第2章晶體缺陷
晶體缺陷
實際晶體中某些區域性區域，原子排列是紊亂、不規則的，這些原子排列規則性受到嚴重破壞的區域統稱為「晶體缺陷」。
晶體缺陷分類：
1)點缺陷： 如空位、間隙原子和置換原子等。
2)線缺陷：主要是位錯。
3)面缺陷：如晶界、相界、層錯和表面等。
2.1 點缺陷
空位 —— 晶體中某結點上的原子空缺了，則稱為空位。
點缺陷的形成：
肖特基空位：脫位原子遷移到晶體表面或者內表面的正常結點位置，從而使晶體內部留下空位，這樣的空位稱為肖特基(schottky)空位。（內部原子遷移到表面）
肖特基(schottky)空位弗侖克耳(frenkel)空位
弗侖克耳空位：脫位原子擠入點陣空隙，從而在晶體中形成數目相等的空位和間隙原子，稱為弗侖克耳(frenkel)空位。（由正常位置遷移到間隙）
外來原子：
外來原子也可視為晶體的點缺陷，導致周圍晶格的畸變。
外來原子擠入晶格間隙（間隙原子），或置換晶格中的某些結點（置換原子）。
空位的熱力學分析： 空位是由原子的熱運動產生的，晶體中的原子以其平衡位置為中心不停地振動。對於某單個原子而言，其振動能量也是瞬息萬變的，在某瞬間原子的能量高到足以克服周圍原子的束縛，離開其平衡位置從而形成空位。
空位是熱力學穩定的缺陷
點缺陷的平衡濃度
系統自由能 f=u- ts (u為內能，s為總熵值，t為絕對溫度)
平衡機理：實際上為兩個矛盾因素的平衡
a 點缺陷導致彈性畸變使晶體內能u增加，使自由能增加，降低熱力學穩定性
b 使晶體中原子排列混亂度增加，熵s增加，使自由能降低，增加降低熱力學穩定性
熵的變化包括兩部分：
空位改變它周圍原子的振動引起振動熵，sf。
空位在晶體點陣中的存在使體系的排列方式大大增加，出現許多不同的幾何組態，使組態熵sc增加。
空位濃度，是指晶體中空位總數和結點總數(原子總數)的比值。
隨晶體中空位數目n的增多，自由能先逐漸降低，然後又逐漸增高，這樣體系中在一定溫度下存在乙個平衡空位濃度，在平衡濃度下，體系的自由能最低。
（如圖）
平衡濃度計算 : c = aexp[-qf / (rt)]
式中 c為溫度t時平衡空位濃度；a=exp(δsf /k) 是由振動熵決定的係數，約為1~10 ,其值常取1；qf =naev為形成1摩爾空位所需做的功，單位j/mol。t為體系所處的熱力學溫度；r=kna為氣體常數，約為8.31 j /（molk）。
溫度公升高，空位平衡濃度增大; 空位形成能ev大，空位平衡濃度小。
下述幾種條件下，產生過飽和空位：
1)淬火 ： 高溫淬火把產生的空位保留到室溫；
2)冷加工 ：冷加工可以促進點缺陷的形成
3)高能粒子輻射 ：高能量粒子擊發使原子遷移出正常位子
四、點缺陷的運動
在一定溫度下，晶體中達到統計平衡的空位和間隙原子的數目是一定的，而且晶體中的點缺陷並不是固定不動的，而是處於不斷的運動過程中。在運動過程中，當間隙原子與乙個空位相遇時，它將落人該空位，而使兩者都消失，這一過程稱為復合。
空位移動所造成的原子遷移，即金屬晶體中的自擴散，晶體中原子的擴散就是依靠空位遷移而實現。材料加工工藝不少過程都以擴散作為基礎，例如化學熱處理、均勻化處理、退火與正火、時效等過程無一不與原子的擴散相聯絡。提高這些工藝的處理溫度可以大幅度提高過程的速率，是因為空位濃度及空位遷移速度隨溫度的上公升而增加。
5．空位對金屬效能的影響
1)空位引起點陣畸變，破壞了原子排列的規律性，使電子在傳導時的散射增加，增加電阻。
2)引起體積膨脹，密度下降。
可以利用電阻或密度的變化測量晶體中的空位濃度或研究空位在不同條件下的變化規律。
3)空位對常溫力學效能的影響不大，過飽和空位與其它晶體缺陷發生互動作用，因而使材料強度提高，但同時也引起顯著的脆性。
4)空位的存在及其運動是晶體發生高溫蠕變的重要原因之一。
2.2 位錯(線缺陷)的基本型別及特徵
位錯的提出
工程材料的理論切變強度與實際強度相差100～1000倍。
原因: 非理想晶體, 存在區域性滑移缺陷(位錯)
位錯的基本型別：
①刃型位錯②螺型位錯③混合位錯
2.2.1刃型位錯
刃型位錯可以想像為在晶體內有一原子平面中斷於晶體內部，如同一把刀刃插入晶體中，使這一晶面上下兩部分晶體之間產生了原子錯排，稱為刃型位錯。這個原子平面中斷處的邊沿及其周圍區域就是乙個刃型位錯。
含有刃型位錯的晶體結構示意圖：
刃型位錯結構的特點：
1刃型位錯有乙個額外的半原子面。把此半原子面在滑移面上邊的稱為正刃型位錯，記為「┻」；把此面在下邊的稱為負刃型位錯，記為「┳」。
2刃型位錯線可理解為晶體中已滑移區與未滑移區的邊界線。它不一定是直線，也可以是折線或曲線，但它必與滑移方向相垂直，也垂直於滑移向量。
3滑移面必定是同時包含有位錯線和滑移向量的平面，在其他面上不能滑移。由於在刃型位錯中，位錯線與滑移向量互相垂直，因此，由它們所構成的滑移面只有乙個。
4晶體中存在刃型位錯之後，位錯周圍的點陣發生彈性畸變，既有正應變，又有切應變。就正刃型位錯而言，滑移面上方點陣受到壓應力，下方點陣受到拉應力：負刃型位錯與此相反。
2.2.2 螺型位錯
假定在一塊簡單立方晶體中，沿某一晶面切一刀縫，貫穿於晶體右側至bc處，然後在晶體的右側上部施加一切應力 ，使右端上下兩部分晶體相對滑移乙個原子間距，由於bc線左邊晶體未發生滑移，於是出現了已滑移區與未滑移區的邊界bc
在滑移區上下兩層原子發生了錯動，晶體點陣畸變最嚴重的區域內的兩層原子平面變成螺旋麵。畸變區的尺寸與長度相比小得多，在這畸變區範圍內稱為螺型位錯，已滑移區和未滑移區的交線bc則稱之為螺型位錯線。
螺型位錯結構的特點：
1螺型位錯無額外半原子面，原子錯排是呈軸對稱的。
2根據位錯線附近呈螺旋形排列的原子的旋轉方向不同，螺型位錯可分為右旋和左旋螺型位錯。
3螺型位錯線與滑移向量平行，因此螺型位錯線一定是直線，而且位錯線的移動方向與晶體滑移方向互相垂直。
4純螺型位錯的滑移面不是唯一的。凡是包含螺型位錯線的平面都可以作為它的滑移面。但實際上，滑移通常是在那些原子密排面上進行。
5螺型位錯線周圍的點陣也發生了彈性畸變，但是，只有平行於位錯線的切應變而無正應變，即不會引起體積膨脹和收縮，且在垂直於位錯線的平面投影上，看不到原子的位移，看不出有缺陷。
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