chap3晶体缺陷
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晶体缺陷-位错的基本类型与特征
混合位错
总结词
混合位错是一种同时具有刃型和螺旋型 特征的晶体缺陷，其特征是晶体中某处 的原子既发生了平移又发生了螺旋式的 位移。
VS
详细描述
混合位错是刃型位错和螺旋位错的组合体 ，其原子位移同时包含了平移和螺旋式的 位移。混合位错通常出现在晶体的复杂区 域，如晶界、相界等。由于混合位错同时 具有刃型和螺旋型位错的特征，其对晶体 的性能影响也较为复杂，需要进行深入研 究。
滑移与攀移
在切应力作用下，位错能够沿滑移面整列移动，称为滑移； 而垂直于滑移面方向的移动称为攀移。这两种运动方式是 位错在塑性变形中的重要表现。
应变梯度与几何必须位错
当材料的局部区域发生不均匀变形时，会产生应变梯度， 进而促使位错的形成和运动，以协调这种不均匀变形。
位错与材料疲劳断裂
01
疲劳裂纹的萌生与扩展
强化机制
加工硬化
在塑性变形过程中，位错的运动和交 互作用导致材料逐渐变硬，即加工硬 化。这是金属材料常用的强化手段。
通过引入位错，可以增加材料的内应 力，从而提高其屈服强度。这种强化 机制称为位错强化。
位错与材料塑性变形
塑性变形机制
位错在受力时能够运动，从而改变材料的形状。这种运动 机制是金属等材料发生塑性变形的内在原因。
在循环载荷作用下，位错容易在材料的应力集中区域（如晶界、相界或
表面）聚集，形成位错塞积群，进而导致疲劳裂纹的萌生。裂纹的扩展
通常沿特定晶体学平面进行。
02
影响疲劳性能的因素
位错的运动和交互作用对疲劳裂纹的萌生和扩展具有重要影响，进而影
响材料的疲劳性能。例如，材料的抗疲劳性能可以通过引入阻碍位错运
动的合金元素来改善。
晶体缺陷的分类
《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 。
Chapter 3-1 晶体缺陷-点缺陷、位错
杂质（异类）原子
定义： 任何纯金属中都或多或少会存在杂质, 即其它
元素, 这些原子称杂质（异类）原子
热缺陷： 热起伏促使原子脱离点阵位置而形成的点缺陷。 热缺陷的两种基本形式
弗伦克尔缺陷
肖特基缺陷
热缺陷示意图
弗兰克尔缺陷
肖特基缺陷
化合物离子晶体中的两种点缺陷
金属晶体：弗兰克尔缺陷比肖特基缺陷少得多 离子晶体：结构配位数低-弗兰克尔缺陷较常见
ρ理论
=
n理论 NA
V
M
=
4 6.022 1023
26.98
4.049 10-8 3
g
cm 3 = 2. 6997g
cm 3
空位数 cm3
ρ ρ theoretical
observed
NA
M 4.620 10 20 cm 3 Al
例5 MgO晶体的肖特基缺陷生成能为84KJ/mol，计算该晶体 1000K和1500K的缺陷浓度
平移对称性的示意图
平移对称性的破坏
②分类
点缺陷（零维缺陷）--原子尺度的偏离.
按
例：空位、间隙原子、杂质原子等
缺
陷 线缺陷（一维缺陷）--原子行列的偏离.
的
例：位错等
几 何
面缺陷（二维缺陷）--表面、界面处原子排列混乱.
