1、第第2 2章章 晶體缺陷晶體缺陷缺陷的含義：通常把晶體點陣構造中周期性勢場的畸變稱為缺陷的含義：通常把晶體點陣構造中周期性勢場的畸變稱為晶體的構造缺陷。晶體的構造缺陷。理想晶體：質點嚴厲按照空間點陣陳列。理想晶體：質點嚴厲按照空間點陣陳列。實踐晶體：存在著各種各樣的構造的不完好性。實踐晶體：存在著各種各樣的構造的不完好性。研討缺陷的意義：由于缺陷的存在，才使晶體表現出各種研討缺陷的意義：由于缺陷的存在，才使晶體表現出各種各樣的性質，使資料加工、運用過程中的各種性能得以有各樣的性質，使資料加工、運用過程中的各種性能得以有效控制和改動，使資料性能的改善和復合資料的制備得以效控制和改動，使資料性能的

2、改善和復合資料的制備得以實現。因此，了解缺陷的構成及其運動規律，對資料工藝實現。因此，了解缺陷的構成及其運動規律，對資料工藝過程的控制，對資料性能的改善，對于新型資料的設計、過程的控制，對資料性能的改善，對于新型資料的設計、研討與開發具有重要意義。研討與開發具有重要意義。缺陷對資料性能的影響舉例缺陷對資料性能的影響舉例: :資料的強化，如鋼資料的強化，如鋼是鐵中滲碳是鐵中滲碳陶瓷資料的增韌陶瓷資料的增韌半導體摻雜半導體摻雜第第2章章 晶體缺陷晶體缺陷分類方式：分類方式：1、根據缺陷的作用范圍把真實晶體缺陷分四、根據缺陷的作用范圍把真實晶體缺陷分四類：類：點缺陷點缺陷point defect：特

3、征是三維空間：特征是三維空間的各個方面上尺寸都很小，尺寸范圍約為的各個方面上尺寸都很小，尺寸范圍約為一個或幾個原子尺度，又稱零維缺陷，包一個或幾個原子尺度，又稱零維缺陷，包括空位、間隙原子、雜質和溶質原子。括空位、間隙原子、雜質和溶質原子。 線缺陷線缺陷line defect：特征是在兩個方向：特征是在兩個方向上尺寸很小上尺寸很小,另外一個方向上很大，又稱一另外一個方向上很大，又稱一維缺陷，如各類位錯。維缺陷，如各類位錯。 面缺陷planar defect：特征是在一個方面上尺寸很小,另外兩個方面上很大，又稱二維缺陷，包括外表、晶界、亞晶界、相界、孿晶界等。體缺陷:在三維方向上缺陷尺寸都較大。

4、如鑲嵌塊、空洞等。2、根據缺陷的構成緣由熱缺陷雜質缺陷非化學計量缺陷等。2.1 2.1 點缺陷點缺陷原子熱振動部分原子獲得足夠高的能量 抑制約束,遷移到新的位置空位,間隙原子構成構成引起部分點陣畸變 引起引起點缺陷的構成緣由點缺陷的構成緣由點缺陷與資料點缺陷與資料的電學性質、的電學性質、光學性質、資光學性質、資料的高溫動力料的高溫動力學過程等有關。學過程等有關。 一、點缺陷的類型1.金屬晶體中的點缺陷 金屬晶體中常見的點缺陷有空位(vacancy)間隙原子(interstitial atom)置換原子(substitutional atom) a a、空位、空位 空位是一種熱平衡缺陷空位是一種

5、熱平衡缺陷, ,即在一定溫度下即在一定溫度下, ,空位有一定空位有一定的平衡濃度。空位在晶體中的位置不是固定不變的的平衡濃度。空位在晶體中的位置不是固定不變的, ,而是不斷而是不斷運動變化的。空位是由原子脫離其平衡位置而構成的，脫離運動變化的。空位是由原子脫離其平衡位置而構成的，脫離平衡位置的原子大致有三個去處：平衡位置的原子大致有三個去處：(1)(1)遷移到晶格的間隙中遷移到晶格的間隙中, ,這樣所構成的空位叫弗侖克爾空位；這樣所構成的空位叫弗侖克爾空位； (2) (2)遷移到晶體外表上遷移到晶體外表上, ,這樣所產生的空位叫肖特基空位；這樣所產生的空位叫肖特基空位；(3)(3)遷移到其他空

6、位處遷移到其他空位處, ,這樣雖然不產生新的空位這樣雖然不產生新的空位, ,但可以使空位但可以使空位變換位置。變換位置。圖圖2-1 熱缺陷產生表示圖熱缺陷產生表示圖a單質中弗侖克爾缺陷的構成單質中弗侖克爾缺陷的構成空位與間隙質點成對出現空位與間隙質點成對出現b單質中肖特基缺陷的單質中肖特基缺陷的構成構成V空位的運動空位的運動 圖圖2-2 2-2 點缺陷的類型點缺陷的類型 1-1-大的置換原子大的置換原子 4-4-復合空位復合空位 2-2-肖特基空位肖特基空位 5- 5-弗蘭克爾空位弗蘭克爾空位 3-3-異類間隙原子異類間隙原子 6-6-小的置換原子小的置換原子nb、間隙原子、間隙原子n 處于晶

