物理冶金原理：7晶体缺陷
晶体缺陷的名词解释
晶体缺陷的名词解释晶体缺陷是指晶体结构中存在的不规则性或者失序性，它们可以是由于晶体生长过程中的某些不完美导致的，也可以是在晶体使用过程中形成的。
晶体缺陷对材料的物理性质和化学性质有着重要影响，因此，对晶体缺陷的理解与研究具有重要意义。
一、点缺陷点缺陷是一种在晶体中以原子或原子团为单位存在的不规则性。
点缺陷可以分为两类，即缺陷原子和间隙原子。
缺陷原子是指晶体中一个位置上原子的缺失或替代，而间隙原子是指晶体中非正常晶格位置上的原子存在。
点缺陷的存在对晶体的导电性、热传导性以及光学性质等方面都会产生显著影响。
二、面缺陷面缺陷是指在晶体中存在的二维或三维结构缺陷。
面缺陷可以分为孪生界面、晶界和堆垛层错三类。
孪生界面是晶体内部两个完全互相倒转或者镜像对称的晶体颗粒之间的界面。
晶界是指晶体内部两个晶体颗粒之间的原子排列或晶格编织方式发生转变的区域。
堆垛层错是因为在晶体生长过程中，晶体颗粒之间因堆垛方式的差异而产生的错位。
面缺陷在晶体的力学性能、疲劳机制以及晶体生长等方面具有重要影响。
三、体缺陷体缺陷是指晶体内部原子排列或晶格结构出现不规则性或失序性的缺陷。
体缺陷包括空位、间隙和失序。
空位是指晶体内原子因缺失而导致的晶体结构不完整。
间隙是指晶体中非正常晶格位置上的原子存在。
失序则是指晶体中原子的无序或错位状态。
体缺陷对晶体的机械性能、热膨胀性质以及磁性等方面产生显著影响。
四、缺陷治理缺陷治理是指通过不同的方法和手段对晶体中的缺陷进行修复或改善的过程。
常见的缺陷治理方法包括热退火、添加合金元素和辅助材料等。
热退火是通过加热晶体使缺陷移动并重新排列，从而达到改善晶体结构的目的。
添加合金元素和辅助材料则是通过引入其他原子或化合物来改善晶体的物理性质和化学性质。
总结起来，晶体缺陷是晶体结构中存在的不规则性或失序性。
它们可以是点缺陷、面缺陷或体缺陷。
这些缺陷对晶体材料的性能产生重要影响，因此，研究和理解晶体缺陷的形成和治理具有重要意义。
《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 。
晶体缺陷
晶体缺陷晶体缺陷crystal defects实际晶体中原子偏离理想的周期性排列的区域称作晶体缺陷。
晶体缺陷在晶体中所占的总体积很小，也就是说，实际晶体中的绝大部分区域，原子排列于周期性位置上。
因此，晶体缺陷是近完整晶体中的不完整性。
但晶体缺陷对固体的许多结构敏感的物理量（如引起形变的临界切应力、扩散系数等）有极大的影响，晶体缺陷的研究对材料的强度、热处理等问题的研究有很重要的作用。
晶体缺陷分为：①点缺陷，包括空位、自填隙原子、代位原子、异类填隙原子等；②线缺陷，如位错；③面缺陷，如堆垛层错、孪晶界、反相畴界等，面缺陷还可以包括晶体表面、晶界和相界面（见界面）。
点缺陷图1是点缺陷的示意图,表示各种点缺陷的形式。
热平衡状态下点缺陷浓度C 遵从统计物理规律C＝exp(－u/kT)这里k是玻耳兹曼常数;T是绝对温度;u是点缺陷形成能。
常用金属铁、铜、铝等的室温平衡空位浓度很小，接近熔点时的空位浓度约为 10-4。
自填隙原子形成能是空位形成能的3～4倍，其平衡浓度极小。
代位原子和异类填隙原子的最大浓度由相图决定。
表面空位和增原子的形成能和表面的取向关系很大,但都比体空位形成能小。
在某些表面，它们的形成能只有体空位形成能的一半。
因此它们的平衡浓度比体空位高得多（见晶体表面）。
界面的曲率半径ρ对平衡空位浓度Cv的影响由下式表示：这里 C0是界面曲率为零(曲率半径ρ为无穷大)的空位浓度，σ是界面能，V是原子体积。
图2a表示曲率半径不同引起的表面空位的浓度差（曲率半径不同对界面附近体空位浓度的影响类似）。
表面增原子浓度受到的影响和表面空位受到的影响相反(上式的括号内加一负号)。