形
例：表面、晶界、堆积层错、镶嵌结构等
态 体缺陷（三维缺陷）--局部的三维空间偏离理想晶体的周期性
CV ,1000
n N
exp( ΔGS RT
)
exp(
84000 8.3145 1000
) 4.096 10-5
CV ,1500
n N
ρ
( 单位晶胞原子数n )( 55.847g / mol ) ( 2.866 108 cm )3 ( 6.02 1023 / mol )
第三章 晶体缺陷1汇总
第三章晶体缺陷第一节点缺陷引言●完整晶体：原子规则地存在于应在的位置上。
●晶体结构缺陷：实际晶体中偏离理想结构的区域。
晶体缺陷分类：（按几何特征分）●1、点缺陷（零维缺陷）（Point defect）●在各个方向上尺寸都很小的缺陷。
如：空位、间隙原子、溶质原子等。
●2、线缺陷（一维缺陷）（Line defects）●在一个方向上尺寸较大，另两个方向上尺寸较小。
如：位错。
●3、面缺陷（二维缺陷）（Surface defects）●在两个方向上尺寸较大，在另一个方向上尺寸较小。
如：晶体表面、晶界、相界、孪晶界等。
●4、体缺陷（三维缺陷）（Body defects）●在任意方向上尺寸较大。
如：沉淀相、空洞、气泡等●研究缺陷的产生、运动、交互作用及转化，具有重要的理论和实际意义。
第一节点缺陷一、晶体中点缺陷的结构及形成二、点缺陷的平衡浓度三、点缺陷的移动四、点缺陷对金属性能的影响1、点缺陷的形成2、点缺陷的分类（离位原子的去处）肖脱基(Schottky)缺陷——原子迁移到表面——仅形成空位弗兰克(Franke)缺陷——原子迁移到间隙中—形成空位-间隙对杂质或溶质原子——间隙式（小原子）或置换式（大原子）迁移其它空位中，使空位发生移位，不增加空位数目。
3、点缺陷的弹性畸变和能量●点缺陷导致一定范围内的弹性畸变和能量增加4、点缺陷与温度的关系●空位和间隙原子的形成与温度密切相关●随温度升高，点缺陷数目增加，称为热缺陷。
5、点缺陷的产生①原因：热运动②工艺：高温淬火、冷变形加工、高能粒子轰击也可产生点缺陷。
(点缺陷并非都通过原子的热振动产生)。
辐照对于材料性能所引起的一些特殊效应●电离●蜕变●离位（金属中最主要的辐照效应）二、点缺陷的平衡浓度●点缺陷形成对晶体的影响：●(1)点阵畸变，晶体内能增加，晶体不稳定；●(2)原子排列混乱程度增加，改变周围原子振动频率，晶体熵增加，晶体稳定。
●由于存在这两个互为矛盾的因素，所以，晶体中的点缺陷在一定温度下有一定的平衡数目，这个平衡浓度可以借热力学求得热力学平衡●当晶体中空位处于系统热力学平衡状态时，T 温度下系统的自由能F为：F=U–TS●式中：●U为内能；●S为总熵，包括组态熵S c和振动熵S f。
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。
03第三章晶体缺陷
●刃型位错线可以理解为已滑移区和未滑移区的分界线。它即 可以是直线，也可以是折线或曲线，但必与滑移矢量相垂直。
●刃型位错周围的点阵发生弹性畸变，既有切应变，又有正应 变，就正刃型位错而言，滑移面上方点阵受到压应力，下方 点阵受到拉应力。弹性畸变区是一个有几个原子间距宽、狭 长的管道，属于线缺陷。
2．螺型位错特点
● 1950年代，位错模型为试验所验证 现在，位错是晶体的性能研究中最重要的概念
电子显微镜下的位错
透射电镜下钛合金中的位错线(黑线)
高分辨率电镜下的刃位错 （白点为原子）
3.2.1 位错的基本类型和特征
按几何结构分：刃型位错和螺型位错
1．刃型位错特点
●有额外的半原子面。
●滑移面是同时包括位错线和滑移矢量（滑移方向）的平面。位 错线和滑移矢量互相垂直。半原子面在滑移面上面称为正刃型 位错，记为┴；反之为负刃型位错（人为规定）
位错攀移
例：
交割性质？(扭折or割阶） 交割后位错b大小？ 交割后位错的活动性？
交割后位错性质？ (刃型or螺型） 交割后线段大小？
位错交割的特点 1) 位错交割后产生的扭折或割阶，其大小和方向取决于另一位 错的柏氏矢量，但具有原位错线的柏氏矢量。 2) 所有的割阶都是刃型位错，而扭折可以是刃型也可是螺型的。 3) 扭折与原位错线在同一滑移面上，可随位错线一道运动，几乎 不产生阻力；割阶与原位错不在同一滑移面上，只能通过攀移 运动。 所以割阶是位错运动的障碍--- 割阶硬化
第三章 晶体缺陷
晶体缺陷：实际晶体中存在的各种偏离理想结构的现象 成因：热运动、形成过程、压力加工、热处理、辐照等 晶体缺陷的影响：力学性能、物理性能、扩散、相变等 晶体缺陷的种类： 1点缺陷: 三维空间各个方向上尺寸都很小 ——空位、间隙原子、杂质或溶质原子 2线缺陷: 三维空间中有一维延伸较长 ——位错 3面缺陷: 三维空间中有两维扩展较大 ——晶界、相界、层错
晶体缺陷的原理及应用
晶体缺陷的原理及应用1. 晶体缺陷的概述•定义：晶体缺陷是指晶体中存在的非理想排列的原子、离子或分子。
•分类：通常可分为点缺陷、线缺陷和面缺陷。
•形成原因：晶体缺陷的形成可能是由于晶体的生长过程中的错误、外界的作用或者晶体内部的自发性变化引起的。
2. 点缺陷的原理和应用•定义：点缺陷是晶体中原子、离子或分子的位置发生变化所产生的缺陷。
•原理：–空位：晶体中某个原子、离子或分子的位置处没有原子、离子或分子存在。
