推经热力学推导：导：导：导：C=n/N=AexpC=n/N=AexpC=n/N=AexpC=n/N=Aexp（U/kTU/kTU/kTU/kT）C C C C与与与与T T T T、U U U U之间呈指数关系。之间呈指数关系。之间呈指数关系。之间呈指数关系。T T T T上升、上升、上升、上升、C C C C升高。升高。升高。升高。点缺陷与材料性能n1）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n理论计算结果表明，填隙原子引起的体膨胀为12个原子体积，而空位的体膨胀则约为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。2）点缺陷可以引起晶体电导性能的变化点缺陷破坏了原子的规则排列，使传导电子受到散射，产生附加电阻。附加电阻的大小与点缺陷浓度成正比，因而可用来标志点缺陷浓度。从附加电阻和温度的关系可以确定空位的形成能。测量方法：测量方法：一种是直接在高温测量电阻对温度的曲线，曲线上的异常部分就是由于空位的影响造成的；另一种方法是将样品淬火，使金属快速冷却，过饱和的空位就被冻结，这时就可以在室温下对不同淬火温度后的样品进行电阻的测量，测量结果也可以求出空位的形成能。对于离子晶体，点缺陷增加电导点缺陷与材料性能n空位换位运动空位复合消失3）点缺陷能加速与扩散有关的相变n以各种目的进行的金属材料热处理，利用了金属中原子的扩散。加工后的金属进行退火，是加工导致产生大量位错，由于原子扩散引起攀移、正负位错相互抵消的过程；为时效硬化进行热处理，通过扩散在母晶体中析出过饱和固溶状态的固溶原子等，都是点缺陷空位扩散的结果 3）点缺陷能加速与扩散有关的相变无色透明晶体无色透明晶体4）点缺陷可以引起晶体光学性能的变化点缺陷电荷中心束缚态电荷中心束缚态透明晶体呈现颜色透明晶体呈现颜色（色心）（色心）n用途：利用点缺陷可以引起晶体光学性能变化的原理，可以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的Cr2O3。这样，在单晶氧化铝禁带中引进了Cr3+的杂质能级，造成了不同于蓝宝石的选择性吸收，故显红色。电子或空位在束缚态之间跃迁n含有点缺陷的晶体，其内能比理想晶体的内能大，这种由缺陷引起的在定容比热容基础上增加的附加比热容称为比热容的“反常”。5）点缺陷可以引起比热容的反常6）对金属强度的影响n影响晶体力学性能的主要缺陷是非平衡点缺陷，在常温晶体中热力学平衡的点缺陷的浓度很小，因此点缺陷具有平衡浓度时对晶体的力学性能没有明显影响。但过饱和点缺陷（超过平衡浓度的点缺陷）可以提高金属的屈服强度。n获得过饱和点缺陷的方法：n淬火法n辐照法n塑性变形淬火引起的点缺陷变化淬火引起的点缺陷变化n将晶体加热到高温，晶体中便形成较多的空位，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。辐照引起的点缺陷变化辐照引起的点缺陷变化未辐照和受辐照的多晶铜的应力-应变曲线（在20下的实验）线缺陷线缺陷线缺陷是发生在晶格中一条线周围，其特征是在两个方向上的尺寸很小，而另一个方向上的尺寸很大，晶体中的线缺陷主要是各种类型的位错，是晶体中某处的一列或几列原子发生错排产生的线形点阵畸变区。位错还影响着晶体的力、电、光学等性质，对相变和扩散等过程也有重大的影响。位错的运动位错的运动 n位错的滑移：位错的滑移：指位错在外力作用下，在滑移面指位错在外力作用下，在滑移面上的运动，结果导致永久形变。上的运动，结果导致永久形变。n位错的攀移：位错的攀移：指在热缺陷的作用下，位错在垂指在热缺陷的作用下，位错在垂直滑移方向的运动，结果导致空位或间隙原子直滑移方向的运动，结果导致空位或间隙原子的增值或减少。的增值或减少。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断，其中断处的边沿就是一个刃型位错。断，其中断处的边沿就是一个刃型位错。