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《晶体缺陷》课件
热稳定性
晶体缺陷可能影响材料在高温下的稳 定性，降低其使用温度范围。
比热容
晶体缺陷可能影响比热容，改变材料 吸收和释放热量的能力。
光学性能的影响
折射率与双折射
光吸收与散射
晶体缺陷可能导致折射率变化和双折射现 象，影响光学性能。
晶体缺陷可能导致光吸收增强或光散射增 加，改变光学透射和反射特性。
荧光与磷光
热电效应
某些晶体缺陷可能导致热电效应增强，影响 热电转换效率。
介电常数
晶体缺陷可能影响介电常数，改变电场分布 和电容。
电阻温度系数
晶体缺陷可能影响电阻温度系数，改变温度 对电阻的影响。
热学性能的影响
热导率变化
晶体缺陷可能降低材料的热导率，影 响热量传递和散热性能。
热膨胀系数
晶体缺陷可能影响热膨胀系数，影响 材料在温度变化下的尺寸稳定性。
。
韧性下降
晶体缺陷可能导致材料韧性下 降，使其在受到外力时更容易
脆裂。
疲劳性能
晶体缺陷可能影响材料的疲劳 性能，降低其循环载荷承受能
力。
强度与延展性
晶体缺陷可能影响材料的强度 和延展性，从而影响其承载能
力和塑性变形能力。
电学性能的影响
导电性变化
晶体缺陷可能改变材料的导电性，影响其在 电子设备中的应用。
传感器
基于晶体缺陷的原理，可以设计新型传感器，如压力传感 器、温度传感器和气体传感器等，以提高传感器的灵敏度 和稳定性。
在新能源领域中的应用
太阳能电池
在太阳能电池中，可以利用晶体 缺陷来提高光吸收效率和载流子 的收集效率，从而提高太阳能电
池的光电转换效率。
燃料电池
在燃料电池中，可以利用晶体缺陷 来改善电极的催化活性和耐久性， 从而提高燃料电池的性能和稳定性 。
材料科学基础--第2章晶体缺陷PPT课件
辐照：在高能粒子的辐射下，金属晶体点阵上的原子 可能被击出，发生原子离位。由于离位原子的能量高， 在进入稳定间隙之前还会击出其他原子，从而形成大量 的间隙原子和空位（即弗兰克尔缺陷）。在高能粒子辐 照的情况下，由于形成大量的点缺陷，而会引起金属显 著硬化和脆化，该现象称为辐照硬化。
12
2.1.5点缺陷与材料行为
Or, there should be 2.00 – 1.9971 = 0.0029 vacancies per unit cell. The number of vacancies per cm3 is:
17
Other Point Defects
Interstitialcy - A point defect caused when a ‘‘normal’’ atom occupies an interstitial site in the crystal.
11
2.1.4 过饱和点缺陷
晶体中的点缺陷浓度可能高于平衡浓度，称为过饱和点 缺陷，或非平衡点缺陷。获得的方法：
高温淬火：将晶体加热到高温，然后迅速冷却（淬火 ），则高温时形成的空位来不及扩散消失，使晶体在低 温状态仍然保留高温状态的空位浓度，即过饱和空位。
冷加工：金属在室温下进行冷加工塑性变形也会产生 大量的过饱和空位，其原因是由于位错交割所形成的割 阶发生攀移。
6
2.1.1 分类
3.置换原子（Substitutional atom） 异类原子代换了原有晶体中的原子，而处于晶体点阵的结 点位置，称为置换原子，亦称代位原子。 各种点缺陷，都破坏了原有晶体的完整性。它们从电学
和力学这两个方面，使近邻原子失去了平衡。空位和直 径较小的置换原子，使周围原子向点缺陷的方向松弛， 间隙原子及直径较大的置换原子，把周围原子挤开一定 位置。因而在点缺陷的周围，就出现了一定范围的点阵 畸变区，或称弹性应变区。距点缺陷越远，其影响越小 。因而在每个点缺陷的周围，都会产生一个弹性应力场 。
12
2.1.5点缺陷与材料行为
Or, there should be 2.00 – 1.9971 = 0.0029 vacancies per unit cell. The number of vacancies per cm3 is:
17
Other Point Defects
Interstitialcy - A point defect caused when a ‘‘normal’’ atom occupies an interstitial site in the crystal.