7、格間隙中的原子即為間隙原子。處于晶格間隙中的原子即為間隙原子。在構成弗侖克爾空位的同時在構成弗侖克爾空位的同時,也構成一個間隙也構成一個間隙原子，另外溶質原子擠入溶劑的晶格間隙中后，原子，另外溶質原子擠入溶劑的晶格間隙中后，也稱為間隙原子也稱為間隙原子,他們都會呵斥嚴重的晶體畸他們都會呵斥嚴重的晶體畸變。間隙原子也是一種熱平衡缺陷，在一定溫變。間隙原子也是一種熱平衡缺陷，在一定溫度下有一平衡濃度，對于異類間隙原子來說，度下有一平衡濃度，對于異類間隙原子來說，常將這一平衡濃度稱為固溶度或溶解度。常將這一平衡濃度稱為固溶度或溶解度。nc、置換原子、置換原子n 占據在原來基體原子平衡位置上的異類原子

8、稱為置占據在原來基體原子平衡位置上的異類原子稱為置換原子。由于原子大小的區別也會呵斥晶格畸變，置換原換原子。由于原子大小的區別也會呵斥晶格畸變，置換原子在一定溫度下也有一個平衡濃度值，普通稱之為固溶度子在一定溫度下也有一個平衡濃度值，普通稱之為固溶度或溶解度，通常它比間隙原子的固溶度要大的多。或溶解度，通常它比間隙原子的固溶度要大的多。2.離子晶體中點缺陷離子晶體中點缺陷肖特基缺陷：在離子晶體中，由于要維持電價平肖特基缺陷：在離子晶體中，由于要維持電價平衡，因此一個正離子產生空位，那么臨近必有一衡，因此一個正離子產生空位，那么臨近必有一個負離子空位，這樣的一個正負離子空位對；個負離子空位，這樣

9、的一個正負離子空位對；弗侖克爾缺陷：一個正離子跳入離子晶體的間隙弗侖克爾缺陷：一個正離子跳入離子晶體的間隙位置，那么出現了一個正離子空位，這種空位位置，那么出現了一個正離子空位，這種空位間隙離子對。間隙離子對。圖圖2-52-5 離子晶體中的點缺陷離子晶體中的點缺陷a離子晶體中的弗侖克爾缺陷的構離子晶體中的弗侖克爾缺陷的構成空位與間隙質點成對出現成空位與間隙質點成對出現b離子晶體中的肖特基缺陷離子晶體中的肖特基缺陷的構成正負離子空位對成對出現的構成正負離子空位對成對出現VV+V-二、點缺陷的濃度二、點缺陷的濃度 1、平衡點缺陷、平衡點缺陷(equilibrium point defect及其濃度

10、及其濃度 ne 平衡空位數平衡空位數 n 原子總數原子總數 Ev 每添加一個空位能量的變化每添加一個空位能量的變化 k 玻爾茲曼常數玻爾茲曼常數,約為約為8.6210-5ev/K或或1.3810-23J/K T 絕對溫度絕對溫度其中：其中：A由振動熵決議的系數，取由振動熵決議的系數，取110，通常取，通常取1。 T -cevnEcAenkT 三、過飽和點缺陷三、過飽和點缺陷(supersaturated point (supersaturated point defect)defect)的產生的產生 在點缺陷的平衡濃度下晶體的自在能最低，在點缺陷的平衡濃度下晶體的自在能最低，系統最穩定。當在一

11、定的溫度下，晶體中點缺系統最穩定。當在一定的溫度下，晶體中點缺陷的數目明顯超越其平衡濃度時，這些點缺陷陷的數目明顯超越其平衡濃度時，這些點缺陷稱為過飽和點缺陷，通常它的產生方式有三種稱為過飽和點缺陷，通常它的產生方式有三種: :n1.1.淬火淬火 高溫時晶體中的空位濃度很高，經過淬火后，空高溫時晶體中的空位濃度很高，經過淬火后，空位來不及經過分散到達平衡濃度，在低溫下仍堅持了較位來不及經過分散到達平衡濃度，在低溫下仍堅持了較高的空位濃度。高的空位濃度。n2.2.冷加工冷加工 金屬在室溫下進展壓力加工時，由于位錯交割金屬在室溫下進展壓力加工時，由于位錯交割所構成的割階發生攀移，從而使金屬晶體內空

12、位濃度添所構成的割階發生攀移，從而使金屬晶體內空位濃度添加。加。n3.3.輻照輻照 當金屬遭到高能粒子中子、質子、當金屬遭到高能粒子中子、質子、粒子、電粒子、電子等輻照時，晶體中的原子將被擊出，擠入晶格間隙子等輻照時，晶體中的原子將被擊出，擠入晶格間隙中，由于被擊出的原子具有很高的能量，因此還有能夠中，由于被擊出的原子具有很高的能量，因此還有能夠發生連鎖作用，在晶體中構成大量的空位和間隙原子。發生連鎖作用，在晶體中構成大量的空位和間隙原子。 四、點缺陷的運動四、點缺陷的運動 晶體中的點缺陷并不是固定不動的，而是處于不斷的運動過晶體中的點缺陷并不是固定不動的，而是處于不斷的運動過程中。程中。 三

