1、1第四章 晶體中的點缺陷與線缺陷理想晶體：熱力學上最穩定的狀態，內能最低，存在于K。真實晶體：在高于0K的任何溫度下，都或多或少地存在著對理想晶體結構的偏離。 實際晶體結構中和理想點陣結構發生偏離的區域，就是晶體結構缺陷。或：造成晶體點陣結構的周期勢場畸變的一切因素，都稱之為晶體缺陷。 晶體結構缺陷與固體的電學性質、機械強度、擴散、燒結、化學反應性、非化學計量化合物組成以及對材料的物理化學性能都密切相關。只有在理解了晶體結構缺陷的基礎上，才能闡明涉及到質點遷移的速度過程。掌握晶體結構缺陷的知識是掌握材料科學的基礎。21、點缺陷：零維缺陷，尺寸在一、二個原子大小的級別。 按點缺陷產生原因劃分：熱

2、缺陷、雜質缺陷、非化學計量結構缺陷：2、線缺陷：一維缺陷，通常指位錯。3、面缺陷：二維缺陷，如：界面和表面等。按作用范圍和幾何形狀分：缺陷分類晶體中最基本的點缺陷是點陣空位和填隙原子。本征缺陷：產生于純凈無缺陷理想晶體結構中。非本征缺陷：由于雜質原子的存在而形成的。 比如替代雜質原子和填隙雜質原子 又稱為雜質點缺陷或非本征點缺陷341. 點缺陷的類型 按偏離理想晶格的幾何位置及成分劃分：（1）填隙原子：原子進入晶體中正常結點之間的間隙位置，成為填隙原子或間隙原子。CaF2（2）空位：正常結點沒有被原子或離子所占據，成為空結點。ZnO、TiO2（3）雜質原子：取代晶格中的原子，進入正常結點位置或

3、進入間隙位置的雜質原子。雜質取代缺陷雜質填隙缺陷4-1 熱力學平衡態點缺陷熱力學平衡態點缺陷：由于熱振動而引起的理想晶體結構的點缺陷。5熱缺陷是指熱振動使一部分能量較大的原子離開平衡位置造成的缺陷。 弗侖克爾（Frenkerl）缺陷：熱振動中，能量較大的原子離開平衡位置進入晶格空隙形成間隙原子而在原來位置上留下空位，而形成的缺陷。間隙原子和空位成對產生，晶體體積不變。 肖特基（Schottky) 缺陷：能量較大的原子遷移到晶體表面正常結點位置，在內部留下空位，而形成的缺陷。為保持電中性，正、負離子空位是成對產生的，伴隨有晶體體積的增加。 反肖特基（Schottky) 缺陷：晶體表面的正常原子脫

4、離格點并遷移進入晶體內部成為間隙原子。2.熱缺陷（a）晶體中弗蘭克爾缺陷的形成（b）晶體質中的肖特基缺陷的形成67 肖特基缺陷 弗侖克爾缺陷二元化合物 對于離子晶體，為了使體系靜電能達到最低和晶體內部保持電中性，正負電荷的空位或間隙離子必須同時產生。因此，在離子晶體中，陰陽離子的肖特基缺陷都是按化學計量比同時出現的。7空位和間隙原子的出現都會造成晶格體積的增加。893.平衡態熱缺陷濃度在一定溫度下，當熱缺陷的產生與復合過程達到熱力學平衡時，它們具有相同的速率。熱缺陷濃度是溫度的函數。肖特基缺陷濃度為：弗侖克爾缺陷濃度為：為一對肖特基缺陷形成能為一對弗侖克爾缺陷形成能處于熱平衡態下的點缺陷，溫度

5、與缺陷形成能是影響其平衡濃度的重要因素。隨溫度升高，點缺陷濃度增大；由于點缺陷形成能遠大于KB值，因此，形成能大小不僅影響熱缺陷總濃度，而且決定了晶體中主要平衡態點缺陷的類型。例：面心立方結構的Cu晶體中空位形成能約為1eV，間隙原子的形成能約為4eV，銅晶體中間隙原子的濃度遠遠小于空位原子的濃度（二者比值約為1/1000），空位為主要點缺陷。10 對于一定的晶體，溫度一定時，熱缺陷濃度是一定的，熱平衡時新產生的缺陷與復合的缺陷數目相等。 用化學反應平衡的質量作用定律處理缺陷反應。(1)弗侖克爾缺陷 平衡時： 正常格點離子+未被占據的間隙位置=間隙離子+空位 以AgBr為例： AgAg+Vi=

