材料科学基础 第4章 点缺陷和扩散
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空位迁移也要克服一定的“势垒”，也即空位迁移能Qfv。 迁移速率为: j=zexp(Sc/k)exp(-Qfv/kT)
金属熔点越高，空位形成能和迁移能越大。所以，在相 同条件下，高熔点金属形成的空位数比低熔点金属少。
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5.材料中空位的实际意义
空位迁移是许多材料加工工艺的基础。
晶体中原子的扩散就是依靠空位迁移而实现的。 在常温下空位迁移所引起的原子热振动动能显著提高，再加上高 温下空位浓度的增多，因此高温下原子的扩散速度十分迅速。
④体缺陷：
在任意方向上的缺陷区尺寸都可以与晶体或晶粒的线度 相比拟，那么这种缺陷就是体缺陷，包括沉淀相、空洞、 气泡、层错四面体等缺陷。
4
第二节 点缺陷
一.晶体中的空位和间隙原子
1.点缺陷的热力学分析 2.空位的形成 3.聚合物晶体中的空位 4.点缺陷的运动 5.材料中空位的实际意义 6.点缺陷对材料性能的影响 7.产生过饱和点缺陷的方法
《材料科学基础》
第四章 点缺陷和扩散 (1)
1
第一节 前言
晶体缺陷的产生 在实际晶体中，由于原子(或离子、分子)的热
运动，以及晶体的形成条件、冷热加工过程和其它 辐射、杂质等因素的影响，实际晶体中原子的排列 不可能那样规则、完整，常存在各种偏离理想结构 的情况，即晶体缺陷。
2
晶体缺陷的作用 晶体缺陷对晶体的性能，特别是对那些结构敏
感的性能，如屈服强度、断裂强度、塑性、电阻率、 磁导率等有很大的影响。另外晶体缺陷还与扩散偶、 相变、塑性变形、再结晶、氧化、烧结等有着密切 关系。因此，研究晶体缺陷具有重要的理论与实际 意义。
3
分类
①点缺陷： 是零维缺陷，包括空位、间隙原子、置换原子等；
②线缺陷： 是一维缺陷，即位错；
③面缺陷： 是二维缺陷，包括晶界、相界、孪晶界、堆垛层错等；
➢ 使金属的电阻增加 ➢ 体积膨胀 ➢ 密度减小 ➢ 使离子晶体的导电性改善 ➢ 过饱和点缺陷，如淬火空位、辐照缺陷等还可以
提高金属的屈服强度。 ➢ 提高材料的高温蠕变速率
所谓高温蠕变是金属在一定温度和恒定的应力下 发生缓慢而又连续的一种形变。
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7.产生过饱和点缺陷的方法
➢ 高温激冷 晶体中点缺陷的热平衡浓度随温度下降而指数
材料加工工艺中有不少过程都是以扩散作为基础的 ➢ 化学热处理 ➢ 均匀化处理 ➢ 退火与正火 ➢ 时效
这些过程均与原子的扩散相联系。如果晶体中没有空位， 这些工艺根本无法进行。提高这些工艺处理温度可大幅度提高的 过程的速率，也正是基于空位浓度及空位迁移速度随温度的上升 呈指数上升的规律。
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6.点缺陷对材料性能的影响
空位-体系能量曲线
13
“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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2.空位的形成 在晶体中位于点阵结点上的原于并非静止的，
而是以其平衡位置为中心作热振动，原子振动能 按几率分布，有起伏涨落期。当某一原子具有足 够大的振动能而使振幅增大到一定限度时，就可 能克服周围原于对它的制约作用，跳离其原来的 位置，使点阵中形成空结点，称为空位。
这两个相互矛盾的因素使得晶体中的点缺陷在一定的温 度下有一定的平衡浓度。它可根据热力学理论求得。
7
点缺陷平衡浓度的求解(以空位为例)
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结论：空位是一种热力 学平衡的缺陷，即在一 定的温度下，晶体中总 是会存在着一定数量的 空位，这时体系的能量 处于最低的状态，也就 是说，具有平衡空位浓 度的晶体比理想晶体在 热力学上更为稳定。
16
(a)Schottky空位形成示意图 (b)Frankel空位形成示意图
17
由于热起伏促使原于脱离点阵位置而形成的点 缺陷称为热平衡缺陷。
晶体中的点缺陷还列以通过高温淬火、冷变形 加工和高能粒子(如中子、质子、粒子等)的辐照效 应等形成。这时，往往晶体中的点缺陷数量超过了 其平衡浓度，通常称为过饱和的点缺陷。
在运动过程中，当间隙原子与一个空位相遇时， 它将落入该空位，而使两者都消失，这一过程称为 复合。
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例如，空位周围的原子，由于热激活，某个原子有可能 获得足够的能量而跳人空位中，并占据这个平衡位量； 这时，在该原子的原来位置上，就形成一个空位。这 一过程可以看作空位向邻近阵点位置的迁移。同理， 出于热运动，晶体中的间隙原子也可由一个间隙位置 迁移到另一个间隙位置。与此同时，由于能量起伏， 在其它地方可能又会出现新的空位和间隙原子，以保 持在该温度下的平衡浓度不变。
