材料科学基础第三章晶体缺陷

这是一篇关于材料科学基础第三章、晶体缺陷的思维导图，主要内容有1定义:原子排列偏离完整性的区域2分类、3点缺陷、4位错等。

第三章、晶体缺陷

• 1||| 定义：原子排列偏离完整性的区域
• 2||| 分类：
  • 点缺陷
    • 三维空间各方向尺寸都很小，尺寸范围约为一个或几个原子，包括，空位，间隙原子，杂质或溶质原子
  • 线缺陷
    • 一个方向很长，但是在其他方向很小，包括：刃型位错，螺型位错，混合位错
  • 面缺陷
    • 两个方向尺寸很长，但是在一个方向很小，包括，晶界，相界，孪晶界和堆垛层错
• 3||| 点缺陷
  • （1） 定义
    • A. 结点上或者邻近的微观结构偏离晶体结构正常排列
  • （2） 种类
    • A. 空位
    • B. 杂质原子
    • C. 间隙原子
    • D. 溶质原子
  • （3） 形成原因
    • A. 当原子热振动获得足够大的振动能时
      • 克服周围原子对它的制约作用
        • 迁移到新的位置（三个去处）
          • 形成点缺陷
  • （4） 分类
    • A. 肖特基缺陷
      • 晶体内部原子迁移到表面或内表面正常结点位置，仅形成空位
    • B. 弗兰克位错
      • 晶体内部原子迁移到间隙，在晶体中同时形成数目相等的空位和间隙原子
    • C. 杂质或溶质原子
      • 晶体表面的原子进入晶体内部的间隙位置形成间隙原子，或置换原子
  • （5） 能量变化
    • A. 点缺陷造成弹性畸变
      • 发生点阵畸变
      • 割断键力
      • 改变周围的电子能
        • 使晶体内能升高
          • 体系自由能升高
            • 热力学稳定性降低
    • B. 点缺陷造成原子排列混乱
      • 改变周围原子的振动频率
        • 导致组态熵和振动熵的改变
          • 晶体熵值增加
            • 热力学稳定性增加
  • （6） 热平衡缺陷
    • A. 由于热起伏促使原子脱离点阵位置而形成的点缺陷
  • （7） 过饱和缺陷
    • 晶体中点缺陷数量超过平衡浓度
  • （8） 点缺陷平衡浓度
    • A. 空位的平衡浓度
      • 点阵畸变
        • 体系自由能升高
          • 热力学稳定性减少
      • 排列混乱度大
        • 体系熵值增加
          • 热力学稳定性增加
      • 一定温度下，具有一定的热力学平衡浓度
        • 区别于其他晶体缺陷的重要特点
      • 公式
    • B. 点缺陷浓度的测定
      • 示差膨胀法
      • 正电子湮灭测定法
  • （9） 点缺陷对晶体的影响
    • A. 电子层面
      • 附加电子散射
        • 电阻增加
      • 改变电子态
        • 影响物理性能
    • B. 点阵畸变
      • 间隙原子
        • 体积膨胀1-2个原子体积
      • 空位
        • 体积膨胀0.5个原子体积
    • C. 屈服强度
      • 过饱和点缺陷，如淬火空位，辐射缺陷，还可以提高金属的屈服强度
    • D. 对扩散、内耗、高温变形和热处理等过程有重要影响
• 4||| 位错
  • （1） 定义
    • A. 位错
      • 是晶体原子排列的一种特殊组态
    • B. 滑移线
      • 晶体中相邻两部分在切应力作用下沿着一定的晶面和晶向相对滑动，滑移的结果是在晶体表面表现出明显的滑移痕迹
  • （2） 分类
    • A. 刃型位错
    • B. 螺型位错
    • C. 混合位错
  • （3） 刃型位错
    • A. 定义
      • ABCD面(滑移面)上下两部分晶体之间产生了原子错排，故称刃型位错，半原子面与滑移面的交线EF为刃型位错线
    • B. 特点
