【正文】 mally not a lattice point. ? Substitutional defect A point defect produced when an atom is removed from a regular lattice point and replaced with a different atom, usually of a different size. Section Point Defects 點(diǎn)缺陷 5 5 圖 21 點(diǎn)缺陷： (a) 空位 (b)間隙原子 (c)小置換原子 (d)大置換原子 (e) 弗蘭克空位 (f) 肖脫基空位 Figure 21 Point defects: (a) vacancy, (b) interstitial atom, (c) small substitutional atom, (d) large substitutional atom, (e) Frenkel defect, (f) Schottky defect. All of these defects disrupt the perfect arrangement of the surrounding atoms. 6 6 7 7 1．空位 (Vacancy) 晶體中的原子克服周圍原子的約束力，跳到別的位置而在原有位置留下的空結(jié)點(diǎn)，稱為 空位 。 ? 線缺陷 —在兩個(gè)方向上尺寸很小，而另一個(gè)方向尺寸很長的缺陷，即 一維缺陷 。1 1 材料科學(xué)基礎(chǔ) Chapter 2 –晶體缺陷 李謙 – 寧向梅主講 2 2 Chapter Outline ? Point Defects ? Dislocations ? Surface Defects 3 3 晶體結(jié)構(gòu)中原子組合的不完整性，稱為 晶體缺陷 。也就是“位錯(cuò)”．這是本章要重點(diǎn)討論的。它包括以下兩類： ?弗蘭克（ Frank）空位 —晶體中的原子遷移到晶體點(diǎn)陣的間隙位置，在原位置形成的空位。顯然，同類間隙原子可與弗蘭克空位同時(shí)產(chǎn)生。它們從電學(xué)和力學(xué)這兩個(gè)方面，使近鄰原子失去了平衡。因而在每個(gè)點(diǎn)缺陷的周圍，都會(huì)產(chǎn)生一個(gè)彈性應(yīng)力場。 ?間隙原子形成能比空位形成能高出幾倍。 ? 由于原子振幅的變化，也可引起熵變，稱為 振動(dòng)熵 。因此，在一定溫度下，可能存在著一個(gè)使系統(tǒng)自由能最低的空位數(shù)量。 R為氣體常數(shù)， /mol或者 。對(duì)于化學(xué)反應(yīng)過程而言，只有當(dāng)原子 (或分子 )的能量比平均能量高出的能量足以克服反應(yīng)激活能的那部分原子才能參與反應(yīng)；對(duì)于點(diǎn)缺陷形成而言，只有比平均能量高出缺陷形成能的那部分原子才能形成點(diǎn)缺陷。例如純 Cu在接近熔點(diǎn) 1000℃ 時(shí)，空位濃度為 104 ，而在常溫下 (~20℃ )空位濃度卻只有 1019 。 ?輻照： 在高能粒子的輻射下，金屬晶體點(diǎn)陣上的原子可能被擊出，發(fā)生原子離位。 ? 點(diǎn)缺陷引起 電阻的增加 ，晶體中存在點(diǎn)缺陷時(shí)破壞了原子排列的規(guī)律性，使電子在傳導(dǎo)時(shí)的散射增加，從而增加了電阻。 ? 晶體在室溫下也可能有大量非平衡空位 （ 如從高溫快速冷卻時(shí)保留的空位，或者經(jīng)輻照處理后的空位 ）， 這些過量空位往往沿一些晶面聚集，形成 空位片 ，或者它們與其他晶體缺陷發(fā)生交互作用，從而使材料 強(qiáng)度有所提高 ，但同時(shí)也引起顯著的脆性 。 15 15 計(jì)算銅在室溫（ 25℃ ）下的 )空位數(shù)目。該鐵晶體的晶格常數(shù)為 108 cm，原子量為 。在外力作用下，滑移是由上下兩層原子的 整體剛性切動(dòng) 來實(shí)現(xiàn)的，即所謂 卡片式的滑移 。 金屬理論強(qiáng)度和位錯(cuò)學(xué)說的產(chǎn)生 2 3 0mmGG?????， 修 正 后Section Dislocations 位錯(cuò) 22 22 金屬 Al Ag Cu αFe Mg 理論值 3830 3980 6480 10960 2630 實(shí)際值 表 23 金屬理論剪切強(qiáng)度與實(shí)際值的比較 圖 22卡片式的滑移 ?=b x b a . x ?????0 1a 2a 圖 23 原子切動(dòng)時(shí)的受力變化曲線 23 23 24 24 ?位錯(cuò)理論 與弗蘭克假設(shè)的根本區(qū)別是，滑移并非上、下兩部分晶體作整體性的剛性滑移。 1957年，終于用電子顯微鏡直接觀察到位錯(cuò)的存在及其運(yùn)動(dòng)。 ? 位錯(cuò)掃過滑移面，晶體上下兩部分就完成一個(gè)滑移矢量的切動(dòng)。位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的方向，與切應(yīng)力平行，與位錯(cuò)線垂直。 ? 位錯(cuò)是一條具有一定寬度的細(xì)長的 晶格畸變管道 。 位錯(cuò)的基本類型 28 28 2. 螺型位錯(cuò) (Screw dislocation) ?滑移的傳遞方式為：在滑移面上部與切應(yīng)力平行且與滑移面垂直的原子面，從前到后依次向左切動(dòng)（紙面朝前）。 EF就是 螺型位錯(cuò)線 。一個(gè)螺型位錯(cuò)的左旋或右旋，是不變的，不是相對(duì)的。