11
2.1.4 过饱和点缺陷
晶体中的点缺陷浓度可能高于平衡浓度，称为过饱和点 缺陷，或非平衡点缺陷。获得的方法：
高温淬火：将晶体加热到高温，然后迅速冷却（淬火 ），则高温时形成的空位来不及扩散消失，使晶体在低 温状态仍然保留高温状态的空位浓度，即过饱和空位。
冷加工：金属在室温下进行冷加工塑性变形也会产生 大量的过饱和空位，其原因是由于位错交割所形成的割 阶发生攀移。
6
2.1.1 分类
3.置换原子（Substitutional atom） 异类原子代换了原有晶体中的原子，而处于晶体点阵的结 点位置，称为置换原子，亦称代位原子。 各种点缺陷，都破坏了原有晶体的完整性。它们从电学
和力学这两个方面，使近邻原子失去了平衡。空位和直 径较小的置换原子，使周围原子向点缺陷的方向松弛， 间隙原子及直径较大的置换原子，把周围原子挤开一定 位置。因而在点缺陷的周围，就出现了一定范围的点阵 畸变区，或称弹性应变区。距点缺陷越远，其影响越小 。因而在每个点缺陷的周围，都会产生一个弹性应力场 。
晶体缺陷ppt
演变过程
晶体缺陷在温度、压力等外部因素的作用下会发生变化，如点缺陷的迁移、位错 的滑移、晶界的迁移等。这些演变过程会影响晶体的性能和结构。
02
晶体缺陷的类型
点缺陷
弗兰克尔缺陷
在晶体中，原子或离子的一部分占据了应该是另一个原子的 位置，造成晶体结构的不完整性。
肖特基缺陷
在晶体中，一个原子或离子跳到了另一个原子的位置，形成 了一个空位。
位错是金属材料中最常见的晶体缺陷之一，其密度和分布对材
料的力学性能有重要影响。
在金属材料制备和使用过程中，应尽量减少晶体缺陷的产生，
03
以提高金属材料的性能。
功能陶瓷中的晶体缺陷
功能陶瓷的性能与晶体缺陷密切相关，如电导 率、介电常数等。
功能陶瓷中的晶体缺陷包括位错、空位、晶界 等，这些缺陷对材料的物理和化学性能产生重 要影响。
Hale Waihona Puke 06未来展望与挑战晶体缺陷研究的未来方向
发展新的检测技术
随着科学技术的发展，需要不断开发新的检测技术来更准确地识 别和测量晶体缺陷。
深入研究微观机制
进一步深入研究晶体缺陷的微观机制，包括缺陷的形成、扩散、 相互作用等，有助于更好地理解缺陷对材料性能的影响。
发展新型材料
基于对晶体缺陷的深入理解，可以设计和开发具有更优性能的新 型材料。
晶体缺陷的重要性
材料性能影响
晶体缺陷对材料的物理和化学性能具有重要影响，如导电性、导热性、强度 等。
工业应用
在工业上，晶体缺陷的应用也十分广泛，如半导体器件、激光器、太阳能电 池等。
晶体缺陷的产生与演变
产生原因
晶体缺陷的产生主要有两种原因，一是材料制备过程中引入的缺陷，如熔炼、铸 造、热处理等过程中产生；二是晶体生长过程中形成的缺陷，如位错、层错等。
晶体缺陷在温度、压力等外部因素的作用下会发生变化，如点缺陷的迁移、位错 的滑移、晶界的迁移等。这些演变过程会影响晶体的性能和结构。
02
晶体缺陷的类型
点缺陷
弗兰克尔缺陷
在晶体中，原子或离子的一部分占据了应该是另一个原子的 位置，造成晶体结构的不完整性。
肖特基缺陷
在晶体中，一个原子或离子跳到了另一个原子的位置，形成 了一个空位。
位错是金属材料中最常见的晶体缺陷之一，其密度和分布对材
料的力学性能有重要影响。
在金属材料制备和使用过程中，应尽量减少晶体缺陷的产生，
03
以提高金属材料的性能。
功能陶瓷中的晶体缺陷
功能陶瓷的性能与晶体缺陷密切相关，如电导 率、介电常数等。
功能陶瓷中的晶体缺陷包括位错、空位、晶界 等，这些缺陷对材料的物理和化学性能产生重 要影响。
Hale Waihona Puke 06未来展望与挑战晶体缺陷研究的未来方向
发展新的检测技术
随着科学技术的发展，需要不断开发新的检测技术来更准确地识 别和测量晶体缺陷。
深入研究微观机制
进一步深入研究晶体缺陷的微观机制，包括缺陷的形成、扩散、 相互作用等，有助于更好地理解缺陷对材料性能的影响。
发展新型材料
基于对晶体缺陷的深入理解，可以设计和开发具有更优性能的新 型材料。
晶体缺陷的重要性
材料性能影响