位错刃位错示意图位错刃位错(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n螺型位错的形成位错螺位错刃位错的运动方式滑移滑移n刃型位错的滑移n（a）正刃型位错（b）负刃型位错n滑移过程中，原子的滑移方向、位错线的运动方向和滑移过程中，原子的滑移方向、位错线的运动方向和外加应力方向三者是平行的外加应力方向三者是平行的 刃位错的运动方式滑移滑移螺位错的运动方式滑移滑移n螺型位错的运动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刃位错的运动刃位错的运动螺位错的运动螺位错的运动位错滑移对比：位错滑移对比：n刃位错滑移过程中，原子的滑移方向、位错线的运动方向和外加刃位错滑移过程中，原子的滑移方向、位错线的运动方向和外加应力方向三者是平行的；应力方向三者是平行的；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位错的运动方式攀移攀移刃型位错可以在滑移面内运动，也可以垂直于滑移面运动，这后一种运动称为位错的“攀移”。由于螺型位错没有附加的半原子平面，因此不能直接攀移。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）位错的弹性性质位错的弹性性质位错的应力场与应变能位错的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。位错的应力场位错的应力场:刃位错上面的原子处于压应力状态，为压应力场，刃位错刃位错上面的原子处于压应力状态，为压应力场，刃位错下面的原子处于张应力状态，为张应力场。下面的原子处于张应力状态，为张应力场。围绕一个螺位错的晶体圆柱体区域也有应力场存在。围绕一个螺位错的晶体圆柱体区域也有应力场存在。混合位错混合位错（补充）（补充）位错线与滑移矢量两者方向夹角呈任意角度滑移面ABC范围内原子发生了位移，其滑移矢量用b表示混合位错的形成位错线上任一点的滑移矢量相同晶体右上角在外力F作用下发生切变弧线AC即是位错线，为已滑移区和未滑移区的边界，与滑移矢量成任意角度是晶体中较常见的一种位错混合位错 AC位错线中混合位错原子组态靠近A端的位错线段平行于滑移矢量，属于纯螺型位错靠近C端的位错线段垂直于滑移矢量，属于纯刃型位错其余部分线段与滑移矢量成任意角度，属混合位错每一段位错线均可分解为刃型和螺型两个分量混合位错每一段位错线均可分解为刃型和螺型两个分量2.3 2.3 柏氏矢量柏氏矢量柏氏矢量是描述位错性质的一个重要物理量表示位错区原子的畸变特征，包括畸变的位置和畸变的程度是矢量1939年Burgers提出，故称该矢量为“柏格斯矢量”或“柏氏矢量”用b表示柏氏矢量的确定方法柏氏矢量的确定方法1人为假定位错线方向2）用右手螺旋法则来确定柏格斯回路的旋转方向3）将含有位错的实际晶体和理想的完整晶体相比较在实际晶体中作柏氏回路，在完整晶体中按相同的路线和步法作回路，路线终点指向起点的矢量，即“柏氏矢量”使位错线的正向与右螺旋的正向一致一般是从纸背向纸面或由上向下为位错线正向刃型位错的柏氏回路与柏氏矢量 刃型位错的柏氏回路和柏氏矢量(a)含有位错的晶体；(b)供比较用的理想晶体确定刃型位错的右手法则螺型位错的柏氏回路和柏氏矢量从柏氏矢量和位错线取向关系确定位错类型n(1)刃型位错：柏氏矢量与位错线相垂直位错线与柏氏矢量的位向关系区分位错的类型和性质n(2)螺型位错：柏氏矢量与位错线相平行柏氏矢量与位错线同向的则为右螺型位错，柏氏矢量与位错线反向的则为左螺型位错n(3)混合位错：柏氏矢量与位错线成任意角度螺型位错类型判断确定左、右螺型位错类型右手法则1）表征位错线的性质柏氏矢量柏氏矢量b的物理意义的物理意义2）表征了总畸变的积累3）表征了位错强度据b与位错线的取向关系可确定位错线性质围绕一根位错线的柏氏回路任意扩大或移动，回路中包含的点阵畸变量的总累和不变，因而由这种畸变总量所确定的柏氏矢量也不改变同一晶体中b大的位错有严重点阵畸变，能量高且不稳定位错许多性质，如位错的能量，应力场，位错受力等，都与b有关n位错是滑移区和未滑移区的边界柏氏矢量柏氏矢量b的物理意义的物理意义n螺型位错滑移方向平行于位错线，滑移量也是一个原子间距，和柏氏矢量完全一致n畸变是由滑移面上局部滑移引起的，滑移区上滑移的大小和方向与位错线上原子畸变特征一致n刃型位错滑移区的滑移方向正好垂直于位错线，滑移量为一个原子间距n对于任意位错，不管其形状如何，只要知道它的柏氏矢量，就得知晶体滑移的方向和大小，而不必从原子尺度考虑运动细节，为讨论塑性变形提供了方便n4）柏氏矢量的另一个重要意义是指出了位错滑移后，晶体上、下部分产生相对位移的方向和大小，即滑移矢量1）柏氏矢量与回路起点选择无关，也与柏氏回路的具体路径，大小无关3柏氏矢量特征2）几根位错相遇于一点，其方向朝着节点的各位错线的柏氏矢量 