材料科学基础 第5章2.ppt

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1、5.7-5.10 晶体缺陷晶体缺陷材料的实际晶体结构材料的实际晶体结构点缺陷点缺陷位错的基本概念位错的基本概念位错的弹性特征位错的弹性特征晶体中的界面晶体中的界面第一节第一节 材料的实际晶体结构材料的实际晶体结构一、多晶体结构一、多晶体结构单晶体单晶体:一块晶体材料，其内部一块晶体材料，其内部的晶体位向完全一致时，即的晶体位向完全一致时，即整个材料是一个晶体，这块整个材料是一个晶体，这块晶体就称之为晶体就称之为“单晶体单晶体”，实用材料中如半导体集成电实用材料中如半导体集成电路用的单晶硅、专门制造的路用的单晶硅、专门制造的金须和其他一些供研究用的金须和其他一些供研究用的材料。材料。一、多晶体结

2、构一、多晶体结构第一节第一节 材料的实际晶体结构材料的实际晶体结构多晶体多晶体:实际应用的工程材料实际应用的工程材料中，那怕是一块尺寸很小中，那怕是一块尺寸很小材料，绝大多数包含着许材料，绝大多数包含着许许多多的小晶体，每个小许多多的小晶体，每个小晶体的内部，晶格位向是晶体的内部，晶格位向是均匀一致的，而各个小晶均匀一致的，而各个小晶体之间，彼此的位向却不体之间，彼此的位向却不相同。称这种由多个小晶相同。称这种由多个小晶体组成的晶体结构称之为体组成的晶体结构称之为“多晶体多晶体”。一、多晶体结构一、多晶体结构第一节第一节 材料的实际晶体结构材料的实际晶体结构晶粒：晶粒：多晶体材料中每个多晶体材

3、料中每个小晶体的外形多为不规则小晶体的外形多为不规则的颗粒状，通常把它们叫的颗粒状，通常把它们叫做做“晶粒晶粒”。晶界：晶界：晶粒与晶粒之间的晶粒与晶粒之间的分界面叫分界面叫“晶粒间界晶粒间界”，或简称或简称“晶界晶界”。为了适。为了适应两晶粒间不同晶格位向应两晶粒间不同晶格位向的过渡，在晶界处的原子的过渡，在晶界处的原子排列总是不规则的。排列总是不规则的。二、多晶体的组织二、多晶体的组织与性能：与性能：第一节第一节 材料的实际晶体结构材料的实际晶体结构伪各向同性：伪各向同性：多晶体材料中，尽管每个晶粒内部象单多晶体材料中，尽管每个晶粒内部象单晶体那样呈现各向异性，每个晶粒在空间取向是随机晶体

4、那样呈现各向异性，每个晶粒在空间取向是随机分布，大量晶粒的综合作用，整个材料宏观上不出现分布，大量晶粒的综合作用，整个材料宏观上不出现各向异性，这个现象称为多晶体的伪各向同性。各向异性，这个现象称为多晶体的伪各向同性。组织：组织：性能：性能：组织敏感的性能组织敏感的性能组织不敏感的性能组织不敏感的性能三、晶体中的缺陷概论三、晶体中的缺陷概论第一节第一节 材料的实际晶体结构材料的实际晶体结构晶体缺陷：晶体缺陷：即使在每个晶粒的内部，也并不完全象即使在每个晶粒的内部，也并不完全象晶体学中论述的晶体学中论述的(理想晶体理想晶体)那样，原子完全呈现那样，原子完全呈现周期性的规则重复的排列。把实际晶体中

5、原子排周期性的规则重复的排列。把实际晶体中原子排列与理想晶体的差别称为晶体缺陷。晶体中的缺列与理想晶体的差别称为晶体缺陷。晶体中的缺陷的数量相当大，但因原子的数量很多，在晶体陷的数量相当大，但因原子的数量很多，在晶体中占有的比例还是很少，材料总体具有晶体的相中占有的比例还是很少，材料总体具有晶体的相关性能特点，而缺陷的数量将给材料的性能带来关性能特点，而缺陷的数量将给材料的性能带来巨大的影响。巨大的影响。三、晶体中的缺陷概论三、晶体中的缺陷概论第一节第一节 材料的实际晶体结构材料的实际晶体结构晶体缺陷按范围分类：晶体缺陷按范围分类：1.点点缺陷缺陷 在三维空间各方向上尺寸都很小，在原在三维空间