      • a. 有一个额外的半原子面
        • 正刃型位错，额外半原子面在滑移面以上
        • 负刃型位错，额外半原子面在滑移面一下
      • b. 刃型位错线可以理解为晶体中已滑移与未滑移区的边界线
      • c. 滑移面必须同时含有位错线和滑移矢量，滑移面唯一
      • d. 位错线与滑移矢量垂直
      • e. 刃型位错既有切应变，又有正应变，线缺陷
      • f. 多半原子面的部分整体受压，其余部分受拉
  • （4） 螺型位错
    • A. 定义
      • 原子面部分错动一个原子间距
        • 形成不吻合过渡区
          • 称为螺型位错
            • 形成畸变区
              • 纯剪切应变
    • B. 特点
      • a. 螺型位错无额外半原子面，原子排列呈轴对称
      • b. 根据左右手定则，可分为左旋和右旋螺型位错
      • c. 螺型位错与滑移矢量平行，为直线，且位错线的移动方向与晶体滑移方向互相垂直
      • d. 纯螺位错位错的滑移面不是唯一的，凡是包含螺型位错线的平面都可以作为他的滑移面
      • e. 螺型位错周围的点阵也发生了弹性畸变，但是只出现平行与位错线的切应变而无正应变，不会引起体积的膨胀和收缩，且垂直于位错线的平面投影上，看不到原子的位移，看不到缺陷
      • f. 螺位错周围的点阵畸变随离位错线距离的增加而急剧减少，故也是线缺陷
  • （5） 混合位错
    • A. 定义
      • 滑移矢量既不平行于位错线也不垂直于位错线，而是与位错线成任意角度
    • B. 特点
  • （6） 位错线特点：
    • 一根位错线不能终止于晶体内部，只能露头与晶体表面或者晶界，若他终止于晶体内部，必然与其他位错线连接，形成位错环
• 5||| 伯氏矢量
  • （1） 定义
    • A. 反映位错区畸变的方向与程度
  • （2） 确定伯氏矢量
    • A. 刃型
      • 选定正方向，一般规定出纸面的方向为正方向
      • 实际晶体中，从任一原子出发，围绕位错（避开位错线附近的严重畸变区），以一定的步数做一右旋闭合回路MNPQ（伯氏回路），利用右旋定则，大拇指指向位错线正方向，
      • 在完整的理想晶体结构中按相同的方向和步数作相同的回路，该回路并不封闭，由终点Q向起点M做一矢量b，使该回路闭合，这个b就是实际晶体中位错的伯氏矢量
      • 无晶体图时，用右手定则
      • 有晶体图时，用旋转法，b旋转90度
        • 与位错线正方向相同，正刃型位错
        • 与位错线正方向相反，负刃型位错
    • B. 螺型
      • 基本与刃型位错的处理方法相同
      • 位错线正方向还是指向纸面外，左手左螺，右手右螺
      • 有晶体图时与螺纹判断方法一致，左螺，右螺
      • 无晶体图时用关系法，b与位错线方向，顺右逆左
  • （3） 伯氏矢量的特性
    • A. 守恒性
      • 满足右螺旋规则时，伯氏矢量与伯氏回路无关
    • B. 矢量性
      • 用伯氏回路求得的伯氏矢量为回路中包围的所有位错的伯氏矢量的综合
    • C. 唯一性
      • 同一位错，伯氏矢量处处相等
    • D. 连续性
      • 位错在晶体中的形态，形成闭合的位错环，连接于其他位错，终止在晶界，或者露头于晶体表面，但是不能中断于晶体内部。
    • E. 物理意义
  • （4） 三种位错的比较及主要特性
  • （5） 伯氏矢量的表示法
    • A. 伯氏矢量的大小和方向可以用它在晶轴上的分量，即点阵矢量a,b,c表示
    • B. 对于立方晶系，由a=b=c，故可用与伯氏矢量b同向的晶向指数表示。
    • C. 用伯氏矢量的模
    • D. 同一晶体中，伯氏矢量越大，表明该位错导致点阵畸变越严重，它所在的能量也越高，能量越高的位错通常倾向于分解成两个或多个能量较低的位错，降低体系自由能
    • E.