由此引起的表面空位流和增原子流会使波浪状表面变平（图2a）；使两个颗粒颈部变粗（图2b）。
这是粉末冶金烧结过程的重要理论依据。
非平衡状态下点缺陷浓度可以大大超过平衡浓度。
从熔点附近淬火后得到的过饱和空位浓度可以比平衡浓度大几个数量级。
形变产生的空位浓度达10-4 ε(ε是应变量)。
《材料科学基础》教学中的晶体缺陷
《材料科学基础》教学中的晶体缺陷
晶体缺陷是晶体中的异常结构，它可以影响晶体的物理性质和力学性质。
在《材料科学基础》教学中，学生需要了解以下关于晶体缺陷的内容：
1. 晶体缺陷的分类：晶体缺陷可以分为内部缺陷和表面缺陷，内部缺陷包括缺位缺陷、离子缺陷、晶界缺陷、层缺陷等，而表面缺陷则包括裂纹、气孔、氧化物等。
2. 晶体缺陷的形成机制：晶体缺陷的形成可以由晶体原子或离子的迁移、晶体原子或离子的排斥、晶体原子或离子的结晶不足、晶体原子或离子的结晶过度等机制来解释。
3. 晶体缺陷的影响：晶体缺陷可以影响材料的物理性质和力学性质，例如热导率、电导率、磁导率等，以及材料的强度、韧性、硬度等。
4. 晶体缺陷的检测方法：常用的晶体缺陷检测方法包括X射线衍射、扫描电子显微镜、拉曼光谱、热扩散系数测定等。
材料科学基础：第7章 晶体缺陷1 点缺陷
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
C. 置换原子 substitutional atoms
小置换原子
大置换原子
取代原来原子位置的 外来原子
点缺陷对晶体性能的影响
点缺陷破坏了原子的平衡状态，使晶格发生扭曲，称 晶格畸变。 从而使强度、硬度提高，塑性、韧性下降；电阻升高， 密度减小等。
由于热起伏促使原子脱离点阵位置而形成的点缺陷称为热 平衡缺陷（thermal equilibrium defects），这是晶体内原子 的热运动的内部条件决定的。
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。
在一定温度下具有一定的平衡浓度
2. 点缺陷的平衡浓度
2. 点缺陷的平衡浓度
恒温下，系统的自由能
F U TS
其中U为内能，S为总熵值（包括组态熵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，当含有n个空位时，其内能增加为 ΔU=n*Ev，组态熵的改变为ΔSc，振动熵的改变为 n*ΔSf，自由能的变化为
晶体缺陷PPT内容重点
晶体缺陷引言理想晶体→原子固定不动，排列规则。
实际晶体原子不断振动：微区不规则性、微区不完整性→晶体缺陷根据缺陷的几何特征：点缺陷、线缺陷、面缺陷3.1 点缺陷3.1.1 点缺陷的形成点缺陷（Point Defects ）3.1.2 点缺陷的平衡浓度造成点阵畸变能量升高，热力学不稳定；增大原子排到的混乱程度，熵值增大,热力学稳定。
以肖脱基空位为例，计算点缺陷的浓度恒温下，系统的自由能F=U-TS式中U：内能，S：总熵变，包括组态熵和振动熵。
设由N个原子组成的晶体中，含有n个空位，一个空位的形成能为EV ，则晶体中含有n个空位时内能增加为：△U＝nE V点缺陷平衡浓度的推导F=U – TSΔF=nEv–T（ΔSc + nΔSf）nΔSf：振动熵Sc=klnW Sc：排列熵W= （N+n ）！N！n！由stirling近似公式：lnX≈XlnX - XΔSc=k [(N+n)ln(N+n) – NlnN –nln n ]于是ΔF=n(Ev - TΔSf) – kT[( N+n)ln(N+n) – NlnN –nln n ]平衡时，自由能最小，即当N》n时，ln N/n≈(Ev - TΔSf)/kT故空位在T 温度时的平衡浓度为：C=n/N =exp(ΔSf /k) exp(- Ev/kT) = A exp( - Ev/kT)式中A＝exp(ΔSf /k)分子，分母同时乘以NA有：C= A exp( - N A Ev / kT) = A exp( - Q f / RT)同理，可求得间隙原子的平衡浓度C ' 为：C'=n'/N'＝A' exp( - ΔEv'/kT)其中N‘间隙位置总数，n’为间隙原子数。