13、種運動方式：三種運動方式：空位周圍的原子，由于熱激活，某個原子有能夠獲得足夠的空位周圍的原子，由于熱激活，某個原子有能夠獲得足夠的能量而跳入空位中，并占據這個平衡位置。這時，在該原子能量而跳入空位中，并占據這個平衡位置。這時，在該原子的原來位置上，就構成了一個空位。這一過程可以看作空位的原來位置上，就構成了一個空位。這一過程可以看作空位向臨近陣點位置的遷移向臨近陣點位置的遷移( (空位的運動。空位的運動。由于熱運動，晶體中的間隙原子也可由一個間隙位置遷移到由于熱運動，晶體中的間隙原子也可由一個間隙位置遷移到另一個間隙位置間隙原子的運動。另一個間隙位置間隙原子的運動。在運動過程中，當間隙原子與一

14、個空位相遇時，它將落入該在運動過程中，當間隙原子與一個空位相遇時，它將落入該空位，而使兩者都消逝，這一過程稱為復合。空位，而使兩者都消逝，這一過程稱為復合。圖圖2-7 2-7 點缺陷運動表示圖點缺陷運動表示圖五、點缺陷對晶體資料性能的影響五、點缺陷對晶體資料性能的影響 普通情形下，點缺陷主要影響晶體的物理普通情形下，點缺陷主要影響晶體的物理性質，如比容性質，如比容(specific volume)(specific volume)、比熱容、比熱容(specific heat volume)(specific heat volume)、電阻率、電阻率(resistivity)(resistivi

15、ty)、分散系數、介電常數等。、分散系數、介電常數等。1.1.比容比容 構成肖特基空位時，原子遷移到晶體外表構成肖特基空位時，原子遷移到晶體外表上的新位置，導致晶體體積添加。上的新位置，導致晶體體積添加。單位質量的物質所占有的容積稱為比容，用符號單位質量的物質所占有的容積稱為比容，用符號VV表示。其數值是密度的倒數表示。其數值是密度的倒數 n2.2.比熱容比熱容 構成點缺陷需向晶體提供附加的能量構成點缺陷需向晶體提供附加的能量( (空位生成焓空位生成焓) )，因此，因此引起附加比熱容。引起附加比熱容。n 比熱容又稱比熱容量，簡稱比熱，是單位質量物質的熱容量，比熱容又稱比熱容量，簡稱比熱，是單位

16、質量物質的熱容量，即使單位質量物體改動單位溫度時的吸收或釋放的內能。即使單位質量物體改動單位溫度時的吸收或釋放的內能。n3.3.電阻率電阻率 金屬的電阻主要來源于離子對傳導電子的散射。正常情況金屬的電阻主要來源于離子對傳導電子的散射。正常情況下，電子根本上在均勻電場中運動，在有缺陷的晶體中，晶格的周期下，電子根本上在均勻電場中運動，在有缺陷的晶體中，晶格的周期性被破壞，電場急劇變化，因此對電子產生劇烈散射，導致晶體的電性被破壞，電場急劇變化，因此對電子產生劇烈散射，導致晶體的電阻率增大。阻率增大。n 點缺陷對金屬力學性能的影響較小，它只經過與位錯的交互作用，點缺陷對金屬力學性能的影響較小，它只

17、經過與位錯的交互作用，妨礙位錯運動而使晶體強化。但在高能粒子輻照的情形下，由于構成妨礙位錯運動而使晶體強化。但在高能粒子輻照的情形下，由于構成大量的點缺陷而能引起晶體顯著硬化和脆化輻照硬化。大量的點缺陷而能引起晶體顯著硬化和脆化輻照硬化。六、點缺陷的符號表征六、點缺陷的符號表征以以MX型化合物為例：型化合物為例： 1.空位空位vacancy用用V來表示，符號中的右下標表示缺陷所在來表示，符號中的右下標表示缺陷所在位置，位置，VM含義即含義即M原子位置是空的。原子位置是空的。2.間隙原子間隙原子interstitial亦稱為填隙原子，用亦稱為填隙原子，用Mi、Xi來表示，來表示，其含義為其含義為

18、M、X原子位于晶格間隙位置。原子位于晶格間隙位置。3. 錯位原子錯位原子 錯位原子用錯位原子用MX、XM等表示，等表示，MX的含義是的含義是M原子原子占據占據X原子的位置。原子的位置。XM表示表示X原子占據原子占據M原子的位置。原子的位置。 4. 自在電子自在電子electron與電子空穴與電子空穴 (hole分別用分別用 和和 來表示。其中右上標中的來表示。其中右上標中的一撇一撇“/代表一個單位負電荷，一個圓代表一個單位負電荷，一個圓點點“代表一個單位正電荷。代表一個單位正電荷。he 5.帶電缺陷帶電缺陷 在在NaCl晶體中，取出一個晶體中，取出一個Na+離子，會在原來離子，會在原來的位置上