6、Agi+VAg Kf=(Ag.iVAg)/(AgAgVi) 缺陷濃度較小時：Vi=AgAg=1 Kf=AgiVAg 且Kf=exp(-Gf/kT) Agi=VAg=Kf1/2=K0exp(-Gf/2kT)11(2)肖特基缺陷 以MgO為例： 0=VMg+VO Ks=VMgVO VMg=VO 且Ks=Kexp(-Gs/kT) VO=Ks1/2=K0exp(-Gs/2kT) 若用n表示單位體積內的缺陷數，用N表示單位體積內的結點數，則熱缺陷的平衡濃度可表示為：單質中的Schottky缺陷：124-2 非熱力學平衡態點缺陷熱平衡態點缺陷：純凈和嚴格化學配比的晶體中，由于體系能量漲落而形成的，濃度大小

7、取決于溫度和缺陷形成能。非平衡態點缺陷：通過各種手段在晶體中引入額外的點缺陷，形態和數量完全取決于產生點缺陷的方法，不受體系溫度控制。晶體中引入非平衡態點缺陷的方法：（1）淬火 ：高溫-低溫，形成過飽和點缺陷（2）輻照：利用高能射線轟擊晶體，使晶體內部原子離位 接受的能量與離位閾能 Ed 比較 快中子輻照、粒子輻照、電子輻照、光子輻照（3）離子注入：高能離子轟擊材料并嵌入近表面區域形成各種點缺陷 半導體器件工藝中、不溶的合金元素快速冷卻（4）非化學計量：有一些化合物，它們的化學組成會明顯地隨著周圍氣氛的性質和壓力的大小的變化而發生組成偏離化學計量的現象，這一類缺陷是生成 n 型、p型半導體的重

8、要基礎。又稱為電荷缺陷。 比如，真空爐內金紅石晶體（TiO2）的Ti4+ 在氧分壓不太低時，形成大量的氧空位（TiO2-x） 在極低氧分壓時下，出現大量的鈦填隙（Ti1+xO2）（5）塑性變形 晶體中位錯滑移形成的點缺陷 金屬材料塑形變形的物理本質是晶體中位錯的大量滑移。消除非平衡態點缺陷可以通過退火快速達到。13141.點缺陷的表示方法及缺陷化學反應方程式 缺陷化學：從理論上定性定量地把材料中的點缺陷看成化學實物，并用化學熱力學的原理來研究缺陷的產生、平衡及其濃度等問題的學科。 研究對象：主要是晶體缺陷中的點缺陷。點缺陷之間發生一系列的缺陷化學反應與化學反應類似。 點缺陷化學符號：人為規定的

9、一套點缺陷化學符號，與化學元素符號類似。4-3 點缺陷符號與化學方程式缺陷的內容缺陷所帶的有效電荷缺陷所在的晶格位置）一個處在正常位置上的離子，當它的價數與化合物的化學計量式一致時，所帶的有效電荷為零。 用“X”表示有效零電荷）一個空位或替代離子所帶的有效電荷是其電價與該位置上正常離子電價之差。 用“”及其個數表示有效正電電荷 用“ ”及其個數表示有效負電電荷151）Ni2+在Ni2+格點上：2）Al3+在Ni2+格點上：3）Li+在Ni2+格點上：1617 主符號缺陷種類，上角標缺陷所帶電荷，下角標缺陷所在位置以MX晶體為例：（1）空位Vacancy ：VM，Vx，VM，Vx VM=VM+2

