1、單晶體與多晶體點缺陷線缺陷面缺陷教學要求： 1、理解點缺陷的分類 2、理解點缺陷濃度，了解其應用 3、了解位錯的類型與特點 4、掌握柏氏矢量及表示方法 5、理解位錯密度，了解實驗觀察方法 6、掌握位錯的運動 7、了解面缺陷（晶界、相界、表面） 8、了解界面特性，理解界面對材料加工過程的影響。 教學的重點與難點： 重點：柏氏矢量及表示方法，位錯的運動 難點：柏氏矢量及表示方法點缺陷線缺陷 面缺陷：體缺陷：空位自間隙原子異類原子晶面、堆積層錯、晶粒和雙晶的界面、晶疇的界面晶體中出現空洞、氣泡、包裹物、沉積物晶體的缺陷的影響： 可使晶體的某些優良性能降低； 但人為改變晶體缺陷的形式和數量，可獲得具有

2、許多重要性能的晶體。 還會影響與擴散有關的相變、化學熱處理、高溫塑性變形、斷裂等。刃型位錯螺旋位錯混合位錯 理想晶體中的每一個原子都按晶體結構的要求占據它們應有的位置，但實際晶體中的原子排列未必完全規則，在某些局部區域，原子排列甚至很不規則。這些原子排列的規律性受到嚴重偏離的區域，稱之為晶體缺陷，按照缺陷的幾何特征，可分為： 空位：晶體內部原子遷移到界面后，在體內留下的原子空位：晶體內部原子遷移到界面后，在體內留下的原子尺度的空洞；尺度的空洞；一一. 點缺陷的種類：點缺陷的種類：Vacancydistortion of planesself-interstitialdistortion of

3、planes 自間隙原子：進入自身晶格間隙位置的原子；自間隙原子：進入自身晶格間隙位置的原子；Substitutional solid soln.(e.g., Cu in Ni)Interstitial solid soln.(e.g., C in Fe) 異類原子：純金屬中存在的其它元素的原子異類原子：純金屬中存在的其它元素的原子稱異類原子。（包括間隙原子和置換原子）稱異類原子。（包括間隙原子和置換原子） 晶體中的點缺陷 空位； 間隙原子； 置換原子肖脫基肖脫基缺陷缺陷弗倫克爾缺陷弗倫克爾缺陷弗倫克爾缺陷：原子在晶體內移動造成空位和自間隙原子。肖脫基缺陷：原子離開平衡位置，遷移到界面上，造成

4、空位。點缺陷的運動點缺陷的運動 在一定溫度下，晶體中達到統計平衡的空位和間隙原子的在一定溫度下，晶體中達到統計平衡的空位和間隙原子的數目是一定的，而且晶體中的點缺陷并不是固定不動的，而是數目是一定的，而且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。在運動過程中，當間隙原子與一個空處于不斷的運動過程中。在運動過程中，當間隙原子與一個空位相遇時，它將落人該空位，而使兩者都消失，這一過程稱為位相遇時，它將落人該空位，而使兩者都消失，這一過程稱為復合。復合。 晶體中的原子正是由于空位和間隙原子不斷地產生與復合晶體中的原子正是由于空位和間隙原子不斷地產生與復合才不停地由一處向另一處作無規則

5、的布朗運動，這就是晶體中才不停地由一處向另一處作無規則的布朗運動，這就是晶體中原子的自擴散，是固態相變、表面化學熱處理、蠕變、燒結等原子的自擴散，是固態相變、表面化學熱處理、蠕變、燒結等物理化學過程的基礎。物理化學過程的基礎。（一）平衡點缺陷（一）平衡點缺陷)/exp(KTEANncv 由熱力學分析可以證明，在一定溫度下，晶體中存在一定平衡數量的點缺陷，我們將此時點缺陷的濃度稱為該溫度下的缺陷的平衡濃度?？瘴坏钠胶鉂舛萩為：式中：式中：n平衡空位數，平衡空位數，N結點總數結點總數 每增加一個空位的能量變化值，每增加一個空位的能量變化值， K波爾茲曼常數，（波爾茲曼常數，（1.3810-23J/