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3.间隙原子的平衡浓度
C平＝C0exp(－Qfi/kT)
式中的Qfi为间隙原子形成能，由于一般间隙原 子形成能比空位形成能Qfv要大出约3倍，因此间隙 原于的浓度比空位要小很多数量级。
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4.点缺陷的运动
在一定温度下，晶体中达到统计平衡的空位和 间隙原子数目是一定的。
晶体中的点缺陷并不是固定不动的，可以借助热 激活而不断做无规则运动过程中。
二.离子晶体中的空位及间隙原 子
三.聚合物晶体中的空位
5
第二节 点缺陷
一、晶体中的空位和间隙原子
6
1.点缺陷的热力学分析
点缺陷可以导致： 点阵畸变
使晶体的内能升高，降低了晶体的热力学稳定性。 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。
式地减小。如果极缓慢地冷却晶体．则高温下平衡 而低温下过量的点缺陷将可能通过合并湮灭(如空 位与填隙原子的复合或消失于晶内其他缺陷(如位 错、晶界等)和晶体表面处等过程而减少，始终保 持相应温度下的热平衡浓度。如果使晶体迅速冷却， 即进行淬火处理，那么高温下形成的高浓度点缺陷 将被“冻结”在晶内，形成过饱和点缺陷。
15
离开平衡位置的原子有三个去处： 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； 挤入点阵以德的国间物理隙学家位沃置尔特，·肖而特在基（晶Wa体lte中r Sc同ho时ttky形）的成名数字命目名相
等的空位和间隙原子，则称为弗兰克尔(Frankel) 缺陷； 以苏联物理学家雅科夫·弗仑克尔（Яков Френкель）名字命名 跑到其它空位中，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。
空位迁移也要克服一定的“势垒”，也即空位迁移能Qfv。 迁移速率为: j=zexp(Sc/k)exp(-Qfv/kT)
金属熔点越高，空位形成能和迁移能越大。所以，在相 同条件下，高熔点金属形成的空位数比低熔点金属少。
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5.材料中空位的实际意义
空位迁移是许多材料加工工艺的基础。
晶体中原子的扩散就是依靠空位迁移而实现的。 在常温下空位迁移所引起的原子热振动动能显著提高，再加上高 温下空位浓度的增多，因此高温下原子的扩散速度十分迅速。
④体缺陷：
在任意方向上的缺陷区尺寸都可以与晶体或晶粒的线度 相比拟，那么这种缺陷就是体缺陷，包括沉淀相、空洞、 气泡、层错四面体等缺陷。
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第二节 点缺陷
一.晶体中的空位和间隙原子
1.点缺陷的热力学分析 2.空位的形成 3.聚合物晶体中的空位 4.点缺陷的运动 5.材料中空位的实际意义 6.点缺陷对材料性能的影响 7.产生过饱和点缺陷的方法
《材料科学基础》
第四章 点缺陷和扩散 (1)
1
第一节 前言
晶体缺陷的产生 在实际晶体中，由于原子(或离子、分子)的热
运动，以及晶体的形成条件、冷热加工过程和其它 辐射、杂质等因素的影响，实际晶体中原子的排列 不可能那样规则、完整，常存在各种偏离理想结构 的情况，即晶体缺陷。
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晶体缺陷的作用 晶体缺陷对晶体的性能，特别是对那些结构敏
感的性能，如屈服强度、断裂强度、塑性、电阻率、 磁导率等有很大的影响。另外晶体缺陷还与扩散偶、 相变、塑性变形、再结晶、氧化、烧结等有着密切 关系。因此，研究晶体缺陷具有重要的理论与实际 意义。
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分类
①点缺陷： 是零维缺陷，包括空位、间隙原子、置换原子等；
②线缺陷： 是一维缺陷，即位错；
③面缺陷： 是二维缺陷，包括晶界、相界、孪晶界、堆垛层错等；
➢ 使金属的电阻增加 ➢ 体积膨胀 ➢ 密度减小 ➢ 使离子晶体的导电性改善 ➢ 过饱和点缺陷，如淬火空位、辐照缺陷等还可以
提高金属的屈服强度。 ➢ 提高材料的高温蠕变速率
所谓高温蠕变是金属在一定温度和恒定的应力下 发生缓慢而又连续的一种形变。
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7.产生过饱和点缺陷的方法
➢ 高温激冷 晶体中点缺陷的热平衡浓度随温度下降而指数
材料加工工艺中有不少过程都是以扩散作为基础的 ➢ 化学热处理 ➢ 均匀化处理 ➢ 退火与正火 ➢ 时效