6、各方向上尺寸都很小，在原子尺寸大小的晶体缺陷。子尺寸大小的晶体缺陷。2.线缺陷线缺陷 在三维空间的一个方向上的尺寸很大在三维空间的一个方向上的尺寸很大(晶晶粒数量级粒数量级)，另外两个方向上的尺寸很小，另外两个方向上的尺寸很小(原子尺原子尺寸大小寸大小)的晶体缺陷。其具体形式就是晶体中的的晶体缺陷。其具体形式就是晶体中的位错位错Dislocation 3.面缺陷面缺陷 在三维空间的两个方向上的尺寸很大在三维空间的两个方向上的尺寸很大(晶晶粒数量级粒数量级)，另外一个方向上的尺寸很小，另外一个方向上的尺寸很小(原子尺原子尺寸大小寸大小)的晶体缺陷。的晶体缺陷。第二节第二节 点缺陷点缺陷点缺陷：点

7、缺陷：在三维空间各方向上尺寸都很小，在原子尺寸大小在三维空间各方向上尺寸都很小，在原子尺寸大小的晶体缺陷。的晶体缺陷。一、点缺陷的类型一、点缺陷的类型：1)1)空位空位 在晶格结点位置应有原子的在晶格结点位置应有原子的地方空缺，这种缺陷称为地方空缺，这种缺陷称为“空位空位”。2)2)间隙原子间隙原子 在晶格非结点位置，往在晶格非结点位置，往往是晶格的间隙，出现了多余的原往是晶格的间隙，出现了多余的原子。它们可能是同类原子，也可能子。它们可能是同类原子，也可能是异类原子。是异类原子。3)3)异类原子异类原子 在一种类型的原子组成在一种类型的原子组成的晶格中，不同种类的原子替换原的晶格中，不同种类

8、的原子替换原有的原子占有其应有的位置。有的原子占有其应有的位置。二、点缺陷的形成二、点缺陷的形成弗仑克耳缺陷：原子离开平衡位置进入间隙，形成等量的空位和间隙原子。肖特基缺陷：只形成空位不形成间隙原子。（构成新的晶面）金属：离子晶体：1 负离子不能到间隙2 局部电中性要求三、点缺陷的表示三、点缺陷的表示Kroger-Vink提出了一套描写点缺陷的记号，并发展了应用质量作用定律等来处理晶格缺陷间关系的缺陷化学。以MO为例：空位 Vacancy VM，VO间隙原子 Interstitial Mi，Oi错位原子 MO，OM溶质原子（外来原子）LM，Li自由电子及电子空穴 e,，h带电荷的缺陷 VM,，

9、VO第二节第二节 点缺陷点缺陷热力学分析表明，在高于热力学分析表明，在高于0K0K的任何温度下，晶体最稳定的状态的任何温度下，晶体最稳定的状态是含有一定浓度点缺陷的状态。此浓度称为点缺陷的平衡浓度。是含有一定浓度点缺陷的状态。此浓度称为点缺陷的平衡浓度。空位形成能空位形成能 空位的出现破坏了其周围的结合状态，因而造成空位的出现破坏了其周围的结合状态，因而造成局部能量的升高，由空位的出现而高于没有空位时的那一部分局部能量的升高，由空位的出现而高于没有空位时的那一部分能量称为能量称为“空位形成能空位形成能”。在一摩在一摩尔尔的晶体中如存在的晶体中如存在n n个空位，晶体中有个空位，晶体中有N=6.

10、023X10N=6.023X102323个晶格位置，个晶格位置，这这是空位的是空位的浓浓度度为为x=n/Nx=n/N，系系统熵值为统熵值为：空位的出现提高了体系的熵值空位的出现提高了体系的熵值 四、点缺陷的平衡浓度四、点缺陷的平衡浓度 设每个空位的形成能为设每个空位的形成能为u u，空位浓度为空位浓度为x x时自由能时自由能的变化为：的变化为：第二节第二节 点缺陷点缺陷第二节第二节 点缺陷点缺陷例如例如：CuCu晶体得空位形成能晶体得空位形成能为为0.9ev/atom=1.44X100.9ev/atom=1.44X10-19-19J/atomJ/atom，在在500500时计时计算可得出平衡空

