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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。,位错是晶体中普遍存在的线缺陷，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 刃型位错 ：正刃型位错（ ）、负刃型位错( ),刃型位错的几何特征： (1)位错线与其滑移矢量d垂直，刃型位错可以为任意形状的曲线。 (2)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正刃型
2、位错，用符号“”表示，反之为负刃型位错，用“”表示。刃型位错周围的点阵畸变关于半原子面左右对称。,(2)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，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,位错的性质： 形状：不一定是直线，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。 不能中断于晶体内部。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。,位错的易动性,3
3、.2.2 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量，并称为柏氏矢量（或柏矢量），以b表示，它是位错的特征标志。,柏氏矢量 （1）确定方法 a 规定位错线指出屏幕（纸面）为正 b 在位错周围沿着点阵结点形成右螺旋的封闭回路。（柏氏回路） c 在理想晶体中按同样顺序作同样大小的回路。 （不能闭合） d 在理想晶体中从终点到起点的矢量即为柏氏矢量。,N,O,Q,P,N,O,Q,P,柏氏矢量 （1）确定方法 a 在位错周围沿着点阵结点形成右螺旋的封闭回路。（柏氏回路） b 在理想晶体中按同样顺序作同样大小的回路。 c 在理想晶体中从终点到起点的矢量即为柏
4、氏矢量。,(2)柏氏矢量的表示方法 a 表示: b 求模：,(3)柏氏矢量的特性 a 代表位错，并表示其特征（强度、畸变量）。 b 表示晶体滑移的方向和大小：b平行于滑移方向 c 柏氏矢量的守恒性（唯一性）：一条位错线具有唯一的柏氏矢量。 d 判断位错的类型：刃型位错b垂直于位错线，螺型位错b平行于位错线。 e 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） 可加性,3.2.3 位错密度,（1）位错密度的定义： 单位体积中包含的位错线的总长度，用v 表示： v L / V L为位错线的总长度，V为晶体体积。 穿过单位截面面积的位错线数目，用s表示： s n / S 严格
5、地说v与s是不同的。一般来说vs。,3.2.3 位错密度,实验结果给出下面的一些数量级的概念。 1.剧烈冷加工的晶体：s = 1012 cm-2。 2.充分退火的金属晶体：s = 104108 cm-2。 3.精心制备超纯半导体：s = 102 cm-2。 但即使在s=1012 cm-2的情况下，试样的任一平面上，约每1000个原子中有一个位错露头，缺陷所占的比例仍然很小。,2019/8/28,17,在位错线附近，晶格是不完整的，晶格活化，晶格畸变，质点易移动 位错线上的原子价不饱和，因此有吸引杂质原子的倾向 杂质离子半径与晶体基质不同，进入晶格引起应力 实际晶体沿位错线上应力集中，结合杂质离
6、子有利于晶体内能降低,3.2.3、位错线附近杂质富集,2019/8/28,18,对正刃型位错而言： A、在位错线之上，原子受挤压，倾向于吸引原子半径小的杂质 B、在位错线之下，原子受扩张，倾向于吸引原子半径大的杂质 C、位错处是杂质富集 的地方.故位错的存在影 响杂质在晶格中的扩散,2019/8/28,19,位错的存在并非静止，位错介稳状态，较小应力即可使位错运动 (1)、滑移 位错使晶体容易沿滑移系统滑移, 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）,3.2.4、位错的运动,与b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）,刃位错滑移 原子模型,【
7、Eg.】为何金属具有延展性、而陶瓷表现出脆性？ 金属滑移系统多：金属键无方向性，； 陶瓷滑移系统少：共价键、离子键具有方向性，离子晶体滑移时具有选择性，同号离子相遇产生极大斥力阻碍滑移,(2)、攀移 刃型位错除了在滑移面上运动外，还可以发生垂直于滑移方向的运动，称为位错的攀移。位错攀移时，伴随着空位/填隙原子的产生/消失,对正刃型位错：位错线向上攀移时，消除空位/产生填隙原子；向下攀移时，产生空位/消除填隙原子,(3)、位错塞积 位错运动障碍：位错堆积 一群塞积的位错位错群：前密后稀,Dislocation pile-up in Steel,【Eg.】多晶材料中在晶界前形成位错塞积 晶界处晶粒
8、的位相差邻近晶粒滑移系统取向不一致（离子/共价晶体滑移系统少，更易发生）,Dislocation pileups at grain boundaries indicate these boundaries are very strong obstacles to dislocation motion,位错在空间沿折线运动所需能量大，外加切应力在新滑移方向上不一定超过临界应力，造成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,3.3 面缺陷,面缺陷：晶体偏离周期性点阵结构的二维缺陷称 类型：表面（surface) 内界面（interface）：晶界、亚晶界、 孪晶界、相界、堆垛层错,界面
