晶体结构缺陷

材料科学基础（武汉理工大学出版）之晶体结构缺陷

三、晶体结构缺陷

• 通常把晶体点阵结构中周期性势场的畸变称为晶体的结构缺陷
• 点缺陷
  • 一、点缺陷的符号表征：Kroger-Vink符号
    • 
    • 空位V
    • 间隙原子i
    • 错位原子
    • 概要
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    • 自由电子e与电子空穴 h
    • 带电缺陷
    • 概要
      • 
  • 二、缺陷反应方程式的写法
    • 位置关系
      • 在化合物MaXb中，无论是否存在缺陷，其正负离子位置数（即格点数）的之比始终是一个常数a/b，即：M的格点数/X的格点数=a/b。如NaCl结构中，正负离子格点数之比为1/1，Al2O3中则为2/3。
    • 质量平衡
      • 与化学反应方程式相同，缺陷反应方程式两边的质量应该相等。 注意：缺陷符号的右下标表示缺陷所在的位置，对质量平衡无影响；空位质量为零。
    • 电中性
      • 电中性要求缺陷反应方程式两边的有效电荷数必须相等，晶体必须保持电中性
  • 三、热缺陷的平衡浓度
    • 在一定温度下，热缺陷是处在不断地产生和消失的过程中，当单位时间产生和复合而消失的数目相等时，系统达到平衡，热缺陷的数目保持不变。
    • 肖脱基缺陷的平衡浓度
      •  ΔGs为形成一对正负离子空位时系统自由焓的变化
    • 弗伦克尔缺陷的平衡浓度
      •  ΔGF为形成一个弗伦克尔缺陷时系统自由焓的变化
  • 四、热缺陷在外力作用下的运动
    • 间隙质点在外力作用下的运动
    • 空位在外力作用下的运动
    • 间隙质点的运动方向与外力方向相同。 空位的运动方向与外力方向相反。
  • 五、热缺陷与晶体的离子导电性
• 线缺陷
  • 滑移的定义：在外力作用下，一部分相对另一部分（晶面、晶向）的平移。 滑移的结果：塑性变形，表面形成台阶。 晶体滑移的临界分切应力（tc） ：开动晶体滑移系统所需的最小分切应力。 滑移的可能性（滑移系统）：在最密排晶面（称为滑移面）的最密排晶向（称为滑移方向）上进行。
  • 位错的类型
    • 刃位错
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      • 几何特征
        • 1）位错线与原子滑移方向相垂直
        • 2）滑移面上部位错线周围原子受压应力作用，原子间距小于正常晶格间距
        • 3）滑移面下部位错线周围原子受张应力作用，原子间距大于正常晶格间距。
      • 分类
        • 正刃位错
          • “”
        • 负刃位错
          • “T”
        • 水平线代表滑移面，垂直线代表半个原子面
    • 螺位错
      •  
      • 几何特征
        • 1）位错线与原子滑移方向相平行
        • 2）位错线周围原子的配置是螺旋状的
      • 分类
        • 左旋
        • 右旋
        • 概要
          • 中小圆点代表与该点垂直的位错，旋转箭头表示螺旋的旋转方向。它们之间符合左手、右手螺旋定则(拇指：前进方向，其余四指：旋转方向)。
    • 混合位错
      • 在外力t作用下，两部分之间发生相对滑移，在晶体内部已滑移和未滑移部分的交线既不垂直也不平行滑移方向 位错线上任意一点，经矢量分解后，可分解为刃位错和螺位错分量。
  • 位错的伯格斯矢量及位错的性质
    • 伯格斯矢量：晶体中有位错存在时，滑移面一侧质点相对于另一侧质点的相对位移或畸变。 性质：大小表征了位错的单位滑移距离，方向与滑移方向一致。
    • 伯格斯矢量的确定及表示
      •  
      • 确定伯格斯矢量的步骤
        • （1）在实际晶体中，从一原子出发，围绕位错以一定的步数做一闭合回路。
        • （2） 用右手螺旋定则确定伯格斯回路方向
        • （3）在完整晶体中，按照同样的方向和部署做相同的回路，最后封闭回路的矢量即要求的伯氏矢量
      • 伯氏矢量的表示方法
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        • b=ka[uvw]
    • 伯氏矢量的特性
      • 守恒性
        • 对一条位错线而言，其伯氏矢量是固定不变的
      • 唯一性
        • 一条位错线只有一个伯氏矢量
      • 连续性
        • 位错线不可能中断于晶体内部。在晶体内部，位错线要么自成环状回路，要么与其它位错相交于节点，要么穿过晶体终止于晶界或晶体表面
      • 合成与分解
