材料科学课件：第四章晶体缺陷（一）.ppt

1、2/8/20221第四章第四章 晶体缺陷（一）晶体缺陷（一）2/8/20222一、什么是晶体缺陷一、什么是晶体缺陷二、点缺陷二、点缺陷三、线缺陷（位错）三、线缺陷（位错）2/8/20223一、什么是晶体缺陷？一、什么是晶体缺陷？1、实际晶体材料单晶体单晶体: : 一块晶体材料，其内部的晶一块晶体材料，其内部的晶体位向完全一致时，即整个材料体位向完全一致时，即整个材料是一个晶体，这块晶体就称之为是一个晶体，这块晶体就称之为“单晶体单晶体”，实用材料中如半导，实用材料中如半导体集成电路用的单晶硅、专门制体集成电路用的单晶硅、专门制造的晶须和其他一些供研究用的造的晶须和其他一些供研究用的材料。材料。

2、 2/8/20224多晶体多晶体: : 实际应用的工程材料中，实际应用的工程材料中，哪怕是一块尺寸很小材料，绝哪怕是一块尺寸很小材料，绝大多数包含着许许多多的小晶大多数包含着许许多多的小晶体，每个小晶体的内部，晶格体，每个小晶体的内部，晶格位向是均匀一致的，而各个小位向是均匀一致的，而各个小晶体之间，彼此的位向却不相晶体之间，彼此的位向却不相同。称这种由多个小晶体组成同。称这种由多个小晶体组成的晶体结构称之为的晶体结构称之为“多晶体多晶体”。 2/8/20225晶粒：晶粒：多晶体材料中每个小晶体的多晶体材料中每个小晶体的外形多为不规则的颗粒状，通常把外形多为不规则的颗粒状，通常把它们叫做它们叫

3、做“晶粒晶粒”。 晶粒与晶粒之间的分界面叫晶粒与晶粒之间的分界面叫“晶粒晶粒间界间界”，或简称，或简称“晶界晶界”。为了适。为了适应两晶粒间不同晶格位向的过渡，应两晶粒间不同晶格位向的过渡，在晶界处的原子排列总是不规则的。在晶界处的原子排列总是不规则的。 伪各向同性伪各向同性：多晶体材料中，尽管每个晶粒内部象单晶体那样呈现各向异性，每个晶粒在空间取向是随机分布，大量晶粒的综合作用，整个材料宏观上不出现各向异性，这个现象称为多晶体的伪各向同性。 晶界：晶界：2/8/202262、晶体缺陷、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即使在每个晶粒的内部，也并不完全象晶体学中论述的(

4、(理理想晶体想晶体) )那样，原子完全呈现周期性的规则重复的排列。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点，而缺陷的数量将给材料的性能带来巨大巨大的影响。的影响。 2/8/20227如果缺陷数量得到控制，有时对材料是有用的如果缺陷数量得到控制，有时对材料是有用

5、的: : 比如，纯铁的抗拉强度仅比如，纯铁的抗拉强度仅15MPa，但在添加，但在添加0.4%的的碳原子后就变成了钢，即每碳原子后就变成了钢，即每50个铁原子仅有一个碳个铁原子仅有一个碳原子，其抗拉强度就可提高到几百原子，其抗拉强度就可提高到几百MPa; 100100万个硅原子中仅掺杂万个硅原子中仅掺杂2 2个磷原子，其半导体的电个磷原子，其半导体的电导率就可以提高导率就可以提高500500万倍万倍2/8/20228根据缺陷的空间的几何构象分类：根据缺陷的空间的几何构象分类：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。小的

6、晶体缺陷。 2. 线缺陷线缺陷 在三维空间的一个方向上的尺寸很大在三维空间的一个方向上的尺寸很大( (晶粒数量晶粒数量级级) )，另外两个方向上的尺寸很小，另外两个方向上的尺寸很小( (原子尺寸大小原子尺寸大小) )的晶体的晶体缺陷。其具体形式就是晶体中的位错缺陷。其具体形式就是晶体中的位错Dislocation 3. 面缺陷面缺陷 在三维空间的两个方向上的尺寸很大在三维空间的两个方向上的尺寸很大( (晶粒数量晶粒数量级级) )，另外一个方向上的尺寸很小，另外一个方向上的尺寸很小( (原子尺寸大小原子尺寸大小) )的晶体的晶体缺陷。缺陷。2/8/20229缺陷类型缺陷类型2/8/202210二