10、e Vx=Vx+2h（2）填隙原子insertion: Mi ，Xi （3）錯放原子: Mx ，Xm （4）溶質原子LM( L溶質處在M位置上 ): CaMg, Cai （5）自由電子及空穴: e，h（6）帶電缺陷：不同價離子替代：CaNa, CaZr。（7）兩個以上帶有相反電荷的點缺陷相互締合成一組或 群締合的缺陷：(VM, VX)，(VNa, VCl)克羅格明克（Krger-vink）符號18理想晶體實際晶體中的缺陷AlMg、VMg 、Cai19（1）位置關系：在化合物MaXb中，M位置的數目必須永遠與X位置的數目成一個正確的比例（M:X=a:b），反應式必須反映與點缺陷產生過程相關的晶格

11、位置關系變化。如：在Al2O3中Al:O=2:3，比例不變，位置總數可以改變。若物質的摩爾量比例與位置比不同時 ，則存在缺陷，如TiO2TiO2-x，此時在晶體中生成氧空位，Ti與O由原來的1:2變為1:(2-x)，其中包括x個VO 。（2）位置增殖：缺陷發生變化時，有可能引入M空位VM，也可能消除VM。當發生這些變化時，要服從位置關系。引起位置增殖的缺陷有：VM、VX、MM 、MX、XM、XX等，不發生增殖的缺陷有：e 、 h、Mi、Xi等。（3）質量平衡：缺陷反應方程式左右必須保持質量平衡，空位的質量為零。（4）電荷平衡：缺陷反應前后晶體必須保持電中性。（5）表面位置：當一個M原子從內部遷

12、移到表面時，用符號Ms表示，下標s表示表面位置。表面位置不用特別表示。 把每個缺陷看作化學物質，缺陷反應就如同化學反應方程式一樣，必須遵守一些基本原則：2.寫缺陷反應方程式遵循的基本規則例如發生肖特基缺陷時，晶體中原子遷移到晶體表面，在晶體內留下空位，增加了位置數目。當然這種增殖在離子晶體中是成對出現的，因此事服從位置關系的。20Frenkel缺陷: MM+Vi = MiVM （正離子進入間隙） 如AgBr中的Frenkel缺陷： AgAg=AgiVAg XX+Vi=XiVX （負離子進入間隙） 如CaF2中的Frenkel缺陷：FF=FiVFSchottky缺陷: 0=VMVX 如MgO中的

13、Schottky缺陷: MgMgOO= MgsOsVMgVO 0=VMgVO以MX化合物為例3.熱缺陷的缺陷化學反應方程式21 MgO置換型固溶體： Al2O3 2AlMgVMg3OO 4-19 ZrO2 CaO CaZrVOOO ZrO2 間隙型固溶體： 2CaO Cai CaZr2OO CaF2 YF3 YCaFi2FF雜質（固溶體）缺陷反應方程式22 把少量CaCl2溶解到KCl中： KCl CaCl2 CaK +VK+2ClCl KCl CaCl2 CaK +ClCl+Cli KCl CaCl2 Cai+2VK+2ClCl 陰離子半徑較大時，一般不會形成陰離子填隙； 陽離子空位和陽離子

14、填隙一般不會同時出現。在動力學條件充分的條件下，使體系能量達到最低水平的點缺陷狀態時最可能發生的。 由于氣氛的變化，MX中的微量X進入氣相，而變為缺少X的非化學計量化合物MX1-。為保證電價平衡，MX中的部分陽離子將可能降為低價。庫侖電場 電子或空穴分別向帶正點或帶負點的點缺陷位置移動，并被束縛，形成電中性的點缺陷。2324 凡在固態條件下，一種組分（溶劑）內“溶解”了其它組分（溶質）而形成的單一均勻的晶態固體稱為固體溶液，簡稱固溶體。 溶劑：原組分或含量較高的組分，主晶相，基質。 溶質：摻雜原子或雜質。 混合尺寸為原子尺度相互混合，不破壞晶格。1.固溶體定義4-5 摻雜與非化學計量化合物比如