9、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、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遭到破坏，因而在表面附近的电子分
10、布发生变化，影响表面原子排列。在表面形成一层稀薄的电子云，形成一个偶电层。,3.3.1 晶体表面,外表面：表面原子的排列与内部有较为明显的差别，表面处原子周期性排列中断，形成附加表面能。 为减小表面能，原子排列必须作相应调整。对晶体而言，经过46层后，原子排列与晶体内基本接近(晶格常数差小于0.1A),表面能(）：晶体表面单位面积自由能的增加 影响的因素： (1) 与晶体表面原子排列的致密程度有关。原子 密排的表面具有最小的表面能。 (2)还与晶体表面曲率有关。曲率半径小,曲率 大,愈大。 (3)外部介质的性质。介质不同,则不同。 (4)还与晶体性质有关。晶体本身结合能高，则大,晶体材料的表面
11、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。,在实际的表面上存在着大量的平台(Terrace)、台阶(Ledge)和扭折(Kink，亦称为断口)。该结构称为TLK模型 高低不平微裂纹,实际存在的表面，表面上能量高、活性大，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的表面空位或空位团簇(Cluster),晶界：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 亚晶界：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,3.3.2晶界和亚晶界,entire sample,Crystal lattice structure within a single gra
12、in,Break down of atomic symmetry at grain boundaries,Grains separated by a grain boundaries,晶粒空间位向不同,空间过渡：atom simulation of Si grain boundary,TEM image showing grain boundaries,Grain Boundary HRTEM,确定晶界位置用： (1)两晶粒的位向差 按的大小分类： 小角度晶界10,(2) 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。 分类： (1)对称倾斜界面：晶界平面为两个相邻晶粒的对称面
13、。是由一列平行的刃型位错所组成。 (2)不对称倾斜界面：两晶粒不以二者晶界为对称的晶界，看成两组 互相垂直的刃型位错排列而成的。 (3)扭转晶界：将一块晶体沿横断面切开,并使上下部分晶体绕轴转动角,再与下部分不动晶体粘在一起形成。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而增大。,不对称倾侧晶界,扭转晶界,(3) 大角度晶界,大角度晶界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晶界。 重合位置点阵该模型说明，在大角度晶界结构中将存在一定数量重合点阵原子。,大角度晶界,(4) 晶界特征,（1）晶界处点畸变大，存在晶界能。 （2）常温
14、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。 （3）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。 （4）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。 （6）晶界腐蚀速度比晶内快。 （7）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，大小和尺寸与热加工条件有关。,(5)孪晶界,孪晶的定义： 孪晶分类： 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 系，高不易形成孪晶。 fcc结构 孪晶面为111 bcc结构 孪晶面为11
15、2 依照形成原因不同分为：变形孪晶、生长孪晶、 退火孪晶,相界 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 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 1.共格界面： 特征：界面两侧的保持一定的位向关系， 沿界面两相具有相同或近似的原子排列， 两相在界面上原子匹配得好，界面上能量高。 理想的完全共格界面只有在孪晶面（界）。,(6) 相界,2. 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，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。 3.非共格界面 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,具有弹性畸变的共格界面,半共格界面,非共格界面,END,