1、第2章 材料科学基础晶体结构缺陷缺陷的含义缺陷的含义：通常把晶体点阵结构中周期性势场的畸变称为：通常把晶体点阵结构中周期性势场的畸变称为晶体的晶体的结构缺陷结构缺陷。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。研究缺陷的意义：研究缺陷的意义：由于缺陷的存在，才使晶体表现出各种由于缺陷的存在，才使晶体表现出各种各样的性质，使材料加工、使用过程中的各种性能得以有各样的性质，使材料加工、使用过程中的各种性能得以有效控制和改变，使材料性能的改善和复合材料的制备得以效控制和改变，使材料性能的改
2、善和复合材料的制备得以实现。因此，了解缺陷的形成及其运动规律，对材料工艺实现。因此，了解缺陷的形成及其运动规律，对材料工艺过程的控制，对材料性能的改善，对于新型材料的设计、过程的控制，对材料性能的改善，对于新型材料的设计、研究与开发具有重要意义。研究与开发具有重要意义。缺陷对材料性能的影响举例缺陷对材料性能的影响举例:材料的强化，如钢材料的强化，如钢是铁中渗碳是铁中渗碳陶瓷材料的增韧陶瓷材料的增韧半导体掺杂半导体掺杂第第2章章 晶体缺陷晶体缺陷分类方式：分类方式：1、根据缺陷的作用范围把真实晶体缺陷分四类：、根据缺陷的作用范围把真实晶体缺陷分四类：点缺陷点缺陷（point defect）：特征
3、是三维空间的各）：特征是三维空间的各个方面上尺寸都很小，尺寸范围约为一个或几个方面上尺寸都很小，尺寸范围约为一个或几个原子尺度，又称零维缺陷，包括空位、间隙个原子尺度，又称零维缺陷，包括空位、间隙原子、杂质和溶质原子。原子、杂质和溶质原子。线缺陷线缺陷（line defect）：特征是在两个方向上）：特征是在两个方向上尺寸很小尺寸很小,另外一个方向上很大，又称一维缺另外一个方向上很大，又称一维缺陷，如各类位错。陷，如各类位错。面缺陷（planar defect）：特征是在一个方面上尺寸很小,另外两个方面上很大，又称二维缺陷，包括表面、晶界、亚晶界、相界、孪晶界等。体缺陷:在三维方向上缺陷尺寸都
4、较大。如镶嵌块、空洞等。2、根据缺陷的形成原因热缺陷杂质缺陷非化学计量缺陷等。2.1 2.1 点缺陷点缺陷原子热振动部分原子获得足够高的能量 克服约束,迁移到新的位置空位,间隙原子形成形成引起局部点阵畸变 引起引起点缺陷的形成原因点缺陷的形成原因点缺陷与材料点缺陷与材料的电学性质、的电学性质、光学性质、材光学性质、材料的高温动力料的高温动力学过程等有关。学过程等有关。一、点缺陷的类型一、点缺陷的类型n1.金属晶体中的点缺陷金属晶体中的点缺陷 金属晶体中常见的点缺陷有金属晶体中常见的点缺陷有空位空位(vacancy)间隙原子间隙原子(interstitial atom)置换原子置换原子(subs
5、titutional atom)a、空位、空位 空位是一种热平衡缺陷空位是一种热平衡缺陷,即在一定温度下即在一定温度下,空位有一定的平空位有一定的平衡浓度。空位在晶体中的位置不是固定不变的衡浓度。空位在晶体中的位置不是固定不变的,而是不断运动而是不断运动变化的。空位是由原子脱离其平衡位置而形成的，脱离平衡变化的。空位是由原子脱离其平衡位置而形成的，脱离平衡位置的原子大致有三个去处：位置的原子大致有三个去处：!(1)迁移到晶格的间隙中迁移到晶格的间隙中,这样所形成的空位叫弗仑克尔空位；这样所形成的空位叫弗仑克尔空位；!(2)迁移到晶体表面上迁移到晶体表面上,这样所产生的空位叫肖特基空位；这样所产
6、生的空位叫肖特基空位；!(3)迁移到其他空位处迁移到其他空位处,这样虽然不产生新的空位这样虽然不产生新的空位,但可以使空但可以使空位变换位置。位变换位置。图图2-1 热缺陷产生示意图热缺陷产生示意图（a）单质中弗仑克尔缺陷的形成）单质中弗仑克尔缺陷的形成（空位与间隙质点成对出现）（空位与间隙质点成对出现）（b）单质中肖特基缺陷的）单质中肖特基缺陷的形成形成V空位的运动空位的运动 图图2-2 点缺陷的类型点缺陷的类型 1-大的置换原子大的置换原子 4-复合空位复合空位 2-肖特基空位肖特基空位 5-弗兰克尔空位弗兰克尔空位 3-异类间隙原子异类间隙原子 6-小的置换原子小的置换原子nb、间隙原子