• 6||| 位错的运动
  • （1） 定义
    • 位错的滑移实在外加切应力的作用下，通过位错中心附近的原子沿着伯氏矢量方向在滑移面上不断作少量的位移，(小于一个原子间距)而逐步实现的
  • （2） 刃型位错的滑移过程
    • A. 过程
      • 半原子面依次逐步运动
    • B. 特点
      • 位错线逐渐依次前进，实现两原子面的相对滑移，
      • 滑移量等价于伯氏矢量的模
      • 外加t//b，位错线垂直t
      • 位错线运动方向//t
      • 滑移面唯一
      • t一定时，正负位错运动方向相反，但最终滑移效果相同
  • （3） 螺型位错的滑移过程
    • A. 过程
    • B. 特点
      • 位错依次滑移，实现原子面的滑移
      • 滑移量=伯氏矢量的模
      • t//b，位错线//t，位错运动方向垂直于t
      • t一定时，左右螺位错运动方向相反，但最终效果一样
      • 滑移面不唯一
  • （4） 位错滑移的特征比较
• 7||| 位错的攀移
  • （1） 定义
    • A. 刃型位错垂直于滑移面的方向运动
  • （2） 分类
    • A. 正攀移
      • 多余半原子面向上运动，正攀移
        • 原子扩散离开位错线
          • 半原子面缩短
        • 空位扩散到达位错线
          • 半原子面缩短
    • B. 负攀移
      • 多余半原子面向下运动，负攀移
        • 原子扩散到达位错线
          • 半原子面伸长
        • 空位扩散离开位错线
          • 半原子面伸长
  • （3） 物理意义
    • A. 非塑性变形的主要机制
      • 可以利用攀移避开障碍物进一步滑移
    • B. 结论
      • 攀移能力
        • 影响滑移进行
          • 进一步影响塑性变形能力
  • （4） 特点
    • A. 刃型位错垂直于滑移面运动
      • 非守恒运动
        • 原子空位数发生变化
    • B. 攀移需要原子扩散
      • 扩散需要热激活
        • 所以高温下易出现攀移
    • C. 作用
      • 刃型位错在原来的原子面滑移受阻
        • 利用攀移
          • 出现新的滑移面
            • 继续滑移
• 8||| 位错的弹性性质
  • （1） 形成
    • 位错在晶体中的存在，导致周围原子偏移平衡位置，而导致点阵畸变和弹性应力场的产生
  • （2） 基本概念
    • 应力
      • 在所考察的截面某一点单位面积上的内力
    • 正应力
      • 同截面垂直的
    • 切应力
      • 同截面相切
    • 应变
      • 物体在受到外力作用下会产生一定的变形，变形的程度
  • （3） 位错的应力场
    • 连续介质模型
      • 对中心区域以外的区域适用
      • 完全弹性体，服从胡克定律
      • 各向同性
      • 连续介质，能用连续函数表示
    • 直角坐标系下一点应力状态
    • 圆柱坐标一点应力分量
  • （4） 位错应变能
    • 位错周围点阵畸变
      • 引起弹性应力场
        • 晶体能量增加
    • 位错的能量
      • • 位错应力场引起
    • 刃型位错应变能
    • 螺型位错应变能
    • 混合位错的应变能
    • 结论
      • 位错的能量包含两部分
        • 位错中心畸变能，弹性畸变能
      • 位错应变能与伯氏矢量的平方成正比
      • 螺型位错的弹性应变能为刃型位错的2/3
      • 位错线有尽量变直和缩短其长度的趋势
      • 位错是热力学不稳定的晶体缺陷
  • （5） 位错线张力
    • 定义
      • 是一种阻力态，可定义为使位错增加单位长度所需要的能量，所以位错的线张力可以近似
        • 使位错线变直的力
  • （6） 作用在位错上的切应力
• 9||| 位错的交互与位错塞积
  • （1） 平行位错的相互作用
    • A. 同号位错
      • 子主题
      • 同号位错相互排斥
        • 使体系能量下降
    • B. 异号位错