6、K ） A與振動有關的常數（與振動有關的常數（110之間）之間）vE由上式可得：由上式可得： 1 1）晶體中空位在熱力學上是穩定的，一定溫度）晶體中空位在熱力學上是穩定的，一定溫度T T對應一平衡濃對應一平衡濃度度C C；2 2）C C與與T T呈指數關系，溫度升高，空位濃度大大增大；呈指數關系，溫度升高，空位濃度大大增大； 3 3）空位形成能）空位形成能E EV V大，空位濃度小大，空位濃度小)/exp(KTEANncv 例如：已知銅中例如：已知銅中EV=1.710-19J，A取為取為1，則，則 T100K300K500K700K900K 1000K n/N 10-57 10-19 10-1

7、1 10-8.1 10-6.3 10-5.7 給定溫度下，晶體中存在一平衡的空位濃度，但在某些特給定溫度下，晶體中存在一平衡的空位濃度，但在某些特殊情況下晶體也可以具有超過平衡濃度的點缺陷，成為過飽殊情況下晶體也可以具有超過平衡濃度的點缺陷，成為過飽和點缺陷。下述幾種條件下，產生過飽和空位：和點缺陷。下述幾種條件下，產生過飽和空位：1 1）淬火法：高溫時缺陷多，將晶體加熱到高溫迅速冷卻）淬火法：高溫時缺陷多，將晶體加熱到高溫迅速冷卻到低溫，使空位來不及消失，把空位保留到室溫，形成到低溫，使空位來不及消失，把空位保留到室溫，形成過飽和空位。過飽和空位。2 2）輻照法：高能粒子輻照晶體能同時產生數

8、量相等的空）輻照法：高能粒子輻照晶體能同時產生數量相等的空位和間隙原子。（原子反應堆）位和間隙原子。（原子反應堆）3 3）塑性變形：使金屬產生塑性變形，通過位錯的相互作）塑性變形：使金屬產生塑性變形，通過位錯的相互作 用產生過飽和點缺陷。用產生過飽和點缺陷。過飽和點缺陷特點過飽和點缺陷特點：非平衡，不穩定，加熱會消失趨于：非平衡，不穩定，加熱會消失趨于 平衡濃度。平衡濃度。（一）點缺陷對金屬物理性能和力學性能的影響（一）點缺陷對金屬物理性能和力學性能的影響1. 1. 比體積：比體積： 缺陷增多引起體積增大；（為了在晶體內部產生一缺陷增多引起體積增大；（為了在晶體內部產生一 個個 空位，該處原子

9、遷移到晶體表面）空位，該處原子遷移到晶體表面）2. 2. 比熱容：比熱容： 缺陷增多使熱容增大；（需要向晶體提供附加能量）缺陷增多使熱容增大；（需要向晶體提供附加能量）3. 3. 電阻率：電阻率： 缺陷增多使電阻率增大。（缺陷晶體中缺陷點陣的缺陷增多使電阻率增大。（缺陷晶體中缺陷點陣的周期性被破壞，電場急劇變化，對電子產生劇烈散射，導致周期性被破壞，電場急劇變化，對電子產生劇烈散射，導致電阻率增大）電阻率增大）4. 4. 力學性能：點缺陷通過與位錯的交互作用，阻礙位錯運動使晶力學性能：點缺陷通過與位錯的交互作用，阻礙位錯運動使晶體強化體強化（二）點缺陷在實踐中的應用（二）點缺陷在實踐中的應用n

10、能加速燒結和固相反應；能加速燒結和固相反應；n對半導體電學性能產生影響；對半導體電學性能產生影響；n使晶體強度增加；使晶體強度增加；1.1.使金屬腐蝕加速或減緩。使金屬腐蝕加速或減緩。位錯分為刃型位錯、螺型位錯和混合位錯三種類型。位錯分為刃型位錯、螺型位錯和混合位錯三種類型。刃型位錯有一個額外的半原子面。一般把多出的半原子面在滑刃型位錯有一個額外的半原子面。一般把多出的半原子面在滑移面上邊的稱為正刃型位錯，記為移面上邊的稱為正刃型位錯，記為“”；而把多出的半原子；而把多出的半原子面在下邊的稱為負刃型位錯，記為面在下邊的稱為負刃型位錯，記為“”。其實這種正、負之。其實這種正、負之分只具相對意義而

11、無本質的區別。分只具相對意義而無本質的區別。一一. 位錯的類型位錯的類型Dislocations are visible in electron micrographs晶體中一部分原子相對于另一部分原子發生錯動，具有螺旋晶體中一部分原子相對于另一部分原子發生錯動，具有螺旋型特征，稱螺型位錯。型特征，稱螺型位錯。Screw DislocationBurgers vector bDislocationlineb(a)(b)螺型位錯示意圖方向：大拇指代表螺旋面前進的方向，四指代表螺方向：大拇指代表螺旋面前進的方向，四指代表螺旋面的旋轉方向，符合右手法則的稱為右螺旋位旋面的旋轉方向，符合右手法則的稱為