15、，Al2O3晶體中摻入少量Cr2O3結構缺陷：占據在正常格點上的雜質原子或離子實際上破壞了基質晶體中質點排列的周期性，并引起了晶體內周期性勢場的畸變。25名稱相組成混合尺度組成 結構固溶體單相均勻原子尺度 有一定范圍主晶相結構化合物不同于A和B 原子尺度 一定比例 不同于A和B機械混合物A相和B相不均勻 顆粒任意顆粒堆積固溶體、機械混合物和化合物的區別溶液析晶或高溫熔體凝固形成，也可以在較高溫度下固-固相間原子或離子擴散過程形成。26（1）按溶質原子在溶劑晶格中的位置分類 置換型固溶體：進入溶劑晶格中正常格點位置，生成取代（置換）型的固溶體，例如 MgO-CaO, PbZrO3-PbTiO3等

16、； 填隙型固溶體：進入溶劑晶格中的間隙位置則生成填隙型固溶體。（2）按溶質原子在溶劑晶體中的溶解度分類 連續固溶體：指溶質和溶劑可以按任意比例相互固溶，例如MgO-NiO,Al2O3-Cr2O3, ThO2-WO2,PbZrO3-PbTiO3等； 有限固溶體：表示溶質只能以一定的限量溶入溶劑，超過這一限度即出現第二相， 例如MgO-Al2O3,MgO-CaO,ZrO2-CaO等。如在2000時，有 3wt% CaO 溶入 MgO 中。2.固溶體的分類27影響固溶體溶解度的因素:（1）離子尺寸因素 相互替代的離子的尺寸愈相近，則固溶體愈穩定。 |(r1- r2)/r1|15%， 式中： r1 大

17、離子的半徑 r2 小離子的半徑 離子半徑之差30%，不能形成固溶體。 如MgO-CaO系統中 Ca2+、Mg2+子半徑之差為：(1.06-0.78)/1.06=26.4%，只能形成有限固溶體。3.置換型固溶體28（2）晶體結構類型-不是充分條件 兩個組分具有相同的晶體結構。 MgO、NiONaCl型，Al2O3、Cr2O3剛玉型。 PbZrO3、PbTiO3鈣鈦礦型，雖然Zr4+與Ti4+半徑之差為：(r1-r2)/r1=(0.072061)/0.072=15.28%15%，高于相變溫度時，任意的鋯鈦比下都是穩定的立方晶系，即形成連續置換型固溶體。（3）離子電價的影響 離子電價相等或離子電價總

18、和相等。單一離子電價相等相互取代，如果取代離子價不同，則要求用兩種以上不同離子組合起來，滿足電中性的條件，如：CaAl2Si2O8NaAlSi3O8形成連續固溶體是（Na+Si4+）置換（Ca2+Al3+）。29（4）電負性 電負性相近，有利于固溶體的生成，電負性差別大，則傾向于生成化合物，其差值為：0.4。達肯（Darkon）橢圓 121/)(rrr-電負性差 0.4 -0.4 -15% 15% 65%具有很大的溶解度 85%固溶度小于5% 30(5)不等價置換型固溶體中的“組分缺陷” 不等價置換的固溶體，為了保持電中性，必然會在晶體結構中產生“組分缺陷”，即在原來結構的結點位置產生空位或間

19、隙原子。與熱缺陷不同，熱缺陷濃度是T的函數，而不等價置換固溶體中組分缺陷濃度則取決于摻雜量（溶質數量）和固溶度。由于晶體結構和電價都不同，只能形成有限置換固溶體。31 （a）出現陽離子空位（置換型固溶體） MgO 高價置換低價 如 Al2O3 2AlMg +VMg+3OO （b）出現陰離子填隙（填隙型固溶體） CaF2 如 YF 3 YCa Fi2FF （a）出現陰離子空位（置換型固溶體） ZrO2低價置換高價 如 CaO CaZr+VO +OO （b）出現陽離子填隙（填隙型固溶體） ZrO2 如 2CaO CaZr+Cai +2OO不等價置換型固溶體組分缺陷固溶體生成時的熱力學條件即溫度、氣

