《线缺陷和面缺陷》PPT课件.ppt

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1、3.2 线缺陷位错：晶体中某处一列或若干列原子有规律的错排。位错：晶体中某处一列或若干列原子有规律的错排。位错是晶体中普遍存在的线缺陷线缺陷，它的特点是在一维方向的尺寸较长，另外二维方向上尺寸很小，从宏观看位错是线状的。从微观角度看，位错是管状的。位错对晶体的生长、扩散、相变、塑性变形、断裂等许多物理、化学性质及力学性质都有很大影响。因此位错是材料科学基础中一个重要内容。图2-4 电子显微镜下观察到的位错线3.2.1位错的基本类型位错的基本类型(1)刃刃型型位位错错：正正刃刃型型位位错错（）、负负刃刃型型位位错错()刃型位错的几何特征：刃型位错的几何特征：(1)位错线与其滑移矢量位错线与其滑移

2、矢量d垂直垂直，刃型位错可以为，刃型位错可以为任意任意形状的曲线形状的曲线。(2)有多余半原子面。有多余半原子面。习惯上，把多余半原子面在滑移面以上的位错称为习惯上，把多余半原子面在滑移面以上的位错称为正刃型位错，用符号正刃型位错，用符号“”表示，反之为负刃型位错，表示，反之为负刃型位错，用用“”表示。刃型位错周围的点阵畸变关于半原子表示。刃型位错周围的点阵畸变关于半原子面左右对称。面左右对称。(2)螺型位错：左螺型位错、右螺型位错螺型位错：左螺型位错、右螺型位错 螺位错具有如下的几何特征：(1)螺位错线与其滑移矢量d d平行，故纯螺位错只能是直线。(2)根据螺旋面的不同，螺位错可分左和右两种

3、，当螺旋面为右手螺旋时，为右螺位错，反之为左螺位错。(3)螺位错没有多余原子面，它周围只引起切应变而无体应变。(3)混合型位错混合型位错位错的性质：位错的性质：形状：形状：不一定是直线不一定是直线，位错及其畸变区是一条管道。，位错及其畸变区是一条管道。是已滑移区与未滑移区的边界。是已滑移区与未滑移区的边界。不能中断于晶体内部不能中断于晶体内部。可在表面露头，或中止于晶界和。可在表面露头，或中止于晶界和相界，或与其它位错相交，或自行封闭成环。相界，或与其它位错相交，或自行封闭成环。位错的易动性3.2.2柏氏矢量柏氏矢量 1939年柏格斯(Brugers)提出，把形成一个位错的滑移矢量定义为位错矢

4、量，并称为柏柏氏氏矢矢量量（或柏矢量），以b b表示，它是位错的特征标志。柏氏矢量柏氏矢量（1）确定方法）确定方法a 规规定定位位错错线线指指出出屏屏幕幕（纸纸面）为正面）为正b 在在位位错错周周围围沿沿着着点点阵阵结结点点形形成成右右螺螺旋旋的的封封闭闭回回路路。（柏氏回路）（柏氏回路）c 在在理理想想晶晶体体中中按按同同样样顺顺序序作同样大小的回路。作同样大小的回路。（不能闭合）（不能闭合）d 在在理理想想晶晶体体中中从从终终点点到到起起点的矢量即为点的矢量即为柏氏矢量柏氏矢量。N NO OQ Q12345 56 68 89 9101011 12 1311 12 137 7P PM MN

5、NO OQ Q12345 56 68 89 9101011 12 1311 12 137 7P PM M柏氏矢量柏氏矢量（1）确定方法）确定方法a 在在位位错错周周围围沿沿着着点点阵阵结结点点形形成成右右螺螺旋旋的的封封闭闭回回路路。（柏柏氏氏回路）回路）b 在在理理想想晶晶体体中中按按同同样样顺顺序序作作同同样大小的回路。样大小的回路。c 在在理理想想晶晶体体中中从从终终点点到到起起点点的的矢矢量量即即为为柏柏氏氏矢量矢量。1 12 21 12 23 34 41 12 23 31 12 23 34 41 11 11 12 21 12 23 34 41 12 23 31 12 23 34 41

