03 材料科学基础 第三章 晶体缺陷 教案.pdf

第 3 章 晶体缺陷 前 言 前面章节都是就理想状态的完整晶体而言，即晶体中所有的原子都在各自的平衡位置， 处于能量最低状态。然而在实际晶体中原子的排列不可能这样规则和完整，而是或多或少地 存在离开理想的区域，出现不完整性。正如我们日常生活中见到玉米棒上玉米粒的分布。通常 把这种偏离完整性的区域称为晶体缺陷（crystal defect; crystalline imperfection) 。缺陷的产生 是与晶体的生成条件、晶体中原子的热运动、对晶体进行的加工过程以及其它因素的作用等 有关。但必须指出，缺陷的存在只是晶体中局部的破坏。它只是一个很小的量(这指的是通 常的情况) 。例如 20 ℃时，Cu 的空位浓度为 3.8×10 －17，充分退火后铁中的位错密度为 1012m-2 （空位、位错都是以后要介绍的缺陷形态）。所以从占有原子百分数来说，晶体中 的缺陷在数量上是微不足道的。但是，晶体缺陷仍可以用相当确切的几何图像来描述。 在晶体中缺陷并不是静止地、稳定不变地存在着，而是随着各种条件的改变而不断变动 的。它们可以产生、发展、运动和交互作用，而且能合并消失。晶体缺陷对晶体的许多性能 有很大的影响，如电阻上升、磁矫顽力增大、扩散速率加快、抗腐蚀性能下降，特别对塑性、 强度、扩散等有着决定性的作用。 20 世纪初，X 射线衍射方法的应用为金属研究开辟了新天地，使我们的认识深入到原子 的水平；到 30 年代中期，泰勒与伯格斯等奠定了晶体位错理论的基础；50 年代以后，电子 显微镜的使用将显微组织和晶体结构之间的空白区域填补了起来，成为研究晶体缺陷和探明 金属实际结构的主要手段，位错得到有力的实验观测证实；随即开展了大量的研究工作，澄 清了金属塑性形变的微观机制和强化效应的物理本质。 按照晶体缺陷的几何形态以及相对于晶体的尺寸，或其影响范围的大小，可将其分为以 下几类： 1.点缺陷(point defects) 其特征是三个方向的尺寸都很小，不超过几个原子间距。如：空 位(vacancy)、间隙原子(interstitial atom)和置换原子(substitutional atom) 。除此以外，还有空 位，间隙原子以及这几类缺陷的复合体等均属于这一类。这里所说的间隙原子是指应占据正 常阵点的原子跑到点阵间隙中。 2.线缺陷（linear defects) 其特征是缺陷在两个方向上尺寸很小（与点缺陷相似），而第三 方向上的尺寸却很大，甚者可以贯穿整个晶体，属于这一类的主要是位错(dislocation)( 图 3 －01 ）。 3.面缺陷(interfacial defects) 其特征是缺陷在一个方向上的尺寸很小（同点缺陷），而其余 两个方向上的尺寸很大。晶体的外表面(external surfaces)及各种内界面如：一般晶界(grain boundaries)( 图3 －02、图 3 －03 ）、孪晶界(twin boundaries)、亚晶界（sub-boundaries ）、相界 (phase boundaries)及层错(stacking faults)等均属于这一类。 3.1 点缺陷 晶体中的点缺陷（point defect ）是在晶体晶格结点上或邻近区域偏离其正常结构的一种缺 陷，它是最简单的晶体缺陷，在三维空间各个方向上尺寸都很小，范围约为一个或几个原子 尺度。所有点缺陷的存在，都破坏了原有原子间作用力的平衡，造成临近原子偏离其平衡位 置，发生晶格畸变(distortion of lattice)，使晶格内能升高。 3.1.1 点缺陷 晶体中的点缺陷（point defect ）是在晶体晶格结点上或邻近区域偏离其正常结构的一种缺陷， 它是最简单的晶体缺陷，在三维空间各个方向上尺寸都很小，范围约为一个或几个原子尺度。 所有点缺陷的存在，都破坏了原有原子间作用力的平衡，造成临近原子偏离其平衡位置，发 生晶格畸变(distortion of lattice)，使晶格内能升高。 3.1.1.1 点缺陷的类型 1.金属晶体中的点缺陷 金属晶体中常见的点缺陷有空位(vacancy) 、间隙原子(interstitial atom) 、置换原子 (sbustitutional atom)等。如图 3-04 所示。晶体中位于晶格结点上的原子并非静止不动的，而 是以其平衡位置为中心