19、留下一個電子的位置上留下一個電子 ，寫成，寫成 ，即代表，即代表Na+離離子空位帶一個單位負電荷。同理，子空位帶一個單位負電荷。同理，Cl-離子空位記為離子空位記為 帶一個單位正電荷。帶一個單位正電荷。 NaVeClV 6 6、其它帶電缺陷：、其它帶電缺陷：1)CaCl21)CaCl2參與參與NaClNaCl晶體時，假設晶體時，假設Ca2+Ca2+離子位于離子位于Na+Na+離離子位置上，其缺陷符號為子位置上，其缺陷符號為 ，此符號含義為，此符號含義為Ca2+Ca2+離子占據離子占據Na+Na+離子位置，帶有一個單位正電荷。離子位置，帶有一個單位正電荷。 2) 2) 表示表示Ca2+Ca2+離

20、子占據離子占據Zr4+Zr4+離子位置，此離子位置，此缺陷帶有二個單位負電荷。缺陷帶有二個單位負電荷。 NaCa ZraC 七、缺陷反響表示法七、缺陷反響表示法 對于雜質缺陷而言，缺陷反響方程式的普通式：對于雜質缺陷而言，缺陷反響方程式的普通式： 產生的各種缺陷產生的各種缺陷雜質雜質基質基質1.1.寫缺陷反響方程式應遵照的原那寫缺陷反響方程式應遵照的原那么么 與普通的化學反響相類似，書寫缺陷反響方程與普通的化學反響相類似，書寫缺陷反響方程式時，應該遵照以下根本原那么：式時，應該遵照以下根本原那么： 1 1位置平衡位置平衡 2 2質量平衡質量平衡 3 3電荷平衡電荷平衡 1位置關系：位置關系：

21、在化合物在化合物MaXb中，無論能否存在缺陷，中，無論能否存在缺陷，其正負離子位置數即格點數之比一直是一其正負離子位置數即格點數之比一直是一個常數個常數a/b，即：，即：M的格點數的格點數/X的格點數的格點數=a/b。如如NaCl構造中，正負離子格點數之比為構造中，正負離子格點數之比為1/1，Al2O3中那么為中那么為2/3。 (2) (2)質量平衡：與化學反響方程式一樣，缺陷反響方質量平衡：與化學反響方程式一樣，缺陷反響方程式兩邊的質量應該相等。需求留意的是缺陷符號程式兩邊的質量應該相等。需求留意的是缺陷符號的右下標表示缺陷所在的位置，對質量平衡無影響。的右下標表示缺陷所在的位置，對質量平衡

22、無影響。 (3)(3)電中性：電中性要求缺陷反響方程式兩邊的有效電中性：電中性要求缺陷反響方程式兩邊的有效電荷數必需相等。晶體必需堅持電中性電荷數必需相等。晶體必需堅持電中性 。 2. 2.缺陷反響實例缺陷反響實例 1 1雜質組成缺陷反響方程式雜質組成缺陷反響方程式雜質在雜質在基質中的溶解過程基質中的溶解過程 雜質進入基質晶體時，普通遵照雜質的正負雜質進入基質晶體時，普通遵照雜質的正負離子分別進入基質的正負離子位置的原那么，離子分別進入基質的正負離子位置的原那么，這樣基質晶體的晶格畸變小，缺陷容易構成。這樣基質晶體的晶格畸變小，缺陷容易構成。例例1寫出寫出NaF參與參與YF3中的缺陷反響方程式

23、中的缺陷反響方程式.FF YYFV2F NaNaF3 F.i YYF3F2Na Na3NaF3 ClClCaCaCl iCl.KKCl2Cl K.KKCl2Cl2VCaCaCl根本規律：根本規律：低價正離子占據高價正離子位置時，該位置帶有負電低價正離子占據高價正離子位置時，該位置帶有負電荷，為了堅持電中性，會產生負離子空位或間隙正荷，為了堅持電中性，會產生負離子空位或間隙正離子。離子。高價正離子占據低價正離子位置時，該位置帶有正電高價正離子占據低價正離子位置時，該位置帶有正電荷，為了堅持電中性，會產生正離子空位或間隙負荷，為了堅持電中性，會產生正離子空位或間隙負離子。離子。 232223Al

24、OZrOTiOY O 23232222232322333623236Al OiAlOAl OAlOAlZrOZrOOZrOZrOiTiOTiOOTiOTiOVY OYOVY OYOY 例3 MgO構成肖特基缺陷 MgO構成肖特基缺陷時，外表的Mg2+和O2-離子遷移到外表新位置上，在晶體內部留下空位: MgMg surface+OO surfaceMgMg new surface+OO new surface + 以零Onaught代表無缺陷形狀，那么： O.O MgVV .O MgVV例例4 AgBr4 AgBr構成弗侖克爾缺陷構成弗侖克爾缺陷 其中半徑小的其中半徑小的Ag+Ag+離子進入晶