7、、间隙原子 处于晶格间隙中的原子即为间隙原子。在处于晶格间隙中的原子即为间隙原子。在形成弗仑克尔空位的同时形成弗仑克尔空位的同时,也形成一个间隙原也形成一个间隙原子，另外溶质原子挤入溶剂的晶格间隙中后，子，另外溶质原子挤入溶剂的晶格间隙中后，也称为间隙原子也称为间隙原子,他们都会造成严重的晶体畸他们都会造成严重的晶体畸变。间隙原子也是一种热平衡缺陷，在一定温变。间隙原子也是一种热平衡缺陷，在一定温度下有一平衡浓度，对于异类间隙原子来说，度下有一平衡浓度，对于异类间隙原子来说，常将这一平衡浓度称为固溶度或溶解度。常将这一平衡浓度称为固溶度或溶解度。nc、置换原子、置换原子 占据在原来基体原子平衡
8、位置上的异类原子称为置换占据在原来基体原子平衡位置上的异类原子称为置换原子。由于原子大小的区别也会造成晶格畸变，置换原子原子。由于原子大小的区别也会造成晶格畸变，置换原子在一定温度下也有一个平衡浓度值，一般称之为固溶度或在一定温度下也有一个平衡浓度值，一般称之为固溶度或溶解度，溶解度，通常它比间隙原子的固溶度要大的多通常它比间隙原子的固溶度要大的多。2.离子晶体中点缺陷离子晶体中点缺陷肖特基缺陷：肖特基缺陷：在离子晶体中，由于要维持电价平在离子晶体中，由于要维持电价平衡，因此一个正离子产生空位，则邻近必有一个衡，因此一个正离子产生空位，则邻近必有一个负离子空位，这样的一个正负离子空位对；负离子
9、空位，这样的一个正负离子空位对；弗仑克尔缺陷：弗仑克尔缺陷：一个正离子跳入离子晶体的间隙一个正离子跳入离子晶体的间隙位置，则出现了一个正离子空位，这种空位间位置，则出现了一个正离子空位，这种空位间隙离子对。隙离子对。图图2-5 2-5 离子晶体中的点缺陷离子晶体中的点缺陷（a）离子晶体中的弗仑克尔缺陷的形）离子晶体中的弗仑克尔缺陷的形成（空位与间隙质点成对出现）成（空位与间隙质点成对出现）（b）离子晶体中的肖特基缺陷）离子晶体中的肖特基缺陷的形成（正负离子空位对成对出现）的形成（正负离子空位对成对出现）VV+V-二、点缺陷的浓度二、点缺陷的浓度 1、平衡点缺陷、平衡点缺陷(equilibriu
10、m point defect）及其浓度及其浓度 ne 平衡空位数平衡空位数 n 原子总数原子总数 Ev 每增加一个空位能量的变化每增加一个空位能量的变化 k 玻尔兹曼常数玻尔兹曼常数,约为约为8.6210-5ev/K或或1.3810-23J/K T 绝对温度绝对温度其中：其中：A由振动熵决定的系数，取由振动熵决定的系数，取110，通常取，通常取1。evnEcAenkT 三、过饱和点缺陷三、过饱和点缺陷(supersaturated point defect)的的产生产生 在点缺陷的平衡浓度下晶体的自由能最低，在点缺陷的平衡浓度下晶体的自由能最低，系统最稳定。系统最稳定。当在一定的温度下，晶体中
11、点缺当在一定的温度下，晶体中点缺陷的数目明显超过其平衡浓度时，这些点缺陷陷的数目明显超过其平衡浓度时，这些点缺陷称为过饱和点缺陷称为过饱和点缺陷，通常它的产生方式有三种，通常它的产生方式有三种:n1.1.淬火淬火 高温时晶体中的空位浓度很高，经过淬火后，空高温时晶体中的空位浓度很高，经过淬火后，空位来不及通过扩散达到平衡浓度，在低温下仍保持了较位来不及通过扩散达到平衡浓度，在低温下仍保持了较高的空位浓度。高的空位浓度。n2.2.冷加工冷加工 金属在室温下进行压力加工时，由于位错交割金属在室温下进行压力加工时，由于位错交割所形成的割阶发生攀移，从而使金属晶体内空位浓度增所形成的割阶发生攀移，从而
12、使金属晶体内空位浓度增加。加。n3.3.辐照辐照 当金属受到高能粒子（中子、质子、当金属受到高能粒子（中子、质子、粒子、电粒子、电子等）辐照时，晶体中的原子将被击出，挤入晶格间隙子等）辐照时，晶体中的原子将被击出，挤入晶格间隙中，由于被击出的原子具有很高的能量，因此还有可能中，由于被击出的原子具有很高的能量，因此还有可能发生连锁作用，在晶体中形成大量的空位和间隙原子。发生连锁作用，在晶体中形成大量的空位和间隙原子。四、点缺陷的运动四、点缺陷的运动 晶体中的点缺陷并不是固定不动的，而是处于不断的运动过晶体中的点缺陷并不是固定不动的，而是处于不断的运动过程中。程中。三种运动形式：三种运动形式：a空
13、位周围的原子，由于热激活，某个原子有可能获得足够空位周围的原子，由于热激活，某个原子有可能获得足够的能量而跳入空位中，并占据这个平衡位置。这时，在该原的能量而跳入空位中，并占据这个平衡位置。这时，在该原子的原来位置上，就形成了一个空位。这一过程可以看作空子的原来位置上，就形成了一个空位。这一过程可以看作空位向邻近阵点位置的迁移位向邻近阵点位置的迁移(空位的运动）空位的运动）。a由于热运动，晶体中的间隙原子也可由一个间隙位置迁移由于热运动，晶体中的间隙原子也可由一个间隙位置迁移到另一个间隙位置到另一个间隙位置（间隙原子的运动）（间隙原子的运动）。a在运动过程中，当间隙原子与一个空位相遇时，它将落