晶体缺陷对材料的物理和化学性能具有重要影响，如导电性、导热性、强度 等。
工业应用
在工业上，晶体缺陷的应用也十分广泛，如半导体器件、激光器、太阳能电 池等。
晶体缺陷的产生与演变
产生原因
晶体缺陷的产生主要有两种原因，一是材料制备过程中引入的缺陷，如熔炼、铸 造、热处理等过程中产生；二是晶体生长过程中形成的缺陷，如位错、层错等。
[课件]材料科学基础 第三章晶体缺陷PPT
![[课件]材料科学基础 第三章晶体缺陷PPT](https://img.taocdn.com/s3/m/6fa4603c10a6f524ccbf8577.png)
2018/12/13
《材料科学基础》CAI课件-李克
11
b. 螺型位错 screw dislocation
位错线bb’：已滑移区和未滑移区的边界线
特征：
1）无额外半原子面， 原子错排是轴对称的 2）分左螺旋位错，符合左手法则；右螺旋位错 ，符合右手法则 3）位错线与滑移矢量平行，且为直线，位错线的运动方向与滑移矢量垂直 4）凡是以螺型位错线为晶带轴的晶带 所有晶面都可以为滑移面。 5) 点阵畸变引起平行于位错线的切应变，无正应变。 6）螺型位错是包含几个原子宽度的线缺陷。
2018/12/13 《材料科学基础》CAI课件-李克 9
3.2.1 位错的基本类型和特征
根据几何结构特征： a. 刃型位错 edge dislocation
b. 螺型位错 screw dislocation
2018/12/13
《材料科学基础》CAI课件-李克
10
a. 刃型位错 edge dislocation
材料科学基础 第三章_晶体缺 陷
第三章 晶体缺陷
Imperfections (defects) in Crystals
It is the defects that makes materials so interesting, just like the human being.
Defects are at the heart of materials science.
1、点缺陷的形成 （production of point defects)
原因：热运动：热振动强度是温度的函数 能量起伏=〉原子脱离原来的平衡位置而迁移别处 Schottky 空位，-〉晶体表面 =〉空位(vacancy)
晶体结构缺陷83131ppt课件
按缺陷产生的原因分类
热缺陷 杂质缺陷 非化学计量结构缺陷
本征缺陷 非本征缺陷
两种典型的热缺陷
金属晶体： Schottky 缺 陷就是金属离子空位 离子晶体：由于局部电 中性的要求，离子晶体 中的 Schottky缺陷只能是 等量的正离子空位和负 离子空位成对出现。
两种典型的热缺陷
S 由两部分组成
组态熵或混合熵SC
振 S n S ) C
在平衡时，G/n ＝ 0， 故有
d lnx ! 注意 lnx d x
( N n )! d ln G N ! n ! kT h T S n d n
点缺陷有时候对材料性能又是有利的
彩色电视荧光屏中的蓝色发光粉的主要原
料是硫化锌 (ZnS) 。在硫化锌晶体中掺入约
0.0001% AgCl，Ag+ 和 Cl 分别占据硫化锌晶体
中 Zn2+ 和 S2 的位置，形成晶格缺陷，破坏了晶
体的周期性结构，使得杂质原子周围的电子能级
与基体不同。这种掺杂的硫化锌晶体在阴极射线 的激发下可以发出波长为 450 nm 的荧光。
注意 n << N，
G n f exp N k T
式中的 Gf是缺陷形成自由焓，在此可以 近似地视作不随温度变化的常数。
G n f exp N k T
以 Schottky 缺陷为例
设构成完整单质晶体的原子数为N，在T K时形 成了 n 个孤立的空位。每个空位的形成能为 h。相应地，这个过程的自由能变化为 G， 热焓的变化为H，熵的变化为S，则可以得到
G H T S n h T S
晶体缺陷(视频)1精品PPT课件
xoy平面内剪切应力：xy Gxy
“属+种差” 与位错[应力(场)]
应力场的数学含义：
以空间坐标为自变量、应力为函数的6个三元函数。