25、格間隙，在其離子進入晶格間隙，在其格點上留下空位，方程式為：格點上留下空位，方程式為： AgAg AgAg AgiVAg 當晶體中剩余空隙比較小，如當晶體中剩余空隙比較小，如NaClNaCl型型構造，容易構成肖特基缺陷；當晶體中剩構造，容易構成肖特基缺陷；當晶體中剩余空隙比較大時，如螢石余空隙比較大時，如螢石CaF2CaF2型構造等，型構造等，容易產生弗侖克爾缺陷。容易產生弗侖克爾缺陷。 1、刃型位錯構成的緣由一、刃型位錯一、刃型位錯2.2 2.2 線缺陷線缺陷bGAn晶體中已滑移區與未滑移區的邊境限即位錯晶體中已滑移區與未滑移區的邊境限即位錯線假設垂直于滑移方向，那么會存在一多余半線假設垂直

26、于滑移方向，那么會存在一多余半排原子面，它象一把刀刃插入晶體中，使此處上排原子面，它象一把刀刃插入晶體中，使此處上下兩部分晶體產生原子錯排，這種晶體缺陷稱為下兩部分晶體產生原子錯排，這種晶體缺陷稱為刃型位錯刃型位錯edge dislocationedge dislocation。n多余半排原子面在滑移面上方的稱正刃型位錯，多余半排原子面在滑移面上方的稱正刃型位錯，記為記為“；n相反，半排原子面在滑移面下方的稱負刃型位相反，半排原子面在滑移面下方的稱負刃型位錯，記為錯，記為“ 2、刃型位錯的分類3、刃型位錯的構造特征 有一額外的半原子面，分正和負刃型位錯； 可了解為是已滑移區與未滑移區的邊境限，

27、可是直線也可是折線和曲線，但它們必與滑移方向和滑移矢量垂直; 只能在同時包含有位錯線和滑移矢量的滑只能在同時包含有位錯線和滑移矢量的滑移平面上滑移；移平面上滑移； 位錯周圍點陣發生彈性畸變，有切應變，位錯周圍點陣發生彈性畸變，有切應變，也有正應變；也有正應變； 在位錯線周圍的過渡區畸變區每個原在位錯線周圍的過渡區畸變區每個原子具有較大的能量。子具有較大的能量。二、二、 螺型位錯螺型位錯1、螺型位錯的構成緣由特點：滑移方向與位錯線平行。特點：滑移方向與位錯線平行。 2 2、晶體中已滑移區與未滑移區的邊境限即位錯線假設平、晶體中已滑移區與未滑移區的邊境限即位錯線假設平行于滑移方向，那么在該處附近原

28、子平面已扭曲為螺旋面，行于滑移方向，那么在該處附近原子平面已扭曲為螺旋面，即位錯線附近的原子是按螺旋方式陳列的，這種晶體缺陷稱即位錯線附近的原子是按螺旋方式陳列的，這種晶體缺陷稱為螺型位錯為螺型位錯screw dislocationscrew dislocation。根據原子旋轉方向的不同根據原子旋轉方向的不同, ,螺型位錯可分為左螺型和右螺型位螺型位錯可分為左螺型和右螺型位錯錯, ,通常用拇指代表螺旋前進方向，其他四指代表螺旋方向，通常用拇指代表螺旋前進方向，其他四指代表螺旋方向，符合右手法那么的稱右螺旋位錯；符合左手法那么的稱為左符合右手法那么的稱右螺旋位錯；符合左手法那么的稱為左螺旋位錯

29、。螺旋位錯。3 3、螺型位錯的構造特征、螺型位錯的構造特征 無額外的半原子面，原子錯排是呈軸對稱的無額外的半原子面，原子錯排是呈軸對稱的分右旋和左旋螺型位錯；分右旋和左旋螺型位錯；螺型位錯線與滑移矢量平行，一定是直線，位錯螺型位錯線與滑移矢量平行，一定是直線，位錯線挪動方向與晶體滑移方向垂直；線挪動方向與晶體滑移方向垂直；n滑移面不是獨一的，包含螺型位錯線的平面都可以作為滑移面不是獨一的，包含螺型位錯線的平面都可以作為它的滑移面；它的滑移面；n位錯周圍點陣也發生彈性畸變，但只需平行于位錯線的位錯周圍點陣也發生彈性畸變，但只需平行于位錯線的切應變而無正應變，即不引起體積的膨脹和收縮；切應變而無正

30、應變，即不引起體積的膨脹和收縮；n螺型位錯周圍的點陣畸變隨離位錯線間隔的添加而急劇螺型位錯周圍的點陣畸變隨離位錯線間隔的添加而急劇減少，位錯畸變區也是幾個原子間距寬度，同樣是線位減少，位錯畸變區也是幾個原子間距寬度，同樣是線位錯。錯。 混合位錯：滑移矢量既不平行也不垂直混合位錯：滑移矢量既不平行也不垂直于位錯線，而是與位錯線相交成恣意角于位錯線，而是與位錯線相交成恣意角度。這種位錯稱為混合位錯。度。這種位錯稱為混合位錯。三三 混合位錯混合位錯a a混合位錯的混合位錯的構成構成b b混合位錯分解為刃位錯混合位錯分解為刃位錯和螺位錯表示圖和螺位錯表示圖c c混合位錯線附近原混合位錯線附近原子滑移透