14、入在运动过程中，当间隙原子与一个空位相遇时，它将落入该空位，而使两者都消失，这一过程称为复合。该空位，而使两者都消失，这一过程称为复合。图图2-7 2-7 点缺陷运动示意图点缺陷运动示意图五、点缺陷对晶体材料性能的影响五、点缺陷对晶体材料性能的影响 一般情形下，点缺陷主要影响晶体的物理一般情形下，点缺陷主要影响晶体的物理性质，如比容性质，如比容(specific volume)、比热容、比热容(specific heat volume)、电阻率电阻率(resistivity)、扩散系数、扩散系数、介电常数等。介电常数等。n1.比容比容 形成肖特基空位时，原子迁移到晶体表形成肖特基空位时，原子迁
15、移到晶体表面上的新位置，导致晶体体积增加。面上的新位置，导致晶体体积增加。n单位质量的物质所占有的单位质量的物质所占有的容积容积称为比容，用符称为比容，用符号号V表示。其数值是表示。其数值是密度密度的倒数的倒数 n2.2.比热容比热容 形成点缺陷需向晶体提供附加的能量形成点缺陷需向晶体提供附加的能量(空位生成焓空位生成焓)，因而，因而引起附加比热容。引起附加比热容。比热容又称比热容量，简称比热，是单位质量物质的热容量，即比热容又称比热容量，简称比热，是单位质量物质的热容量，即使单位质量物体改变单位温度时的吸收或释放的内能。使单位质量物体改变单位温度时的吸收或释放的内能。n3.3.电阻率电阻率
16、金属的电阻主要来源于离子对传导电子的散射。正常情况金属的电阻主要来源于离子对传导电子的散射。正常情况下，电子基本上在均匀电场中运动，在有缺陷的晶体中，晶格的周期下，电子基本上在均匀电场中运动，在有缺陷的晶体中，晶格的周期性被破坏，电场急剧变化，因而对电子产生强烈散射，导致晶体的电性被破坏，电场急剧变化，因而对电子产生强烈散射，导致晶体的电阻率增大。阻率增大。点缺陷对金属力学性能的影响较小，它只通过与位错的交互作用，阻点缺陷对金属力学性能的影响较小，它只通过与位错的交互作用，阻碍位错运动而使晶体强化。但在高能粒子辐照的情形下，由于形成大碍位错运动而使晶体强化。但在高能粒子辐照的情形下，由于形成大
17、量的点缺陷而能引起晶体显著硬化和脆化（辐照硬化）。量的点缺陷而能引起晶体显著硬化和脆化（辐照硬化）。六、点缺陷的符号表征六、点缺陷的符号表征以以MX型化合物为例：型化合物为例：1.空位（空位（vacancy）用用V来表示，符号中的右下标表示缺陷所在来表示，符号中的右下标表示缺陷所在位置，位置，VM含义即含义即M原子位置是空的。原子位置是空的。2.间隙原子（间隙原子（interstitial）亦称为填隙原子，用亦称为填隙原子，用Mi、Xi来表示，来表示，其含义为其含义为M、X原子位于晶格间隙位置。原子位于晶格间隙位置。3.错位原子错位原子 错位原子用错位原子用MX、XM等表示，等表示，MX的含义
18、是的含义是M原子原子占据占据X原子的位置。原子的位置。XM表示表示X原子占据原子占据M原子的位置。原子的位置。4.自由电子自由电子（electron）与电子空穴与电子空穴(hole）分别用分别用 和和 来表示。其中右上标中的来表示。其中右上标中的一撇一撇“/”代表一个单位负电荷，一个圆代表一个单位负电荷，一个圆点点“”代表一个单位正电荷。代表一个单位正电荷。he 5.带电缺陷带电缺陷 在在NaCl晶体中，取出一个晶体中，取出一个Na+离子，会在原来离子，会在原来的位置上留下一个电子的位置上留下一个电子 ，写成写成 ，即代表，即代表Na+离离子空位带一个单位负电荷。同理，子空位带一个单位负电荷。
19、同理，Cl-离子空位记为离子空位记为 带一个单位正电荷。带一个单位正电荷。NaVeClV 6 6、其它带电缺陷：、其它带电缺陷：1)CaCl1)CaCl2 2加入加入NaClNaCl晶体时，若晶体时，若CaCa2+2+离子位于离子位于NaNa+离子位离子位置上，其缺陷符号为置上，其缺陷符号为 ，此符号含义为，此符号含义为CaCa2+2+离子占离子占据据NaNa+离子位置，带有一个单位正电荷。离子位置，带有一个单位正电荷。2)2)表示表示CaCa2+2+离子占据离子占据ZrZr4+4+离子位置，此缺陷离子位置，此缺陷带有二个单位负电荷。带有二个单位负电荷。NaCa ZraC 七、缺陷反应表示法七
