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2019年9月24.1引言4.2点缺陷（pointdefect）4.3线缺陷（linedefect）4.4位错特性及测定法（dislocationcharacteristic）4.5面缺陷（facedefect）4.6体缺陷（bodydefect）第四章固体材料的晶体缺陷复旦大学材料科学系32019年9月●晶体并不是一种理想的无缺陷材料，通常有一些局部不规则或不完整区域，比如存在空洞、杂质、位错等一些晶体缺陷(crystallineimperfection)。●缺陷对晶体性能的影响很大，比如晶体的生长、扩散、相变、强度、变形、断裂等。当然，如果缺陷数量控制在允许范围内，则对材料性能产生有益的影响，例如，金属的延展性、半导体的电子传输能力等。纯铁的抗拉强度仅15MPa，添加一定量的碳原子后变成合金钢，其抗拉强度得到了明显提升，可以增大几百个MPa。同样，在100万个硅原子中掺杂2个P原子，硅基半导体的电导率能提高近500万倍。4.1引言3复旦大学材料科学系4●若使材料某些性能得到改善，比如强度、电导率等，有时需人为制造一些有益的“缺陷”，通过合金化、掺杂、扩散、表面处理等工艺，设计、控制一定数量的“缺陷”，提高材料的性能。但是，如果晶体中缺陷数量过多，则对材料的性能产生很不利的影响。比如，材料中存在一些超标的空洞、微裂纹等缺陷，其强度和韧度将急剧下降，甚至在低应力下会发生脆性断裂。●按照晶体缺陷的几何形状，通常分为五类缺陷：电子缺陷、点缺陷、线缺陷(位错)、面缺陷、体缺陷,如图4-1所示。2019年9月晶体缺陷电子缺陷导带电子价态空穴点缺陷（零维缺陷）本征缺陷杂质缺陷错位缺陷空位缺陷间隙缺陷取代缺陷位错位错处杂质原子线缺陷（一维缺陷）小角度晶粒晶界孪晶界面面缺陷（二维缺陷）堆垛层错包藏杂质沉淀体缺陷（三维缺陷）空洞图4-1晶体缺陷的分类复旦大学材料科学系6●点缺陷是指在三维尺度上不大于几个原子尺度的一些微缺陷。●早在1926年，弗兰克尔(Frenkel)就指出，“在任一温度下，实际晶体的原子排列不是完整的点阵，晶体中一些区域的原子规则排列遭到破坏而失去正常的相邻关系。”也就是说，一定温度下点缺陷是材料固有的缺陷。●晶体中点缺陷一般是一个原子尺度的大小。按照点缺陷类型，主要有三种：空位、间隙原子和异类原子（置换原子）。4.2点缺陷（pointdefect）2019年9月复旦大学材料科学系7●空间点阵晶格中没有原子的结点叫空位。如果仅形成空位而没有形成等量的间隙原子，这种缺陷叫肖脱基缺陷(Schottkydisorder)，见图4-2a。●对于离子晶体，因离子平衡的电中性要求，在形成空位的同时，形成一种等量的间隙原子，这种缺陷称为弗兰克尔缺陷,如图4-2b所示。●空位和间隙原子均是由原子的热振动引起的。1．空位（vacancy）2019年9月复旦大学材料科学系8图4-2点缺陷的类型2019年9月复旦大学材料科学系9晶体中的原子是在平衡位置不停地运动，如某瞬间获得较大的动能且超过其激活能，则会脱离平衡位置逸出，在原位置留下空缺。如果周围有空位，原子跳入该空位，空位在晶体内部扩散移动。温度升高，原子获得的动能越大，空位浓度增加。点缺陷是由热振动引起的。图4-3表示了一定温度下自由能与点缺陷数量的相互关系。从能量值最小可以看出，点缺陷是热力学平衡缺陷。在熔体凝固过程中，高温、塑性变形及辐照加工等在晶体中会产生空位缺陷，而适量的空位对材料加工是有益的。如果没有适量的空位，材料难于加工成型，也难于改性。2019年9月复旦大学材料科学系10图4-3自由能随点缺陷数量的变化关系2019年9月复旦大学材料科学系11位于空间点阵晶格间隙处的原子叫间隙原子，如图4-2c所示。它由原子的热运动引起的。间隙原子是非金属原子占多数。它们半径小于1Ao,比如H（0.46Ao）、O（0.61Ao）、N（0.71Ao）,C（0.77Ao）、B（0.97Ao）等。