7、、点缺陷二、点缺陷1 1、点缺陷、点缺陷：原子排列不规则的区域在三维空间各方向上尺寸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。都很小，在原子尺寸大小的晶体缺陷。 1)1) 空位空位 在晶格结点位置应有原子的在晶格结点位置应有原子的地方空缺；地方空缺； 2)2) 间隙原子间隙原子 在晶格非结点位置，往在晶格非结点位置，往往是晶格的间隙，出现了多余的原往是晶格的间隙，出现了多余的原子。它们可能是同类原子，也可能子。它们可能是同类原子，也可能是异类原子。是异类原子。 3)3) 异类原子异类原子 在一种类型的原子组成在一种类型的原子组成的晶格中，不同种类的原子替换原的晶格中，不同种类的原

8、子替换原有的原子占有其应有的位置。有的原子占有其应有的位置。 晶体中点缺陷类型晶体中点缺陷类型2/8/2022112/8/202212晶体中空位晶体中空位脱位原子进入其他空位或迁移至表面脱位原子进入间隙2/8/202213对离子晶体来说，对离子晶体来说，肖特基缺陷肖特基缺陷，在晶体中必须同，在晶体中必须同时移去一个正离子和一个负离时移去一个正离子和一个负离子才能形成；子才能形成；弗兰克尔缺陷弗兰克尔缺陷，晶体中尺寸较小，晶体中尺寸较小的离子挤入相邻的同号离子的位的离子挤入相邻的同号离子的位置，形成间隙离子和空位对；置，形成间隙离子和空位对；正负离子尺寸差异较大、结构配位正负离子尺寸差异较大、结

9、构配位数较低的离子晶体？数较低的离子晶体？结构配位数高的离子晶体？结构配位数高的离子晶体？2/8/202214点缺陷的表示点缺陷的表示 Kroger-Vink提出了一套描写点缺陷的记号，并发展了应用质量作用定律等来处理晶格缺陷间关系的缺陷化学。以MO为例： 空位 Vacancy VM，VO 间隙原子 Interstitial Mi，Oi 错位原子 MO ，OM 溶质原子（外来原子）LM ，LO，Li, Li 自由电子及电子空穴 e，h 不同价取代： NaM缺陷方程三原则: 质量守恒, 电荷平衡, 正负离子格点成比例增减。肖特基缺陷生成：0VM+ VO弗仑克尔缺陷生成： MMVM+ Mi 2/8

10、/202215晶格畸变晶格畸变 点缺陷的存在破坏了原有的原子间作用力平衡，点点缺陷的存在破坏了原有的原子间作用力平衡，点缺陷周围的原子必然会离开原有的平衡位置作相应的微缺陷周围的原子必然会离开原有的平衡位置作相应的微量位移！量位移！2/8/2022162、点缺陷的产生、点缺陷的产生1）平衡点缺陷及其浓度）平衡点缺陷及其浓度 热力学分析表明，在高于热力学分析表明，在高于0K0K的任何温度下，晶体最稳定的的任何温度下，晶体最稳定的状态是含有一定浓度点缺陷的状态。此浓度称为点缺陷的状态是含有一定浓度点缺陷的状态。此浓度称为点缺陷的平衡平衡浓度。浓度。 空位形成能空位形成能 空位的出现破坏了其周围的结

11、合状态，因而造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，由于空位的出现而高于没有空位时的那一成局部能量的升高，由于空位的出现而高于没有空位时的那一部分能量称为部分能量称为“空位形成能空位形成能”。 2/8/202217晶体中存在的点缺陷使体系自由能升高？降低？晶体中存在的点缺陷使体系自由能升高？降低？空位的出现提高了体系的熵值空位的出现提高了体系的熵值 自由能高低内能体系的熵变亥姆霍兹自由能变化STUAU=nun 为缺陷数目，u为内能增加值(缺陷形成能）2/8/202218 由热振动产生的点缺陷属于热力学平衡缺陷，晶体中存在由热振动产生的点缺陷属于热力学平衡缺陷，晶体中存在这些

12、缺陷时自由能是降低的；相反，如果没有这些缺陷，自由这些缺陷时自由能是降低的；相反，如果没有这些缺陷，自由能反而升高！能反而升高！(在一定温度下）在一定温度下）点缺陷平衡浓度点缺陷平衡浓度计算计算kTuACNneeexp类似于阿伦尼乌斯公式类似于阿伦尼乌斯公式点缺陷的平衡浓度，随温点缺陷的平衡浓度，随温度升高呈指数关系增加！度升高呈指数关系增加！2/8/2022192）过饱和点缺陷的产生）过饱和点缺陷的产生缺陷数目明显超过平衡值！缺陷数目明显超过平衡值！产生原因：高温淬火、辐照及冷加工。产生原因：高温淬火、辐照及冷加工。淬火空位？淬火空位？辐照产生间隙原子和空位对？辐照产生间隙原子和空位对？（高