20、、缺陷反应表示法 对于杂质缺陷而言，缺陷反应方程式的一般式：对于杂质缺陷而言，缺陷反应方程式的一般式：产生的各种缺陷产生的各种缺陷杂质杂质基质基质1.1.写缺陷反应方程式应遵循的原则写缺陷反应方程式应遵循的原则 与一般的化学反应相类似，书写缺陷反应方程与一般的化学反应相类似，书写缺陷反应方程式时，应该遵循下列基本原则：式时，应该遵循下列基本原则：（1 1）位置平衡）位置平衡 （2 2）质量平衡质量平衡 （3 3）电荷平衡）电荷平衡 （1）位置关系：）位置关系：在化合物在化合物MaXb中，无论是否存在缺陷，其中，无论是否存在缺陷，其正负离子位置数（即格点数）之比始终是一个正负离子位置数（即格点数
21、）之比始终是一个常数常数a/b，即：，即：M的格点数的格点数/X的格点数的格点数=a/b。如。如NaCl结构中，正负离子格点数之比为结构中，正负离子格点数之比为1/1，Al2O3中则为中则为2/3。位置关系强调形成缺陷时，位置关系强调形成缺陷时，基质基质晶体中晶体中正负离子正负离子格点数之比格点数之比保持不变，并非原子个保持不变，并非原子个数比保持不变。数比保持不变。在上述各种缺陷符号中，在上述各种缺陷符号中，VM、VX、MM、XX、MX、XM等位于正常格点上，对等位于正常格点上，对格点数格点数的多少的多少有影响，而有影响，而Mi、Xi、e，、h等不在正等不在正常格点上，对格点数的多少无影响。
22、常格点上，对格点数的多少无影响。(2)(2)质量平衡：质量平衡：与化学反应方程式相同，缺陷反应方与化学反应方程式相同，缺陷反应方程式两边的质量应该相等。需要注意的是缺陷符号程式两边的质量应该相等。需要注意的是缺陷符号的的右下标右下标表示缺陷所在的位置，对质量平衡无影响。表示缺陷所在的位置，对质量平衡无影响。(3)(3)电中性：电中性：电中性要求缺陷反应方程式两边电中性要求缺陷反应方程式两边的的有效电荷数有效电荷数必须相等。必须相等。晶体必须保持电中晶体必须保持电中性性。2.缺陷反应实例缺陷反应实例 （1）杂质（组成）缺陷反应方程式）杂质（组成）缺陷反应方程式杂质在杂质在基质中的溶解过程基质中的
23、溶解过程 杂质进入基质晶体时，一般遵循杂质进入基质晶体时，一般遵循杂质的正负离杂质的正负离子分别进入基质的正负离子位置子分别进入基质的正负离子位置的原则，这样的原则，这样基质晶体的晶格畸变小，缺陷容易形成。基质晶体的晶格畸变小，缺陷容易形成。例例1写出写出NaF加入加入YF3中的缺陷反应方程式中的缺陷反应方程式.FF YYFV2F NaNaF3 F.i YYF3F2Na Na3NaF3 ClClCaCaCl iCl.KKCl2Cl K.KKCl2Cl2VCaCaCl基本规律：基本规律：q低价正离子占据高价正离子位置时，该位置带有负电荷，为了保持电中性，会产生负离子空位或间隙正离子。q高价正离子
24、占据低价正离子位置时，该位置带有正电荷，为了保持电中性，会产生正离子空位或间隙负离子。232223Al OZrOTiOY O 23232222232322333623236Al OiAlOAl OAlOAlZrOZrOOZrOZrOiTiOTiOOTiOTiOVY OYOVY OYOY 例例3 MgO3 MgO形成形成 MgOMgO形成肖特基缺陷时，表面的形成肖特基缺陷时，表面的MgMg2+2+和和O O2-2-离子迁离子迁移到表面新位置上，在晶体内部留下空位移到表面新位置上，在晶体内部留下空位:Mg MgMg surfaceMg surface+O+OO surfaceO surfaceMg
25、MgMg new surfaceMg new surface+O+OO new surface O new surface+以以（naughtnaught）代表无缺陷状态，则：）代表无缺陷状态，则：O O.O MgVV.O MgVV例例4 AgBr4 AgBr形成弗仑克尔缺陷形成弗仑克尔缺陷 其中半径小的其中半径小的AgAg+离子进入晶格间隙，在其离子进入晶格间隙，在其格点上留下空位，方程式为：格点上留下空位，方程式为：AgAgAgAg AgiVAg 当晶体中剩余空隙比较小，如当晶体中剩余空隙比较小，如NaClNaCl型型结构，容易形成肖特基缺陷；当晶体中剩结构，容易形成肖特基缺陷；当晶体中剩