b之和等于离开节点之和一条位错线只有一个柏氏矢量如有几根位错线的方向均指向或离开节点，这些位错线的柏氏矢量之和值为零三位错线相遇于一点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n晶体受到的应力超过弹性限度后，将产生永久形变，即范性形变。n范性形变原子面的滑移n比如在立方晶格中具有最重要意义的三种晶面为（100）、（110）、（111）；具有最重要意义的三种晶向为100、110、111范性形变可以通过位错的运动来实现范性形变可以通过位错的运动来实现位错与物理性能位错的滑移与晶体的范性形变位错与物理性能位错对金属强度的影响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。当外加应力超过屈服强度时，位错开始滑移。如果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的硬化现象，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。n因为位错的周围有应力场，从而杂质原子会聚集到位错的近邻，使晶体的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，由于杂质向位错周围的聚集，就可能形成复杂的电荷中心，从而影响半导体的电学、光学以及其它性质。位错与物理性能位错对材料的电学、光学性质的影响n由于位错和杂质原子的相互作用，位错的存在影响着杂质在晶格中的扩散过程。位错与晶体生长n晶体生长的前提晶核n螺型位错台阶具有凝聚核的作用产生晶核位错与物理性能位错对扩散过程的影响n内耗的定义：振动着的固体,即使与外界完全隔离,其机械振动也会逐渐衰减下来,这种使机械能量耗散变为热能的现象,叫做内耗。n即固体在振动过程中由于内部的原因而引起的能量消耗,在英文文献中通用“internal friction”表示.n内耗是一个对结构高度灵敏的量,对内耗的研究不但可以推知固体中的结构和结构缺陷的情况,也可以得到固体结构变化及原子扩散的知识.位错与物理性能位错与固体内耗n要点：q位错内耗强烈地依赖于冷加工的程度；若内耗对冷加工敏感，就可以肯定这种内耗与位错有关。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的弓出、脱钉、缩回及再钉扎过程示意图在外加交变应力下位错弦的弓出、脱钉、缩回及再钉扎过程示意图面缺陷面缺陷是发生在晶格二维平面上的缺陷，其特征是在一个方向上的尺寸很小，而另两个方向上的尺寸很大，也可称二维缺陷。晶体的面缺陷包括两类：晶体的外表面和晶体中的内界面，其中内界面又包括了晶界、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，因此称为面缺陷。面缺陷对材料的力学、物理、化学性能都有影响。表面界面：晶界、相界面缺陷钢中的晶粒（其中黑线为晶界）面缺陷晶界（a）晶界（b）亚晶界晶界与亚晶界面缺陷小角晶界小角倾侧晶界（由一列刃型位错构成）；扭转晶界n当相邻晶粒的位相差大于10-15时，晶粒间的界面称为大角晶界。一般的大角晶界约为几个原子间距的薄层，层中的原子排列较疏松杂乱，结构比较复杂。但是并非所有大角晶界都具有松散紊乱的原子组态。当相邻两个晶粒具有某些特定的位向关系时，晶界上可以有较多的原子与两个晶粒的点阵结点都吻合的相当好。面缺陷大角晶界面缺陷大角晶界（孪晶界形成与分类）面缺陷大角晶界（堆垛层错）n（a）面心立方堆垛次序（b）密集六方堆垛次序n刚球密排面的堆垛面缺陷相界