12、右螺旋位錯，符合左手法則的稱為左螺旋位錯。錯，符合左手法則的稱為左螺旋位錯。Adapted from Fig. 4.5, Callister 7e.EdgeScrewMixed 柏氏矢量是描述位錯性質的一個重要物理量，柏氏矢量是描述位錯性質的一個重要物理量，19391939年年BurgersBurgers提出，故稱該矢量為提出，故稱該矢量為“柏格斯矢量柏格斯矢量”或或“柏氏矢量柏氏矢量”，用，用b b 表示，表示，柏氏矢量由柏氏回路確定柏氏矢量由柏氏回路確定1 1柏氏矢量的確定（方法與步驟）柏氏矢量的確定（方法與步驟） 1 1）人為假定位錯線方向，一般是從紙背向紙面或由上向下為）人為假定位錯線

13、方向，一般是從紙背向紙面或由上向下為位錯線正向位錯線正向 2 2）用右手螺旋法則來確定柏格斯回路的旋轉方向，使位錯線）用右手螺旋法則來確定柏格斯回路的旋轉方向，使位錯線的正向與右螺旋的正向一致的正向與右螺旋的正向一致 3 3）將含有位錯的實際晶體和理想的完整晶體相比較）將含有位錯的實際晶體和理想的完整晶體相比較 在實際晶體中作一柏氏回路，在完整晶體中按其相同的路線和在實際晶體中作一柏氏回路，在完整晶體中按其相同的路線和步伐作回路，自路線終點向起點的矢量，即步伐作回路，自路線終點向起點的矢量，即“柏氏矢量柏氏矢量”。如下圖為刃型位錯的柏氏回路與柏氏矢量如下圖為刃型位錯的柏氏回路與柏氏矢量 右旋螺

14、型位錯左旋螺型位錯正刃型位錯負刃型位錯 柏氏矢量：b= b= （可以用矢量加法進行運算）。（可以用矢量加法進行運算）。位錯強度：柏氏矢量的物理意義與應用 代表位錯，并表示其特征（強度、畸變量）。圍繞一根位錯線的柏氏回路任意擴大或移動，回路中包含的點陣畸變量的總累和不變，因而由這種畸變總量所確定的柏氏矢量也不改變， b 越大，畸變越嚴重。 判斷位錯的類型, 確定滑移面。 正刃型位錯 負刃型位錯 右螺型位錯 左螺型位錯 根據b與位錯線的取向關系可確定位錯線性質： 刃型位錯的柏氏矢量垂直于位錯線，螺型位錯的柏氏矢量平行于位錯線， 刃型位錯線可為任意曲線，螺型位錯線只能為直線。uvwna222wvun

15、ab（3）柏氏矢量具有守恒性1）一條位錯線只有唯一的柏氏矢量，柏氏矢量與回路起點選擇無關，也與柏氏回路的具體路徑，大小無關2）幾根位錯相遇于一點，其方向朝著節點的各位錯線的柏氏矢量b之和等于離開節點之和。如有幾根位錯線的方向均指向或離開節點，則這些位錯線的柏氏矢量之和值為零 （1 1）位錯反應：位錯的分解與合并。）位錯反應：位錯的分解與合并。（2 2）反應條件）反應條件 幾何條件：幾何條件：b前前=b后后；反應前后位錯的柏氏矢量之和相等。；反應前后位錯的柏氏矢量之和相等。 能量條件：能量條件：b2前前b2后后; ; 反應后位錯的總能量小于反應前位錯的總反應后位錯的總能量小于反應前位錯的總 能量

16、。能量。 位錯密度可用單位體積中位錯線總長度來表示，即位錯密度可用單位體積中位錯線總長度來表示，即式中，式中，為位錯密度（為位錯密度（m m-2-2）；）；S S為位錯線的總長度（為位錯線的總長度（m m）；）；V V為體積（為體積（m m3 3）。也可以用單位面積的位錯線數目來表示。）。也可以用單位面積的位錯線數目來表示。位錯的存在極大地影響金屬的力學性能，如圖所示。位錯的存在極大地影響金屬的力學性能，如圖所示。 VSn/A位錯周圍有點陣畸變，能量高，在相應化學浸蝕時出現浸蝕坑在立方晶系中，111面上蝕坑呈三角形100面上呈四方形。(c) 2003 Brooks/Cole Publishin