11、位的算可得出平衡空位的浓浓度度为为1.4X101.4X10-6-6(很低很低)，而在每，而在每立方米的立方米的铜铜晶体存在晶体存在1.2X101.2X102323个空位个空位(数量很多数量很多)。过饱和空位过饱和空位 晶体中含点缺陷的数目明显超过平衡晶体中含点缺陷的数目明显超过平衡值。如高温下停留平衡时晶体中存在一平衡空位，值。如高温下停留平衡时晶体中存在一平衡空位，快速冷却到一较低的温度，晶体中的空位来不及移快速冷却到一较低的温度，晶体中的空位来不及移出晶体，就会造成晶体中的空位浓度超过这时的平出晶体，就会造成晶体中的空位浓度超过这时的平衡值。过饱和空位的存在是一非平衡状态，有恢复衡值。过饱

12、和空位的存在是一非平衡状态，有恢复到平衡态的热力学趋势，在动力学上要到达平衡态到平衡态的热力学趋势，在动力学上要到达平衡态还要一时间过程。还要一时间过程。五、点缺陷对材料性能的影响五、点缺陷对材料性能的影响第二节第二节 点缺陷点缺陷原因：原因：无论那种点缺陷的存在，都会使其附近的原子稍微偏无论那种点缺陷的存在，都会使其附近的原子稍微偏离原结点位置才能平衡，即造成小区域的晶格畸变。离原结点位置才能平衡，即造成小区域的晶格畸变。效果效果1)1)提高材料的电阻提高材料的电阻 定向流动的电子在点缺陷处受到非定向流动的电子在点缺陷处受到非平衡力平衡力(陷阱陷阱)，增加了阻力，加速运动提高局部温度，增加了

13、阻力，加速运动提高局部温度(发热发热)。2)2)加快原子的扩散迁移加快原子的扩散迁移 空位可作为原子运动的周转站。空位可作为原子运动的周转站。3)3)形成其他晶体缺陷形成其他晶体缺陷 过饱和的空位可集中形成内部的过饱和的空位可集中形成内部的空洞，集中一片的塌陷形成位错。空洞，集中一片的塌陷形成位错。4)4)改变材料的力学性能改变材料的力学性能 空位移动到位错处可造成刃位空位移动到位错处可造成刃位错的攀移，间隙原子和异类原子的存在会增加位错的错的攀移，间隙原子和异类原子的存在会增加位错的运动阻力。会使强度提高，塑性下降、运动阻力。会使强度提高，塑性下降、第三节第三节 位错的基本概念位错的基本概念

14、 线缺陷：线缺陷：在三维空间的一个方向上的尺寸很大在三维空间的一个方向上的尺寸很大(晶粒数量级晶粒数量级)，另外两个方向上的尺寸很小，另外两个方向上的尺寸很小(原子尺寸大小原子尺寸大小)的晶体缺陷。的晶体缺陷。其具体形式就是晶体中的位错其具体形式就是晶体中的位错Dislocation 一、位错的原子模型一、位错的原子模型 将晶体的上半部分向左移动一个原子间距，再按原子的将晶体的上半部分向左移动一个原子间距，再按原子的结合方式连接起来结合方式连接起来(b)。除分界线附近的一管形区域例外，其除分界线附近的一管形区域例外，其他部分基本都是完好的晶体。在分界线的上方将多出半个原他部分基本都是完好的晶体

15、。在分界线的上方将多出半个原子面，这就是刃型位错。子面，这就是刃型位错。一、位错的原子模型一、位错的原子模型第三节第三节 位错的基本概念位错的基本概念 若将上半部分向上移动一个原子间距，之间插入半个原子面，若将上半部分向上移动一个原子间距，之间插入半个原子面，再按原子的结合方式连接起来，得到和再按原子的结合方式连接起来，得到和(b)(b)类似排列方式类似排列方式(转转9090度度)，这也是刃型位错。，这也是刃型位错。一、位错的原子模型一、位错的原子模型第三节第三节 位错的基本概念位错的基本概念 若将晶体的上半部分向后若将晶体的上半部分向后移动一个原子间距，再按原子移动一个原子间距，再按原子的结

16、合方式连接起来的结合方式连接起来(c)(c)，同样同样除分界线附近的一管形区域例除分界线附近的一管形区域例外，其他部分基本也都是完好外，其他部分基本也都是完好的晶体。而在分界线的区域形的晶体。而在分界线的区域形成一螺旋面，这就是螺型位错。成一螺旋面，这就是螺型位错。一、位错的原子模型一、位错的原子模型第三节第三节 位错的基本概念位错的基本概念 位错的形式位错的形式：若将上半部分向上移动一个原子间距，之间插入半个原子若将上半部分向上移动一个原子间距，之间插入半个原子面，再按原子的结合方式连接起来，得到和面，再按原子的结合方式连接起来，得到和(b)(b)类似排列类似排列方式方式(转转9090度度)