        • 如果几条位错线在晶体内部相交（交点称为节点），则其中任一位错的伯氏矢量等于其他各位错的伯氏矢量之和；或者说指向节点的各位错的伯氏矢量之和，必然等于离开节点的各位错的伯氏矢量之和
  • 位错的运动
    • 位错的运动
      • 位错滑移的机理
        • 正刃位错滑移方向与外力方向相同
        • 负刃位错滑移方向与外力方向相反
      • 位错的滑移特点
        • （1）刃位错滑移方向与外力t及伯氏矢量b平行，正、负刃位错滑移方向相反。
        • （2）螺位错滑移方向与外力t及伯氏矢量b垂直，左、右螺型位错滑移方向相反。
        • （3）混合位错滑移方向与外力t及伯氏矢量b成一定角度（即沿位错线法线方向滑移）。
        • （4）晶体的滑移方向与外力t及位错的伯氏矢量b相一致，但并不一定与位错的滑移方向相同。
        • 刃位错和螺位错滑移的比较
          • 晶体的滑移方向与外力及位错的伯氏矢量相一致，但并不一定与位错的滑移方向相同。
    • 位错的攀移
      • 指在热缺陷或外力作用下，位错线在垂直其滑移面方向上的运动，结果导致晶体中空位或间隙质点的增殖或减少
      • 正攀移
        • 半原子面缩短
      • 负攀移
        • 半原子面伸长
      • 概要
        • 位错的攀移是靠原子或空位的转移来实现的。 位错的攀移只能在高温下进行。
• 面缺陷
  • 一、晶界（位错界面）
    • （一）小角度晶界
      • 晶界的结构和性质与相邻晶粒的取向差有关，当取向差θ小于10o时，称为小角度晶界。
      • 倾斜晶界
        • 
        • 对称倾斜晶界
          • 形成
            • 两侧晶体的位向差为θ，相当于相邻晶粒反向各自旋转θ/2而成。
          • 几何特征
            • 相邻两晶粒相对于晶界作旋转，转轴在晶界内并与位错线平行。
          • 结构特点
            • 一系列平行等距离排列的同号刃位错
        • 不对称倾斜晶界
          • 形成
          • 几何特征
      • 扭转晶界
        • 形成
          • 晶粒在某晶面上发生扭转后，为了降低原子错排引起的能量增加，晶面内的原子会适当位移以确保尽可能多的原子恢复到平衡位置，不能回到平衡位置的，最后形成两组相互垂直分布的螺位错。
        • 结构特点
          • 晶界是由两组相互垂直的螺位错构成的网络 。
    • （二）大角度晶界
    • 晶界对材料性能的影响
      • 多晶强化
        • 现象
          • 1）金属材料绝大多是多晶材料
          • 2）多晶体的屈服强度明显地高于同样组成的单晶体
        • 解释
          • 多晶材料不同晶粒之间存在着晶界，晶界及晶界两侧的晶粒的位向差都会增加位错运动的阻力。 位错运动的阻力来自两个方面：其一，晶粒位向不一致造成的阻力；其二，晶界本身的阻力。 与晶粒内部相比，晶界上原子排列紊乱、不规则，伯氏矢量大，使滑移的临界分切应力增加；同时杂质原子在晶界的偏聚或形成第二相颗粒沉积在晶界上，都会阻碍位错运动。
      • 细晶强化
        • 现象
          • 同一种多晶体材料中，晶粒越细，屈服强度越高。
        • 解释
          • 晶体强化机制的实质就是阻止晶体中位错的运动。在变形晶体的滑移面上的位错，往往成列地塞积在晶界处，形成位错塞积群。晶粒越小，塞积的位错越多。
  • 二、堆积层错
    • 
    • 抽出型
    • 插入型
  • 三、反映孪晶界面
    • 面心立方结构的晶体中的正常堆垛方式是六方密排面作……△△△△△△△△……的完全顺顺序堆垛（或与此等价，作……▽▽▽▽▽……完全逆顺序堆垛）。如果从某一层起全部变为逆时针堆垛，例如……△△△△▽▽▽▽……，则这一原子面成为一个反映面，两侧晶体以此面成镜面对称。这两部分晶体成孪晶关系，由于两者具有反映关系，称反映孪晶，该晶面称孪晶界面。
• 固溶体
  • 将外来组元引入晶体结构，占据主晶相质点位置或间隙位置的一部分，仍保持一个晶相，这种晶体称为固溶体(即溶质溶解在溶剂中形成固溶体），也称为固体溶液。
  • 固溶体的分类
    • 根据外来组元在主晶相中所处位置不同
      • 置换固溶体
      • 间隙固溶体
    • 根据外来组元在主晶相中的固溶度不同
      • 连续型固溶体
      • 有限型固溶体
  • 置换型固溶体
    • 1. 原子或离子尺寸的影响Hume-Rothery经验规则
      • 连续固溶体