13、能粒子碰撞使原子离位）2/8/2022203 3、点缺陷对材料性能的影响、点缺陷对材料性能的影响原因：原因：无论那种点缺陷的存在，都会使其附近的原子稍微偏离无论那种点缺陷的存在，都会使其附近的原子稍微偏离原结点位置才能平衡，即造成小区域的晶格畸变。原结点位置才能平衡，即造成小区域的晶格畸变。 效果效果1)1) 提高材料的电阻提高材料的电阻 定向流动的电子在点缺陷处受到非平衡定向流动的电子在点缺陷处受到非平衡力力( (陷阱陷阱) )，增加了阻力，加速运动提高局部温度，增加了阻力，加速运动提高局部温度( (发热发热) )。 2)2) 加快原子的扩散迁移加快原子的扩散迁移 空位可作为原子运动的周转站

14、。空位可作为原子运动的周转站。 3)3) 形成其他晶体缺陷形成其他晶体缺陷 过饱和的空位可集中形成内部的空洞，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。集中一片的塌陷形成位错。 4)4) 改变材料的力学性能改变材料的力学性能 空位移动到位错处可造成刃位错的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。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。会使强度提高，塑性下降。 2/8/202221二、位错二、位错1、位错模型的提出位错模型的提出背景背景 完整晶体塑性变形完整晶体塑性变形滑移的模型滑移的模型金属晶金属晶体

15、的理论强度体的理论强度理论强度比实测强度高出几个理论强度比实测强度高出几个数量级数量级 晶体缺陷的设想晶体缺陷的设想 线缺陷（位错）的线缺陷（位错）的模型模型 以位错滑移模型计算出的晶体强度，与以位错滑移模型计算出的晶体强度，与实测值基本相符。实测值基本相符。理想晶体滑移模型理想晶体滑移模型理想模型下：理想模型下：30Gm与实测值差距较大与实测值差距较大晶体中原子排列不完全规则晶体中原子排列不完全规则滑移不是两个原子面之间集体的相对移动滑移不是两个原子面之间集体的相对移动位错模型位错模型2/8/202222如如:Fe:Fe的理论剪切模量为的理论剪切模量为3300MPa3300MPa，但单晶体，

16、但单晶体FeFe的实际强的实际强度仅为度仅为1 110MPa10MPa，晶面间的滑移用相当小的剪力就能移，晶面间的滑移用相当小的剪力就能移动。理论值与实际值相差巨大。因而，人们就猜测晶体中动。理论值与实际值相差巨大。因而，人们就猜测晶体中存在一种像位错那样的线缺陷。存在一种像位错那样的线缺陷。 2/8/202223锗晶体中位错的电子显微镜观察锗晶体中位错的电子显微镜观察不锈钢中的位错线不锈钢中的位错线 2/8/2022242、位错概念、位错概念 晶体在剪切应力的作用下，晶体的一部分沿着一定的晶体在剪切应力的作用下，晶体的一部分沿着一定的晶面和晶向发生相对移动，则晶面和晶向发生相对移动，则已滑区

17、域与未滑区域的交界处已滑区域与未滑区域的交界处称为位错。称为位错。晶体中某处一列或若干列原子有规律的错排晶体中某处一列或若干列原子有规律的错排位错的提出：位错的提出： 1926年，弗兰克尔发现理论晶体模型刚性切变强度年，弗兰克尔发现理论晶体模型刚性切变强度 与实测临界切应力的巨大差异（与实测临界切应力的巨大差异（24个数量级）。个数量级）。 1934年，泰勒、波朗依、奥罗万几乎同时提出位错的概念。年，泰勒、波朗依、奥罗万几乎同时提出位错的概念。 1939年，柏格斯提出用柏氏矢量表征位错。年，柏格斯提出用柏氏矢量表征位错。 1947年，柯垂耳提出溶质原子与位错的交互作用。年，柯垂耳提出溶质原子与

18、位错的交互作用。 1950年，弗兰克和瑞德同时提出位错增殖机制。年，弗兰克和瑞德同时提出位错增殖机制。 之后，用之后，用TEM直接观察到了晶体中的位错。直接观察到了晶体中的位错。2/8/202225刃型位错刃型位错螺旋型位错螺旋型位错混合型位错混合型位错 晶体在不同的应力状态下，其滑移方式不同。根据原晶体在不同的应力状态下，其滑移方式不同。根据原子的子的滑移方向滑移方向和和位错线取向位错线取向的几何特征不同，位错分为的几何特征不同，位错分为: 2/8/2022261）刃型位错）刃型位错晶体在大于屈服值的切应力晶体在大于屈服值的切应力 作用下，以作用下，以ABCD面面为滑移面发生滑移。为滑移面发