17、，这也是刃型位错。，这也是刃型位错。二、柏氏矢量二、柏氏矢量 第三节第三节 位错的基本概念位错的基本概念 确定方法：确定方法：首先在原子排列基本正常区域作一个包含位错的首先在原子排列基本正常区域作一个包含位错的回路，也称为柏氏回路，这个回路包含了位错发生的畸变。回路，也称为柏氏回路，这个回路包含了位错发生的畸变。然后将同样大小的回路置于理想晶体中，回路当然不可能然后将同样大小的回路置于理想晶体中，回路当然不可能封闭，需要一个额外的矢量连接才能封闭，这个矢量就称封闭，需要一个额外的矢量连接才能封闭，这个矢量就称为该位错的柏氏为该位错的柏氏(Burgers)(Burgers)矢量。矢量。说明：这是

18、一个并不十分准确的定义方法。柏氏矢量的方向与位错线方向的定义有关，应该首先定义位错线的方向，再依据位错线的方向来定柏氏回路的方向，再确定柏氏矢量的方向。在专门的位错理论中还会纠正。二、柏氏矢量二、柏氏矢量 第三节第三节 位错的基本概念位错的基本概念 柏氏矢量与位错类型的关系：柏氏矢量与位错类型的关系：刃型位错刃型位错 柏氏矢量与位错线相互垂直。柏氏矢量与位错线相互垂直。(依方向关系可依方向关系可分正刃和负刃型位错分正刃和负刃型位错)螺型位错螺型位错 柏氏矢量与位错线相互平行。柏氏矢量与位错线相互平行。(依方向关系可依方向关系可分左螺和右螺型位错分左螺和右螺型位错)混合位错混合位错 柏氏矢量与位

19、错线的夹角非柏氏矢量与位错线的夹角非0 0或或9090度。度。柏氏矢量守恒：柏氏矢量守恒：同一位错的柏氏矢量与柏氏回路的大小和走向无关。同一位错的柏氏矢量与柏氏回路的大小和走向无关。位位错错不可能不可能终终止于晶体的内部，只能到表面、晶界和其他位止于晶体的内部，只能到表面、晶界和其他位错错，在位，在位错错网的交网的交汇汇点，必然点，必然 4.位错的密度与分布 晶体中位错的数量常用位错密度J?表示，即单位体积中位错线的长度：Lv=L/VT (5.25)式中，VT为测试体积，L为测试体积中位错线的总长度，Lv的量纲为L-2，如cm-2。Lv是一个三维参数，实际上无法直接测定，但是可以利用体视学的一

20、个基本关系式 Lv2PA (5.26)计算出式中PA为位错线与单位测试面积的交点数，在位锗密度不太大的情况下，可以用实验方法测定。四、位错的观察四、位错的观察 第三节第三节 位错的基本概念位错的基本概念 位错在晶体表面的露头位错在晶体表面的露头 抛光后的抛光后的试样在侵蚀时，由于易侵蚀而出现试样在侵蚀时，由于易侵蚀而出现侵蚀坑，其特点是坑为规则的多边侵蚀坑，其特点是坑为规则的多边型且排列有一定规律。只能在晶粒型且排列有一定规律。只能在晶粒较大，位错较少时才有明显效果。较大，位错较少时才有明显效果。薄膜透射电镜观察薄膜透射电镜观察 将试将试样减薄到几十到数百个原样减薄到几十到数百个原子层子层(5

21、00nm(500nm以下以下)，利用透，利用透射电镜进行观察，可见到射电镜进行观察，可见到位错线。位错线。四、位错的观察四、位错的观察 第三节第三节 位错的基本概念位错的基本概念 表示晶体中含有位错数量的参数。表示晶体中含有位错数量的参数。位错密度位错密度用单位体积位错线的总长度表示。用单位体积位错线的总长度表示。在金属材料中，退火状态下，接近平衡状态所得在金属材料中，退火状态下，接近平衡状态所得到的材料，这时位错的密度较低，约在到的材料，这时位错的密度较低，约在106的数量级；的数量级；经过较大的冷塑性变形，位错的密度可达经过较大的冷塑性变形，位错的密度可达1010-12的数量级。详细内容到