26、余空隙比较大时，如萤石余空隙比较大时，如萤石CaFCaF2 2型结构等，型结构等，容易产生弗仑克尔缺陷。容易产生弗仑克尔缺陷。1、刃型位错形成的原因一、刃型位错一、刃型位错2.2 2.2 线缺陷线缺陷bGAn晶体中已滑移区与未滑移区的边界线（即位错晶体中已滑移区与未滑移区的边界线（即位错线）若垂直于滑移方向，则会存在一多余半排原线）若垂直于滑移方向，则会存在一多余半排原子面，它象一把刀刃插入晶体中，使此处上下两子面，它象一把刀刃插入晶体中，使此处上下两部分晶体产生原子错排，这种晶体缺陷称为部分晶体产生原子错排，这种晶体缺陷称为刃型刃型位错（位错（edge dislocationedge dis
27、location）。）。n多余半排原子面在滑移面上方的称正刃型位错，多余半排原子面在滑移面上方的称正刃型位错，记为记为“”；n相反，半排原子面在滑移面下方的称负刃型位相反，半排原子面在滑移面下方的称负刃型位错，记为错，记为“”2、刃型位错的分类3、刃型位错的结构特征 有一额外的半原子面，分正和负刃型位错；可理解为是已滑移区与未滑移区的边界线，可是直线也可是折线和曲线，但它们必与滑移方向和滑移矢量垂直;只能在同时包含有位错线和滑移矢量的滑只能在同时包含有位错线和滑移矢量的滑移平面上滑移；移平面上滑移；位错周围点阵发生弹性畸变，有切应变，位错周围点阵发生弹性畸变，有切应变，也有正应变；也有正应变；
28、在位错线周围的过渡区（畸变区）每个原在位错线周围的过渡区（畸变区）每个原子具有较大的能量。子具有较大的能量。二、二、螺型位错螺型位错1、螺型位错的形成原因特点：滑移方向与位错线平行。特点：滑移方向与位错线平行。2 2、晶体中已滑移区与未滑移区的边界线（即位错线）若平行、晶体中已滑移区与未滑移区的边界线（即位错线）若平行于滑移方向，则在该处附近原子平面已扭曲为螺旋面，即位于滑移方向，则在该处附近原子平面已扭曲为螺旋面，即位错线附近的原子是按螺旋形式排列的，这种晶体缺陷称为错线附近的原子是按螺旋形式排列的，这种晶体缺陷称为螺螺型位错（型位错（screw dislocationscrew dislo
29、cation）。）。根据原子旋转方向的不同根据原子旋转方向的不同,螺型位错可分为左螺型和右螺型位螺型位错可分为左螺型和右螺型位错错,通常用拇指代表螺旋前进方向，其余四指代表螺旋方向，通常用拇指代表螺旋前进方向，其余四指代表螺旋方向，符合右手法则的称右螺旋位错；符合左手法则的称为左螺旋符合右手法则的称右螺旋位错；符合左手法则的称为左螺旋位错。位错。3 3、螺型位错的结构特征、螺型位错的结构特征 n无额外的半原子面，原子错排是呈轴对称的无额外的半原子面，原子错排是呈轴对称的n分右旋和左旋螺型位错；分右旋和左旋螺型位错；n螺型位错线与滑移矢量平行，一定是直线，位螺型位错线与滑移矢量平行，一定是直线，
30、位错线移动方向与晶体滑移方向垂直；错线移动方向与晶体滑移方向垂直；n滑移面不是唯一的，包含螺型位错线的平面都可以作为滑移面不是唯一的，包含螺型位错线的平面都可以作为它的滑移面；它的滑移面；n位错周围点阵也发生弹性畸变，但只有平行于位错线的位错周围点阵也发生弹性畸变，但只有平行于位错线的切应变而无正应变，即不引起体积的膨胀和收缩；切应变而无正应变，即不引起体积的膨胀和收缩；n螺型位错周围的点阵畸变随离位错线距离的增加而急剧螺型位错周围的点阵畸变随离位错线距离的增加而急剧减少，位错畸变区也是几个原子间距宽度，同样是线位减少，位错畸变区也是几个原子间距宽度，同样是线位错。错。混合位错：滑移矢量既不平
31、行也不垂直混合位错：滑移矢量既不平行也不垂直于位错线，而是与位错线相交成任意角于位错线，而是与位错线相交成任意角度。这种位错称为混合位错。度。这种位错称为混合位错。三三 混合位错混合位错（a a）混合位错的）混合位错的形成形成（b b）混合位错分解为刃位错）混合位错分解为刃位错和螺位错示意图和螺位错示意图（c c）混合位错线附近原）混合位错线附近原子滑移透视图子滑移透视图 (1)(1)首先选定位错线的正向首先选定位错线的正向(),(),例如例如,常规定出纸面的方常规定出纸面的方向为位错线的正方向。向为位错线的正方向。(2)(2)在实际晶体中在实际晶体中,从任一原子出发从任一原子出发,围绕位错围