–间隙原子：晶体中某个未占据位置上存在多余的原子、离子或分子。
–杂质原子：外来原子、离子或分子取代了晶体中的一些位置。
•应用：–半导体器件：点缺陷可以改变晶体的导电性能，用于制备半导体器件，如二极管、晶体管等。
–光电设备：点缺陷可以调控晶体的光电性能，应用于制备光电器件，如太阳能电池、光电传感器等。
3. 线缺陷的原理和应用•定义：线缺陷是晶体中原子、离子或分子分布不连续所形成的线状缺陷。
•原理：–缺陷线：晶体中原子、离子或分子的排列存在断裂或者位错。
–缺陷管道：晶体中原子、离子或分子的排列形成管道状结构。
•应用：–强化材料：通过控制线缺陷的分布和形态，可以增强材料的力学性能，应用于制备强化材料。
–电子束材料加工：线缺陷的存在可以引起晶体的脆性破坏，在电子束材料加工中可以实现精确切割。
4. 面缺陷的原理和应用•定义：面缺陷是晶体中原子、离子或分子排列发生变化形成的平面缺陷。
•原理：–位错面：晶体中原子、离子或分子的平面产生了错位。
–晶界：两个晶体颗粒之间的界面存在一些原子、离子或分子的不连续性。
•应用：–新型材料研究：通过调控晶体的面缺陷，可以制备具有特殊性能的新型材料，如高强度陶瓷材料、催化剂等。
–能源材料：面缺陷对材料的导电性和离子传输性能有重要影响，应用于制备能源材料，如电池、燃料电池等。
5. 晶体缺陷的性质研究和控制•晶体缺陷的性质研究：晶体缺陷对材料的性能具有重要影响，因此需要进行晶体缺陷的性质研究，如晶体缺陷的生长机制、扩散行为等。
晶体缺陷-文档资料
温度升高、激活能低，热缺陷浓度越大。
平衡浓度 nN eCeAexkpEvT
11
3.1 点缺陷
实例
Cu晶体的空位形成能μv为0.9ev/atom，或1.44×10-19J/atom， 材料常数A取作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) 500℃下的平衡空位浓度。
12
3.1 点缺陷
解：首先确定1m3体积内Cu原子的总数（已知Cu的摩尔质量Mcu＝ 63.54g/mol，500℃ 下Cu的密度ρCu＝8.96×106(g/m3)
N N M 0 C C 6 u .u 0 1 2 6 2 .5 0 3 8 3 . 3 9 4 1 6 6 0 8 .4 1 9 2 / 0 m 8 3
（a）弗仑克尔缺陷的形成 （空位与间隙质点成对出现）
体积不变
8
3.1 点缺陷
肖特基缺陷
正常格点上的原子，热起伏过 程中获得能量离开平衡位置；
跳跃到晶体的表面，在原正常 格点上留下空位。
正负离子空位同时产生 体积增加
（b）单质中的肖特基缺陷的形成
9
一般规律：
3.1 点缺陷
在离子晶体中正负离子半径相差不大时，容易形成肖特 基缺陷，晶体中的缺陷以肖特基缺陷为主；
当正负离子半径相差很大时，容易产生弗仑克尔缺陷， 晶体中的缺陷以弗仑克尔缺陷为主。
10
3.1 点缺陷
3. 热缺陷浓度 热激发 晶体中质点由于获得较大热运动能量而脱离平衡位置的过程 激活能 热激发所需要的最小能量
晶体中大多数质点所具有的热运动能量都不足以克服周围质点的作用 力而脱离平衡位置，只是由于能量起伏，少数热运动能量大于激活能的质 点才能脱离平衡位置，形成热缺陷。
平衡浓度 nN eCeAexkpEvT
11
3.1 点缺陷
实例
Cu晶体的空位形成能μv为0.9ev/atom，或1.44×10-19J/atom， 材料常数A取作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) 500℃下的平衡空位浓度。
12
3.1 点缺陷
解：首先确定1m3体积内Cu原子的总数（已知Cu的摩尔质量Mcu＝ 63.54g/mol，500℃ 下Cu的密度ρCu＝8.96×106(g/m3)
N N M 0 C C 6 u .u 0 1 2 6 2 .5 0 3 8 3 . 3 9 4 1 6 6 0 8 .4 1 9 2 / 0 m 8 3
（a）弗仑克尔缺陷的形成 （空位与间隙质点成对出现）
体积不变
8
3.1 点缺陷
肖特基缺陷
正常格点上的原子，热起伏过 程中获得能量离开平衡位置；
跳跃到晶体的表面，在原正常 格点上留下空位。
正负离子空位同时产生 体积增加
（b）单质中的肖特基缺陷的形成
9
一般规律：
3.1 点缺陷
在离子晶体中正负离子半径相差不大时，容易形成肖特 基缺陷，晶体中的缺陷以肖特基缺陷为主；
当正负离子半径相差很大时，容易产生弗仑克尔缺陷， 晶体中的缺陷以弗仑克尔缺陷为主。
10
3.1 点缺陷
3. 热缺陷浓度 热激发 晶体中质点由于获得较大热运动能量而脱离平衡位置的过程 激活能 热激发所需要的最小能量
晶体中大多数质点所具有的热运动能量都不足以克服周围质点的作用 力而脱离平衡位置，只是由于能量起伏，少数热运动能量大于激活能的质 点才能脱离平衡位置，形成热缺陷。
3 晶体缺陷
性 的 区 域 称 为 晶 体 缺 陷 （ crystal defect; crystalline imperfection)。
根据晶体缺陷的几何形态特征，一般将它分为三类：点 缺陷、线缺陷（即位错）和面缺陷。
3.1 点缺陷 点缺陷：是最简单的晶体缺陷，是在结点上或邻近区域 内偏离晶体结构的正常排列的一种缺陷。
测量原子空位浓度和Qv值的方法：