22、塑性变形一章再论述。的数量级。详细内容到塑性变形一章再论述。位错密度位错密度第五节第五节 晶体中的界面晶体中的界面 面缺陷：面缺陷：在三维空间的两个方向上的尺寸很大在三维空间的两个方向上的尺寸很大(晶粒数量级晶粒数量级)，另外一个方向上的尺寸很小，另外一个方向上的尺寸很小(原子尺寸大小原子尺寸大小)的晶体缺陷。的晶体缺陷。一、表面及表面能一、表面及表面能 1.1.晶体的表面晶体的表面：就是晶体的外表面，一般是指晶体与：就是晶体的外表面，一般是指晶体与气体气体(气相或液相气相或液相)的分界面。的分界面。2.2.晶体的表面能：晶体的表面能：同体积晶体的表面高出晶体内部的同体积晶体的表面高出晶体内部

23、的能量称为晶体的表面自由能或表面能。计量单位为能量称为晶体的表面自由能或表面能。计量单位为J/m2。表面能就是表面张力，单位为表面能就是表面张力，单位为N/m。晶体的表面晶体的表面能在有些意义和大家已知液体表面张力是一样的。能在有些意义和大家已知液体表面张力是一样的。二、晶界二、晶界 第五节第五节 晶体中的界面晶体中的界面2.2.晶界的结构：晶界的结构：根据晶界两侧晶粒的位向差不同，晶根据晶界两侧晶粒的位向差不同，晶界的结构大致可分为三类。界的结构大致可分为三类。1.1.晶界：晶界：晶界就是空间取向晶界就是空间取向(或位向或位向)不同的相邻晶粒不同的相邻晶粒之间的分界面。之间的分界面。1 1）

24、小角度晶界）小角度晶界 晶界两侧晶界两侧的晶粒位向差很小。可看的晶粒位向差很小。可看成是一系列刃位错排列成成是一系列刃位错排列成墙，晶界中位错排列愈密，墙，晶界中位错排列愈密，则位向差愈大。则位向差愈大。二、晶界二、晶界 第五节第五节 晶体中的界面晶体中的界面2 2）大角度晶界）大角度晶界 晶界两侧晶界两侧的晶粒位向差较大，不能用的晶粒位向差较大，不能用位错模型。关于大角度晶界位错模型。关于大角度晶界的结构说法不一，晶界可视的结构说法不一，晶界可视为为23(5)23(5)个原子的过渡层，个原子的过渡层，这部分的原子排列尽管有其这部分的原子排列尽管有其规律，但排列复杂，暂以相规律，但排列复杂，暂

25、以相对无序来理解。对无序来理解。2.晶粒度测定 晶粒度是晶粒大小的量度。通常都采用美国试验及材料学会(简称ASTM)提出的晶粒级别(或晶粒度号数)来量度晶粒大小,所用的基本方程为 (5.28)式中n为100倍时1ft2(645.16mm2)内的晶粒数,G为晶粒度号数；我国的晶粒度国家标准(GB639486)所用的基本方程与式(5.28)相同.经过换算后,G(ASTM)与G(ISO)关系如下：G(ASTM)一G(ISO)0.0458即二者只相差0.0458,这一差值是微不足道的,实际上可以忽略不计。3相 界 由于合金中各种相的成分、晶体结构或点阵常数不同,相界面的结构也不尽相同。根据原子在相界面

26、上排列的特点，可以 把相界面分为三类：(1)共格界面(2)半共格界面(3)非共格界面4.界面的能量 通常把单位界面面积上的自由能增量称为界面能.界面能分为两部分：一部分是化学键能(界面上原子间的结合键数目和强度发生变化引起的);另一部分是应变能(原子离开平衡位置引起的.)不同结构的界面除界面能的大小不同外,这两部分能量在界面能中所占的比例也不相同。3相 界 由于合金中各种相的成分、晶体结构或点阵常数不同,相界面的结构也不尽相同。根据原子在相界面上排列的特点，可以 界面上的原子同时位于相邻两相晶体结构的阵点上,为两相所共有。由于不同的相在晶体结构或原子间距上总会有些差异,为了保持界面上的共格,除了两相之间应具有特殊的取向关系外,界面周围的原子还必须产生一定的弹性畸变。共格界面界面共有原子界面共有原子金属界面结构示意图-共格界面 若两相的点阵常数差别较大,界面就难于保持完全的共格.即界面两侧的晶面不能一一对应,于是界面上便形成了一组刃型位错来弥补原子间距的差别,这样可以使界面的弹性应变能降低.并使共格性得以尽量维持。由于这种界面是由共格区和非共格区相间组成的,因此称半共格界面或部分共格界面。半共格界面非共格界面 完全没有共格关系的界面,称为非共格界面,这种界面与大角度界面相似，它是原子不规则排列的过渡层。半共格界面半共格界面金属界面结构示意图-半共格界面