17、g / Thomson Learning(c) 2003 Brooks/Cole Publishing / Thomson LearningSmith W F. Foundations of Materials Science and Engineering. McGRAW.HILL.3/E位錯的最重要性質之一是它可以在晶體中運動，而晶體宏觀的塑性變形是通過位錯運動來實現的。晶體的力學性能如強度、塑性和斷裂等均與位錯的運動有關。因此，了解位錯的運動的有關規律，對于改善和控制晶體力學性能是有益的。 位錯的運動方式有兩種最基本形式，即滑移和攀移。 滑移：位錯沿滑移面的滑動（切應力作用下）；滑移：位

18、錯沿滑移面的滑動（切應力作用下）；位錯運動示意位錯運動示意 滑移只能在切應力的作用下發生滑移只能在切應力的作用下發生; ; 滑移是晶體內部滑移是晶體內部位錯位錯在切應力下作用的結果在切應力下作用的結果; ; 滑移方向沿柏氏矢量方向，刃型位錯滑移方向與位錯線運滑移方向沿柏氏矢量方向，刃型位錯滑移方向與位錯線運動方向一致動方向一致; ;螺型位錯滑移方向與位錯線運動方向垂直螺型位錯滑移方向與位錯線運動方向垂直; ; 滑移時晶體的一部分相對于另一部分沿滑移方向位移的距滑移時晶體的一部分相對于另一部分沿滑移方向位移的距離為原子間距的整數倍離為原子間距的整數倍, ,滑移結果在晶體的表面上造成臺階?；平Y果

19、在晶體的表面上造成臺階。 攀移：位錯垂直滑移面的滑動（攀移：位錯垂直滑移面的滑動（攀移伴隨空位擴散，需要攀移伴隨空位擴散，需要熱激活以產生大量空位，因此攀移往往在高溫下進行熱激活以產生大量空位，因此攀移往往在高溫下進行）。）。 半原子面向上運動，發生正攀移；半原子面向上運動，發生正攀移； 半原子面向下運動，發生負攀移；半原子面向下運動，發生負攀移；影響攀移因素：影響攀移因素： 溫度：位錯攀移需要熱激活以產生大量空位，因此，攀移過程往往在高溫下才能進行 正應力：施加正應力也有助于刃型位錯攀移，切應力對刃型位錯的攀移不起作用應用：生產單晶時可以利用位錯的攀移來消除位錯，使位錯吸附擴散來的空位或者間

20、隙原子，逐步交換位置而移到表面，直至消失?；旌衔诲e的運動螺旋位錯應變能刃型位錯應變能單位長度位錯的應變能02ln4rRGbWS02ln)1 (4rRvGbWe2GbLW =0.51.0 螺旋位錯取下限，刃位錯取上限。 b小,應變能小，易形成位錯。位錯的能量是以單位長度的能量來定義的，故位錯的能量還與位錯線的形狀有關。由于兩點間以直線為最短，所以直線位錯的應變能小于彎曲位錯的，即更穩定，因此，位錯線有盡量變直和縮短其長度的趨勢。 .位錯的存在均會使體系的內能升高，雖然位錯的存在也會引起晶體中熵值的增加，但相對來說，熵值增加有限。可以忽略不計。因此，位錯的存在使晶體處于高能的不穩定狀態，可見位錯是

21、熱力學上不穩定的晶體缺陷。位錯的應變能位錯的應變能 位錯周圍點陣畸變引起彈性應力場導致晶體能量增加，這部位錯周圍點陣畸變引起彈性應力場導致晶體能量增加，這部分能量稱為位錯的應變能，或稱為位錯的能量。分能量稱為位錯的應變能，或稱為位錯的能量。位錯線張力位錯線張力T 位錯有縮短的趨勢以減小應變能。位錯有縮短的趨勢以減小應變能。2GbT 直線位錯直線位錯 = 1.0 = 1.0 彎曲位錯彎曲位錯 = 0.5 = 0.5 位錯張力線作用方向沿位錯線方向，使位錯線盡可能縮短。位錯張力線作用方向沿位錯線方向，使位錯線盡可能縮短。 位錯與溶質原子的相互作用 間隙原子聚集于位錯中心，使體系處于低能態。 柯氏氣