32、绕位错(避开位错避开位错线附近的严重畸变区线附近的严重畸变区)以一定的步数作一右旋回路（柏氏以一定的步数作一右旋回路（柏氏回路回路)。(3)(3)在完整晶体中，按同样的方向和步数作相同的回路，在完整晶体中，按同样的方向和步数作相同的回路，该回路并不封闭，由终点向起点引一矢量该回路并不封闭，由终点向起点引一矢量 ，使该回路，使该回路闭合，这个矢量闭合，这个矢量 就是实际晶体中位错的柏氏矢量。就是实际晶体中位错的柏氏矢量。bb 图2-13 柏氏回路与柏氏矢量 a-有位错晶体 b-完整晶体MNOQPMNOPQb螺型位错的伯氏回路示意图螺型位错的伯氏回路示意图（a a）实际晶体的伯氏回路）实际晶体的伯
33、氏回路 （b b）完整晶体的伯氏回路）完整晶体的伯氏回路2 2、柏氏矢量的特征：、柏氏矢量的特征：n(1)(1)用柏氏矢量可判断位错的类型用柏氏矢量可判断位错的类型。柏氏矢量与位错。柏氏矢量与位错线垂直者为刃型位错，平行者为螺型位错，既不垂直线垂直者为刃型位错，平行者为螺型位错，既不垂直又不平行者为混合位错。又不平行者为混合位错。n(2)(2)柏氏矢量反映位错区域点阵畸变总累积的大小柏氏矢量反映位错区域点阵畸变总累积的大小。柏氏矢量越大，位错周围晶体畸变越严重。柏氏矢量越大，位错周围晶体畸变越严重。n(3)(3)用柏氏矢量可以表示晶体滑移的方向和大小用柏氏矢量可以表示晶体滑移的方向和大小。位。
34、位错运动导致晶体滑移时，滑移量大小即柏氏矢量的大错运动导致晶体滑移时，滑移量大小即柏氏矢量的大小，滑移方向即为柏氏矢量的方向。小，滑移方向即为柏氏矢量的方向。n(4)(4)一条位错线具有唯一的柏氏矢量一条位错线具有唯一的柏氏矢量。它与柏氏回路。它与柏氏回路的大小和回路在位错线上的位置无关，位错在晶体中的大小和回路在位错线上的位置无关，位错在晶体中运动或改变方向时，其柏氏矢量不变。运动或改变方向时，其柏氏矢量不变。n(5)(5)若位错可分解，则分解后各分位错的柏氏矢量之若位错可分解，则分解后各分位错的柏氏矢量之和等于原位错的柏氏矢量。和等于原位错的柏氏矢量。n(6)(6)位错可定义为柏氏矢量不为
35、零的晶体缺陷，它具位错可定义为柏氏矢量不为零的晶体缺陷，它具有连续性，不能中断于晶体内部。有连续性，不能中断于晶体内部。其存在形态可形成其存在形态可形成一个闭合的位错环，或连接于其他位错，或终止在晶一个闭合的位错环，或连接于其他位错，或终止在晶界，或露头于晶体表面界，或露头于晶体表面.n3 3、柏氏矢量的表示法、柏氏矢量的表示法 柏氏矢量的大小和方向要用它在各个晶轴上的柏氏矢量的大小和方向要用它在各个晶轴上的分量，即点阵矢量分量，即点阵矢量a a，b b和和c c来表示。对于立方来表示。对于立方晶系，由于晶系，由于a=b=ca=b=c，故柏氏矢量可表示为，故柏氏矢量可表示为 n如果一个柏氏矢量
36、如果一个柏氏矢量b b是另外两个柏氏矢量是另外两个柏氏矢量 和和 之和。之和。1111abu v wn2222abu v wn12111222aabbbu v wuvwnn222abuvwn表示位错的强度表示位错的强度 同一晶体中，柏氏矢量越大，表明该位错导致点阵畸变越同一晶体中，柏氏矢量越大，表明该位错导致点阵畸变越严重，能量也越高，倾向于分解为两个或多个能量较低的严重，能量也越高，倾向于分解为两个或多个能量较低的位错：位错：b1 b2+b3并满并满足足222123bbb五、位错的运动 位错运动的基本形式有两种：滑移（slip）和攀移（climb）1、位错的滑移 位错的滑移：在外加切应力作用
37、下，通过位错中心附近的原子沿伯氏矢量方向在滑移面上不断地作少量位移（小于一个原子间距）而逐步实现的。位错的运动在外加切应力的作用下发生；位错的运动在外加切应力的作用下发生；位错移动的方向和位错线垂直（与伯氏矢量的方向平行）；位错移动的方向和位错线垂直（与伯氏矢量的方向平行）；运动位错扫过的区域晶体的两部分发生了伯氏矢量大小的相运动位错扫过的区域晶体的两部分发生了伯氏矢量大小的相对运动对运动(滑移滑移)；位错移出晶体表面将在晶体的表面上产生伯氏矢量大小的台位错移出晶体表面将在晶体的表面上产生伯氏矢量大小的台阶。阶。螺位错也是在外加切应力的作用下发生运动；螺位错也是在外加切应力的作用下发生运动；位