这些小原子易进入晶体的四面体间歇或八面体间歇位置，形成间隙缺陷。面心立方晶体的致密度是74％,空隙也有26％。因此，在金属和半导体中，一些杂质元素有时被掺杂到晶体间隙中，改善材料的力学、物理等性能。当然，间隙原子和置换原子会使晶体晶格邻近原子偏离平衡位置，产生畸变现象，如图4-2c、d、e所示。2.间隙原子（interstitialatom）2019年9月复旦大学材料科学系12●空间点阵的晶格结点被异类原子占据时，称为置换原子，如图4-4所示。在置换固溶体中，溶质原子的半径与溶剂原子的半径基本相当。只有当溶质原子半径较小时，才会进入晶格的间隙位置变成间隙原子。总之，无论哪一类点缺陷，都使晶格发生畸变，在缺陷周围产生附加的弹性应力场，体系内能升高。形成的固溶体因有额外的弹性应力场，金属的强度得到提高，但电阻率会变大。3．置换原子（substitutionalatom）2019年9月复旦大学材料科学系13图4-4晶体晶格节点上的置换原子2019年9月2019年9月复旦大学材料科学系14点缺陷主要影响晶体的物理性质，如比容、比热容、电阻率等。(1)比容（specificvolume）在晶体内部产生一个空位，该处原子就被移到晶体的表面上，导致体积的增大。(2)比热容（specificheatcapacity）由于形成点缺陷，需要向晶体提供附加的能量(空位生成焓)，因而引起附加的比热容。(3)电阻率金属电阻主要产生于离子对传导电子的散射。(4)其他物理性能扩散系数、内耗、介电系数等物理性能也受到影响。4.点缺陷对材料性能的影响2019年9月复旦大学材料科学系15●线缺陷是指晶体中二维尺度方向很小但在第三维尺度方向上较大的一种缺陷。位错(dislocation)是理想空间点阵中存在的一种线缺陷。●位错概念是在1934年由Taylor、Orowen、Polanyi等各自独立提出的，当时是用来解释材料的实际强度为何比理论预测的强度低很多的原因。根据晶体中原子键合力与弹性模量的关系，理论剪切应力与剪切模量G存在以下关系：＝G/30（4－1）4.3线缺陷（linedefect）2019年9月复旦大学材料科学系16例如，Fe的理论剪切模量为3300MPa，但单晶Fe的实际强度不到10MPa，晶面间滑移用很小的剪切力作用就能移动，理论值与实际值相差巨大。因而，人们就猜测晶体中可能存在一种像位错那样的线缺陷，当时仅是理论推测，没有见到真实形貌。直到50年代，随着透射电子显微镜（TransmissionElectronMicroscope，TEM）研制成功，实验中观察到了实际存在的位错形貌。当晶体的一部分相对于另一部分发生局部滑移时，滑移部分与未滑移部分形成一条多余的分界线，即位错，TEM可以观察到此形貌(见图4-5)。●位错有两种基本类型：刃型位错和螺型位错。2019年9月复旦大学材料科学系17图4-5不锈钢中的位错线位错是液态原子凝固结晶时发生原子的意外排列。另外，晶体中其它缺陷产生的内应力及材料发生塑性变形时也会产生位错。2019年9月复旦大学材料科学系18设有一个简单的立方晶体，在面内剪应力作用下，上半部分相对于下半部分沿ABCD面局部滑移了一个原子间距，如图4-6a所示，上半部分出现多余的半排原子面EFGH，似有半个原子面切入晶体的特征，故称刃型位错。刃型位错是晶体局部滑移的结果。由于位错线附近出现晶体晶格畸变，故位错线附近产生畸变弹性应力场。位错线在滑移面上方时，用记号表示，位错线在滑移面下方时，用记号表示。1.刃型位错（edgedislocation）2019年9月复旦大学材料科学系19图4-6刃型位错的产生2019年9月复旦大学材料科学系20滑移是沿某一特定晶面和晶向上进行。两个晶面间发生滑移或变形时，不是原子面间发生整体刚性位移，而是通过位错线移动逐步实现的，见图4-7。●注意：刃型位错线始终与滑移方向相垂直，而且是一个晶面间距之间的移动。