A：西蒙斯-巴卢菲法：某温度下测定热平衡状态下物性值的方法 B：急冷实验：将试样从热平衡状态下急冷冻结原子空位，从物性 值的测定估算其冻结量。 C：用熔点的经验公式计算空位形成能Qv Qv=9kTm K为波耳兹曼常数。 可算得熔点处CV浓度在10-4数量级。 D：正电子淹没法：
热平衡缺陷：热起伏使原子脱离点阵位置而形成的点缺陷。
离开平衡位置的原子有三个去处：
一是迁移到晶体表面或内表面的正常结点位置上，而使晶体内部留 下空位，称为肖脱基（Schottky）空位；
二是挤入点阵的间隙位置，而在晶体中同时形成数目相等的空位和
间隙原子，则称为弗兰克尔（Frenkel）缺陷； 三是跑到其他空位中，使空位消失或使空位移位。另外，在一定条 件下，晶体表面上的原子也可能跑到晶体内部的间隙位置形成间隙原子。
2、螺型位错
晶体在外加切应力作用下， 沿ABCD面滑移，图中BC线为已滑 移区与未滑移区的分界处。在BC与 aa｀线之间上下两层原子发生了错 排现象，连接紊乱区原子，会画出 一螺旋路径，该路径所包围的管状 原子畸变区就是螺型位错。
C D
B
A
这种位错的结构特征是垂直于位错线的原子平面有平行的 晶面变成一个连续的螺旋面，故称为螺型位错。
经推导得在T温度时的空位平衡浓度
依此类推，可得间隙原子的平衡浓度
晶体缺陷——精选推荐
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)。
第三章晶体缺陷
线缺陷（Linear defects）：在一个方向上的缺陷扩展很大，其它两个
方向上尺寸很小，也称为一维缺陷。主要为位错dislocations。
面缺陷（Planar defects）：在两个方向上的缺陷扩展很大，其它一个
方向上尺寸很小，也称为二维缺陷。包括晶界grain boundaries、相界phase boundaries、孪晶界twin boundaries、堆垛层错stacking faults等。
25
位错（Dislocation）理论的发展
起源：塑性变形(plastic deformation) — 滑移(slip) — 滑移线
最初模型：“刚性相对滑动模型”
计算临界切应力 tm = G/30 （G — 切变模量） 纯Fe的切变模量约为：100GPa
纯Fe的理论临界切应力：约3000MPa 纯Fe的实际屈服强度： 1– 10MPa
1st
理想金属
BCC FCC HCP
规则排列
实际金属材料中，由于原子（分子或离 子）的热运动、晶体的形成条件、加工 过程、杂质等因素的影响，使得实际晶 体中原子的排列不再规则、完整，存在 各种偏离理想结构的情况
晶体缺陷 defects or imperfections
晶体缺陷对晶体的性能、扩散、相变等有重要的影响 1
20
点缺陷的运动产生的影响：
晶体中的原子正是由于空位和间隙原子不断的产生和复合，才不 停地由一处向另一处作无规则的布朗运动，这就是晶体中原子的 自扩散。它是固态相变、表面化学热处理、蠕变、烧结的基础。
晶体性能的变化：体积、光学、磁性、导电性等改变。
如体积膨胀、密度降低等
21
A Frenkel defect, Frenkel pair, or Frenkel disorder is a type of point defect in a crystal lattice. The defect forms when an atom or ion leaves its place in the lattice, creating a vacancy, and becomes an interstitial by lodging in a nearby location not usually occupied by an atom. Frenkel defects occur due to thermal vibrations, and it is theorized that there will be no defects in a crystal at 0 K. The phenomenon is named after the Soviet physicist Yakov Frenkel (also known as Jacov Frenkel, 1894-1952), who discovered it in 1926. From 1921 till the end of his life, Frenkel worked at the Physico-Technical Institute. Beginning in 1922, Frenkel published a book virtually every year. He was the author of the first theoretical course in the Soviet Union. Many students learned physics from these books, in the Soviet Union and abroad. For his distinguished scientific service, he was elected a corresponding member of the USSR Academy of Sciences in 1929.