x xx ,y ,zy yx ,y ,zz zx ,y ,z x yx yx ,y ,z y zy zx ,y ,z zxzxx ,y ,z
刃位错应力场：
F
xybx
yby
yzbz
jl
xzbx yzby zbz k
说明： 1.σb的量纲：N/m，因此F的量纲也是N/m 2. F⊥l (其中l 是单位长度位错线，它是矢量)
晶体缺陷间应力场的交互作用 1.缺陷都伴随应力场；外应力也构成应力场 2.同类的场分量间会交互作用，异类没有作用 3.只有当作用力大于抵抗力时，缺陷才会运动
例 面心立方中单位位错分解反应。 解 几何条件：a 2 1 01 a 6 1 1 2 a 6 211
能量条件：2a 22/263a621.51
Fcc单位位错立体图
复习: 1. 101 111；121 111
2. 101 121
3. 101 101
Fcc单位刃位错的论证
1.1 0 1 在 钢 球 图 中 的 位 置
2 .两 层 1Biblioteka 0 1 的 厚 度 是 2 a / 2
3 .刃
位
错
柏
氏
矢
量
为
b
a 2
1 0 1 ,
1 0 1 垂 直 于 1 2 1
4 .抽 掉 两 层 1 0 1 能 使
广 大 区 域 的 1 0 1 面
堆 垛 顺 序 保 持 ABAB
使a增大；反之则减小。
离子晶体中的点缺陷
肖脱基缺陷与弗兰克缺陷
“属+种差” 与位错[应力(场)]
应力场的数学含义：
以空间坐标为自变量、应力为函数的6个三元函数。
x xx ,y ,zy yx ,y ,zz zx ,y ,z x yx yx ,y ,z y zy zx ,y ,z zxzxx ,y ,z
刃位错应力场：
F
xybx
yby
yzbz
jl
xzbx yzby zbz k
说明： 1.σb的量纲：N/m，因此F的量纲也是N/m 2. F⊥l (其中l 是单位长度位错线，它是矢量)
晶体缺陷间应力场的交互作用 1.缺陷都伴随应力场；外应力也构成应力场 2.同类的场分量间会交互作用，异类没有作用 3.只有当作用力大于抵抗力时，缺陷才会运动
例 面心立方中单位位错分解反应。 解 几何条件：a 2 1 01 a 6 1 1 2 a 6 211
能量条件：2a 22/263a621.51
Fcc单位位错立体图
复习: 1. 101 111；121 111
2. 101 121
3. 101 101
Fcc单位刃位错的论证
1.1 0 1 在 钢 球 图 中 的 位 置
2 .两 层 1Biblioteka 0 1 的 厚 度 是 2 a / 2
3 .刃
位
错
柏
氏
矢
量
为
b
a 2
1 0 1 ,
1 0 1 垂 直 于 1 2 1
4 .抽 掉 两 层 1 0 1 能 使
广 大 区 域 的 1 0 1 面
堆 垛 顺 序 保 持 ABAB
使a增大；反之则减小。
离子晶体中的点缺陷
肖脱基缺陷与弗兰克缺陷
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1934年，Taylor Orowan Planyi 位错
14
3.2.2 位错的基本类型和特征
3.2.2.1 刃型位错(edge dislocation)
刃型位错的结构特点
(1)刃型位错有一个额外的半原子面
(2)位错线是己滑移区与未滑移区的边界线EF，可以是直线、
折线或曲线
15
几种形状的刃型位错线
将(3.6)式中指数的分子分母同乘以阿伏加德罗常数 NA(6.023xl0-23)，有
C=Aexp(-NAEv/kNAT)=Aexp(-Qf/RT)
(3.7)
Qf=NAEv，为形成1摩尔空位所需作的功(J／mol) R=kN为气体常数(8.31J／mol)
8
按照类似的计算，也可求得间隙原子 的平衡浓度C’
根据统计热力学，组态熵可表示为
(3.2)
Sc =klnW
(3.3)
k为玻尔兹曼常数(1.38X10-23J／K)；W为微观状态数 6
在晶体中N+n阵点位置上存在n个空位和N个原子时可能出现的 不同排列方式数为
W=(N+n)!/N!n!