31、視圖子滑移透視圖bb 圖2-13 柏氏回路與柏氏矢量 a-有位錯晶體 b-完好晶體MNOQPMNOPQb螺型位錯的伯氏回路表示圖螺型位錯的伯氏回路表示圖a a實踐晶體的伯氏回路實踐晶體的伯氏回路 b b完好晶體的伯氏回路完好晶體的伯氏回路2 2、柏氏矢量的特征：、柏氏矢量的特征：(1)(1)用柏氏矢量可判別位錯的類型。柏氏矢量與位錯線用柏氏矢量可判別位錯的類型。柏氏矢量與位錯線垂直者為刃型位錯，平行者為螺型位錯，既不垂直又垂直者為刃型位錯，平行者為螺型位錯，既不垂直又不平行者為混合位錯。不平行者為混合位錯。(2)(2)柏氏矢量反映位錯區域點陣畸變總累積的大小。柏柏氏矢量反映位錯區域點陣畸變總累

32、積的大小。柏氏矢量越大，位錯周圍晶體畸變越嚴重。氏矢量越大，位錯周圍晶體畸變越嚴重。(3)(3)用柏氏矢量可以表示晶體滑移的方向和大小。位錯用柏氏矢量可以表示晶體滑移的方向和大小。位錯運動導致晶體滑移時，滑移量大小即柏氏矢量的大小，運動導致晶體滑移時，滑移量大小即柏氏矢量的大小，滑移方向即為柏氏矢量的方向。滑移方向即為柏氏矢量的方向。 n(4)(4)一條位錯線具有獨一的柏氏矢量。它與柏氏回路一條位錯線具有獨一的柏氏矢量。它與柏氏回路的大小和回路在位錯線上的位置無關，位錯在晶體中的大小和回路在位錯線上的位置無關，位錯在晶體中運動或改動方向時，其柏氏矢量不變。運動或改動方向時，其柏氏矢量不變。 n

33、(5)(5)假設位錯可分解，那么分解后各分位錯的柏氏矢假設位錯可分解，那么分解后各分位錯的柏氏矢量之和等于原位錯的柏氏矢量。量之和等于原位錯的柏氏矢量。n(6)(6)位錯可定義為柏氏矢量不為零的晶體缺陷，它具位錯可定義為柏氏矢量不為零的晶體缺陷，它具有延續性，不能中斷于晶體內部。其存在形狀可構成有延續性，不能中斷于晶體內部。其存在形狀可構成一個閉合的位錯環，或銜接于其他位錯，或終止在晶一個閉合的位錯環，或銜接于其他位錯，或終止在晶界，或露頭于晶體外表界，或露頭于晶體外表. . n3 3、柏氏矢量的表示法、柏氏矢量的表示法n 柏氏矢量的大小和方向要用它在各個晶軸上柏氏矢量的大小和方向要用它在各個

34、晶軸上的分量，即點陣矢量的分量，即點陣矢量a a，b b和和c c來表示。對于立來表示。對于立方晶系，由于方晶系，由于a=b=ca=b=c，故柏氏矢量可表示為，故柏氏矢量可表示為 n假設一個柏氏矢量假設一個柏氏矢量b b是另外兩個柏氏矢量是另外兩個柏氏矢量 n和和 之和。之和。1111abu v wn2222abu v wn12111222aabbbu v wuvwnn222abuvwn表示位錯的強度表示位錯的強度 同一晶體中，柏氏矢量越大，闡明該位錯導致點陣畸變越同一晶體中，柏氏矢量越大，闡明該位錯導致點陣畸變越嚴重，能量也越高，傾向于分解為兩個或多個能量較低的嚴重，能量也越高，傾向于分解為

35、兩個或多個能量較低的位錯：位錯：b1 b2+b3b1 b2+b3并滿足并滿足222123bbb五、位錯的運動 位錯運動的根本方式有兩種：滑移slip和攀移climb1、位錯的滑移 位錯的滑移：在外加切應力作用下，經過位錯中心附近的原子沿伯氏矢量方向在滑移面上不斷地作少量位移小于一個原子間距而逐漸實現的。 位錯的運動在外加切應力的作用下發生；位錯的運動在外加切應力的作用下發生；位錯挪動的方向和位錯線垂直與伯氏矢量的方向平行；位錯挪動的方向和位錯線垂直與伯氏矢量的方向平行；運動位錯掃過的區域晶體的兩部分發生了伯氏矢量大小的相運動位錯掃過的區域晶體的兩部分發生了伯氏矢量大小的相對運動對運動( (滑移

36、滑移) )；位錯移出晶體外表將在晶體的外表上產生伯氏矢量大小的臺位錯移出晶體外表將在晶體的外表上產生伯氏矢量大小的臺階。階。螺位錯也是在外加切應力的作用下發生運動；螺位錯也是在外加切應力的作用下發生運動；位錯挪動的方向總是和位錯線垂直位錯挪動的方向總是和位錯線垂直( (與伯氏矢量垂直；與伯氏矢量垂直；運動位錯掃過的區域晶體的兩部分發生了伯氏矢量大小的相對運動位錯掃過的區域晶體的兩部分發生了伯氏矢量大小的相對運動運動( (滑移滑移) )；位錯移過部分在外表留下部分臺階，全部移出晶體的外表上產位錯移過部分在外表留下部分臺階，全部移出晶體的外表上產生伯氏矢量大小的完好臺階。生伯氏矢量大小的完好臺階。