方向上尺寸很小，也称为一维缺陷。主要为位错dislocations。
面缺陷（Planar defects）：在两个方向上的缺陷扩展很大，其它一个
方向上尺寸很小，也称为二维缺陷。包括晶界grain boundaries、相界phase boundaries、孪晶界twin boundaries、堆垛层错stacking faults等。
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位错（Dislocation）理论的发展
起源：塑性变形(plastic deformation) — 滑移(slip) — 滑移线
最初模型：“刚性相对滑动模型”
计算临界切应力 tm = G/30 （G — 切变模量） 纯Fe的切变模量约为：100GPa
纯Fe的理论临界切应力：约3000MPa 纯Fe的实际屈服强度： 1– 10MPa
1st
理想金属
BCC FCC HCP
规则排列
实际金属材料中，由于原子（分子或离 子）的热运动、晶体的形成条件、加工 过程、杂质等因素的影响，使得实际晶 体中原子的排列不再规则、完整，存在 各种偏离理想结构的情况
晶体缺陷 defects or imperfections
晶体缺陷对晶体的性能、扩散、相变等有重要的影响 1
20
点缺陷的运动产生的影响：
晶体中的原子正是由于空位和间隙原子不断的产生和复合，才不 停地由一处向另一处作无规则的布朗运动，这就是晶体中原子的 自扩散。它是固态相变、表面化学热处理、蠕变、烧结的基础。
晶体性能的变化：体积、光学、磁性、导电性等改变。
如体积膨胀、密度降低等
21
A Frenkel defect, Frenkel pair, or Frenkel disorder is a type of point defect in a crystal lattice. The defect forms when an atom or ion leaves its place in the lattice, creating a vacancy, and becomes an interstitial by lodging in a nearby location not usually occupied by an atom. Frenkel defects occur due to thermal vibrations, and it is theorized that there will be no defects in a crystal at 0 K. The phenomenon is named after the Soviet physicist Yakov Frenkel (also known as Jacov Frenkel, 1894-1952), who discovered it in 1926. From 1921 till the end of his life, Frenkel worked at the Physico-Technical Institute. Beginning in 1922, Frenkel published a book virtually every year. He was the author of the first theoretical course in the Soviet Union. Many students learned physics from these books, in the Soviet Union and abroad. For his distinguished scientific service, he was elected a corresponding member of the USSR Academy of Sciences in 1929.
第三章 晶体缺陷..
空位-体系能量曲线
晶体比理想晶体在热
2018/10/5 2018/10/5
力学上更为稳定。
19
19
第三章 晶体缺陷
•
• • •
“金无足赤” 每“k”含金量为4.166%， 18k=18×4.166%=74.998%, 24k=24×4.166%=99.984%
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第三章 晶体缺陷
点缺陷的类型：
（1）空位 （2）间隙原子（异类）（interstital atom）： （3）自间隙原子(同类) （self- interstital atom ） （4）外来杂质原子： （5）置换原子(substitutional atom) ：
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第三章 晶体缺陷
•
点缺陷可以导致：
使晶体的内能升高，降低了晶体的热力
点阵畸变
学稳定性。
增大了原于排列的混乱程度，并改变了其周围原子的
振动频率，引起组态熵和振动熵的改变，使晶体熵值
增大，增加了晶体的热力学稳定性。
这两个相互矛盾的因素使得晶体中的点缺陷在一定的
• 几种点缺陷形成动画演示
2018/10/5 2018/10/5 10 10
第三章 晶体缺陷
弹性畸变
• 空位的存在，使周围原子失去一个近邻原 子而影响原子间作用力的平衡，因而，周 围的原子都要向空位方向稍微作些调整， 造成了点阵的局部弹性畸变。 • 同样，在间隙原子所在处的点阵也会发生 弹性畸变。 • 显然，在这两种情况下，空位引起的畸变 较小。
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晶体比理想晶体在热
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力学上更为稳定。