6、 11 1(2)柏氏矢量的表示方法柏氏矢量的表示方法a 表示表示:b 求模：求模：全位错：柏氏矢量的模全位错：柏氏矢量的模等于等于该晶向上的原子间距的位错，该晶向上的原子间距的位错，又叫又叫单位位错单位位错。不全位错：不全位错：柏氏矢量的模柏氏矢量的模小于小于该晶向上的原子间距的位错该晶向上的原子间距的位错(3)柏氏矢量的特性柏氏矢量的特性a 代表位错，并表示其特征（强度、畸变量）。代表位错，并表示其特征（强度、畸变量）。b 表表示示晶晶体体滑滑移移的的方方向向和和大大小小：b平平行行于于滑滑移移方向方向c 柏柏氏氏矢矢量量的的守守恒恒性性（唯唯一一性性）：一一条条位位错错线线具有唯一的柏氏矢

7、量。具有唯一的柏氏矢量。d 判判断断位位错错的的类类型型：刃刃型型位位错错b垂垂直直于于位位错错线线，螺型位错螺型位错b平行于位错线。平行于位错线。ee用柏氏回路求得的柏氏矢量为回路中包围的所有用柏氏回路求得的柏氏矢量为回路中包围的所有用柏氏回路求得的柏氏矢量为回路中包围的所有用柏氏回路求得的柏氏矢量为回路中包围的所有位错柏氏矢量的总和（矢量和）位错柏氏矢量的总和（矢量和）位错柏氏矢量的总和（矢量和）位错柏氏矢量的总和（矢量和）可加可加可加可加性性性性 3.2.3位错密度位错密度 （1 1）位错密度的定义：）位错密度的定义：单位体积中包含的位错线的总长度，用单位体积中包含的位错线的总长度，用v

8、 表示：表示：vL/V L L为位错线的总长度，为位错线的总长度，V V为晶体体积。为晶体体积。穿过单位截面面积的位错线数目，用穿过单位截面面积的位错线数目，用s表示：表示：sn/S 严格地说严格地说v与与s是不同的。是不同的。一般来说一般来说vs。3.2.3位错密度位错密度实验结果给出下面的一些数量级的概念。实验结果给出下面的一些数量级的概念。1.1.剧烈冷加工的晶体：剧烈冷加工的晶体：s=1012cm-2。2.2.充分退火的金属晶体：充分退火的金属晶体：s=104108cm-2。3.3.精心制备超纯半导体：精心制备超纯半导体：s=102cm-2。但即使在但即使在s=1012cm-2的情况下

9、，试样的任一平的情况下，试样的任一平面上，约每面上，约每10001000个原子中有一个位错露头，缺陷所个原子中有一个位错露头，缺陷所占的比例仍然很小。占的比例仍然很小。12/27/202212/27/20221717 在在在在位位位位错错错错线线线线附附附附近近近近，晶晶晶晶格格格格是是是是不不不不完完完完整整整整的的的的，晶晶晶晶格格格格活活活活化化化化，晶格畸变，质点易移动晶格畸变，质点易移动晶格畸变，质点易移动晶格畸变，质点易移动 位位位位错错错错线线线线上上上上的的的的原原原原子子子子价价价价不不不不饱饱饱饱和和和和，因因因因此此此此有有有有吸吸吸吸引引引引杂杂杂杂质质质质原原原原子的

10、倾向子的倾向子的倾向子的倾向 杂杂杂杂质质质质离离离离子子子子半半半半径径径径与与与与晶晶晶晶体体体体基基基基质质质质不不不不同同同同，进进进进入入入入晶晶晶晶格格格格引引引引起起起起应力应力应力应力 实实实实际际际际晶晶晶晶体体体体沿沿沿沿位位位位错错错错线线线线上上上上应应应应力力力力集集集集中中中中，结结结结合合合合杂杂杂杂质质质质离离离离子子子子有有有有利于晶体内能降低利于晶体内能降低利于晶体内能降低利于晶体内能降低 3.2.3、位错线附近杂质富集、位错线附近杂质富集12/27/202212/27/20221818对正刃型位错而言：对正刃型位错而言：A A A A、在在在在位位位位错错

11、错错线线线线之之之之上上上上，原原原原子子子子受受受受挤挤挤挤压压压压，倾倾倾倾向向向向于于于于吸吸吸吸引引引引原原原原子子子子半半半半径小的杂质径小的杂质径小的杂质径小的杂质 B B B B、在在在在位位位位错错错错线线线线之之之之下下下下，原原原原子子子子受受受受扩扩扩扩张张张张，倾倾倾倾向向向向于于于于吸吸吸吸引引引引原原原原子子子子半径大的杂质半径大的杂质半径大的杂质半径大的杂质 C C C C、位错处是杂质富集、位错处是杂质富集、位错处是杂质富集、位错处是杂质富集的地方的地方的地方的地方.故位错的存在影故位错的存在影故位错的存在影故位错的存在影响杂质在晶格中的扩散响杂质在晶格中的扩散