37、刃位錯的運動刃位錯的運動螺位錯的運動螺位錯的運動混合位錯的運動混合位錯的運動1位錯的滑移特點刃位錯滑移方向與外力及伯氏矢量 平行，正、負刃位錯滑移方向相反。螺位錯滑移方向與外力及伯氏矢量 垂直，左、右螺型位錯滑移方向相反。混合位錯滑移方向與外力及伯氏矢量 成一定角度即沿位錯線法線方向滑移。晶體的滑移方向與外力及位錯的伯氏矢量 相一致，但并不一定與位錯的滑移方向一樣。 bbbb2 2、位錯的攀移、位錯的攀移 只需刃型位錯才干發生攀移運動，即位錯在只需刃型位錯才干發生攀移運動，即位錯在垂直于滑移面的方向上運動。其本質是構成刃垂直于滑移面的方向上運動。其本質是構成刃型位錯的多余半原子面的擴展或減少，

38、它是經型位錯的多余半原子面的擴展或減少，它是經過物質遷移即原子或空位的分散來實現的。通過物質遷移即原子或空位的分散來實現的。通常把半原子面向上運動稱為正攀移，向下運動常把半原子面向上運動稱為正攀移，向下運動稱為負攀移稱為負攀移 。圖圖2-17 2-17 刃位錯攀移表示圖刃位錯攀移表示圖a正攀移半原子正攀移半原子面縮短面縮短(b)未攀移未攀移c負攀移半負攀移半原子面伸長原子面伸長 3 3、運動位錯的交割、運動位錯的交割 割階與扭折割階與扭折 在位錯的滑移運動過程中，其位錯線往往很難同時實現全長在位錯的滑移運動過程中，其位錯線往往很難同時實現全長的運動。因此一個運動的位錯線，特別是在受阻的情況下，

39、有能的運動。因此一個運動的位錯線，特別是在受阻的情況下，有能夠經過其中一部分線段首先進展滑移。假設由此構成的曲折線段夠經過其中一部分線段首先進展滑移。假設由此構成的曲折線段就在滑移面上時，稱為扭折就在滑移面上時，稱為扭折kinkkink；假設該曲折線段垂直于位；假設該曲折線段垂直于位錯的滑移面時，稱為割階錯的滑移面時，稱為割階jogjog。1 1兩個伯氏矢量相互垂直的刃型位錯交割兩個伯氏矢量相互垂直的刃型位錯交割伯氏矢量為伯氏矢量為b1b1的刃型位錯的刃型位錯XYXY沿平面沿平面PXYPXY向下運向下運動，與在平面動，與在平面PABPAB上伯氏矢量為上伯氏矢量為b2b2的刃型位錯的刃型位錯AB

40、AB交割，由于交割，由于XYXY掃過的區域，其滑移面兩側掃過的區域，其滑移面兩側的晶體將發生間隔的晶體將發生間隔b1b1的相對位移，因此，交的相對位移，因此，交割后，在位錯線割后，在位錯線ABAB上產生上產生PPPP小臺階。小臺階。PPPP的大的大小和方向取決于小和方向取決于b1b1，但其伯氏矢量仍為，但其伯氏矢量仍為b2b2，b2b2垂直于垂直于PPPP，故，故PPPP是刃型位錯，但它不在是刃型位錯，但它不在原位錯線的滑移面上，因此它是割階。由于原位錯線的滑移面上，因此它是割階。由于位錯位錯XYXY平行于平行于b2b2，因此交割后不會在，因此交割后不會在XYXY上構上構成割階。成割階。 2

41、2兩個伯氏矢量相互平行的刃型兩個伯氏矢量相互平行的刃型位錯的交割位錯的交割伯氏矢量為伯氏矢量為b1b1的刃型位錯的刃型位錯XYXY沿平面沿平面PXYPXY由前到后運動，與在平面由前到后運動，與在平面PABPAB上上伯氏矢量為伯氏矢量為b2b2的刃型位錯的刃型位錯ABAB交割，交割，交割后，在交割后，在ABAB和和XYXY位錯線上分別出位錯線上分別出現平行于現平行于b1b1、b2b2的的PPPP、 臺階。這臺階。這兩個臺階的滑移面和原位錯的滑移兩個臺階的滑移面和原位錯的滑移面一致，故為扭折，屬螺型位錯。面一致，故為扭折，屬螺型位錯。n1 1、MgOMgO晶體的肖特基缺陷生成能為晶體的肖特基缺陷生