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第三章 晶体缺陷
•
• • •
“金无足赤” 每“k”含金量为4.166%， 18k=18×4.166%=74.998%, 24k=24×4.166%=99.984%
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第三章 晶体缺陷
点缺陷的类型：
（1）空位 （2）间隙原子（异类）（interstital atom）： （3）自间隙原子(同类) （self- interstital atom ） （4）外来杂质原子： （5）置换原子(substitutional atom) ：
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第三章 晶体缺陷
•
点缺陷可以导致：
使晶体的内能升高，降低了晶体的热力
点阵畸变
学稳定性。
增大了原于排列的混乱程度，并改变了其周围原子的
振动频率，引起组态熵和振动熵的改变，使晶体熵值
增大，增加了晶体的热力学稳定性。
这两个相互矛盾的因素使得晶体中的点缺陷在一定的
• 几种点缺陷形成动画演示
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第三章 晶体缺陷
弹性畸变
• 空位的存在，使周围原子失去一个近邻原 子而影响原子间作用力的平衡，因而，周 围的原子都要向空位方向稍微作些调整， 造成了点阵的局部弹性畸变。 • 同样，在间隙原子所在处的点阵也会发生 弹性畸变。 • 显然，在这两种情况下，空位引起的畸变 较小。
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第三章_晶体缺陷
非化学计量缺陷
电荷缺陷
周期排列不变
价带产生空穴 导带存在电子 附加 周期势场畸变 电场
产生电荷缺陷
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臵，发生晶格 畸变，使晶格内能升高。
一个滑移面和一个滑移方向组成一个滑移系，面心立方结构有12 个滑移系，体心立方结构有48个滑移系，而密排六方结构一般只 有3个滑移系。在外力作用下，并不是所有的滑移系都会开动的， 只能是其中一个或几个滑移系开动，那些没有开动的滑移系称为
假设在滑移面上有部分面积已经滑移，上下侧相对滑移了 b矢量矢量，在已滑移区域和没有滑移区域的交界处必然 存在很大畸变， 它就是我们要寻找的缺陷，称之为线缺陷。 线缺陷：晶体中某些区域发生一列或若干列粒子有规律的 错排现象称为线缺陷,又称位错。
3. 比热容 形成点缺陷需向晶体提供附加的能量(空位生成 焓)，因而引起附加比热容。 4. 其他 此外，点缺陷还影响其他物理性质，如扩散系数、 介电常数等。在碱金属的卤化物中，点缺陷称为 色心，会使晶体呈现色彩。点缺陷对金属力学性 能的影响较小，它只通过与位错的交互作用，阻 碍位错运动而使晶体强化。但在高能粒子辐照的 情形下，由于形成大量的点缺陷而能引起晶体显 著硬化和脆化（辐照硬化）。
晶体中的各种点缺陷
1 －大的置换原子；2 －肖脱基空位；3－间隙原子； 4－复合空位；5－弗兰克尔空位；6－小的置换原子
空位的迁移
空位在晶体中 并非静止不动， 它可借 助 热 激 活而作 无 规则 的运动。 空位的迁移， 实质上 是 其周 围原子 的 逆 向 运动。
晶体缺陷3
面缺陷
孪晶界
• 孪晶是指两个晶体(或一个晶体的两部分)沿一个 公共晶面构成镜面对称的位向关系，这两个晶体 就称为“孪晶(twin)”，此公共晶面就称孪晶面 。
面缺陷
相界
• 具有不同结构的两相之间的分界面称为“相界” 。按结构特点，相界面可分为共格、半共格和非 共格相界三种类型。
面缺陷
晶界特性
1.晶界处点阵畸变大，存在晶界能。晶粒的长大和晶界 的平直化都能减少晶界面积，从而降低晶界的总能量 。 2.晶界处原子排列不规则，在常温下晶界的存在会对位 错的运动起阻碍作用，致使塑性变形抗力提高，宏观 表现为晶界较晶内具有较高的强度和硬度。晶粒越细 ,材料的强度越高，这就是细晶强化。 3.晶界处原子偏离平衡位置，具有较高的动能，并且晶 界处存在较多的缺陷如空穴、杂质原子和位错等，故 晶界处原子的扩散速度比在晶内快得多。
面缺陷
晶界与亚晶界
属于同一固相但位向不同的晶粒之间的界面 称为晶界；而每个晶粒有时又由若干个位向稍 有差异的亚晶粒所组成，相邻亚晶粒间的界面 称为亚晶界。
面缺陷
小角度晶界：相邻晶粒的位向差小于10°的晶界称为
小角度晶界。 • 最简单的小角度晶界是对称倾斜晶界，其晶界可看 成是由一列平行的刃型位错所构成。 • 扭转晶界是小角度晶界的一种类型，它可看成是两 部分晶体绕某一轴在一个共同的晶面上相对扭转一 个θ角所构成的，扭转轴垂直于这一共同的晶面。 扭转晶界的结构可看成是由互相交叉的螺型位错所 组成。
线缺陷
螺型位错的结构特征： • 无额外的半原子面，原子错排成轴对称，分右旋和左旋螺 型位错； • 位错线一定是直线，与滑移矢量平行，位错线移动方向与 晶体滑移方向垂直； • 滑移面不是唯一的，包含螺型位错线的平面都可以作为它 的滑移面； • 位错周围点阵也发生弹性畸变，但只有平行于位错线的切 应变而无正应变，即不引起体积的膨胀和收缩； • 位错畸变区也是几个原子间距宽度，同样是线位错。
晶体缺陷专业知识讲座
Cv
exp
Ef kT
ΔSf k
Aexp
Ef kT
其中 A exp Sf 称为熵因子。 k
3.2.4 空位形成能 （FORMATION ENERGY OF VACANCY)
由
Cv
Aexp
Ef kT
知Ef为
ln
Cv
1 T
曲线旳斜率
测出不同温度下旳空位浓度就可得到斜率Ef 西蒙斯－巴卢菲法
单位长度位错所引起旳应变能：