12、响杂质在晶格中的扩散响杂质在晶格中的扩散 12/27/202212/27/20221919 位位错错的的存存在在并并非非静静止止，位位错错介介稳稳状状态，较小应力即可使位错运动态，较小应力即可使位错运动(1)(1)、滑移、滑移 位错使晶体容易沿滑移系统滑位错使晶体容易沿滑移系统滑移移,滑移系统滑移面滑移方向滑移系统滑移面滑移方向 低指数晶面（大面间距、面网密度大）低指数晶面（大面间距、面网密度大）3.2.4、位错的运动、位错的运动与与b b矢量平行的切应力使刃位错滑移矢量平行的切应力使刃位错滑移只需很小能量即可使滑移传播（始于有限区域）只需很小能量即可使滑移传播（始于有限区域）刃位错滑移刃位错

13、滑移刃位错滑移刃位错滑移 原子模型原子模型原子模型原子模型【Eg.Eg.】为为何何金金属属具具有有延延展展性性、而而陶陶瓷瓷表表现现出出脆性？脆性？金属滑移系统多：金属键无方向性，；金属滑移系统多：金属键无方向性，；陶陶瓷瓷滑滑移移系系统统少少：共共价价键键、离离子子键键具具有有方方向向性性，离离子子晶晶体体滑滑移移时时具具有有选选择择性性，同同号号离离子子相相遇遇产生极大斥力阻碍滑移产生极大斥力阻碍滑移(2)(2)、攀移、攀移 刃刃型型位位错错除除了了在在滑滑移移面面上上运运动动外外，还还可可以以发发生生垂垂直直于于滑滑移移方方向向的的运运动动，称称为为位位错错的的攀攀移移。位位错错攀攀移移

14、时时，伴伴随随着着空空位位/填隙原子填隙原子的的产生产生/消失消失 对对正正刃刃型型位位错错：位位错错线线向向上上攀攀移移时时，消消除除空空位位/产产生生填隙原子；填隙原子；向下攀移时，产生空位向下攀移时，产生空位/消除填隙原子消除填隙原子(3)(3)、位错塞积、位错塞积 位错运动位错运动障碍：位错堆积障碍：位错堆积一群塞积的位错位错群：前密后稀一群塞积的位错位错群：前密后稀Dislocationpile-upDislocationpile-upinSteelinSteel【Eg.Eg.】多晶材料中在多晶材料中在晶界前晶界前形成位错塞积形成位错塞积晶晶界界处处晶晶粒粒的的位位相相差差邻邻近近晶

15、晶粒粒滑滑移移系系统统取取向向不不一致一致（离子（离子/共价晶体滑移系统少，更易发生）共价晶体滑移系统少，更易发生）Dislocationpileupsatgrainboundariesindicatetheseboundariesareverystrongobstaclestodislocationmotion位位错错在在空空间间沿沿折折线线运运动动所所需需能能量量大大，外外加加切切应应力力在在新新滑滑移移方方向向上上不不一一定定超超过过临临界界应力，造成应力，造成位错在晶界前停滞塞积位错在晶界前停滞塞积 障碍前塞积的位错可能造成微裂纹障碍前塞积的位错可能造成微裂纹3.3 3.3 面缺陷面缺

16、陷面缺陷：面缺陷：晶体偏离周期性点阵结构的二维缺陷称晶体偏离周期性点阵结构的二维缺陷称类型：类型：表面（表面（surface)内界面（内界面（interface）：晶界、亚晶界、）：晶界、亚晶界、孪晶界、相界、堆垛层错孪晶界、相界、堆垛层错界面构成晶态固体组织的重要组成部分；是二维晶体缺陷。结构不同于晶体内部，因而有很多重要的不同于晶体内部的性质，影响晶体的一系列物理化学过程，且对晶体整体性能也具有重要影响。例如晶体生长、外延生长、摩擦、润滑、磨蚀、表面钝化、催化、吸附、扩散以及各种表面的热粘附、光吸收和反射、热电子和光电子的吸收和反射等；晶体中的界面迁动、异类原子在晶界的偏聚、界面的扩散率、

