3-《材料科学基础》第三章-晶体结构缺陷(下)课件.ppt

1、四、位错的来源和增殖四、位错的来源和增殖2 2、位错的生成：、位错的生成：晶体在凝固及生长过程中的位相差、饱和空位晶体在凝固及生长过程中的位相差、饱和空位 的聚集、局部应力集中产生滑移等的聚集、局部应力集中产生滑移等1 1、位错的密度、位错的密度 位错密度位错密度是单位体积晶体中所含的位错线的总长度：是单位体积晶体中所含的位错线的总长度： = L/V（cm-2） 一般，位错密度也定义为单位面积所见到的位错数目一般，位错密度也定义为单位面积所见到的位错数目 位错增殖的位错增殖的F-RF-R源机制源机制位错的增殖位错的增殖 ：晶体在变形过程中位错会大量增殖：晶体在变形过程中位错会大量增殖 弗兰克弗

2、兰克-瑞德源（瑞德源（Frank-Read）l 概念：概念：位错位错伯格斯矢量伯格斯矢量l 位错的类型位错的类型一、一、固体的表面固体的表面二、晶界二、晶界三、堆垛层错三、堆垛层错补充：界面行为（润湿与粘附）补充：界面行为（润湿与粘附）3.3 3.3 面缺陷面缺陷 planar defectplanar defect（教课书第四章教课书第四章 固固体的表面与界面）体的表面与界面）n实际存在的物质都是具有有限体积的，物质的边界上总是存在实际存在的物质都是具有有限体积的，物质的边界上总是存在着分界面。着分界面。n根据分界面两侧物质聚集状态（气、液、固）的不同，存在着根据分界面两侧物质聚集状态（气、

3、液、固）的不同，存在着固固固固、固固液液、固固气气、液液液液、液液气气等五种情况。等五种情况。n固体的表面固体的表面：固体固体气体之间的分界面气体之间的分界面n固体的界面固体的界面:q固体固体固固体之间的分界面。（体之间的分界面。（界面行为：界面行为：粘附粘附）q固体固体液液体之间的分界面。（体之间的分界面。（界面行为：润湿与界面行为：润湿与粘附粘附）n 晶界晶界：多晶体中晶粒之间的接触界面。：多晶体中晶粒之间的接触界面。 （包括同相晶粒之间的接触界面、异相晶粒之间的接触界面（包括同相晶粒之间的接触界面、异相晶粒之间的接触界面 ）n 面缺陷面缺陷: 是将材料分成若干区域的边界，如表面、界面、晶

4、界。是将材料分成若干区域的边界，如表面、界面、晶界。CaF2多晶体多晶体 SEM 图图外表面内晶界概念概念左图为初始氧化铝粉末，右图为氧化铝陶瓷多晶结构左图为初始氧化铝粉末，右图为氧化铝陶瓷多晶结构 多晶体中晶粒尺寸与晶界所占多晶体中体积百分数关系多晶体中晶粒尺寸与晶界所占多晶体中体积百分数关系当晶粒平均尺寸为当晶粒平均尺寸为1m时，晶界占多晶体总体积的时，晶界占多晶体总体积的1/2！1、固体的表面力场、固体的表面力场2、固体的表面状态、固体的表面状态3、固体的表面能、固体的表面能一、固体的表面一、固体的表面1 1、固固体的表面力场体的表面力场 晶体中每个质点周围都存在着一个力场，在晶体中每个

5、质点周围都存在着一个力场，在晶体内部，质点力场是对称的。但在固体表面，晶体内部，质点力场是对称的。但在固体表面，质点排列的周期重复性中断，使处于表面边界上质点排列的周期重复性中断，使处于表面边界上的质点力场对称性破坏，表现出剩余的键力。的质点力场对称性破坏，表现出剩余的键力。离子晶体表面的离子离子晶体表面的离子极化变形极化变形和离子和离子重排重排过程过程 2 2、固固体的表面状态体的表面状态（结构、几何形态）（结构、几何形态）松弛松弛NaCl晶体表面形成一个晶体表面形成一个 0.02nm厚度厚度的的双电层双电层王鹏王鹏NaCl表面层中表面层中Na+向里，向里，Cl-向外移动并形成双电层向外移动

6、并形成双电层 晶体内部晶体内部晶体表面晶体表面0.281nm0.266nm0.020nmAgAgCl光催化剂机理研究光催化剂机理研究 铝铝板板 晶体的各向异性晶体的各向异性 制备和加工条件不同制备和加工条件不同 晶格缺陷、空位或位错晶格缺陷、空位或位错 吸附吸附 原子尺寸上是凹凸不平的。原子尺寸上是凹凸不平的。晶面的不均匀性晶面的不均匀性原因原因了解两个概念了解两个概念 表面粗糙度表面粗糙度会引起表面力场变化，进而影响其表面性质。会引起表面力场变化，进而影响其表面性质。从色散力的本质可见，位于凹谷深处的质点，其色散力从色散力的本质可见，位于凹谷深处的质点，其色散力最大，凹谷面上和平面上次之，位

