1、第三章晶体缺陷第三章晶体缺陷李怀勇李怀勇聊城大学材料科学与工程学院聊城大学材料科学与工程学院2本章章节结构3.1点缺陷3.2位错3.3表面及界面3本章学习重点与难点1.点缺陷的形成与浓度2.柏氏矢量3.位错的基本类型和特征4.滑移和攀移5.交割形成的扭折及割阶6.螺、刃的应力场及特点7. 位错的受力位错的受力及及相互作用相互作用8. 位错的增殖位错的增殖9. 堆垛层错及不全位错堆垛层错及不全位错10. 位错反应的条件位错反应的条件11. 小角小角和和大角大角晶界模型晶界模型12. 晶界能晶界能与与晶界特性晶界特性13. 孪晶界孪晶界与与相界相界4什么是晶体缺陷？晶体缺陷是不可避免的晶体缺陷是不
2、可避免的完美晶体：质点严格按照空间点阵排列。实际晶体：由于晶格热振动、加工过程的受力、杂质等因素，都会使晶格排列不规则，完整。表现为原子（离子、原子团）偏离理想位置。在实际的晶体结构中存在的各种偏离现想结构的情况称为晶体缺陷。5变形的微观机制是变形的微观机制是线缺陷的运动。线缺陷的运动。如果能控制线缺陷如果能控制线缺陷的产生和移动就可的产生和移动就可以防止材料的塑形以防止材料的塑形变形。变形。金属材料变形时微观线缺陷的运动6晶体缺陷是不可缺少的日常荧光灯照明（与白炽灯相比节电80%）充惰性气体和汞蒸气，主要发紫外光，激发内壁中的荧光粉（三基色，主要是稀土掺杂的无机粉体）7白色LED照明(Whi
3、te Light Emitting Diodes) 发光原理：蓝色黄色发光原理：蓝色黄色8Oxynitride and nitride phosphors excited under blacklight (365 nm).9封装好的封装好的LED不同颜色的不同颜色的LED通过调节荧光粉的比例及厚度得到白光通过调节荧光粉的比例及厚度得到白光10学习晶体缺陷的意义晶体缺陷直接影响着材料的光、电和磁学性能晶体缺陷的产生和移动直接影响着材料的形变有用的，研究产生的机制及性质。如稀土掺杂的LED荧光粉，基于掺杂的半导体材料，激光用红宝石等有害的，研究如何避免。如硅单晶中的氧缺陷，金属材料变形时的线缺陷
4、的运动等11晶体缺陷分类根据缺陷在空间的几何分布分类：点缺陷：零维缺陷，在三维空间各方向的尺寸都很小。如：空位、间隙原子和异类原子等线缺陷：一维缺陷，在两个方向尺寸很小，而在另一个方向上尺寸却很大。主要是各种类型的位错面缺陷：二维缺陷，在一个方向上尺寸很小，在另两个方向上尺寸却很大。如：晶界、相界、层错和表面等123.1 点缺陷3.1.1、点缺陷的类型3.1.2、热缺陷及其平衡浓度3.1.3、点缺陷的运动133.1.13.1.1 点缺陷的类型点缺陷的类型1置换原子2间隙原子3空位141 1、置换原子、置换原子 substitutionalsubstitutional atoms atoms小置
5、换原子小置换原子大置换原子大置换原子1. 外来原子取代原来原子位置的外来原子取代原来原子位置的2. 尺寸不匹配引起晶格畸变尺寸不匹配引起晶格畸变3. 畸变区域比较有限畸变区域比较有限151. 原子挤进晶格间隙中，可以原子挤进晶格间隙中，可以是晶格本身同类原子，也可是晶格本身同类原子，也可以是外来原子以是外来原子,2. 间隙原子同样会使周围点阵间隙原子同样会使周围点阵产生弹性畸变，产生弹性畸变，3. 畸变区域有限但畸变程度大，畸变区域有限但畸变程度大，因此，形成能大，在晶体中因此，形成能大，在晶体中的浓度很低。的浓度很低。2 2、间隙原子、间隙原子 interstitial atomsinter
6、stitial atoms16晶体中点阵结点上的原子以其平衡位置为中心作热振动，当振动能足够大时，将克服周围原子的制约，跳离原来的位置，使得点阵中形成空结点，称为空位vacancies空位产生后，其周围原子相互间的作用力失去平衡，因而它们朝空位方向稍有移动，形成一个涉及几个原子间距范围的弹性畸变区，即晶格畸变。空位空位晶格中某些缺排晶格中某些缺排原子的空结点原子的空结点3 3、空位、空位 vacanciesvacancies17迁移到晶体表面或界面正常结点迁移到晶体表面或界面正常结点位置，使晶体内部留下空位。位置，使晶体内部留下空位。挤入间隙位置，在晶体中形成数挤入间隙位置，在晶体中形成数目相
7、等的空位和间隙原子。目相等的空位和间隙原子。离开平衡位置的原子去哪儿离开平衡位置的原子去哪儿: :还可以跑到其他空位中，还可以跑到其他空位中，使空位消失或者空位移位。使空位消失或者空位移位。肖脱基（肖脱基（Schottky）缺陷）缺陷弗兰克尔（弗兰克尔（FrenkelFrenkel）缺陷缺陷4 4、Classifications of vacanciesClassifications of vacancies18空位及间隙会迁移，所以会引起电导的变化。电荷缺陷：电子摆脱原子核的束缚，成为载流子。成为电子及电子空穴缺陷，引起周围势场的畸变。色心5、不同材料中的一些特殊缺陷离子晶体中要维持电中性，