图4-7位错的运动过程2019年9月复旦大学材料科学系21解：由图可知，晶面指数为（111）的滑移方向必为密堆积方向:例4-1在图4-8所示的FCC空间点阵、晶面指数为（111）的滑移面上，试标出滑移方向的晶向指数。或，，110,101,011110101011图4-8FCC特殊晶面的滑移方向2019年9月复旦大学材料科学系22图4-9所示的是螺型位错。在位错线附近的过渡区，原子排列出现面外脱离理想排列的状态，而过渡区外，原子排列规则。由于过渡区原子位置的错动具有螺旋特征，因而称为螺型位错。螺型位错的产生是由面外力作用所致。●螺型位错与位错线是平行的。2.螺型位错(screwdislocation)2019年9月复旦大学材料科学系23图4-9螺型位错的示意图2019年9月复旦大学材料科学系24●为了描述晶体中位错移动的方向（晶向）和原子畸变的大小，1939年柏格斯(J.M.Burgers)采用柏氏回路定义位错，借助一个规定的矢量，即柏氏矢量来揭示位错的本质。柏格斯回路是在含缺陷晶体中围绕缺陷区将原子逐个连接而成的右旋闭合回路，简称柏氏回路，用柏氏矢量b连接，确保整个回路的起点和终点的重合。●判断回路中的缺陷是点缺陷还是位错，只需在无缺陷的完整晶体中按同样顺序将原子的结点逐个连接，如果得到一个闭合回路，那么原来柏氏回路中所包含的缺陷是点缺陷。3.柏格斯回路(Burgerscircuitry)2019年9月复旦大学材料科学系25图4-10刃型位错的柏格斯回路及柏格斯矢量如果不是闭合回路，回路中包含的缺陷则是位错。这时，为使回路闭合，需增加一个向量b。图4-10是刃型位错示意图。2019年9月复旦大学材料科学系26（a）实际晶体的柏氏回路（b）理想晶体的柏氏回路图4-11螺型位错的柏格斯回路采用同样的方法作闭合回路，可以得到图4-11所示的螺型位错柏格斯矢量回路示意图。2019年9月复旦大学材料科学系27实际晶体中的位错一般是混合型的，同时包含刃型位错和螺型位错，因为外加作用力不是简单的拉伸力或剪切力，而是复合力。因而，当外加作用力达到一定值时，晶体内的位错会发生二种运动方式：滑移（sliding）和攀移（climbing）。刃型位错是由剪切力引起的，它在滑移过程中还会有攀移移动，即刃型位错的半原子面会发生向上移动或者向下移动，位错线同时也向上或向下运动。向上移动的叫正攀移，向下移动的叫负攀移。攀移是通过原子扩散实现的，但滑移没有原子的扩散。但螺型位错只有滑移运动，没有攀移运动现象。4.混合型位错与运动2019年9月复旦大学材料科学系28位错形貌及大小可用TEM观测。金属变形是通过滑移实现的，而陶瓷和高分子虽然性脆，但也存在少量的位错。位错对于理解金属的一些弹塑性变形行为特别有用。它可以解释材料的各种性能和行为，尤其是变形（deformation）、损伤（damage）、断裂（fracture）等特征，产生相应的学科分别称弹性力学、弹塑性力学、损伤力学和断裂力学。此外，位错对晶体的扩散、相变等机制也有较大的影响。首先，滑移解释了金属的实际强度为何比由金属键理论预测的理论强度低得多的原因。4.4位错特性及测定法（dislocationcharacteristic）1.位错的特征2019年9月复旦大学材料科学系29图4-12单晶材料拉伸断裂及晶面滑移形貌单晶材料采用拉伸发生断裂时，一般沿某一角度方向断裂，不是沿垂直于截面的拉伸方向断裂，这是因为材料在变形过程中发生了整体滑移，如图4-12所示。2019年9月复旦大学材料科学系30图4-13外加拉应力、滑移方向和滑移面的关系这是因为，材料的塑性变形通常是沿晶体中原子密排的晶面和晶向上滑移，见图4-13，它强烈依赖晶体的类型。2019年9月复旦大学材料科学系31在图4-13示意图中，是外力F作用方向与滑移方向之间的夹角，是力与滑移面法线之间的夹角，滑移方向的分力Fs为Fcos,滑移面的面积As是A/cos,用分力除以面积得到如下结果：Fs/As=Fcos/A/cos=(F/A)cosco