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1、第三章 晶体缺陷,引 言 晶体缺陷概述及类型第一节 点缺陷第二节 位错-线缺陷第三节 表面及界面,一、晶体的特征 晶体结构的基本特征：原子（或分子、离子）在三维空间呈周期性重复排列，即存在长程有序。性能上两大特点：固定的熔点，各向异性。周期性、方向性。,引言 晶体缺陷的类型,二、晶体缺陷的含义 晶体点阵结构中周期性势场的畸变；实际晶体中与理想的点阵结构发生偏差的区域。理想晶体：质点严格按照空间点阵排列。实际晶体：存在着各种各样的结构的不完整性。对晶体的周期性和方向性而言，它的缺陷十分活跃，状态易受外界条件的影响（如温度、载荷、辐射等）而变化。,三、晶体缺陷的类型（1）按几何形态分类：点缺陷（在
2、三维空间各方向上尺寸都很小，亦称为零维缺陷，如空位、间隙原子和异类原子等）；线缺陷（在两个方向上尺寸很小，主要是位错）；面缺陷（在空间的一个方向上尺寸很小，另外两个方向上尺寸较大的缺陷，如晶界、相界等）。（2）按形成原因分类：热缺陷；杂质缺陷；非化学计量缺陷等。,图3-1 晶体中的点缺陷,(a)空位,(b)杂质质点,(c)间隙质点,图3-2 线缺陷(a)刃位错(b)螺位错,(a),(b),图3-3面缺陷晶界,图3-4 面缺陷堆积层错面心立方晶体中的抽出型层错(a)和插入型层错(b),图3-5面缺陷共格晶面面心立方晶体中111面反映孪晶,左图：陶瓷粉体,右图：烧结后的陶瓷,点缺陷的存在，可以提高
3、扩散系数，促进陶瓷烧结；面缺陷，陶瓷晶粒间的界面。,第一节 点缺陷,一、点缺陷的概念二、点缺陷的类型三、缺陷反应遵循的原则四、点缺陷的平衡浓度五、点缺陷与材料行为,图3-6 晶体中的点缺陷,(a)空位,(c)间隙原子,(b)异类原子（杂质质点）,一、点缺陷的概念 缺陷尺寸处于原子大小的数量级上，在三维空间各方向上的尺寸都很小，亦称零维缺陷。,二、点缺陷的类型（1）空位（vacancy）：晶体中某结点上的原子空缺 肖脱基(Schottky)空位或肖脱基缺陷：脱位原子一般进入其他空位或者逐渐迁移至晶界表面。弗兰克耳(Frenkel)缺陷：晶体中的原子有可能挤入结点的间隙，形成另一种类型的点缺陷间隙
4、原子，同时原来的位置也空缺了，产生一个空位，通常把这一对点缺陷（空位和间隙原子）称为弗兰克耳缺陷。（2）间隙原子（interstitial particle）（弗兰克耳缺陷并不仅只指空位）（3）异类原子或杂质质点（foreign particle）也可视做晶体的点缺陷，它的原子尺寸或化学电负性与基体原子不一样，它的引入必然导致周围晶格的畸变。,三、缺陷应遵循的法则 点缺陷的存在，破坏了原有原子间的作用力平衡，点缺陷周围的原子必然会离开原有的平衡位置，作相应的微量位移，这就是晶格畸变或应变，它们对应着晶体内能的升高。但缺陷反应前后应遵循以下法则：（1）位置关系：在化合物MaXb中，无论是否存在缺
5、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。（2）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。需要注意的是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。（3）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。,四、点缺陷的平衡浓度,（1）平衡点缺陷及其浓度,ne,U=nu,F=U-TS,-TS,F=U-TS F：自由能 U：内能 T：温度 S：熵,平衡点缺陷的浓度,A：材料常数 T：热力学温度 u:该类型缺陷形成能 k：玻尔兹曼常数,（1
6、）点缺陷的平衡浓度与化学反映速率一样，随温度升高呈指数关系增加。（2）点缺陷的形成能也以指数关系影响点缺陷的平衡浓度。由于间隙原子的形成能要比空位高几倍，因此间隙原子的平衡浓度比空位低很多；在一般情况下，晶体中自间隙原子点缺陷可忽略不计。,例题：Cu晶体的空位形成能Uv为0.9ev/atom，或1.4410-19J/atom，材料常数A取1，玻尔兹曼常数k=1.3810-23J/K，计算：在500下，每立方米Cu中的空位数目；在500下的平衡空位浓度。,解答：已知：Cu原子的摩尔质量MCu=63.54g/mol；500下Cu的密度Cu=8.96106g/m3）,首先确定1m3体积内Cu原子的总
7、数：,再求500下的平衡空位浓度：,最后获得500下每立方米Cu中的空位数目：,（2）过饱和点缺陷的产生 概念：晶体中点缺陷的数目明显超过平衡值。产生原因：高温淬火，辐照，冷加工，等等。,五、点缺陷与材料行为,（1）点缺陷的运动-扩散 原子或分子的扩散是依靠点缺陷（空位和间隙原子）的运动而实现的；高温下的原子扩散速度十分可观。材料加工工艺中不少过程都是以扩散作为基础：表面化学处理；成分均匀化处理；退火与正火；时效硬化处理；烧结；固态相变；等等。,（2）对材料物理性能与力学性能的影响 电阻：最明显的是引起电阻的增加，晶体中存在点缺陷时破坏了原子排列的规律性，使电子在传导时的散射增加，从而增加了电阻。密度：空位的存在使晶体的密度下降、体积膨胀。高温蠕变：空位的存在及其运动是晶体高温下发生蠕变的重要原因之一。力学性能：晶体在室温下可能有大量非平衡空位，空位片，与其它晶体缺陷交互作用，提高强度、引起显著的脆性。,本节重点与难点,（1）晶体缺陷概念与分类 晶体点阵结构中周期性势场的畸变；实际晶体中与理想的点阵结构发生偏差的区域。（点、线、面）（2）点缺陷的概念与分类 空位（肖脱基与弗兰克耳缺陷）间隙原子 异类原子或杂质质点（3）平衡点缺陷浓度的概念与计算 空位在热力学上是稳定的。（4）点缺陷对材料性能的影响,