8、故点缺陷更复杂19高分子晶体中特有的缺陷: 链中的异常键合、链的交换、链折叠图3.25、不同材料中的一些特殊缺陷20热缺陷：缺陷由质点的热振动引起，与温度有关。一定温度下，热缺陷是处在不断地产生和消失的过程中，当单位时间产生和复合而消失的数目相等时，系统达到平衡，热缺陷的数目保持不变。 一定温度下，缺陷的数量总是处于饱和、热力学稳定的，是动态平衡状态。3.1.2 热缺陷及其平衡浓度21引入点缺陷后的能量分析：1、造成点阵畸变，使晶体的内能升高，降低了晶体的热力学稳定性2、引起组态熵和振动熵的改变，使晶体熵值增大，增加了晶体的热力学稳定性。这两个相互矛盾的因素使得晶体中的点缺陷在一定的温度下有一
9、定的平衡浓度。1、点缺陷的热力学分析自由能随点缺陷数量的变化自由能随点缺陷数量的变化22自由能F=U-TSU为内能，S为系统熵（包括振动熵Sf和排列熵SC）设在温度T时，含有N个结点的晶体中形成n个空位，与无空位晶体相比F=nEV-TSS=SC+nSfn个空位引入，可能的原子排列方式()!NnWN n23()!()!lnln1ln!ln()lnlnln()lnlnln()l()!ln!ln !ln0n0ccvfvfTTNnNnSkkN nN nSkNnNnNNnnFn ET SkTNnNnNNnnNnSFET SkTNnnnkWWN nxxxxFn由，近似：平衡时：24ln()ln0,lnex
10、pexpexp11x0e pvfTvffvvfyETSkTNnnnETSNNnnkTTSEEnCANkkTkATSk是由振动熵决定的系数，当故空位一般在在 温度时的平衡浓度之间。25expexpexpexpexpex1/8./p31fAfAvAfvvvvQNECAANkTRTSEEnCANkkTkTECQJmolRkNJmAkTol kE为形成 摩尔空位所需作的功，单位为，为气体常数同理，也可以计算出间隙原子的平衡浓度其中为形成一个间隙原子所需的能量。26一些常见金属的空位形成能(u)根此算出某一金属在给定温度下的平衡空位浓度金属 u/ev 金属 u/ev 金属 u/ev W2.20Cu1.1
11、5Al0.76Fe1.50Ag1.10Pb0.60Ni1.40Mg0.89Sn0.50已知铜中Ev=1.710-19J，lev=1.60210-19J，A取为1，则 T100K300K500K700K900K1000Kn/N10-5710-19 10-11 10-8.1 10-6.3 10-5.727过饱和状态：由于淬火、加工和高能粒子辐照后，晶体中缺陷的数量是过饱和的，热力学不稳定的，但是动力学上稳定的。如何消除这种过饱和的点缺陷？如何消除这种过饱和的点缺陷？退火处理！退火处理！283.1.3 点缺陷的运动空位和间隙原子在晶体中的分布是动态平衡。点缺陷可借助热激活作无规则运动，不断地与周围原
12、子交换位置，造成空位的迁移。空位的迁移，实质上是其周围原子的逆向运动。当原子获得一定能量后，就会越过“势垒”发生迁移。此势垒即空位移动所必需的能量，是空位迁移能Em29 原子作热振动，原子克服周围原子对它的束缚，迁移至别处，形成空位空位的迁移30 原子作热振动，原子克服周围原子对它的束缚，迁移至别处，形成空位空位的迁移31 原子作热振动，原子克服周围原子对它的束缚，迁移至别处，形成空位空位的迁移32 原子作热振动，原子克服周围原子对它的束缚，迁移至别处，形成空位空位的迁移33 原子作热振动，原子克服周围原子对它的束缚，迁移至别处，形成空位空位的迁移34 原子作热振动，原子克服周围原子对它的束缚
13、，迁移至别处，形成空位空位的迁移35 原子作热振动，原子克服周围原子对它的束缚，迁移至别处，形成空位空位的迁移36空位对金属性能的影响空位对金属性能的影响 一、空位迁移是许多材料加工工艺的基础一、空位迁移是许多材料加工工艺的基础空位移动造成原子迁移，即金属晶体中的自扩散。空位移动造成原子迁移，即金属晶体中的自扩散。晶体中原子的扩散就是依靠空位迁移而实现。晶体中原子的扩散就是依靠空位迁移而实现。材料加工工艺不少过程都是以扩散作为基础的，化材料加工工艺不少过程都是以扩散作为基础的，化学热处理、均匀化处理、退火与正火、时效等。学热处理、均匀化处理、退火与正火、时效等。提高这些工艺的处理温度大幅度提高
14、速率，也是基提高这些工艺的处理温度大幅度提高速率，也是基于空位浓度及空位迁移速度随温度上升呈指数上升于空位浓度及空位迁移速度随温度上升呈指数上升的规律的规律37空位对金属性能的影响空位对金属性能的影响二、造成金属物理性能与力学性能的变化二、造成金属物理性能与力学性能的变化1.空位引起点阵畸变，破坏了原子排列的规律性，使电子在传导时的散射增加，增加电阻；2.引起体积膨胀，密度下降；（可以利用电阻或密度变化测量晶体中空位浓度或研究空位在不同条件下的变化规律）3.空位对常温力学性能的影响不大，过饱和空位与其它晶体缺陷发生交互作用，因而使材料强度提高，但同时也引起显著的脆性。4.空位的存在及其运动是晶体发生高温蠕变的重要原因之一。38空位小结空位小结1、空位是热力学稳定的缺陷2、不同金属空位形成能不同3、空位浓度与空位形成能、温度密切相关4、空位运动需要迁移能，通常与间隙原子相互配合5、空位对金属的物理及力学性能有明显影响6、对高温蠕变、沉淀、回复、表面氧化、烧结有重要影响)/exp()/exp()/exp(kTEAkTEkSNnCVVV