38、错移动的方向总是和位错线垂直位错移动的方向总是和位错线垂直(与伯氏矢量垂直）；与伯氏矢量垂直）；运动位错扫过的区域晶体的两部分发生了伯氏矢量大小的相对运动位错扫过的区域晶体的两部分发生了伯氏矢量大小的相对运动运动(滑移滑移)；位错移过部分在表面留下部分台阶，全部移出晶体的表面上产位错移过部分在表面留下部分台阶，全部移出晶体的表面上产生伯氏矢量大小的完整台阶。生伯氏矢量大小的完整台阶。刃位错的运动刃位错的运动螺位错的运动螺位错的运动混合位错的运动混合位错的运动（1）位错的滑移特点刃位错滑移方向与外力及伯氏矢量 平行，正、负刃位错滑移方向相反。螺位错滑移方向与外力及伯氏矢量 垂直，左、右螺型位错滑
39、移方向相反。混合位错滑移方向与外力及伯氏矢量 成一定角度（即沿位错线法线方向滑移）。晶体的滑移方向与外力及位错的伯氏矢量 相一致，但并不一定与位错的滑移方向相同。bbbb2 2、位错的攀移、位错的攀移n 只有刃型位错才能发生攀移运动，即位错只有刃型位错才能发生攀移运动，即位错在垂直于滑移面的方向上运动。其实质是构成在垂直于滑移面的方向上运动。其实质是构成刃型位错的多余半原子面的扩大或缩小，它是刃型位错的多余半原子面的扩大或缩小，它是通过物质迁移即原子或空位的扩散来实现的。通过物质迁移即原子或空位的扩散来实现的。通常把半原子面向上运动称为正攀移，向下运通常把半原子面向上运动称为正攀移，向下运动称
40、为负攀移动称为负攀移 。图图2-17 2-17 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）3 3、运动位错的交割、运动位错的交割 割阶与扭折割阶与扭折 在位错的滑移运动过程中，其位错线往往很难同时实现全长在位错的滑移运动过程中，其位错线往往很难同时实现全长的运动。因而一个运动的位错线，特别是在受阻的情况下，有可的运动。因而一个运动的位错线，特别是在受阻的情况下，有可能通过其中一部分线段首先进行滑移。若由此形成的曲折线段就能通过其中一部分线段首先进行滑移。若由此形成的曲折线段就在滑移面
41、上时，称为在滑移面上时，称为扭折扭折（kinkkink）；若该曲折线段垂直于位错的）；若该曲折线段垂直于位错的滑移面时，称为滑移面时，称为割阶割阶（jogjog）。）。（1 1）两个伯氏矢量互相垂直的刃型位错交割）两个伯氏矢量互相垂直的刃型位错交割伯氏矢量为伯氏矢量为b b1 1的刃型位错的刃型位错XYXY沿平面沿平面P PXYXY向下运向下运动，与在平面动，与在平面P PABAB上伯氏矢量为上伯氏矢量为b b2 2的刃型位错的刃型位错ABAB交割，由于交割，由于XYXY扫过的区域，其滑移面两侧扫过的区域，其滑移面两侧的晶体将发生距离的晶体将发生距离b b1 1的相对位移，因此，交割的相对位移
42、，因此，交割后，在位错线后，在位错线ABAB上产生上产生PPPP小台阶。小台阶。PPPP的的大小和方向取决于大小和方向取决于b b1 1，但其伯氏矢量仍为，但其伯氏矢量仍为b b2 2，b b2 2垂直于垂直于PPPP，故，故PPPP是刃型位错，但它不在原是刃型位错，但它不在原位错线的滑移面上，因而它是割阶。由于位位错线的滑移面上，因而它是割阶。由于位错错XYXY平行于平行于b b2 2，因此交割后不会在，因此交割后不会在XYXY上形成割上形成割阶。阶。（2 2）两个伯氏矢量互相平行的刃型）两个伯氏矢量互相平行的刃型位错的交割位错的交割伯氏矢量为伯氏矢量为b b1 1的刃型位错的刃型位错XYX
43、Y沿平面沿平面P PXYXY由前到后运动，与在平面由前到后运动，与在平面P PABAB上伯上伯氏矢量为氏矢量为b b2 2的刃型位错的刃型位错ABAB交割，交交割，交割后，在割后，在ABAB和和XYXY位错线上分别出现位错线上分别出现平行于平行于b b1 1、b b2 2的的PPPP、QQQQ台阶。这台阶。这两个台阶的滑移面和原位错的滑移两个台阶的滑移面和原位错的滑移面一致，故为扭折，属面一致，故为扭折，属螺型位错螺型位错。n1 1、MgOMgO晶体的肖特基缺陷生成能为晶体的肖特基缺陷生成能为84kJ84kJmolmol，计算该晶体在，计算该晶体在1000K1000K和和1500K1500K的
44、缺陷浓度。的缺陷浓度。n2 2、对于刃位错和螺位错，区别其位错线方向、伯氏矢量和位错运动方、对于刃位错和螺位错，区别其位错线方向、伯氏矢量和位错运动方向的特点。向的特点。n3 3、下图是晶体二维图形，内含有一个正刃型位错和一个负刃型位错。、下图是晶体二维图形，内含有一个正刃型位错和一个负刃型位错。(a)(a)围绕两个位错伯氏回路，最后得伯氏矢量若干？围绕两个位错伯氏回路，最后得伯氏矢量若干？(b)(b)围绕每个位错分别作伯氏回路，其结果又怎样围绕每个位错分别作伯氏回路，其结果又怎样?2.3 2.3 面缺陷面缺陷2.2.晶体的表面能：晶体的表面能：同体积晶体的表面能高出晶体内部的能量称同体积晶体
