第 二章 晶体缺陷.ppt

第二章 晶体缺陷 第一节 点缺陷 材料中空位的实际意义 空位迁移是许多材料加工工艺的基础。 晶体中原子的扩散就是依靠空位迁移而实现的。 在常温下空位迁移所引起的原子热振动动能显著提高，再加上高温下空位浓度的增多，因此高温下原子的扩散速度十分迅速。 材料加工工艺中有不少过程都是以扩散作为基础的 化学热处理 均匀化处理 退火与正火 时效 这些过程均与原子的扩散相联系。如果晶体中没有空位，这些工艺根本无法进行。提高这些工艺处理温度可大幅度提高的过程的速率，也正是基于空位浓度及空位迁移速度随温度的上升呈指数上升的规律。 产生过饱和点缺陷的方法 高温激冷 晶体中点缺陷的热平衡浓度随温度下降而指数式地减小。如果极缓慢地冷却晶体．则高温下平衡而低温下过量的点缺陷将可能通过合并湮灭(如空位与填隙原子的复合或消失于晶内其他缺陷(如位错、晶界等)和晶体表面处等过程而减少，始终保持相应温度下的热平衡浓度。如果使晶体迅速冷却，即进行淬火处理，那么高温下形成的高浓度点缺陷将被“冻结”在晶内，形成过饱和点缺陷。 大量的冷变形 塑性形变的物理本质是晶体中位错的大量滑移。位错滑移运动中的交截过程和其它位错的非保守运动，都可能产生大量空位和填隙原子。如果温度巳够低，不能发生明显的固态扩散过程的话，这些点缺陷则处于非热平衡态 高能粒子辐照 离子注入 这是用高能离子轰击材料将其嵌入近表面区域的一种工艺。离子注入晶体中可以产生大量点缺陷：注入组分离子，产生空位和填隙离子；注入杂质原子则产生代位或填隙杂质。在半导体器件工艺中，离于注入是引入掺杂层的有效途径。在制备某些合金材料时，不溶的合金元素只有借助离子注入技术才能实现合金化。此外，高能离子注入还能产生位错环和各种类型的面缺陷，甚至非晶层。 关于空位的总结 空位是热力学上稳定的点缺陷，一定的温度对应一定的平衡浓度，偏高或偏低都不稳定。 不同金属的空位形成能是不同的，一般高熔点金属的形成能大于低熔点金属的形成能。 空位浓度、空位形成能和加热温度之间的关系密切。在相同的条件下，空位形成能越大，则空位浓度越低；加热温度越高，则空位浓度越大。 空位对晶体的物理性能和力学性能有明显的影响。 空位对金属材料的高温蠕变、沉淀析出、回复、表面氧化、烧结等都产生了重要的影响。 第二节 线缺陷 线缺陷就是在两个方向上尺寸很小，在一个方向上尺寸很大的缺陷。 线缺陷是各种类型的位错。 位错是晶体内部一种有规律的管状畸变区。原子发生错排的范围，在一个方向上尺寸较大，而另外两个方向上尺寸较小，是一个直径为3~5个原子间距，长几百到几万个原子间距的管状原子畸变区。 最简单的位错是刃型位错和螺型位错。 1939年柏格斯提出用柏氏矢量来表征位错的特性，同时引入螺型位错。 1947年柯垂耳利用溶质原子与位错的交互作用解释了低碳钢的屈服现象。 1950年弗兰克与瑞德同时提出了位错增殖机制F—R位错源。 2.位错的基本类型 位错可分为刃性位错和螺型位错。 （1）刃型位错 因位错线是已滑移区和未滑移区的边界线，因此，位错具有一个很重要的性质，即位错线不能在晶体内部中断。 位错线:只能或者连接晶体表面(包括晶界)，或者连接于其它位错，或者形成封闭的位错环。 如图为晶体中的一个位错环ACBDA的俯视图。可看出： A、B两处是刃型位错，且是异号的；C、D两处是螺型位错，也是异号的；其它各处都是混合型位错。 混合位错：可分解为螺型分量bs与刃型分量be，bs=bcosφ，be=bsinφ。 (2)柏氏矢量b 的物理意义与特征 柏氏矢量 b 描述位错实质的重要物理量。 1）表征了位错周围点阵畸变总积累 位错周围原子，都不同程度偏离其平衡位置,离位错中心越远原子，偏离量越小。柏氏矢量b 表示其畸变总量的大小和方向。 显然，柏氏矢量b 越大，位错周围的点阵畸变也越严重。 2)表征了位错强度 柏氏矢量的模｜b｜称为位错强度。同一晶体中b大的位错具有严重的点阵畸变，能量高且不稳定。 3)位错的许多性质，如位错的能量，应力场，位错受力等，都与b 有关。它也表示出晶体滑移的大小和方向。 4）利用柏氏矢量b与位错线的关系，可判定位错类型。 刃型位错：柏氏矢量b ⊥ 位错线； 螺型位错：柏氏矢量b ∥ 位错线，其中同向为右螺，反向为左螺。 混合型位错：柏氏矢量b 和位错线成任意角度。 刃型位错正、负用右手法则判定： 1）即以右手拇指、食指和中指构成一直角坐标； 2）以食指－指向位错线方向，中指－指向柏氏矢量b 方向，则拇指代表多余半原子面方向。 3）多余半原子面在上称正刃型位错，反之为负刃型位错。 柏氏矢量b 重要的性质 柏氏矢量b 守恒性： 柏氏矢量与回路起点选择、具体途径、大小无关，或在柏氏回路任意扩大和移动，只要不与原位错或其