      • 异号位错合并、抵消或b减小
        • 异号位错相吸
          • 是体系能量下降
  • （2） 位错之间的交互作用位错交割
    • A. 定义
      • 当一位错在某滑移面上运动时，会与穿过滑移面的其他位错(通常将穿过此滑移面的其他位错称为林位错)交割。
    • B. 分类
      • 扭折
        • 扭折线在位错滑移面上
          • 不稳定，易消失，不影响滑移
      • 割阶
        • 扭折线垂直于滑移面
          • 不在原滑移面上的扭折
      • 螺型位错
        • 刃型位错
    • C. 四种典型的位错交割
      • 两个伯氏矢量相互垂直的刃型位错的交割
      • 两个伯氏矢量相互平行的刃型位错的交割
      • 两个伯氏矢量垂直的刃型位错和螺型位错的交割
      • 两个伯氏矢量相互垂直的螺型位错的交割
        • • 这种刃型割阶阻碍螺位错的移动
    • D. 扭折和割阶对比
      • 所有的割阶都是刃型位错
      • 扭折可以刃型也可以是螺型
        • 扭折容易在线张力作用下消失
        • 扭折与原位错线在同一滑移面上，可随主位错线一起运动，不产生阻力
      • 大小，位错线正方向取决于另一位错的伯氏矢量
        • 具有原位错线的伯氏矢量
    • E. 割阶对螺位错钉扎
      • • a. 小割阶
          • 高度在一两个原子间距
            • 被拖着一起运动，在后面留下一串点缺陷
        • b. 中等割阶
          • 高度两者之间
            • 位错线不可能被拖着走，在外应力作用下，割阶之间的位错线弯曲，位错前进会留下一对被拉长的异号刃型位错NP与MO形成位错偶
              • 为了降低应变能，这种位错偶会断开而留下一个长的位错环，而位错线回复原来带割阶的状态
        • c. 非常大割阶
          • 高度在20nm以上，
            • 割阶两端位错相距太远，他们之间相互作用小，在各自独立的滑移面上进行滑移，以割阶为轴，在滑移面上旋转，位错NY与位错XM各自独立运动
      • 刃型位错的割阶，一般与原位错线的滑移方向一致，能与原位错一起滑移，但是割阶的滑移面不一定是晶体排列最密排面，故运动时割阶运动所受到晶格阻力较大，但是相比于螺位错割阶较小
    • F. 位错塞积
      • 位错与面位错交互作用
        • 位错滑移
          • 遇到障碍物
            • 产生位错塞积
              • 导致前端应力高度集中
                • 结果
                  • 破裂
                  • 障碍物另侧塑变
                  • 交滑移、攀移
                    • 越过障碍物继续滑移
                  • 应力松弛
    • G. 割阶硬化
      • 割阶与原位错不在同一个滑移面上，除非产生攀移，否则割阶就不能跟随主位错线运动，造成位错运动的阻碍，称为
      • 螺位错的割阶硬化>刃位错的割阶硬化
• 10||| 位错密度
  • 单位体积内晶体所含的位错线的长度
  • 穿过单位面积的位错线数目
• 11||| 位错的生成
  • （1） 凝固过程分布不均匀
    • 由于熔体中杂质原子在凝固过程中不均匀分布使晶体的先后凝固部分成分不同，从而点阵常数也有差异，可能形成位错作为过渡，
  • （2） 梯度、振动
    • 由于温度梯度、浓度梯度、机械振动等的影响，致使生长着的晶体偏转或弯曲引起相邻晶块之间有位相差，它们之间就会形成位错，
  • （3） 液流冲击
    • 晶体生长过程中由于相邻晶粒发生碰撞或因液流冲击，以及冷却时体积变化的热应力等原因会使晶体表面产生台阶或受力变形而形成位错。
  • （4） 自高温快速凝固
    • 由于自高温较快凝固及冷却时晶体内存在大量过饱和空位，空位的聚集能形成位错。
  • （5） 组织应力作用
    • 晶体内部的某些界面（如第二相质点、挛品、晶界等）和微裂纹的附近，由于热应力和组织应力的作用，往往出现应力集中现象，当此应力高至足以使该局部区域发生滑移时，就 在该区域产生位错。
• 12||| 位错的增殖