42、成能為84kJ84kJmolmol，計算該晶體在，計算該晶體在1000K1000K和和1500K1500K的缺陷濃度。的缺陷濃度。n2 2、對于刃位錯和螺位錯，區別其位錯線方向、伯氏矢量和位錯運動方、對于刃位錯和螺位錯，區別其位錯線方向、伯氏矢量和位錯運動方向的特點。向的特點。 n3 3、以下圖是晶體二維圖形，內含有一個正刃型位錯和一個負刃型位錯。、以下圖是晶體二維圖形，內含有一個正刃型位錯和一個負刃型位錯。(a)(a)圍繞兩個位錯伯氏回路，最后得伯氏矢量假設干？圍繞兩個位錯伯氏回路，最后得伯氏矢量假設干？(b)(b)圍繞每個位錯分別作伯氏回路，其結果又怎樣圍繞每個位錯分別作伯氏回路，其結果又

43、怎樣? ? 2.3 2.3 面缺陷面缺陷2.2.晶體的外表能：同體積晶體的外表能高出晶體內部的能量稱晶體的外表能：同體積晶體的外表能高出晶體內部的能量稱為晶體的外表自在能或外表能。計量單位為為晶體的外表自在能或外表能。計量單位為J/m2J/m2。外表能就是。外表能就是外表張力，單位為外表張力，單位為N/mN/m。3.3.外表能的來源：資料外表的原子和內部原子所處外表能的來源：資料外表的原子和內部原子所處的環境不同，內部在均勻的力場中，能量較低，而的環境不同，內部在均勻的力場中，能量較低，而外表的原子有一個方向沒有原子結合，處在與內部外表的原子有一個方向沒有原子結合，處在與內部相比較高的能量程度

44、。另一種想象為一完好的晶體，相比較高的能量程度。另一種想象為一完好的晶體，按某晶面為界切開成兩半，構成兩個外表，切開時按某晶面為界切開成兩半，構成兩個外表，切開時為破壞原有的結合鍵單位面積所吸收的能量。由于為破壞原有的結合鍵單位面積所吸收的能量。由于不同的晶面原子的陳列方式不同，切開破壞的化學不同的晶面原子的陳列方式不同，切開破壞的化學鍵的量也不同，所以用不同的晶面作外表對應的外鍵的量也不同，所以用不同的晶面作外表對應的外表能也不一樣，普通以原子的陳列面密度愈高，對表能也不一樣，普通以原子的陳列面密度愈高，對應的外表能較小。應的外表能較小。 實踐運用的工程資料中，實踐運用的工程資料中，那怕是一

45、塊尺寸很小資料，那怕是一塊尺寸很小資料，絕大多數包含著許許多多的絕大多數包含著許許多多的小晶體，每個小晶體的內部，小晶體，每個小晶體的內部，晶格位向是均勻一致的，而晶格位向是均勻一致的，而各個小晶體之間，彼此的位各個小晶體之間，彼此的位向卻不一樣。稱這種由多個向卻不一樣。稱這種由多個小晶體組成的晶體構造稱之小晶體組成的晶體構造稱之為為“多晶體。多晶體。 晶界晶界n晶界的特性晶界的特性n 晶界處點陣畸變大，存在著晶界能，因此，晶粒的長晶界處點陣畸變大，存在著晶界能，因此，晶粒的長大和晶界的平直化都能減小晶界面積，從而降低晶界的總大和晶界的平直化都能減小晶界面積，從而降低晶界的總能量，這是一個自發

46、過程。然而晶粒的長大和平直化均須能量，這是一個自發過程。然而晶粒的長大和平直化均須經過原子分散來實現，因此，隨著溫度升高和保溫時間的經過原子分散來實現，因此，隨著溫度升高和保溫時間的增長，均有利于這兩過程的進展。增長，均有利于這兩過程的進展。n 晶界處原子陳列不規那么，因此在常溫下晶界的存在晶界處原子陳列不規那么，因此在常溫下晶界的存在會對位錯的運動起妨礙作用，致使塑性變形抗力提高，宏會對位錯的運動起妨礙作用，致使塑性變形抗力提高，宏觀表現為晶界較晶內具有較高的強度和硬度。晶粒越細，觀表現為晶界較晶內具有較高的強度和硬度。晶粒越細，資料的強度越高。這就是是細強化，而高溫下那么相反，資料的強度越

47、高。這就是是細強化，而高溫下那么相反，因高溫下晶界存在一定的粘滯性，易使相鄰晶粒產生相對因高溫下晶界存在一定的粘滯性，易使相鄰晶粒產生相對滑動。滑動。 晶界處原子偏離平衡位置，具有較高的能量，并且晶界晶界處原子偏離平衡位置，具有較高的能量，并且晶界處存在較多的缺陷，晶界處原子的分散速度比在晶內快得處存在較多的缺陷，晶界處原子的分散速度比在晶內快得多。多。 在固態相變過程中，由于晶界能量較高且原子活動才干在固態相變過程中，由于晶界能量較高且原子活動才干較大，所以新相易于在晶界優先形核。顯然，原始晶粒越較大，所以新相易于在晶界優先形核。顯然，原始晶粒越細，晶界越多，那么新相形核率也相應越高。細，晶界越多，那么新相形核率也相應越高。 由于成分偏析和內吸附景象，特別是晶界富集雜質原子由于成分偏析和內吸附景象，特別是晶界富集雜質原子情況下，往往晶界熔點較低，故在加熱過程中，因溫度過情況