晶体缺陷60082

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1、第3章晶体缺陷前 言   前面章节都是就理想状态的完整晶体而言，即晶体中所有的原子都在各自的平衡位置，处于能量最低状态。然而在实际晶体中原子的排列不可能这样规则和完整，而是或多或少地存在离开理想的区域，出现不完整性。正如我们日常生活中见到玉米棒上玉米粒的分布。通常把这种偏离完整性的区域称为晶体缺陷（crystaldefect;crystallineimperfection)。缺陷的产生是与晶体的生成条件、晶体中原子的热运动、对晶体进行的加工过程以及其它因素的作用等有关。但必须指出，缺陷的存在只是晶体中局部的

2、破坏。它只是一个很小的量(这指的是通常的情况)。例如20℃时，Cu的空位浓度为3.8×10－17，充分退火后铁中的位错密度为1012m-2（空位、位错都是以后要介绍的缺陷形态）。所以从占有原子百分数来说，晶体中的缺陷在数量上是微不足道的。但是，晶体缺陷仍可以用相当确切的几何图像来描述。   在晶体中缺陷并不是静止地、稳定不变地存在着，而是随着各种条件的改变而不断变动的。它们可以产生、发展、运动和交互作用，而且能合并消失。晶体缺陷对晶体的许多性能有很大的影响，如电阻上升、磁矫顽力增大、扩散速率加快、抗腐蚀性能

3、下降，特别对塑性、强度、扩散等有着决定性的作用。20世纪初，X射线衍射方法的应用为金属研究开辟了新天地，使我们的认识深入到原子的水平；到30年代中期，泰勒与伯格斯等奠定了晶体位错理论的基础；50年代以后，电子显微镜的使用将显微组织和晶体结构之间的空白区域填补了起来，成为研究晶体缺陷和探明金属实际结构的主要手段，位错得到有力的实验观测证实；随即开展了大量的研究工作，澄清了金属塑性形变的微观机制和强化效应的物理本质。   按照晶体缺陷的几何形态以及相对于晶体的尺寸，或其影响范围的大小，可将其分为以下几类：   

4、1.点缺陷(pointdefects) 其特征是三个方向的尺寸都很小，不超过几个原子间距。如：空位(vacancy)、间隙原子(interstitialatom)和置换原子(substitutionalatom)。除此以外，还有空位，间隙原子以及这几类缺陷的复合体等均属于这一类。这里所说的间隙原子是指应占据正常阵点的原子跑到点阵间隙中。   2.线缺陷（lineardefects)其特征是缺陷在两个方向上尺寸很小（与点缺陷相似），而第三方向上的尺寸却很大，甚者可以贯穿整个晶体，属于这一类的主要是位错(dis

5、location)(图3－01）。3.面缺陷(interfacialdefects)其特征是缺陷在一个方向上的尺寸很小（同点缺陷），而其余两个方向上的尺寸很大。晶体的外表面(externalsurfaces)及各种内界面如：一般晶界(grainboundaries)(图3－02、图3－03）、孪晶界(twinboundaries)、亚晶界（sub-boundaries）、相界(phaseboundaries)及层错(stackingfaults)等均属于这一类。3.1点缺陷   晶体中的点缺陷（pointd

6、efect）是在晶体晶格结点上或邻近区域偏离其正常结构的一种缺陷，它是最简单的晶体缺陷，在三维空间各个方向上尺寸都很小，范围约为一个或几个原子尺度。所有点缺陷的存在，都破坏了原有原子间作用力的平衡，造成临近原子偏离其平衡位置，发生晶格畸变(distortionoflattice)，使晶格内能升高。3.1.1点缺陷　晶体中的点缺陷（pointdefect）是在晶体晶格结点上或邻近区域偏离其正常结构的一种缺陷，它是最简单的晶体缺陷，在三维空间各个方向上尺寸都很小，范围约为一个或几个原子尺度。所有点缺陷的存在，都

7、破坏了原有原子间作用力的平衡，造成临近原子偏离其平衡位置，发生晶格畸变(distortionoflattice)，使晶格内能升高。3.1.1.1点缺陷的类型1.金属晶体中的点缺陷金属晶体中常见的点缺陷有空位(vacancy)、间隙原子(interstitialatom)、置换原子(sbustitutionalatom)等。如图3-04所示。晶体中位于晶格结点上的原子并非静止不动的，而是以其平衡位置为中心作热运动。当某一瞬间，某个原子具有足够大的能量，克服周围原子对它的制约，跳出其所在的位置，使晶格中形成空结

8、点，称空位。脱位原子进入其他空位或迁移至晶界或晶体表面所形成的空位叫肖脱基(Schottky)空位；脱位原子挤入晶格结点的间隙中所形成的空位叫弗兰克尔(Frenkel)空位，挤入间隙的原子叫间隙原子；占据在原来晶格结点的异类原子叫置换原子。a、空位空位是一种热平衡缺陷,即在一定温度下,空位有一定的平衡浓度。空位在晶体中的位置不是固定不变的,而是不断运动变化的。空位是由原子脱离其平衡位置而形成的，脱离平衡位置的原子