  • （1） 弗兰克——里德位错源
    • • • 沿位错b的方向施加切应力
          • 使位错线沿着滑移面向前移动
        • 由于DC两端被固定
          • 使位错线发生弯曲
        • 单位长度位错线所收到的滑移力垂直滑移线，
          • 单位位错线焱各自的法线方向扩展
        • 继续施加应力
          • 位错环继续向外扩张
          • 内部弯曲的位错线变直，恢复原始状态
            • 继续上述操作
              • 形成新的位错环
        • 继续弯曲，AB两侧出现异号异号位错
          • 相互抵消
            • 形成封闭的位错环和位错环内一段小的位错线
  • （2） 其他增殖机制
    • A. 螺位错双交滑移增殖
    • B. 攀移增殖
• 13||| 实际晶体的位错
  • （1） 点阵矢量
    • 不能任意两个点阵进行连接，
      • 在符合能量条件和结构条件的前提下
        • 伯氏矢量必须连接一个原子平衡位置到另一个平衡位置
        • 从能量条件看
          • 由于位错能量正比于b的平方，b越小越稳定
  • （2） 实际晶体中的位错类型
    • A. 全位错
      • 伯氏矢量等于n倍包括n=1点阵矢量
    • B. 单位位错
      • n=1
    • C. 不全位错
      • 伯氏矢量大于点阵矢量
      • 伯氏矢量不是n倍点阵矢量
    • D. 部分位错
      • n小于1
  • （3） 形成位错的条件
    • A. 形成单位位错的条件
      • 结构条件
        • 伯氏矢量必须连接一个原子平衡位置到另一个平衡位置
      • 能量条件
        • 由于位错能量正比于b的平方，b越小越稳定
          • 密排面上一定有单位位错
      • 伯氏矢量=最短点阵矢量
    • B. 形成全位错的条件
      • 结构条件
        • 伯氏矢量必须连接一个原子平衡位置到另一个平衡位置
  • （4） 典型晶体结构中单位位错的伯氏矢量
  • （5） 全位错类型
    • • 注意结构条件和能量条件的
  • （6） 堆垛层错
    • A. 形成
      • 实际晶体结构中，密排面的正常堆垛次序可能遭到破坏和错排，称为堆垛层错
    • B. 分类
    • C. 特点
      • 畸变很小，但仍有畸变能
      • 材料的层错能越低，层错数量越多
  • （7） 不全位错（以面心立方为例
    • A. 形成
      • 若堆垛层错不发生在晶体整个原子面上而只是部分区域存在，那么，在层错与完整晶体的交界处就存在伯氏矢量不等于点阵矢量的不全位错
    • B. 分类
    • C. 肖克利不全位错
      • 伯氏矢量在滑移面上
        • 可以滑移
      • 有层错相连
        • 不能攀移
      • 有位错运动
        • 相当于层错面的扩大或缩小
      • 位错类型
        • 刃型位错，螺型位错，混合位错
      • 右侧晶体正常顺序排列，左侧晶体发生肖克利不全位错，滑移，交界线为M点所在位置，注意，竖着看，立体突出一个面
      • 可动位错
    • D. 弗兰克不全位错
      • 固定位错，不滑动位错
      • 伯氏矢量垂直于滑移面，不可滑移，只能攀移，形成新的滑移面
      • 位错运动
        • 相当于层错面的扩大或缩小，不过不在同一个面上
      • 位错类型
        • 纯刃型位错
  • （8） 位错反应
    • A. 目的
      • 位错合并
        • 两个或多个畸变场合并
      • 位错分解
        • 畸变场拆分两个或多个畸变场
      • 实质使畸变场的合并与拆分
        • 实现降低能量
    • B. 反应条件
      • 能量条件
        • 反应前后伯氏矢量和相等(大小方向)
      • 几何条件
        • 反应后能量变低，由于位错能正比于b的平方，近似用b计算
  • （9） 扩展位错
    • A. 定义
      • 一个全位错分解为两个不全位错，中间夹着一个层错的位错组态