19、生滑移。EF是晶体已滑移部分和未滑是晶体已滑移部分和未滑移部分的交线，犹如砍入晶体的一把刀的刀刃，即移部分的交线，犹如砍入晶体的一把刀的刀刃，即刃位错（或棱位错）。刃位错（或棱位错）。几何特征：几何特征：位错线与原子滑移方向相位错线与原子滑移方向相垂直垂直；滑移；滑移面上部位错线周围原子受压应力作用，原子间距面上部位错线周围原子受压应力作用，原子间距小于正常晶格间距；滑移面下部位错线周围原子小于正常晶格间距；滑移面下部位错线周围原子受张应力作用，原子间距大于正常晶格间距。受张应力作用，原子间距大于正常晶格间距。分类：分类：正刃位错，正刃位错， “ ” ；负刃位错，；负刃位错， “T” 。符号中

20、水平线代表滑移面，垂直。符号中水平线代表滑移面，垂直线代表半个原子面。线代表半个原子面。2/8/202227形成原因：形成原因：晶体形成过程中，原子错排，多了半个原子面；晶体形成过程中，原子错排，多了半个原子面；快速冷却时高温产生的大量空位被保留并聚合成空位片，快速冷却时高温产生的大量空位被保留并聚合成空位片，少了半个原子面少了半个原子面局部滑移引起局部滑移引起（位错可定义为已滑移区和未滑移去的边界）：晶体在冷（位错可定义为已滑移区和未滑移去的边界）：晶体在冷却加工或经受其他加工工艺时受到各种应力作用，而且高温时原子间作用却加工或经受其他加工工艺时受到各种应力作用，而且高温时原子间作用力较弱，

21、导致在局部区域内使理想晶体在某一晶面上发生滑移，把一个半力较弱，导致在局部区域内使理想晶体在某一晶面上发生滑移，把一个半原子面挤入晶格中间。原子面挤入晶格中间。2/8/202228刃型位错特征：刃型位错特征： 1）刃型位错有一额外半原子面；）刃型位错有一额外半原子面； 2）位错线不一定是直线，可以是折线或曲线，但刃型位错线）位错线不一定是直线，可以是折线或曲线，但刃型位错线必与滑移矢量垂直，且滑移面是位错线和滑移矢量所构成的必与滑移矢量垂直，且滑移面是位错线和滑移矢量所构成的唯一平面；唯一平面； 3）位错周围的点阵发生弹性畸变，既有正应变，又有切应）位错周围的点阵发生弹性畸变，既有正应变，又有

22、切应变，位错是一管道；变，位错是一管道； 2/8/2022292）螺旋型位错）螺旋型位错形成及定义：形成及定义： 晶体在外加切应力晶体在外加切应力 作用作用下，沿下，沿ABCD面滑移，图中面滑移，图中EF线为已滑移区与未滑移区的分线为已滑移区与未滑移区的分界处。由于位错线周围的一组界处。由于位错线周围的一组原子面形成了一个连续的螺旋原子面形成了一个连续的螺旋形坡面，故称为螺位错。形坡面，故称为螺位错。几何特征：位错线与原子滑移几何特征：位错线与原子滑移方向相方向相平行平行；位错线周围原子；位错线周围原子的配置是的配置是螺旋状螺旋状的。的。分类：有左、右旋之分。它们分类：有左、右旋之分。它们之间

23、符合左手、右手螺旋定则。之间符合左手、右手螺旋定则。2/8/202230与螺位错垂直的晶面的与螺位错垂直的晶面的形状形状螺位错滑移面两侧晶面上原螺位错滑移面两侧晶面上原子的滑移情况子的滑移情况螺位错形成示意图螺位错形成示意图 2/8/202231螺型位错螺型位错-特征：特征： 1）螺型位错无额外半原子面，原子错排呈轴对称）螺型位错无额外半原子面，原子错排呈轴对称 2）螺型位错与滑移矢量平行，故一定是直线）螺型位错与滑移矢量平行，故一定是直线 3）包含螺位错的面必然包含滑移矢量，故螺位错可以有无穷）包含螺位错的面必然包含滑移矢量，故螺位错可以有无穷个滑移面，但实际上滑移通常是在个滑移面，但实际上

