Transcript 点缺陷
第三章 晶体缺陷
引 言
第一节
第二节
第三节
晶体缺陷概述及类型
点缺陷
位错-线缺陷
表面及界面
引言 晶体缺陷的类型
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。
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。
(a)空位
(b)杂质质点
(c)间隙质点
图3-1 晶体中的点缺陷
(a)
(b)
图3-2 线缺陷 (a) 刃位错 (b)螺位错
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
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。
(a)空位
(b)异类原子
（杂质质点）
(c)间隙原子
图3-6 晶体中的点缺陷
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
能量 +
△U=nu
△F = △U-T△S
△F= △U-T△S
F：自由能
U：内能
T：温度
S：熵
n
ne
-T△S
能量 -
平衡点缺陷
的浓度
ne
u
Ce
A exp
N
kT
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）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1.44×10-19J/atom，材
料常数A取1，玻尔兹曼常数k = 1.38×10-23J/K，计算：
①在500℃下，每立方米Cu中的空位数目；
②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ρCu=8.96×106g/m3）
首先确定1m3体积内
Cu原子的总数：
再求500℃下的
平衡空位浓度：
N0 Cu 6.0231023 8.96106
28
3
N
8
.
49
10
/
m
M Cu
63.54m3
ne
u
1.441019
6
Ce
A exp
exp
1
.
37
10
N
kT
1.381023 773
最后获得500℃下每
立方米Cu中的空位数目：
ne NCe 8.491028 1.37106 1.2 1023 / m3
（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
①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。
②密度： 空位的存在使晶体的密度下降、体积
膨胀。
③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。
④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