如體心立方中的扁八面體間隙，在水平方向與垂直方向的間隙半徑不同，其間隙原子會(huì)引起非球形對(duì)稱畸變。 ?在室溫下以 Cottrell氣團(tuán)起主要作用，而高溫以 Snook氣團(tuán)起主要作用。 位錯(cuò)定義為晶體的滑移面上已滑移區(qū)和未滑移區(qū)的交界線。位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)引起原子切動(dòng)的方向和距離，稱為 滑移矢量 。 ?柏氏矢量等于點(diǎn)陣矢量（或其整數(shù)倍）的位錯(cuò)，稱為 全位錯(cuò) ，柏氏矢量小于點(diǎn)陣矢量的位錯(cuò)，稱為 不全位錯(cuò) 。柏氏矢量反映了位錯(cuò)周圍點(diǎn)陣畸變或原子位移的積累。 上述確定柏氏矢量的法則稱為 FS/RH 法則 。因此： ? 一根不分岔的位錯(cuò)線，無論其形狀如何變化，它只有一個(gè)恒定的柏氏矢量。即： 柏氏矢量和柏氏回路 0ib ?? 38 38 ?如果位錯(cuò)線的正向 t與柏氏矢量 b平行，即為螺型位錯(cuò)。食指朝向位錯(cuò)線正向，中指（屈向與拇指食指垂直）朝向柏氏矢量方向，拇指（與食指垂直）即表示半原子面的方向。 Oa [110]: b2＝ 1/2a十 1/2 b十0c,b2=a/2[110] 柏氏矢量的一般表達(dá)式 : 。 ? 冷卻萌生 —無論是凝固后或加熱后的冷卻，因空位平衡濃度要下降，過飽和空位就可能凝聚成空位片，然后上下晶體塌陷，在原空位片的邊沿，會(huì)形成一個(gè)位錯(cuò)環(huán)。 位錯(cuò)的萌生 41 41 ? 單位體積晶體中所含位錯(cuò)線的總長度，叫做 位錯(cuò)密度 。 ? 晶須的結(jié)構(gòu)接近理想晶體，故其強(qiáng)度也接近理論值。 位錯(cuò)密度及其與強(qiáng)度的關(guān)系 32()S c m c mV? ? cm 或 1 2(1 )n cmA? ? 42 42 圖 215 位錯(cuò)密度及其與強(qiáng)度的關(guān)系 43 43 1. 位錯(cuò)的滑移 ? 使刃型位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的切應(yīng)力方向必須與位錯(cuò)線垂直；而使螺型位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的切應(yīng)力方向卻是與螺型位錯(cuò)平行的； ? 不論是刃型位錯(cuò)或螺型位錯(cuò)，它們的運(yùn)動(dòng)方向總是與位錯(cuò)線垂直的。 位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng) 44 44 (位錯(cuò)的起動(dòng)力 —— PeirlsNabarro力 ) 位錯(cuò)的起動(dòng)力就是使位錯(cuò)開始滑移所需的剪應(yīng)力，也叫作 派 納力 （ PeirlsNabarro Stress） 。 ?滑移阻力隨柏氏矢量的大小呈指數(shù)上升?；泼鎽?yīng)為原子的面密度大，面間距大的密排面。 ?離子鍵晶體（如 MgO等陶瓷）也很難滑移。陶瓷材料的脆性斷裂還與內(nèi)部存在一些缺陷（如孔洞）有關(guān)。 46 46 3. 位錯(cuò)的攀移 刃位錯(cuò)垂直于滑移面的運(yùn)動(dòng)叫 攀移 。 ?滑移時(shí)不涉及原子的擴(kuò)散，而攀移正是通過原子的擴(kuò)散而實(shí)現(xiàn)的。過飽和的空位，有助于位錯(cuò)的正攀移，不飽和的空位濃度及過飽和的間隙原子，有助于位錯(cuò)的負(fù)攀移。 ? 外加應(yīng)力對(duì)位錯(cuò)攀移也有促進(jìn)作用。 ? 位錯(cuò)與晶體表面相交的區(qū)域處于較高的能量狀態(tài)。高純度金屬和化合物晶體的位錯(cuò)觀察可用此法。 位錯(cuò)的觀察 58 58 Figure 219 A sketch illustrating dislocations, slip planes, and etch pit locations. 圖 219 位錯(cuò)、滑移面和蝕坑關(guān)系的示意圖 59 59 Figure 220 Optical image of etch pits in silicon carbide (SiC). The etch pits correspond to intersection points of pure edge dislocations with Burgers vector a/3 and the dislocation line direction along [0001] (perpendicular to the etched surface). Lines of etch pits represent low angle grain boundaries ?? 2022圖 220 碳化硅（ SiC）晶體表面的蝕坑分布的光學(xué)圖像 60 60 Figure 221 Electron photomicrographs of dislocations in Ti3Al: (a) Dislocation pileups (x26,500). (b) Micrograph at x 100 showing slip lines and grain boundaries in AI. (c) Schematic of slip bands development. 圖 221 TiAl3中位錯(cuò)的透射電鏡照片： （ a）位錯(cuò)塞積， 36500。這些聚集在位錯(cuò)線上的原子會(huì)散射可見光或紅外光，因而可以觀察到