这些过程均与原子的扩散相联系。如果晶体中没有空位， 这些工艺根本无法进行。提高这些工艺处理温度可大幅度提高的 过程的速率，也正是基于空位浓度及空位迁移速度随温度的上升 呈指数上升的规律。
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6.点缺陷对材料性能的影响
空位-体系能量曲线
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“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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2.空位的形成 在晶体中位于点阵结点上的原于并非静止的，
而是以其平衡位置为中心作热振动，原子振动能 按几率分布，有起伏涨落期。当某一原子具有足 够大的振动能而使振幅增大到一定限度时，就可 能克服周围原于对它的制约作用，跳离其原来的 位置，使点阵中形成空结点，称为空位。
这两个相互矛盾的因素使得晶体中的点缺陷在一定的温 度下有一定的平衡浓度。它可根据热力学理论求得。
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点缺陷平衡浓度的求解(以空位为例)
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结论：空位是一种热力 学平衡的缺陷，即在一 定的温度下，晶体中总 是会存在着一定数量的 空位，这时体系的能量 处于最低的状态，也就 是说，具有平衡空位浓 度的晶体比理想晶体在 热力学上更为稳定。
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(a)Schottky空位形成示意图 (b)Frankel空位形成示意图
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由于热起伏促使原于脱离点阵位置而形成的点 缺陷称为热平衡缺陷。
晶体中的点缺陷还列以通过高温淬火、冷变形 加工和高能粒子(如中子、质子、粒子等)的辐照效 应等形成。这时，往往晶体中的点缺陷数量超过了 其平衡浓度，通常称为过饱和的点缺陷。
在运动过程中，当间隙原子与一个空位相遇时， 它将落入该空位，而使两者都消失，这一过程称为 复合。
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例如，空位周围的原子，由于热激活，某个原子有可能 获得足够的能量而跳人空位中，并占据这个平衡位量； 这时，在该原子的原来位置上，就形成一个空位。这 一过程可以看作空位向邻近阵点位置的迁移。同理， 出于热运动，晶体中的间隙原子也可由一个间隙位置 迁移到另一个间隙位置。与此同时，由于能量起伏， 在其它地方可能又会出现新的空位和间隙原子，以保 持在该温度下的平衡浓度不变。
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3.间隙原子的平衡浓度
C平＝C0exp(－Qfi/kT)
式中的Qfi为间隙原子形成能，由于一般间隙原 子形成能比空位形成能Qfv要大出约3倍，因此间隙 原于的浓度比空位要小很多数量级。
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4.点缺陷的运动
在一定温度下，晶体中达到统计平衡的空位和 间隙原子数目是一定的。
晶体中的点缺陷并不是固定不动的，可以借助热 激活而不断做无规则运动过程中。
二.离子晶体中的空位及间隙原 子
三.聚合物晶体中的空位
5
第二节 点缺陷
一、晶体中的空位和间隙原子
6
1.点缺陷的热力学分析
点缺陷可以导致： 点阵畸变
使晶体的内能升高，降低了晶体的热力学稳定性。 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。
式地减小。如果极缓慢地冷却晶体．则高温下平衡 而低温下过量的点缺陷将可能通过合并湮灭(如空 位与填隙原子的复合或消失于晶内其他缺陷(如位 错、晶界等)和晶体表面处等过程而减少，始终保 持相应温度下的热平衡浓度。如果使晶体迅速冷却， 即进行淬火处理，那么高温下形成的高浓度点缺陷 将被“冻结”在晶内，形成过饱和点缺陷。
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离开平衡位置的原子有三个去处： 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； 挤入点阵以德的国间物理隙学家位沃置尔特，·肖而特在基（晶Wa体lte中r Sc同ho时ttky形）的成名数字命目名相
等的空位和间隙原子，则称为弗兰克尔(Frankel) 缺陷； 以苏联物理学家雅科夫·弗仑克尔（Яков Френкель）名字命名 跑到其它空位中，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。