45、的表面能高出晶体内部的能量称为晶体的表面自由能或表面能。计量单位为为晶体的表面自由能或表面能。计量单位为J/mJ/m2 2。表面能就是。表面能就是表面张力，单位为表面张力，单位为N/mN/m。3.3.表面能的来源：表面能的来源：材料表面的原子和内部原子所处材料表面的原子和内部原子所处的环境不同，内部在均匀的力场中，能量较低，而的环境不同，内部在均匀的力场中，能量较低，而表面的原子有一个方向没有原子结合，处在与内部表面的原子有一个方向没有原子结合，处在与内部相比较高的能量水平。另一种设想为一完整的晶体，相比较高的能量水平。另一种设想为一完整的晶体，按某晶面为界切开成两半，形成两个表面，切开时按某
46、晶面为界切开成两半，形成两个表面，切开时为破坏原有的结合键单位面积所吸收的能量。由于为破坏原有的结合键单位面积所吸收的能量。由于不同的晶面原子的排列方式不同，切开破坏的化学不同的晶面原子的排列方式不同，切开破坏的化学键的量也不同，所以用不同的晶面作表面对应的表键的量也不同，所以用不同的晶面作表面对应的表面能也不相同，一般以原子的排列面密度愈高，对面能也不相同，一般以原子的排列面密度愈高，对应的表面能较小。应的表面能较小。实际应用的工程材料中，实际应用的工程材料中，那怕是一块尺寸很小材料，那怕是一块尺寸很小材料，绝大多数包含着许许多多的绝大多数包含着许许多多的小晶体，每个小晶体的内部，小晶体，每
47、个小晶体的内部，晶格位向是均匀一致的，而晶格位向是均匀一致的，而各个小晶体之间，彼此的位各个小晶体之间，彼此的位向却不相同。称这种由多个向却不相同。称这种由多个小晶体组成的晶体结构称之小晶体组成的晶体结构称之为为“多晶体多晶体”。晶界晶界n晶界的特性晶界的特性 晶界处点阵畸变大，存在着晶界能，因此，晶粒的长大晶界处点阵畸变大，存在着晶界能，因此，晶粒的长大和晶界的平直化都能减小晶界面积，从而降低晶界的总能和晶界的平直化都能减小晶界面积，从而降低晶界的总能量，这是一个自发过程。然而晶粒的长大和平直化均须通量，这是一个自发过程。然而晶粒的长大和平直化均须通过原子扩散来实现，因此，随着温度升高和保温
48、时间的增过原子扩散来实现，因此，随着温度升高和保温时间的增长，均有利于这两过程的进行。长，均有利于这两过程的进行。晶界处原子排列不规则，因此在常温下晶界的存在会对晶界处原子排列不规则，因此在常温下晶界的存在会对位错的运动起阻碍作用，致使塑性变形抗力提高，宏观表位错的运动起阻碍作用，致使塑性变形抗力提高，宏观表现为晶界较晶内具有较高的强度和硬度。晶粒越细，材料现为晶界较晶内具有较高的强度和硬度。晶粒越细，材料的强度越高。这就是是细强化，而高温下则相反，因高温的强度越高。这就是是细强化，而高温下则相反，因高温下晶界存在一定的粘滞性，易使相邻晶粒产生相对滑动。下晶界存在一定的粘滞性，易使相邻晶粒产生
49、相对滑动。晶界处原子偏离平衡位置，具有较高的能量，并且晶界晶界处原子偏离平衡位置，具有较高的能量，并且晶界处存在较多的缺陷，晶界处原子的扩散速度比在晶内快得处存在较多的缺陷，晶界处原子的扩散速度比在晶内快得多。多。在固态相变过程中，由于晶界能量较高且原子活动能力在固态相变过程中，由于晶界能量较高且原子活动能力较大，所以新相易于在晶界优先形核。显然，原始晶粒越较大，所以新相易于在晶界优先形核。显然，原始晶粒越细，晶界越多，则新相形核率也相应越高。细，晶界越多，则新相形核率也相应越高。由于成分偏析和内吸附现象，特别是晶界富集杂质原子由于成分偏析和内吸附现象，特别是晶界富集杂质原子情况下，往往晶界熔
50、点较低，故在加热过程中，因温度过情况下，往往晶界熔点较低，故在加热过程中，因温度过高将引起晶界熔化和氧化，导致过热现象的发生。高将引起晶界熔化和氧化，导致过热现象的发生。由于晶界能量较高，原子处于不稳定状态，以及晶界富由于晶界能量较高，原子处于不稳定状态，以及晶界富集杂质原子的缘故，与晶内相比，晶界的腐蚀速度一般较集杂质原子的缘故，与晶内相比，晶界的腐蚀速度一般较快。快。图2-19 二维平面点阵中的晶界图图2-20 2-20 晶界类型晶界类型界面能：界面能：晶界面上的原子相对正常晶体内部的原子晶界面上的原子相对正常晶体内部的原子而言，均处于较高的能量状态，因此，晶界也存在而言，均处于较高的能量