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      • 有限型固溶体
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      • 中间相或化合物
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      • 概要
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    • 2、晶体结构类型的影响
      • 若溶质与溶剂晶体结构类型相同，能形成连续固溶体，这也是形成连续固溶体的必要条件，而不是充分必要条件。
    • 3、离子类型和键性
      • 化学键性质相近，即取代前后离子周围离子间键性相近，容易形成固溶体。
    • 4、电价因素
      • 形成固溶体时，离子间可以等价置换也可以不等价置换。
    • 形成置换固溶体的影响因素
  • 间隙型固溶体
    • 间隙式固溶体的生成，一般都使晶格常数增大，增加到一定的程度，使固溶体变成不稳定而离解，所以填隙型固溶体不可能是连续的固溶体。晶体中间隙是有限的，容纳杂质质点的能力≤10%。
    • 1. 杂质质点大小
      • 添加的原子愈小，易形成固溶体
    • 2. 晶体（基质）结构
      • 晶体中空隙愈大，结构愈疏松，易形成固溶体
    • 3 . 电价因素
  • 形成固溶体后对晶体性质的影响
    • 1、稳定晶格，阻止某些晶型转变的发生
    • 2、活化晶格
    • 3、固溶强化
    • 4、形成固溶体后对材料物理性质的影响
• 晶体结构缺陷的类型
  • 按缺陷的几何形态分类
    • 点缺陷
      • 空位
        • 正常结点没有被质点占据，成为空结点
      • 间隙原子
        • 质点进入正常晶格的间隙位置，成为间隙质点
      • 杂质质点
        • 外来质点进入正常结点位置或晶格间隙，形成杂质缺陷
      • 点缺陷与材料的电学性质、光学性质、材料的高温动力学过程等有关
    • 线缺陷（位错）
      • 在一维方向上偏离理想晶体中的周期性、规则性排列所产生的缺陷，即缺陷尺寸在一维方向较长，另外二维方向上很短
      • 刃位错
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      • 螺位错
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      • 线缺陷的产生及运动与材料的韧性、脆性密切相关。
      • 混合位错
        • 刃位错和螺位错
    • 面缺陷
      • 面缺陷又称为二维缺陷，是指在二维方向上偏离理想晶体中的周期性、规则性排列而产生的缺陷，即缺陷尺寸在二维方向上延伸，在第三维方向上很小。如晶界、表面、堆积层错、镶嵌结构等。
      • 抽出型层错
      • 插入型层错
      • 面缺陷的取向及分布与材料的断裂韧性有关
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    • 体缺陷
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  • 按缺陷产生的原因分类
    • 热缺陷
      • 热缺陷亦称为本征缺陷，是指由热起伏的原因所产生的空位或间隙质点（原子或离子）
      • 弗仑克尔缺陷
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      • 肖特基缺陷
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      • 温度升高时，热缺陷浓度增加
    • 杂质缺陷
      • 亦称为组成缺陷，是由外加杂质的引入所产生的缺陷
      • 取代式
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      • 间隙式
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      • 特征:如果杂质的含量在固溶体的溶解度范围内，则杂质缺陷的浓度与温度无关
    • 非化学计量缺陷
      • 指组成上偏离化学中的定比定律所形成的缺陷。 它是由基质晶体与介质中的某些组分发生交换而产生。
      • 特点: 其化学组成随周围气氛的性质及其分压大小而变化
    • 其它原因
      • 电荷缺陷
        • 质点排列的周期性未受到破坏，但因电子或空穴的产生，使周期性势场发生畸变而产生的缺陷
      • 辐照缺陷
        • 材料在辐照下所产生的结构不完整性