20、氛有關。32形成條件： （1）溶質原子半徑小和溶劑晶格結構空隙大。空隙大小：沸石CaF2（8配位）TiO2（6配位）MgO（4配位）。如斜發沸石的化學式： (Na,K,Ca)2-3Al3(Al,Si)2Si13O36 12H2O （2）保持結構中的電中性。一般可以通過形成空穴、復合陽離子和改變電子云結構達到。如B2+2Al3+=2Si4+ 定義：雜質原子比較小，能進入晶格的間隙位置形成的固溶體4.間隙型固溶體33間隙型固溶體類型：（1）原子填隙：原子半徑較小的 H、C、B等元素易進入晶格間隙中，形成間隙原子。如鋼是C+Fe的填隙型。（2）陽離子填隙：如 ZrO2中摻入CaO，當CaO加入量小于

21、0.15%時，在1800高溫下，能形成陽離子填隙（Cai）。 2CaO CaZr+Cai +2OO（3）陰離子填隙：如 YF3 中摻入少量CaF2 時，能夠形成陰離子填隙（Fi）。ZrO2YF 3 YCa Fi2FFCaF234 固溶體的生成可以借助相分析和結構分析的方法進行研究，因為不論何種類型的固溶體將引起結構及性質的變化。最本質的方法是用X-射線結構分析測定晶胞常數，并結合有關物性測試，來測定固溶體及其組分，鑒別固溶體的類型等。固溶體的類型主要通過測定晶胞常數并計算出固溶體的密度與實驗精確測定的密度數據對比來判斷。5.固溶體的研究方法35 例如：將少量CaO加入到ZrO2中生成的固溶體，

22、在1600，該固溶體具有立方螢石結構；當加入0.15克分子CaO 時，實驗測定的晶胞常數為a0=0.513nm，用比重法得到的密度為D=5.477g/cm3，試判斷固溶體的類型。 可以寫出的兩個缺陷反應方程式及固熔體化學式： ZrO2 CaO CaZr+VO+OO (1) Zr0.85Ca0.15O1.85 ZrO2 2CaO CaZr+Cai+OO (2) Zr0.85Ca0.30O236按（1）置換型固熔體，每個晶胞含有4個Zr0.85Ca0.15O1.85分子，每個晶胞的質量為: m=4(0.8591.22+0.1540.08+1.8516)/(6.021023) =75.1810-23

23、g V=a3=(0.51310-7)3=135.110-24cm3 D=m/V=75.1810-23/(135.110-24)=5.564g/cm3 1600淬冷后得到的D=5.477g/cm3，二者相差很小0.087g/cm3，可以確定固溶體的類型是置換型，(1)式是合理的。而1800急冷得到的樣品的比重測定值明顯高于X射線數據計算值，此時的固溶體為陽離子填隙型，(2)式比較合理。因此根據固溶體計算密度與實測密度可以鑒定其類型。37定比定律：化合物中不同原子的數量要保持固定的簡單整數比。非化學計量化合物：實際中，很多化合物并不符合定比定律，正、負離子的比例并不是一個簡單的比例，偏離了化學計量

24、的化合物。產生的缺陷叫非化學計量缺陷。6.非化學計量化合物Nonstoichiometric Compounds本征半導體：不含雜質且無晶格缺陷的半導體稱為本征半導體。在極低溫度下，半導體的價帶是滿帶(見能帶理論)，受到熱激發后，價帶中的部分電子會越過禁帶進入能量較高的空帶，空帶中存在電子后成為導帶。本征半導體的共價鍵結構硅原子價電子+4+4+4+4+4+4+4+4+438在常溫下自由電子和空穴的形成+4+4+4+4+4+4+4+4+4自由電子空穴復合成對出現成對消失自由電子和空穴稱為載流子空穴又稱電洞（Electron hole），在固體物理學中指共價鍵上流失一個電子，最后在共價鍵上留下空位

25、的現像。即共價鍵中的一些價電子由于熱運動獲得一些能量，從而擺脫共價鍵的約束成為自由電子，同時在共價鍵上留下空位，稱這些空位為空穴。 自由電子的形成：在常溫下，少數的價電子由于熱運動獲得足夠的能量，掙脫共價鍵的束縛變成為自由電子。 39+4+4+4+4+4+4+4+4+4外電場方向空穴移動方向 電子移動方向 在外電場作用下，電子和空穴均能參與導電。這是半導體導電與導體導電最本質的區別。 價電子填補空穴載流子導電規律40+4+4+4+4+4+4+4+4一 、N 型半導體磷原子多余價電子自由電子正離子通過擴散工藝，在本征半導體中摻入微量特定元素，便可形成雜質半導體。 在純凈的硅或鍺晶體中摻入微量五價