(3.4)
△Sc = S(n空位)-S(0空位) =k{ln[(N+n)!/N!n!]-ln1}=kln[(N+n)!/N!n!] (3.5)
当N和n值都非常大时，可用Stirling近似公式(lnx!≈xlnx-x)将 上式改写为
△Sc＝k[(N+n)ln(N+n)-NlnN-nlnn]
则(3.2)式为 △F= nEv –T(△Sc+n△Sf) =n(Ev-T△Sf)-kT[(N+n)ln(N+n)-NlnN-nlnn]
在平衡时自由能为最小，即(Ə△F/Ən)T=0 (Ə△F/Ən)T= Ev-T△Sf -kT[ln(N+n)-lnn]=0
金属晶体的电阻增加，体积膨胀，密度减小
离子晶体的导电性改善
过饱和点缺陷(淬火空位，辐照缺陷)可提高金属的屈服强度
10
晶体缺陷的分类(几何特征) 点缺陷的概念 点缺陷的平衡浓度及其公式推导
习题集
P14 3-1~3-5 3-9~3-15
11
3.2 位错(dislocation)
弹性变形 塑性变形
----主要方式是滑移(slip or glide) 在晶体表面有滑移线
3.2.1 位错理论的产生
3.2.1.1 理论切变强度(Theoretical Shear Strength) 的估算
弗兰克尔假设：（1 ）完整晶体 （2）刚性滑移
12
13
3.2.1.2 位错概念的引入
根据塑性变形的晶体学性、不均匀性和滑移 行为是逐渐扩展等特点，人们设想在晶体中 会存在某些缺陷，这些缺陷可以使形变过程 在局部地方发生、滑移区逐渐扩展，而不需 要2个晶面作整体的相对刚性滑动，这样就 有可能降低晶体滑移所需要的力。
螺型位错的特征
(1)无额外半原子面，原子错排是呈轴对称的
(2)位错线周围点阵发生弹性畸变，只有平行于位错线的切应
变，无正应变
(3)位错线一定是直线，是已滑移区与未滑移区的边界线
(4)分为右旋和左旋螺型位错(左右手法则)
18
螺型位错的结构特征
(4)分为右旋和左旋螺型位错(左右手法则) (5)位错周围的点阵畸变随离位错线距离的增加而急剧减小
16
刃型位错的特点
(3)正、负之分（相对的）； (4) 位错周围的点阵发生弹性畸变，有切(正) 应变，滑移面 上下方应力符号相反； (5)在位错线周围的过渡区(畸变区)原子具有较大的平均能量。 但该区只有几个原子间距宽，畸变区是狭长的管道
17 end
3.2.2.2 螺型位错(screw dislocation)
U为内能，S为总熵值(组态熵Sc和振动熵Sf)，T为绝对温度
设由N个原子组成的晶体中含有n个空位，形成一个空位所需
能量为 Ev(空位形成能)
则晶体中含有n个空位时，其内能增量为△U=nEv
n个空位造成晶体组态熵的改变为△Sc，振动熵的改变为△Sf
故自由能的改变为： △ F= △U-T△S
△F= nEv –T(△Sc+n△Sf)
(a)体系能量与原子间距的关系 (b)原子间作用力和距离的关系
4
点缺陷的其他形成方式
高温淬火 冷变形加工 高能粒子(如中子、质子、α粒子等)的辐照效应 晶体中的点缺陷数量超过了其平衡浓度—— 过饱和的点缺陷
5
3.1.2 点缺陷的平衡浓度
由热力学原理可知，在恒温下，系统的自由能F为
F=U-TS
(3.1)
(a)肖脱基缺陷 Schottky空位
(b)弗兰克尔缺陷
(c)间隙原子
Frenkel空位+间隙原子
3
3.1.1 点缺陷的形成
原子热振动——热平衡缺陷—— 点阵弹性畸变 改变电子的动能和势能
由于热起伏促使原子脱 离点阵位置而形成的点 缺陷（热平衡缺陷）
空位形成能E:在晶体 内取出一个原子放在 晶体表面所需的能量 （不改变晶体的表面 积和表面能）
13/9
第3章 晶体缺陷
晶体中各种偏离理想结构的区域——晶体缺陷