22、團：溶質原子在位錯線附近偏聚的現象。固溶強化 位錯與空位的交互作用 導致位錯攀移。 界面是晶體中的二維缺陷（面缺陷） ，固體材料的界面分為三種：1. 晶界：晶界是兩相鄰晶粒間的過渡界面。是取向不同，但晶體結構相同的區域間的界面；2. 相界：固體中不同相之間的界面；3. 表面：固體與氣體（或液體）的界面。晶界具有較高的能量，使其具有一系列不同于晶粒內部的特征。例如，晶界比晶粒容易被腐蝕，熔點較低；原子沿晶界擴散速度快； 在常溫下晶界對金屬的塑性變形起阻礙作用。因此， 金屬材料晶粒愈細小，則晶粒愈多，其室溫強度愈高。實驗表明，在實際金屬的一個晶粒內部晶格位向也并非一致，而是存在一些位向略有差異的小

23、晶塊（位向差一般不超過2），如圖所示。這些小晶塊稱為亞結構。亞結構之間的界面稱為亞晶界。亞晶界實際上是由一系列的位錯所組成。亞晶界上原子排列也不規則，具有較高的能量，與晶界類似的特征，故細化亞結構，可顯著提高金屬的強度。 晶界示意圖 亞晶界示意圖大角度晶界(10)小角度晶界(10)對稱傾側晶界扭轉晶界根據晶粒間位相差的大小 晶界上非正常結點位置原子引發晶格畸變，使能量升高，這種額外的自由能就稱為晶界能，一般以單位面積的能量表示。設晶粒設晶粒1，晶粒，晶粒2，晶粒，晶粒3共同相遇于共同相遇于O點，晶界能分別為點，晶界能分別為 1-2，2-3 ，3-1，O點處的界面張應力平衡，晶界能與晶界點處的界

24、面張應力平衡，晶界能與晶界夾角的關系為：夾角的關系為：213132321sinsinsin 213132321sinsinsin 因此若取某一晶界的能量做基準，可以通過上式因此若取某一晶界的能量做基準，可以通過上式計算出其他晶界的相對能量。計算出其他晶界的相對能量。三個晶粒間的晶界能通常是相三個晶粒間的晶界能通常是相等的，等的，故三個晶粒交界時，界面趨向故三個晶粒交界時，界面趨向于最穩定的于最穩定的120度。度。0321120 退火狀態下的三叉晶往往呈退火狀態下的三叉晶往往呈120120度。度。晶界處能量高，有自發向低能量轉化的趨勢，因此晶粒趨于長大，晶界趨于平直化均能使能量降低；n晶界處原子

25、排列不規則，對塑性變形起阻礙作用，因此晶界處原子排列不規則，對塑性變形起阻礙作用，因此晶粒越細、晶界越多，抵抗塑性變形的抗力就越大，常晶粒越細、晶界越多，抵抗塑性變形的抗力就越大，常溫下強度、硬度越高（細晶強化）；溫下強度、硬度越高（細晶強化）；n晶界處原子偏離平衡位置具有較高的動能，且晶界是雜晶界處原子偏離平衡位置具有較高的動能，且晶界是雜質原子、空位、位錯等缺陷集中的地方，原子擴散速度質原子、空位、位錯等缺陷集中的地方，原子擴散速度比晶粒內部快，晶界熔點低，因此熔化先從晶界開始；比晶粒內部快，晶界熔點低，因此熔化先從晶界開始；n晶界易受腐蝕晶界易受腐蝕 ，金相分析中晶界先被腐蝕呈深色；，金

26、相分析中晶界先被腐蝕呈深色；相界：合金的組織由多個相組成，這種不同晶體結相界：合金的組織由多個相組成，這種不同晶體結構的兩相之間的分界面叫相界或相界面。（鋼構的兩相之間的分界面叫相界或相界面。（鋼中鐵素體和滲碳體的界面）中鐵素體和滲碳體的界面） 根據相界面上原子與兩相點陣匹配情況，根據相界面上原子與兩相點陣匹配情況，共格相界： 0.05 相界能：20200mJ/m2半共格相界：0.25 相界能：500600mJ/m2失配度：HRTEMaaa 兩相界面上原子完全匹配，具有特定位相關系。由于兩相晶體結構或原子間距總有差別，實際的共格相界均會產生一定的畸變。1. 共格相界共格相界 兩相晶體結構或或晶格常數