26、元素（如磷）所形成的雜質半導體稱N型半導體。+4+5雜質半導體41少數載流子多數載流子正離子在N型半導中，自由電子是多數載流子，空穴是少數載流子。N型半導體結構示意圖42二、P型半導體+4+4+4+4+4+4+4 在純凈的硅或鍺的晶體中摻入微量的三價元素（如硼）所形成的雜質半導體稱P 型半導體。 +4硼原子填補空位+4+3負離子43少數載流子負離子多數載流子在P型半導中，空穴是多數載流子，自由電子是少數載流子。P型半導體結構示意圖不論是N型半導體還是P型半導體，雖然都有一種載流子占多數，但整個晶體仍然是不帶電的。 4445 如 TiO2-x、ZrO2-x。 在缺氧（還原氣氛）條件下，晶體中的氧

27、逸出到大氣中，晶體中出現VO，金屬離子過剩。 從化學觀點，可以看成Ti3+取代了Ti4+形成的固溶體。 2TiTi+4OO=2TiTi+VO+1/2O2+3OO化簡 2TiTi+4OO=2TiTi+2e+VO+1/2O2+3OO OO=2e+VO+1/2O2 根據質量作用定律：K=VOPO21/2e2/OO e=2VO K=VOPO21/2(2VO)2 VOPO2-1/6 氧空位的濃度與氧分壓的1/6次方成反比,隨PO2，VO。 在燒結TiO2材料時應嚴格控制氧氣分壓。（1）陰離子空位型4546 氧空位留下的自由電子不屬于某個Ti4+，電場作用可使其在相鄰的Ti4+間遷移，形成電子導電，是n型

28、半導體。 色心：分散于晶格中的電子俘獲中心或空穴俘獲中心 F-色心：自由電子陷落在陰離子缺位中形成的缺陷。陷落的電子能吸收一定波長的光，使晶體著色。例：TiO2在還原氣氛下，由黃色變為灰黑色。47如Zn1+xO、Cd1+xO 在還原氣氛下過剩的金屬離子進入間隙位置，它是帶正電的，為了保持電中性，等價的電子被束縛在間隙正離子周圍。如ZnO在鋅蒸汽中加熱，顏色逐漸加深，缺陷反應方程式如下: ZnO=Zni+2e+1/2O2 (1) 間隙Zn的濃度或電子濃度和氧分壓的1/6次方成反比的關系。 將ZnO晶體在Zn蒸氣中加熱即隨PO2，Zni，是一種n型半導體。（2）陽離子填隙型48 如UO2+x 在氧

29、化氣氛中，可以認為過剩的O2-填隙，為了保持電中性，結構中引入電子空穴，相應地正離子升價。 1/2O2=Oi+2h K=Oih.2/PO21/2 h.=2Oi OiPO21/6 氧分壓，Oi。 這種電子空穴不局限于某個特定的正離子，在電場作用下可以運動（準自由地在整個晶體中作非局域化運動，占據正常位U4+作用，使U4+離子化學價進一步升高，形成U6+離子的點缺陷），形成p型半導體。（3）陰離子間隙型UU = UU+2h49 如Cu2-xO，Fe1-xO 在強氧化氣氛下，氧溶入后捕獲電子，迫使正離子給出電子而變為高價，產生正離子空位和電子空穴. 電子空穴導電，p型半導性 2FeFe+2OO+1/