分类(几何特征) 点缺陷--在三维空间的各个方面上尺寸都很小，尺寸 范围约为一个或几个原子尺度(节点上或邻近的微观区 域内)，包括空位、间隙原子、杂质或溶质原子等； 线缺陷--在两个方向上尺寸很小，另外一个方向上延 伸较长，也称一维缺陷，如各类位错；
C’=n’/N’=A’exp(-△E’v/kT)
N’为晶体中间隙位置总数 n’为间隙原子数 △E’v为间隙原子的形成能
(3.8)
点缺陷平衡动 点缺陷 形成
运动
消失
空位
空位
间隙原子
间隙原子
间隙原子
空位(复合)
点缺陷的迁移能
原子的自扩散
点缺陷 晶体性能变化
面缺陷--在一个方向上尺寸很小，另外两个方向上扩 展很大，也称二维缺陷。晶界、相界、孪晶界和堆垛 层错等都属于面缺陷。
1
相变 扩散
塑形变形
晶体缺陷
再结晶 烧结 氧化
屈服强度
性能 断裂强度 塑性
电阻率
磁导率
2
3.1 点缺陷(Point defect)
空位(vacancy) 间隙原子(interstitial atom)
当N≫n时，ln[n/(N+n)] =-(Ev-T△Sf)/kT ≈ ln(n/N) 故空位在T温度时的平衡浓度为
C=n/N=exp[-(Ev-T△Sf)/kT]
=exp (△Sf/k)exp(-Ev/kT)
7
C=Aexp(-Ev/kT)
(3.6)
A=exp (△Sf/k)，是由振动熵决定的系数，在1-10之间
14
3.2.2 位错的基本类型和特征
3.2.2.1 刃型位错(edge dislocation)
刃型位错的结构特点
(1)刃型位错有一个额外的半原子面
(2)位错线是己滑移区与未滑移区的边界线EF，可以是直线、
折线或曲线
15
几种形状的刃型位错线
将(3.6)式中指数的分子分母同乘以阿伏加德罗常数 NA(6.023xl0-23)，有
C=Aexp(-NAEv/kNAT)=Aexp(-Qf/RT)
(3.7)
Qf=NAEv，为形成1摩尔空位所需作的功(J／mol) R=kN为气体常数(8.31J／mol)
8
按照类似的计算，也可求得间隙原子 的平衡浓度C’
根据统计热力学，组态熵可表示为
(3.2)
Sc =klnW
(3.3)
k为玻尔兹曼常数(1.38X10-23J／K)；W为微观状态数 6
在晶体中N+n阵点位置上存在n个空位和N个原子时可能出现的 不同排列方式数为
W=(N+n)!/N!n!
(3.4)
△Sc = S(n空位)-S(0空位) =k{ln[(N+n)!/N!n!]-ln1}=kln[(N+n)!/N!n!] (3.5)
当N和n值都非常大时，可用Stirling近似公式(lnx!≈xlnx-x)将 上式改写为
△Sc＝k[(N+n)ln(N+n)-NlnN-nlnn]
则(3.2)式为 △F= nEv –T(△Sc+n△Sf) =n(Ev-T△Sf)-kT[(N+n)ln(N+n)-NlnN-nlnn]
在平衡时自由能为最小，即(Ə△F/Ən)T=0 (Ə△F/Ən)T= Ev-T△Sf -kT[ln(N+n)-lnn]=0
金属晶体的电阻增加，体积膨胀，密度减小
离子晶体的导电性改善
过饱和点缺陷(淬火空位，辐照缺陷)可提高金属的屈服强度
10
晶体缺陷的分类(几何特征) 点缺陷的概念 点缺陷的平衡浓度及其公式推导
习题集
P14 3-1~3-5 3-9~3-15
11
3.2 位错(dislocation)
弹性变形 塑性变形
----主要方式是滑移(slip or glide) 在晶体表面有滑移线
3.2.1 位错理论的产生
3.2.1.1 理论切变强度(Theoretical Shear Strength) 的估算
弗兰克尔假设：（1 ）完整晶体 （2）刚性滑移
12
13
3.2.1.2 位错概念的引入
根据塑性变形的晶体学性、不均匀性和滑移 行为是逐渐扩展等特点，人们设想在晶体中 会存在某些缺陷，这些缺陷可以使形变过程 在局部地方发生、滑移区逐渐扩展，而不需 要2个晶面作整体的相对刚性滑动，这样就 有可能降低晶体滑移所需要的力。