24、滑移通常是在原子密排面原子密排面上进行，故有上进行，故有限限 4）螺位错周围的点阵也发生了弹性畸变，但只有平行于位错）螺位错周围的点阵也发生了弹性畸变，但只有平行于位错线的切应变，无正应变（在垂直于位错线的平面投影上，看线的切应变，无正应变（在垂直于位错线的平面投影上，看不出缺陷）不出缺陷） 5）位错线的移动方向与晶块滑移方向互相垂直）位错线的移动方向与晶块滑移方向互相垂直2/8/2022323）混合型位错）混合型位错 在外力在外力 作用下，两部分之间发生相对滑作用下，两部分之间发生相对滑移，在晶体内部已滑移和未滑移部分的交线移，在晶体内部已滑移和未滑移部分的交线既不垂直也不平行滑移方，这样的

25、位错称为既不垂直也不平行滑移方，这样的位错称为混合位错。如混合位错。如图图所示。所示。 位错线上任意一点，经矢量分解后，可位错线上任意一点，经矢量分解后，可分解为刃位错和螺位错分量。晶体中位错线分解为刃位错和螺位错分量。晶体中位错线的形状可以是任意的，只是各点的刃型、螺的形状可以是任意的，只是各点的刃型、螺型分量不同而已。型分量不同而已。 （a）混合位错的形成）混合位错的形成混合位错线附近原子滑混合位错线附近原子滑移透视图移透视图混合位错分解为刃位错和螺混合位错分解为刃位错和螺位错示意图位错示意图2/8/2022332/8/202234柏氏矢量是描述位错性质的一个重要物理量，柏氏矢量是描述位错

26、性质的一个重要物理量，1939年年Burgers提出，故称该矢量为提出，故称该矢量为“柏格斯矢量柏格斯矢量”或或“柏氏矢量柏氏矢量”，用，用b 表示表示2、位错的标征（柏氏矢量）、位错的标征（柏氏矢量）柏格斯矢量柏格斯矢量：晶体中有位错存在时，滑移面一侧质点相对于另：晶体中有位错存在时，滑移面一侧质点相对于另一侧质点的相对位移或畸变。一侧质点的相对位移或畸变。性质：性质：大小表征了位错的单位滑移距离，方向与滑移方向一致。大小表征了位错的单位滑移距离，方向与滑移方向一致。 2/8/202235确定伯格斯矢量的步骤确定伯格斯矢量的步骤 （1）对于给定点的位错，）对于给定点的位错，人为规定人为规定位

27、错位错 线的方向，线的方向，所示。所示。 （2） 用右手螺旋定则确定伯格斯回路方向。用右手螺旋定则确定伯格斯回路方向。 （3）按照所示的规律走回路，最后封闭回路的矢量）按照所示的规律走回路，最后封闭回路的矢量即要求的伯氏矢量即要求的伯氏矢量。 简单立方结构中，围绕刃位错的伯格斯回路简单立方结构中，围绕刃位错的伯格斯回路 2/8/202236确定方法：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

28、可能封闭，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的柏氏(Burgers)(Burgers)矢量。矢量。 2/8/2022372/8/202238 柏氏矢量柏氏矢量b b的物理意义的物理意义1） 表征位错线的性质表征位错线的性质 据据b与位错线的取向关系可确定位错线性质，与位错线的取向关系可确定位错线性质， 2）b表征了总畸变的积累表征了总畸变的积累 围绕一根位错线的柏氏回路任意扩大或移动，回路中包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

29、，因而由这种畸变总量所确定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。的柏氏矢量也不改变。3）b表征了位错强度表征了位错强度 同一晶体中同一晶体中b大的位错具有严重的点阵畸变，能量高且大的位错具有严重的点阵畸变，能量高且不稳定。不稳定。位错的许多性质位错的许多性质，如位错的能量，应力场，位错受力等，都与，如位错的能量，应力场，位错受力等，都与b有关。有关。 2/8/202239柏氏矢量特征柏氏矢量特征 1）柏氏矢量与回路起点选择无关，也与柏氏回路的）柏氏矢量与回路起点选择无关，也与柏氏回路的具体路径，大小无关具体路径，大小无关 2）几根位错相遇于一点，其方向朝着节点的各位错）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线的柏氏矢量 b之和等于离开节点之和。如有几根之和等于离开节点之和。如有几根位错线的方向均指向或离开节点，则这些位错线的位错线的方向均指向或离开节点，则这些位错线的柏氏矢量之和值为零柏氏矢量之和值为零 2/8/202240321bbb 2/8/20224104321bbbb