30、2O2(g)=2FeFe.+VFe+3OO 1/2O2(g)=2h+OO+VFe K=OOVFeh2/PO2 h.=2VFe h.PO21/6 隨著PO2，h，電導率。（4）陽離子缺位型陽離子空位50 綜上所述，非計量化合物的產生及其缺陷的濃度與氣氛的性質及分壓的大小有密切的關系。金屬離子在不同的氣氛中具有不同電價。非計量化合物也可以看成是一種固溶體，只是同一種離子的高價態與低價態之間相互置換，是不等價置換固溶體的一個特例。燒結材料時，應根據需要嚴格控制氣氛的性質及大小。 另外，非計量化合物都是半導體，不是n型就是p型半導體。51 實際晶體在結晶時受到雜質、溫度變化或振動產生的應力作用，或由于

31、晶體受到打擊、切削、研磨等機械應力的作用，使晶體內部晶面間發生相對滑移，質點排列變形，原子行列不再符合理想晶格的有秩序的排列，形成線狀的缺陷。 位錯（線）： 當晶體中原子或離子的周期性在一維線狀區域內遭到破壞，晶體的缺陷將具有線狀幾何特征。 晶體內部晶面間的滑移并不是整個晶面上所有的原子相對另一個晶面一起滑移，而是一部分原子可以在其它原子未運動之前先移動，這樣晶體中已滑移部分和未滑移部分之間就形成位錯原子線。 刃型位錯 位錯的基本類型 螺旋位錯4-6 晶體中的線缺陷-位錯52 特點：滑移方向與位錯線方向垂直。 EF線是已滑移部分和未滑移部分之間的分界線，即位錯線，它與滑移方向垂直。 已滑移部分

32、和未滑移部分之間（E處）實際上多了半片原子面，原子行列偏離了理想晶格的有序排列。在滑移面以上原子間距密，下部疏，上部晶格受壓縮，下部受伸張，位錯線周圍存在一個彈性應力場。1. 刃型位錯53 G H E F （a)立體模型 （b）平面圖 刃型位錯示意圖晶體局部滑移造成的刃型位錯54 刃型位錯用符號“ ”表示。 刃型位錯又分為： 正刃型位錯()：在上半部滑移，多余的半片原子面在上面。 負刃型位錯()：在下半部滑移，多余的半片原子面在下面。 當正、負兩個刃型位錯在同一個滑移面上移動并相遇時，將互相抵消，合并成同一個原子面。當它們在相距為2個原子間距的滑移面上移動時，相遇時生成一個空位。+ =空位+

33、=抵消55相距2個原子間距的滑移面同一個滑移面56螺旋位錯：滑移面與未滑移面上的原子呈螺旋形。特點：位錯線與滑移方向相互平行。2. 螺型位錯CBAD(b) 螺型位錯示意圖ABCD(a )立體模型平面圖57螺型位錯示意圖 從a開始，按順時針方向依次連接此過渡地帶的各原子，每旋轉一周，原子面就沿滑移方向前進一個原子間距，如同一個右旋螺紋一樣。57單晶體生長形貌與螺位錯 5859混合位錯：在實際晶體中可能同時產生刃錯位和螺旋位錯。 混合位錯.螺旋位錯刃型位錯混合位錯示意圖6061 位錯具有Burgers矢量 是位錯的重要本質。 Burgers矢量是位錯的單位滑移距離，大小一般等于原子間距；方向總是平

34、行于滑移方向。3.柏格斯矢量：標志位錯特征滑移面兩側相對位移的矢量 先確定位錯的方向（一般規定位錯線垂直紙面時，由紙面向外為正），按右手法則做柏氏回路，右手大拇指指位錯正方向，回路方向按右手螺旋方向確定。從實際晶體中任一原子M 出發，避開位錯附近的嚴重畸變區作一閉合回路 MNOPQ，回路每一步連結相鄰原子。按同樣方法在完整晶體中做同樣回路，步數，方向與上述回路一致，這時終點 Q 和起點 M 不重合，由終點Q 到起點M 引一矢量QM 即為柏氏矢量b。柏氏矢量與起點的選擇無關，也與路徑無關。刃型位錯柏氏矢量的確定(a) 有位錯的晶體 (b) 完整晶體 MNOPQMNOPQ柏氏矢量刃型位錯的Burg