    • B. 形成过程
    • C. 特点
      • 两个肖克利位错在同一滑移面上，同号，且伯氏矢量的夹角为为60度到90度
      • 两个肖克利位错相互排斥而远离，但是由于层错的界面能张力而靠近，斥力与张力平衡时形成稳定组态
    • D. 扩展位错的束集
      • 扩展位错的宽度
      • 层错能越高
        • 扩展位错的宽度越窄
          • 也有利于束集
            • 发生交滑移
              • 材料变形能力越强
  • （10） 面角位错
    • A. 定义
      • 三个不全位错与两片层错构成的位错组态
    • B. 特点
      • FCC中除了弗兰克位错的又一类固定位错
    • C. 形成过程
      • • 子主题
• 14||| 面缺陷
  • （1） 分类
    • A. 外表面
    • B. 内表面
      • 晶界
        • 大角度晶界：相邻晶粒位向差大于10°
        • 小角度晶界：相邻晶粒位向差小于10°，亚晶界属于小角度晶界，位向差小于2°
          • 对称倾斜晶界
          • 不对称倾斜晶界
      • 孪晶界
      • 相界
  • （2） 晶界
    • 定义
      • 晶体由许多晶粒组成，属于同一固相但未向不同的晶粒之间的界面
    • 晶界能
      • • 小角度晶界公式
      • 适用于小角度晶界
    • 晶界特性
      • 晶界处点阵畸变大
        • 存在晶界能
          • 晶粒长大和晶界平直化都会减少晶界面积
            • 降低晶界总能量
      • 晶界处原子排列不规则
        • 常温下晶界存在会对位错运动起到一定阻碍作用，
          • 使得塑性变形抗力提高
            • 宏观表现为晶界较晶内具有较高的强度和硬度
              • 晶粒越细
                • 材料的强度越高
        • 高温下下晶界存在一定的粘滞性
          • 使相邻晶粒产生相对滑动
      • 原子偏离平衡位置
        • 具有较高的动能
          • 晶界存在较多缺陷
            • 空穴，杂质原子和位错
              • 故晶界处原子扩散比晶内快
      • 固态相变过程中
        • 晶界能量较高
          • 原子活动能力大
            • 所以新相易于在晶界处优先形核
      • 由于成分偏析和内吸附现象
        • 特别是晶界富集杂质原子情况下，往往晶界熔点低，加热过程中，因温度过高将引起晶界熔化和氧化，导致过热
      • 由于晶界能量高，原子处于不稳定状态，以及晶界富集杂质原子情况下
        • 晶界腐蚀速度快
  • （3） 小角度晶界
    • A. 分类
      • 对称倾斜晶界
        • 相邻两侧晶界相互转动，转动角度为θ/2
        • 同号刃型位错垂直排列
      • 不对称倾斜晶界
        • 相互垂直的两组刃位错垂直排列
    • B. 特点
      • θ小于10°
      • 由位错构成
      • 位错密度越大
        • 位向差越大
          • 晶格畸变越大
            • 晶界能越大=-
  • （4） 孪晶界
    • 两晶粒沿着公共面形成镜面对称的位向关系
    • 分类
      • 共格界面
        • 孪晶面上的原子同时位于两个晶体点阵的结点上。为两个晶体所共有，属于自然完全的匹配，界面能极低，为普通的1/10
      • 非共格界面
        • 孪晶面相对于孪晶界旋转一定角度，即可得到另一种孪晶界，孪晶界只有部分原子被两部分晶体共有，原子错排严重，能量相对较高，为普通晶界的1/2
  • （5） 相界
    • A. 定义具有不同结构两相之间的界面
    • B. 分类
      • 共格
        • 界面上的原子同时位于两相晶格的结点上，即两相的晶格是彼此衔接的，界面原子被共有，理想的
        • 产生小的弹性畸变的共格
      • 半共格晶面
        • 部分共格加位错
      • 非共格界面
        • 点阵完全不重合