E=Gb2 G：切弹性模量，b：柏氏矢量旳模，：与几
何原因有关旳系数，取值为0.5～1。 位错消失自由能降低——位错附近优先腐蚀 （位错旳应变能提供了腐蚀旳部分驱动力） 位错引起旳局部点阵畸变引起传导电子旳额外 散射——位错引起电阻升高 位错是短路扩散旳主要通道——位错加速扩散
表面弛豫：表面旳原子或离子仍保持原晶胞旳 构造，但原子间距发生变化旳现象。(保存平行 表面旳原子排列二维对称性)。
晶体内部原子排列
发生弛豫，表面原子间距增大或减小
实例：锗{111} 清洁表面旳弛 豫（金刚石构 造）
实际表面总是粗糙旳，抛光后表面仍有明显起伏
金属抛光表面：氧化物层(0.01－0.1m)＋贝尔比 层(非晶层, 5－100nm)＋严重变形区(1－2m)＋明 显变形区(5－10m)＋微小变形区(20－50m)，总 厚度可达100 m。
急冷法（非平衡措施）
试样加热到某温度T，急冷——空位来不及扩 散——高温下旳空位浓度冻结——用电阻在室 温下测量高温下旳空位浓度。
Ef与熔点Tm
Ef与熔点Tm之间有某种关系？
猜测
根可据 算测 出试 熔成点果处得Cv在到1旳0-经4量验级公。式：
Ef=9kTm k：波尔兹曼常数。
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15
图 3-01 透 射 电 子 显 微 镜 下 观 察 到 不 锈 钢 316L (00Cr17Ni14Mo2)的位错线与位错缠结（照片由西南交通大 学何国求教授提供）
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(b)
挤压态Mg-0.6Zr合金显微组织TEM像
(a)
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5. 点缺陷对晶体性能的影响
点缺陷引起晶格畸变（distortion of lattice）,
能量升高，结构不稳定，易发生转变。 点缺陷的存在会引起性能的变化：
(1)物理性质 如使金属的电阻R↑、体积V ↑ 、密 度ρ↓ 等；
(2)力学性能 采用高温急冷(如淬火 quenching), 大 量 的 冷 变 形 （ cold working ） , 高 能 粒 子 辐 照 （ radiation ） 等 方 法 可 获 得 过 饱 和 点 缺 陷 ， 如 使
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1) 刃位错 ┻
┻
多出（或少） 半排原子面
称为
刃位错
用 ┻ （ 或 形成 正：上压下拉 ┳）表示 畸变区 负：上拉下压
刃型位错线：多余半原子面与滑移面的交线。
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刃型位错特征： ① 刃型位错有一个额外的（多余）半原子面。正刃型位
点缺陷（point defect）：特征是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，又称零 维缺陷，包括空位、间隙原子、杂质和溶质原子。
线缺陷（line defect）：特征是在两个方向上尺寸很小, 另外一个方面上很大，又称一维缺陷，如各类位错。
面缺陷（planar defect）：特征是在一个方面上尺寸很 小,另外两个方面上很大，又称二维缺陷，包括表面、晶界、 亚晶界、相界、孪晶界等。
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4
3.1 点缺陷
—— 包括空位、间隙原子、杂质或溶质原子
1. 形成
原子热振动
部分原子获得足够高的能量
克服约束，迁移到新的位置
形成
空位、间隙原子
引起
局部点阵畸变
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5
2. 分类
肖脱基(Schottky)缺陷——原子迁移到表面——仅形成空位 弗兰克(Franke)缺陷——原子迁移到间隙中—形成空位-间隙对 杂质或溶质原子——间隙式（小原子）或置换式（大原子）
2. 柏氏矢量——反映位错区畸变的方向与程度
1) 刃型位错柏氏矢量的求法 （1） 包含位错线做一封闭回路—— 柏氏回路 （2） 将同样的回路置于完整晶体中—— 不能闭合 （3） 补一矢量（终点指向起点）使回路闭合—— 柏氏矢量
654 3
7
2
8
1
9 10 11
654 3
7
2
8
1
9 10 11 b
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其中：A由振动熵决定的系数，取1—10，通常取1。T↑--C↑
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9
△Ev对C的影响
金属 种类
Pb
Al Mg Au Cu Pt
W
△Ev × 0.08 0.12 0.14 0.15 0.17 0.24 0.56
10-8J
C
9.2×1 2.8×1 1.5×1 3.6×1 2.0×1 7.8×1 5.7×1
0-6
0-8
0-9
0-10
0-11
0-16
0-36
形成空位能Ev 增加，点缺陷的平衡浓度降低
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4. 点缺陷的运动
点缺陷的运动方式： (1) 空位运动。 (2) 间隙原子迁移。 (3) 空位和间隙原子相遇，两缺陷同时消失。 (4) 逸出晶体到表面，或移到晶界，点缺陷消失。
3、面缺陷、表面、界面、界面能、晶界、相界
4、关于位错的应力场、位错的应变能、线张力等可作为一 般了解
5、晶界的特性(大、小角度晶界)、孪晶界、相界的类型