35、ers矢量與位錯線方向垂直6263螺型位錯的Burgers矢量與位錯線方向平行柏氏矢量螺型位錯柏氏矢量的確定(a) 有位錯的晶體 (b) 完整晶體 柏氏矢量的物理意義及特征 柏氏矢量是描述位錯實質的重要物理量。反映出柏氏回路包含的位錯所引起點陣畸變的總累計。通常將柏氏矢量稱為位錯強度，它也表示出晶體滑移時原子移動的大小和方向。 柏氏矢量具有守恒性。右手大拇指指位錯正方向，回路方向按右手螺旋方向確定。 柏氏矢量與起點的選擇無關，也與路徑無關。64用柏氏矢量判斷位錯類型:(1) 刃型位錯 ebe 右手法則:食指指向位錯線方向，中指指向柏氏矢量方向，拇指指向代表多余半面子面位向，向上為正，向下為負。

36、(2) 螺型位錯 sbs 正向（方向相同）為右螺旋位錯，負向（方向相反）為左螺旋位錯。(3) 混合位錯 柏氏矢量與位錯線方向成夾角 刃型分量be 螺型分量bs 用矢量圖解法表示位錯:數量積、向量積等65663.位錯的運動：高能態到低能態（1）位錯的滑移：位錯沿著滑移面的移動稱為滑移。 對含刃型位錯的晶體加切應力，切應力方向平行于柏氏矢量，位錯周圍原子只要移動很小距離，就使位錯由位置(a)移動到位置(b)。微觀上的位錯運動宏觀上的塑性變形67滑移面滑移臺階 刃型位錯移動的方向與柏氏矢量b的方向一致，和位錯線垂直，由此決定了刃型位錯的滑移面。68螺型位錯： 沿滑移面運動時，在切應力作用下，螺型位錯

37、使晶體右半部沿滑移面上下相對移動了一個沿原子間距。這種位移隨著螺型位錯向左移動而逐漸擴展到晶體左半部分的原子列。 螺型位錯的移動方向與b垂直。此外因螺型位錯b 與t平行，故通過位錯線并包含b的隨所有晶面都可能成為它的滑移面。當螺型位錯在原滑移面運動受阻時，可轉移到與之相交的另一個滑移面上去，這樣的過程叫交叉滑移，簡稱交滑移。69滑移的特點：（1）滑移是沿著一定的晶面和晶面上一定的晶向進行的。（依據最小阻力原則，實際總是沿著該晶體中原子排列最緊密的晶面和晶向發生）（2）滑移量為原子間距的整數倍；（3）滑移前后晶體位向不變化； （4）滑移的結果會在金屬表面上造成臺階，在顯微鏡下可觀察到滑移帶，不同

38、的結構其滑移情況不同。7071滑移系： 一個滑移面和該面上的一個滑移方向結合起來組成 在其它條件相同時, 滑移系越多, 金屬晶體發生滑移的可能性越大, 金屬的塑性越好。其中，滑移方向的作用更顯著。這也是Al、Cu (fcc)比-Fe (bcc)的塑性更好的原因。空間取向72二、多晶體的塑性變形 多晶體塑性變形的基本方式與單晶體一樣，也是滑移和孿生。但是由于多晶體各晶粒之間位向不同和晶界的存在，使得各個晶粒的塑性變形互相受到阻礙和制約。根據滑移面和滑移方向與外力所處的方位不同可分為：軟位向滑移面和滑移方向與外力成450角的晶粒, 受到的應力最大。硬位向滑移面和滑移方向與外力平行或垂直的晶粒, 受到的應力最小。73（一）多晶體的塑性變形過程軟位向的晶粒在一定外力作用下，不同晶粒的各滑移系的分切應力值相差很大臨界分切應力率先滑移硬位向的晶粒未達到臨界值位錯在晶界處受阻、堆積應力集中分切應力外力疊加滑移已變形的晶粒發生轉動, 由原軟位向轉至較硬位向, 而不能繼續滑移，以此反復。74多晶體的塑性變形特點多晶體金屬的塑性變形是晶粒分批地、逐步地發生；變形由少數晶粒開始, 逐步擴大到多數晶粒, 直到全部；變形是從不均勻變形逐步發展到均勻的變形，不同的結構情況其變形不同。小