《点缺陷及位错》PPT课件

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1、第三章晶体缺陷第一章讲的晶体学基础，都是假设晶体完全处于理想状态，即晶体严格地按周期性的有规则的排列。然而，对于现实中使用的材料来说，其原子或离子的排列不可能是完全规则的，即存在着晶体缺陷。晶体缺陷有其不可避免性。晶体缺陷的存在对于材料性能的影响是有利有弊的，有时人们要尽量避免、减少缺陷的存在；有时人们又要有目的地引入某种缺陷以改进材料的性能。对于这些原子或离子排列上的缺陷，我们必须用一分为二的观点来对待它。3.0晶体缺陷的分类第三章晶体缺陷按照缺陷区相对于晶体的大小，将晶体缺陷分为4类：（1）点缺陷典型代表有空位与间隙原子等　　点缺陷在三维空间各方向上的尺寸

2、都很小，所以也称为零维缺陷。如果晶格中某格点上的原子空缺了，则称为空位，这是晶体中最重要的点缺陷。脱位原子有可能挤入格点的间隙位置，形成间隙原子。（2）线缺陷即位错线缺陷在两个方向上的尺寸都很小，在另一个方向上延伸较长，也称为一维缺陷。（3）面缺陷如晶界、相界、孪晶界、堆垛层错等面缺陷在两个方向上的尺寸都很大，在另一个方向上尺度较小，也称为二维缺陷。（4）体缺陷如沉积相、孔洞、气泡等体缺陷在三维空间各方向上的尺寸都很大，所以也称为三维缺陷。这些缺陷在晶体中的浓度很低，但是对晶体性质的影响却很大。他们经常共存，并相互联系，相互制约，在一定的条件下可以相互转化。3

3、.0晶体缺陷的分类第三章晶体缺陷点缺陷是最简单的晶体缺陷，它是在结点上或邻近的微观区域内偏离晶体结构的正常排列的一种缺陷。晶体点缺陷包括空位、间隙原子、杂质或溶质原子，以及由它们组成的复杂点缺陷，如空位对、空位团和空位-溶质原子对等。空位和间隙原子是由于原子的热运动而产生的，属于热力学平衡缺陷。点缺陷与线、面缺陷的区别之一是后者为热力学不稳定的缺陷。3.1点缺陷3.1.1点缺陷的形成第三章晶体缺陷3.1点缺陷3.1.1点缺陷的形成一是迁移到晶体表面或内表面的正常结点位置上，而使晶体内部留下空位，称为肖脱基（Schottky）空位；3.1点缺陷3.1.1点缺陷的形

4、成第三章晶体缺陷二是挤人点阵的间隙位置，而在晶体中同时形成数目相等的空位和间隙原子，则称为弗兰克尔（Frenkel）缺陷；第三章晶体缺陷3.1点缺陷3.1.1点缺陷的形成三是跑到其他空位中，使空位消失或使空位移位。另外，在一定条件下，晶体表面上的原子也可能跑到晶体内部的间隙位置形成间隙原子3.1点缺陷3.1.2点缺陷的平衡浓度第三章晶体缺陷点缺陷形成的驱动力与温度有关，在一定的温度场下，能够使原子离位形成点缺陷，那么点缺陷的数目会无限制增加吗？从理论上分析可以知道：一定温度下，点缺陷的数目是一定的，这就是点缺陷的平衡浓度。3.1点缺陷3.1.2点缺陷的平衡浓度第

5、三章晶体缺陷对点缺陷的平衡浓度如何来理解？从热力学的观点：点缺陷平衡浓度是矛盾双方的统一。(1)一方面，晶体中点缺陷的形成引起了点阵的畸变，使晶体的内能增加，提高了系统的自由能。(2)另一方面，由于点缺陷的形成，增加了点阵排列的混乱度，系统的微观状态数目发生变化，使体系的组态熵增加，引起自由能下降。　　当这对矛盾达到统一时，系统就达到平衡。因为系统都具有最小自由能的倾向，由此确定的点缺陷浓度即为该温度下的平衡浓度。3.1点缺陷3.1.3过饱和点缺陷的形成第三章晶体缺陷a.热平衡点缺陷：由热起伏促使原子脱离点阵位置而形成的点缺陷，体系自由能最低。b.过饱和点缺陷

6、：利用某些手段使晶体中形成的点缺陷浓度超过了热平衡浓度，此时的点缺陷浓度成为过饱和点缺陷。体系自由能高，晶体处于非热平衡状态。3.1点缺陷3.1.3过饱和点缺陷的形成第三章晶体缺陷某些手段：高温淬火—高温时产生大量的空位，急剧冷却时被保留下来冷加工—位错交割高能辐照—原子被撞击，产生大量的空位和间隙原子。3.1点缺陷3.1.4点缺陷对晶体性能的影响第三章晶体缺陷（1）结构变化：晶格畸变（如空位引起晶格收缩，间隙原子引起晶格膨胀，置换原子可引起收缩或膨胀。）（2）性能变化：力学性能—影响较小屈服强度提高物理性能——影响较大密度减小——空位的产生使体积增大电阻率增大

7、——缺陷区域对电子产生散射比热容——形成点缺陷需要向晶体提供附加的能量第三章晶体缺陷3.2线缺陷-位错3.2.0位错的提出“位错”这个概念是在1934年提出的。是为了解释晶体在切应力作用下变形所受的力，实验值大大低于理论值这个现象。随着科学技术的发展，在二十世纪五十年代末科学家们已能从晶体生长情况判断出位错的存在（上图），并进而用透射电子显微镜观察到了晶体中的位错（下图）。完整晶体塑性变形─滑移的模型→金属晶体的理论强度→理论强度比实测强度高出几个数量级（表）→晶体缺陷的设想─线缺陷（位错）的模型→以位错滑移模型计算出的晶体强度，与实测值基本相符。第三章晶体缺陷

8、3.2线缺陷-位错3.2