螺型位错的特征
(1)无额外半原子面，原子错排是呈轴对称的
(2)位错线周围点阵发生弹性畸变，只有平行于位错线的切应
变，无正应变
(3)位错线一定是直线，是已滑移区与未滑移区的边界线
(4)分为右旋和左旋螺型位错(左右手法则)
18
螺型位错的结构特征
(4)分为右旋和左旋螺型位错(左右手法则) (5)位错周围的点阵畸变随离位错线距离的增加而急剧减小
16
刃型位错的特点
(3)正、负之分（相对的）； (4) 位错周围的点阵发生弹性畸变，有切(正) 应变，滑移面 上下方应力符号相反； (5)在位错线周围的过渡区(畸变区)原子具有较大的平均能量。 但该区只有几个原子间距宽，畸变区是狭长的管道
17 end
3.2.2.2 螺型位错(screw dislocation)
U为内能，S为总熵值(组态熵Sc和振动熵Sf)，T为绝对温度
设由N个原子组成的晶体中含有n个空位，形成一个空位所需
能量为 Ev(空位形成能)
则晶体中含有n个空位时，其内能增量为△U=nEv
n个空位造成晶体组态熵的改变为△Sc，振动熵的改变为△Sf
故自由能的改变为： △ F= △U-T△S
△F= nEv –T(△Sc+n△Sf)
(a)体系能量与原子间距的关系 (b)原子间作用力和距离的关系
4
点缺陷的其他形成方式
高温淬火 冷变形加工 高能粒子(如中子、质子、α粒子等)的辐照效应 晶体中的点缺陷数量超过了其平衡浓度—— 过饱和的点缺陷
5
3.1.2 点缺陷的平衡浓度
由热力学原理可知，在恒温下，系统的自由能F为
F=U-TS
(3.1)
(a)肖脱基缺陷 Schottky空位
(b)弗兰克尔缺陷
(c)间隙原子
Frenkel空位+间隙原子
3
3.1.1 点缺陷的形成
原子热振动——热平衡缺陷—— 点阵弹性畸变 改变电子的动能和势能
由于热起伏促使原子脱 离点阵位置而形成的点 缺陷（热平衡缺陷）
空位形成能E:在晶体 内取出一个原子放在 晶体表面所需的能量 （不改变晶体的表面 积和表面能）
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第3章 晶体缺陷
晶体中各种偏离理想结构的区域——晶体缺陷
分类(几何特征) 点缺陷--在三维空间的各个方面上尺寸都很小，尺寸 范围约为一个或几个原子尺度(节点上或邻近的微观区 域内)，包括空位、间隙原子、杂质或溶质原子等； 线缺陷--在两个方向上尺寸很小，另外一个方向上延 伸较长，也称一维缺陷，如各类位错；
C’=n’/N’=A’exp(-△E’v/kT)
N’为晶体中间隙位置总数 n’为间隙原子数 △E’v为间隙原子的形成能
(3.8)
点缺陷平衡动 点缺陷 形成
运动
消失
空位
空位
间隙原子
间隙原子
间隙原子
空位(复合)
点缺陷的迁移能
原子的自扩散
点缺陷 晶体性能变化
面缺陷--在一个方向上尺寸很小，另外两个方向上扩 展很大，也称二维缺陷。晶界、相界、孪晶界和堆垛 层错等都属于面缺陷。
1
相变 扩散
塑形变形
晶体缺陷
再结晶 烧结 氧化
屈服强度
性能 断裂强度 塑性
电阻率
磁导率
2
3.1 点缺陷(Point defect)
空位(vacancy) 间隙原子(interstitial atom)
当N≫n时，ln[n/(N+n)] =-(Ev-T△Sf)/kT ≈ ln(n/N) 故空位在T温度时的平衡浓度为
C=n/N=exp[-(Ev-T△Sf)/kT]
=exp (△Sf/k)exp(-Ev/kT)
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C=Aexp(-Ev/kT)
(3.6)
A=exp (△Sf/k)，是由振动熵决定的系数，在1-10之间