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2
本章要求掌握的主要内容
二.本章重点及难点 1、点缺陷的平衡浓度公式 2、位错类型的判断及其特征、柏氏矢量 的特征 3、位错源、位错的增殖(F-R源、双交滑移机制等)和运动、
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点缺陷类型1
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点缺陷类型2
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8
3. 点缺陷的平衡浓度
空位形成能(vacancy formation energy):点缺陷都是由于原子的热运动产
生的，它们的产生和存在使体系的自由能发生一定的变化。
(5)中：错位线周围的应力场呈轴对称分布
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23
晶体局部滑移造成的螺型位错
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24
3) 混合位错
刃型位错分量 ＋ 螺型位错分量
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挤压态Mg-0.6Zr合金显微组织TEM像 Fig. TEM morphology of extruding Mg-0.6Zr alloy (a) 位错缠结网；(b) 位错胞壁
17
1. 位错基本类型
刃型位错（edge dislocation） 螺型位错（screw dislocation） 混合位错（mixed dislocation）
法则判断正负;螺型位错:ξs∥bs，同向右旋,反向左旋 (7) 柏氏矢量表示晶体滑移方向和大小.大小|b|，方向为柏氏
现象:晶体作刚性滑移所需的临界切应力值（1540MPa）与实际 滑移测定的值（1MPa）相差巨大.疑问:理想晶体模型及其滑移方 式. ?位错存在位错理论是上个世纪材料科学最杰出的成就之一。
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14
原子面整体滑移——塑变 发现问题
理论强度远大于实测值 促使
探求新理论——位错理论 核心
b
2
1 1
2
1
3
1
1 23 4
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29
螺型位错的柏氏回路示意图
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30
2）柏氏矢量特性
柏氏矢量是一个反映位错性质以及由位错引起的晶格畸变 大小的物理量. (1) 用柏氏矢量可以表示位错区域晶格畸变总量的大小。柏氏
矢量可表示位错性质和取向,即晶体滑移方向。 柏氏矢量越大, 位错周围晶体畸变越严重。
淬火:高温时晶体中的空位浓度很高，经过淬火后，空位来不 及通过扩散达到平衡浓度，在低温下仍保持了较高的空位浓度.
冷加工:金属在室温下进行压力加工时，由于位错交割所形成 的割阶发生攀移，从而使金属晶体内空位浓度增加.
辐照:当金属受到高能粒子（中子、质子、氘核(dao,氢的同位素 之一，用于热核反应。旧称重氢)、α粒子、电子等）辐照时，晶体中
27
刃位错的柏氏回路
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28
螺位错柏氏矢量的求法 （1） 包含位错线做一封闭回路—— 柏氏回路 （2） 将同样的回路置于完整晶体中—— 不能闭合 （3） 补一矢量（终点指向起点）使回路闭合—— 柏氏矢量
43 21
1
2
1 2
1 3
1
1 23 4
43 2 1
20
晶体局部滑移造成的刃型位错
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21
2) 螺位错
8
76 3
45
2
1
原子面部分错动 形成 不吻合 称作
形成 纯剪切
一个原子间距
过渡区
螺位错 畸变区 应力区
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螺型位错的特点： 教材P86的 (1)～(6)点
补充：
(2)中：左、右旋分别用左(右)法则来判断：拇指指向螺 旋前进的方向，而其余四指代表旋转方向，凡符合右手法则 的称为右螺旋型位错，凡符合左手法则的称为左螺旋位错。 二者是有本质区别的，无论将晶体如何放置,也不会改变其 左、右的性质。
的原子将被击出，挤入晶格间隙中，由于被击出的原子具有很 高的能量，因此还有可能发生连锁作用，在晶体中形成大量的 空位和间隙原子.
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3.2 线缺陷
按照理想晶体的模型，晶体在滑移时，滑移面上各个原子在 切应力作用下，同时克服相邻滑移面上原子的作用力前进一个原 子间距，完成这一过程所需的切应力就相当于晶体的理论剪切屈 服强度，这是一个很大的数值，如 Cu单晶体。
(2) 柏氏矢量具有守恒性。即一条位错线的柏氏矢量恒定不变。 (3) 柏氏矢量的唯一性。即一根位错线具有唯一的柏氏矢量。 (4) 柏氏矢量守恒定律。① 位错分解 ② 位错交于一点 (5) 位错的连续性:可以形成位错环、连接于其他位错、终止于
晶界或露头于表面,但不能中断于晶体内. (6) 可用柏氏矢量判断位错类型 刃型位错: ξe⊥be，右手
第三章 晶体缺陷
6/16/2019 11:37:18 AM
1
本章要求掌握的主要内容
一.需掌握的概念和术语
1、点缺陷、Schottky空位、Frankel空位、间隙原子、置 换原子