7、于峰顶处则最小；反之，最大，凹谷面上和平面上次之，位于峰顶处则最小；反之，对于静电力，则位于孤立峰顶处应最大，而凹谷深处最小。对于静电力，则位于孤立峰顶处应最大，而凹谷深处最小。由于固体表面的不平坦结构，使表面力场变得不均匀，由于固体表面的不平坦结构，使表面力场变得不均匀，其活性和其它表面性质也随之发生变化。其次，粗糙度还直其活性和其它表面性质也随之发生变化。其次，粗糙度还直接影响到固体比表面积、内、外表面积比值以及与之相关的接影响到固体比表面积、内、外表面积比值以及与之相关的属性，如强度、密度、润湿、孔隙率和孔隙结构、透气性和属性，如强度、密度、润湿、孔隙率和孔隙结构、透气性和浸透性等。此外

8、，粗糙度还关系到两种材料间的封接和结合浸透性等。此外，粗糙度还关系到两种材料间的封接和结合界面间的吻合和结合强度。界面间的吻合和结合强度。 表面微裂纹表面微裂纹是由于晶体缺陷或外力作用而产生。微裂纹是由于晶体缺陷或外力作用而产生。微裂纹同样会强烈地影响表面性质，对于脆性材料的强度这种影响同样会强烈地影响表面性质，对于脆性材料的强度这种影响尤为重要。尤为重要。脆性材料的理论强度约为实际强度的几百倍，正是因为脆性材料的理论强度约为实际强度的几百倍，正是因为存在于固体表面的微裂纹起着应力倍增器的作用，使位于裂存在于固体表面的微裂纹起着应力倍增器的作用，使位于裂缝尖端的实际应力远远大于所施加的应力。缝

9、尖端的实际应力远远大于所施加的应力。葛里菲斯（葛里菲斯（Griffith）建立了著名的玻璃断裂理论，并导建立了著名的玻璃断裂理论，并导出了材料实际断裂强度与微裂纹长度的关系出了材料实际断裂强度与微裂纹长度的关系式中，式中， R为断裂强度，为断裂强度，C为微裂纹长度，为微裂纹长度， E为弹性模量，为弹性模量，是是表面自由能。表面自由能。CER23 3、固体的表面能固体的表面能表面偏聚表面偏聚：溶质原子或杂质原子在表面上的富集。溶质原子或杂质原子在表面上的富集。表面张力表面张力：作用于表面单位长度上与表面相切的力，单位是：作用于表面单位长度上与表面相切的力，单位是N/m。表面能表面能：将表面增大一

10、个单位面积所需要作的功称为比表面能，：将表面增大一个单位面积所需要作的功称为比表面能，简称表面能，单位为简称表面能，单位为 J/m2 ，简化后为，简化后为N/m。1、晶界的分类、晶界的分类2、界面的特性、界面的特性3、晶界偏聚、晶界偏聚二、晶界二、晶界概念概念按两个晶粒之间位向差按两个晶粒之间位向差（）的大小来分：的大小来分： 1 1、 晶晶界分类界分类 a. a. b. b.大角度晶界大角度晶界a 小角度晶界小角度晶界b 大角度晶界大角度晶界 大角度晶界结构示意图大角度晶界结构示意图 大角度晶界原子排列比较紊乱，结构复杂。大角度晶界原子排列比较紊乱，结构复杂。根据相界两边原子排列的连贯性来分

11、：根据相界两边原子排列的连贯性来分：a.a.共格晶界：共格晶界：界面两侧的晶体具有非常相似的结构和类似的界面两侧的晶体具有非常相似的结构和类似的取向，越过界面原子面是连续的。取向，越过界面原子面是连续的。b.b.半共格晶界半共格晶界：晶面间距比较小的一个相发生应变，在界面：晶面间距比较小的一个相发生应变，在界面位错线附近发生局部晶格畸变。位错线附近发生局部晶格畸变。c.c.非共格晶界：非共格晶界：界面两侧结构相差很大且与相邻晶体间有畸界面两侧结构相差很大且与相邻晶体间有畸变的原子排列。变的原子排列。薄膜的外延生长薄膜的外延生长112CCC 失配度失配度 亚晶界亚晶界- 亚晶粒之间的界面亚晶粒之