17、材料的力学和物理性能等也都和界面结构有直接的关系。是现代材料学科中一个活跃的课题。静态表面原子状态和表面结构静态：指原子不动（无热激活）清洁表面区电子密度分布的变化/现象一垂直表面方向上晶体内部周期性垂直表面方向上晶体内部周期性遭到破坏，因而在表面附近的电遭到破坏，因而在表面附近的电子分布发生变化，影响表面原子子分布发生变化，影响表面原子排列。在表面形成一层稀薄的电排列。在表面形成一层稀薄的电子云，形成一个偶电层。子云，形成一个偶电层。3.3.1 3.3.1 晶体表面晶体表面 外外表表面面：表表面面原原子子的的排排列列与与内内部部有有较较为为明明显显的的差差别别，表表面面处处原原子子周周期期性

18、性排排列列中断，形成附加表面能。中断，形成附加表面能。为为减减小小表表面面能能，原原子子排排列列必必须须作作相相应应调调整整。对对晶晶体体而而言言，经经过过4 46 6层层后后，原原子子排排列列与与晶晶体体内内基基本本接接近近(晶晶格格常常数数差小于差小于0.1A)0.1A)表面能表面能(）：）：晶体表面单位面积自由能的增加晶体表面单位面积自由能的增加 影响影响的因素：的因素：(1)(1)与晶体与晶体表面原子排列的致密程度表面原子排列的致密程度有关。原子有关。原子 密排的表面具有最小的表面能。密排的表面具有最小的表面能。(2)(2)还与还与晶体表面曲率晶体表面曲率有关。曲率半径小有关。曲率半径

19、小,曲率曲率 大大,愈大。愈大。(3)(3)外部介质外部介质的性质。介质不同的性质。介质不同,则则不同。不同。(4)(4)还与还与晶体性质晶体性质有关。晶体本身结合能高，则有关。晶体本身结合能高，则大大晶体材料的表面由最密排面和次密排面组成，晶体材料的表面由最密排面和次密排面组成，表面的不饱和键数最少，能量最低。表面的不饱和键数最少，能量最低。在实际的表面上存在着大量的在实际的表面上存在着大量的平台平台(Terrace)、台阶、台阶(Ledge)和扭折和扭折(Kink，亦称为断口，亦称为断口)。该结构称为。该结构称为TLK模型模型高低不平微裂纹高低不平微裂纹 TerraceLedgeKink实

20、际存在的表面，实际存在的表面，表面上能量高、表面上能量高、活性大，活性大，发生大量的吸附与化合等发生大量的吸附与化合等 表面点缺陷主要是原子热运动造成表面点缺陷主要是原子热运动造成的表面的表面空位空位或或空位团簇空位团簇(Cluster)晶界：晶界：位向不同的相邻的晶粒之间的界面位向不同的相邻的晶粒之间的界面有序到无序的过渡区域有序到无序的过渡区域亚晶界：亚晶界：每个晶粒可分为若干个更小的亚晶粒，每个晶粒可分为若干个更小的亚晶粒，相邻亚晶粒之间的界面相邻亚晶粒之间的界面3.3.23.3.2晶晶界界和和亚亚晶晶界界 entiresampleCrystallatticestructurewithi

21、nasinglegrainBreakdownofatomicsymmetryatgrainboundariesGrainsseparatedbyagrainboundaries晶粒空间位向不同晶粒空间位向不同空间过渡：空间过渡：atomsimulationofSigrainboundaryTEMimageshowinggrainboundariesGrainBoundaryHRTEM确定晶界位置用确定晶界位置用：(1)两晶粒的位向差两晶粒的位向差按按的大小分类：的大小分类：小角度晶界小角度晶界10(2)(2)小角度晶界小角度晶界小角度晶界：小角度晶界：由一系列相隔一定距离的刃型位错所组成。由一

22、系列相隔一定距离的刃型位错所组成。分类：分类：(1)(1)对称倾斜界面对称倾斜界面：晶界平面为两个相邻晶粒的对称面。：晶界平面为两个相邻晶粒的对称面。是由一列平行的刃型位错所组成。是由一列平行的刃型位错所组成。(2)(2)不对称倾斜界面不对称倾斜界面：两晶粒不以二者晶界为对称的晶界，两晶粒不以二者晶界为对称的晶界，看成两组看成两组 互相垂直的刃型位错排列而成的。互相垂直的刃型位错排列而成的。(3)(3)扭转晶界扭转晶界：将一块晶体沿横断面切开将一块晶体沿横断面切开,并使上下部分并使上下部分晶体绕轴转动晶体绕轴转动角角,再与下部分不动晶体粘在一起形成。再与下部分不动晶体粘在一起形成。可看成是由互

23、相交叉的螺位错所组成。可看成是由互相交叉的螺位错所组成。所有的小角度晶界均由位错组成，位错密度随位向差增大所有的小角度晶界均由位错组成，位错密度随位向差增大而增大而增大。不对称倾侧晶界扭转晶界(3)(3)大角度晶界大角度晶界 大角度晶界大角度晶界为原子呈不规则排列的一过渡为原子呈不规则排列的一过渡层。大多数晶粒之间的晶界都属于大角度层。大多数晶粒之间的晶界都属于大角度晶界。晶界。重合位置点阵重合位置点阵该模型说明，在大角度晶界该模型说明，在大角度晶界结构中将存在一定数量重合点阵原子。结构中将存在一定数量重合点阵原子。大角度晶界大角度晶界(4)(4)晶界特征晶界特征（1）晶界处点畸变大，存在晶界

24、能。）晶界处点畸变大，存在晶界能。（2）常温下晶界的存在会对位错的运动起阻碍运动，使塑）常温下晶界的存在会对位错的运动起阻碍运动，使塑型变形抗力提高，使晶体（材料）的硬度和强度提高。型变形抗力提高，使晶体（材料）的硬度和强度提高。（3）晶界处原子具有较高的动能，且晶界处存在大量缺陷。）晶界处原子具有较高的动能，且晶界处存在大量缺陷。原子在晶界处扩散比晶内快得多。原子在晶界处扩散比晶内快得多。（4）固态相变时易在晶界处形成新核。）固态相变时易在晶界处形成新核。（5）晶界上富集杂质原子多，熔点低，加热时容易过烧。）晶界上富集杂质原子多，熔点低，加热时容易过烧。（6）晶界腐蚀速度比晶内快。）晶界腐蚀

25、速度比晶内快。（7）晶界具有不同与晶内的物理性质。）晶界具有不同与晶内的物理性质。(8)亚晶界属与小角度晶界，为各种亚结构的交界，大小亚晶界属与小角度晶界，为各种亚结构的交界，大小和尺寸与热加工条件有关。和尺寸与热加工条件有关。(5)(5)孪晶界孪晶界孪晶的定义：孪晶的定义：孪晶分类孪晶分类：共格孪晶面共格孪晶面 非共格孪晶面非共格孪晶面 孪晶的形成常常与晶体中的堆垛层错有密切关孪晶的形成常常与晶体中的堆垛层错有密切关 系，系，高不易形成孪晶。高不易形成孪晶。fccfcc结构结构 孪晶面为孪晶面为111 111 bcc bcc结构结构 孪晶面为孪晶面为112 112 依照形成原因不同分为：依照

26、形成原因不同分为：变形孪晶变形孪晶、生长孪晶、生长孪晶、退火孪晶退火孪晶相界相界 相指物理、化学性质均一的体系相指物理、化学性质均一的体系 相界为相体系之间的分界面相界为相体系之间的分界面按相界面上原子间匹配程度分为按相界面上原子间匹配程度分为：共格界面、半共格界面、非共格界面共格界面、半共格界面、非共格界面 1.1.共格界面：共格界面：特特 征征：界界 面面 两两 侧侧 的的 保保 持持 一一 定定 的的 位位 向向 关关 系系，沿沿 界界 面面 两两 相相 具具 有有 相相 同同 或或 近近 似似 的的 原原 子子 排排 列列，两相在界面上原子匹配得好，界面上能量高。两相在界面上原子匹配得

27、好，界面上能量高。理想的完全共格界面只有在孪晶面（界）。理想的完全共格界面只有在孪晶面（界）。(6)(6)相界相界 2.2.半共格界面半共格界面 特征：沿相界面每隔一定距离产生一个刃型位错，特征：沿相界面每隔一定距离产生一个刃型位错，除刃型位错线上的原子外，其余原子都是共格的。除刃型位错线上的原子外，其余原子都是共格的。所以半共格界面是由共格区和非共格区相间组成。所以半共格界面是由共格区和非共格区相间组成。3.3.非共格界面非共格界面 特征：原子不规则排列的薄层为两相的过渡层。特征：原子不规则排列的薄层为两相的过渡层。具有完善共格关系的界面具有完善共格关系的界面具有弹性畸变的共格界面具有弹性畸变的共格界面半共格界面半共格界面非共格界面非共格界面END