12、间的界面 亚晶粒：一个晶粒中若干个位向稍有差异的部分。亚晶粒：一个晶粒中若干个位向稍有差异的部分。亚晶界：相邻亚晶粒之亚晶界：相邻亚晶粒之 间的界面。位相差一般小于间的界面。位相差一般小于2 2。晶界具有一些不同于晶粒内部的特性。晶界具有一些不同于晶粒内部的特性。界界面面上原子排列较晶粒内疏松，因而界上原子排列较晶粒内疏松，因而界面面易受腐蚀由易受腐蚀由于晶于晶面面上结构疏松，在多晶体中，界上结构疏松，在多晶体中，界面面是原子（或离是原子（或离子）子）快速扩散的通道快速扩散的通道，并易引起杂质原子（离子），并易引起杂质原子（离子）偏聚偏聚，同时也使界，同时也使界面面处熔点低于晶粒；处熔点低于晶

13、粒；界界面面上原子排列混乱，存在着许多空位、位错和键上原子排列混乱，存在着许多空位、位错和键变形等缺陷，使之处于应力畸变状态，能阶较高，变形等缺陷，使之处于应力畸变状态，能阶较高，使得界使得界面面成为固态相变时成为固态相变时优先成核的区域优先成核的区域。晶界对位错运动的阻碍作用晶界对位错运动的阻碍作用细晶强化细晶强化2 2、晶界的特性晶界的特性晶界偏聚晶界偏聚：溶质原子或杂质原子在晶界上的富集，也称内吸附。溶质原子或杂质原子在晶界上的富集，也称内吸附。3 3、晶界偏聚晶界偏聚 CeCe在高速钢中的面分布在高速钢中的面分布(a) (a) 背散射电子图像；背散射电子图像；(b) Ce(b) Ce的

14、面分布的面分布三、堆垛层错三、堆垛层错堆垛层错堆垛层错(以下简称层错以下简称层错)：指正常堆垛顺序中引入不正常顺序：指正常堆垛顺序中引入不正常顺序 堆垛的原子面而产生的一类面缺陷。堆垛的原子面而产生的一类面缺陷。图图2-20 面心立方晶体中的抽出型层错面心立方晶体中的抽出型层错(a) 和插入型层错和插入型层错(b) 这种结构变化，并不改变层错处原子最近邻的关系这种结构变化，并不改变层错处原子最近邻的关系(包括配包括配位数、键长、键角位数、键长、键角)，只改变次邻近关系，几乎不产生畸变，所，只改变次邻近关系，几乎不产生畸变，所引起的畸变能很小。因而，层错是一种低能量的界面。引起的畸变能很小。因而

15、，层错是一种低能量的界面。原因：堆垛原因：堆垛层错层错eg: 反映孪晶界面反映孪晶界面孪晶：孪晶：两个晶体（或一个晶体的两部分）沿一个公共晶面构两个晶体（或一个晶体的两部分）沿一个公共晶面构成镜面对称的位相关系，这两个晶体称为孪晶；这一公共晶成镜面对称的位相关系，这两个晶体称为孪晶；这一公共晶面称为面称为孪晶面孪晶面补充：界面行为（润湿与粘附）补充：界面行为（润湿与粘附）SVL沾湿沾湿图图4.2.1固体进入液体过程固体进入液体过程SVL图图4.2.2液体在固体表面的铺展液体在固体表面的铺展SVL图图4.2.3浸湿过程浸湿过程SVLS沾湿沾湿浸湿浸湿铺展铺展图图4.2.4固体进入液体过程固体进入

16、液体过程SVLSVLVSL图图4.2.5液滴在固体表面的接触角液滴在固体表面的接触角接触角和接触角和 Young方程方程表面改性表面改性图图4-2-6 表面粗糙度的影响表面粗糙度的影响ABSLVCDs.cossSLVCDs.cosnn.snBA(a)(b)图图4.2.7 粘附功和界面张力粘附功和界面张力SLLVSVV 表面与界面表面与界面 晶界晶界 离子晶体表面的离子极化变形和离子重排过程离子晶体表面的离子极化变形和离子重排过程 晶界结构的分类晶界结构的分类3.4 体缺陷体缺陷 volume defect 体缺陷：体缺陷：由点缺陷或面缺陷造成在完由点缺陷或面缺陷造成在完整的晶格中可能存在着空洞或夹杂有包裹整的晶格中可能存在着空洞或夹杂有包裹物等物等, ,使晶体内部的空间晶格结构整体上使晶体内部的空间晶格结构整体上出现了一定形式的缺陷。出现了一定形式的缺陷。掌握内容掌握内容助熔剂法合成红宝石中的铂片助熔剂法合成红宝石中的铂片 焰熔法合成品中的的气泡焰熔法合成品中的的气泡硅质原料结团形成的结石硅质原料结团形成的结石 镁铬砖渣引起的结石镁铬砖渣引起的结石 芒硝泡芒硝泡 SnO2析晶析晶P96-97 3、4、8、或例题、或例题11、13、