ΔEv' 为形成一个间隙原子所要能量3.1.3 点缺陷的运动复合：在一定温度下，晶体中达到统计平衡的空位和间隙原子的数目是一定的，而且晶体中的点缺陷并不是固定不动的，而是处于不断的运动过程中。
晶体缺陷ppt
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
位错具有以下基本性质：
位错是晶体中原子排列的线缺陷，不是几何意义的线，是有 一定尺度的管道。 形变滑移是位错运动的结果，并不是说位错是由形变产生的， 因为即使是在一块生长看起来很完美的晶体中，其内部仍然存 在很多位错。 位错线可以终止在晶体的表面（或多晶体的晶界上），但不 能终止在一个完整的晶体内部。 在位错线附近有很大应力集中，附近原子能量较高，易运动。 位错主要有两种：刃型位错和螺型位错缺陷
三、面缺陷
面缺陷是指沿着晶格内或晶粒间某些面的两侧局部范围内所出 现的晶格缺陷。 面缺陷主要有同种晶体内的晶界，小角晶界，层错，以及异种 晶体间的相界等。
KTP晶体中的双晶界
Tb：YAB晶体的腐蚀坑形态－－挛晶
Yb：YAB晶体的孪晶
TYb：YAB晶体的孪晶
面缺陷主要有以下几种： 平移界面： 晶格中的一部分沿着某一面网相对于另一部分滑 动(平移)。 堆跺层错： 晶体结构中周期性的互相平行的堆跺层有其固有 的顺序。如果堆跺层偏离了原来固有的顺序，周期性改变，则 视为产生了堆跺层错。 晶界：是指同种晶体内部结晶方位不同的两晶格间的界面，或 说是不同晶粒之间的界面。按结晶方位差异的大小可将晶界分 为小角晶界和大角晶界等。小角晶界一般指的是两晶格间结晶 方位差小于10度的晶界。 相界：结构或化学成分不同的晶粒间的界面称为相界。
四、体缺陷
体缺陷，是指在晶体中三维尺度上出现的周期性排列的紊乱，也就是在较 大的尺寸范围内的晶格排列的不规则。这些缺陷的区域基本上可以和晶体 或者晶粒的尺寸相比拟，属于宏观的缺陷，较大的体缺陷可以用肉眼就能 够清晰观察。 体缺陷有很多种类，常见的有包裹体、气泡、空洞、微沉淀等。这些缺陷 区域在宏观上与晶体其他位置的晶格结构、晶格常数、材料密度、化学成 分以及物理性质有所不同，好像是在整个晶体中的独立王国。 比如，空洞是在晶体中包含的较大的空隙区，微沉淀是指在晶体中出现的 分离相，是由某些超浓度的杂质所形成的，包裹体则是在晶体中包裹了其 他状态的成分，多为生长时原来的液体。
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晶体缺陷的分类
Classifications of Crystal Defects or Imperfections
➢点缺陷 Point Defects: ➢线缺陷 Line Defects: ➢面缺陷 Plane Defects:
点缺陷 Point Defects
1、空位 Vacancies
对合金扩散控制的热加工工艺(如渗金属、烧结等)组织具有 决定性影响；
对合金力学性能特别是高温力学性能具有决定性影响（强 度、塑性、耐蚀、氧化）
获得非平衡空位(过饱和空位)的方法
高温淬火(Quenching)：通过极端手段
把高温下的平衡空位快速“冷冻”固定到室温
快速凝固；固溶处理：过饱和固溶体（固溶强化）、
固溶强化（Solid Solution Hardening
or Strengthening）
Interstitial Atoms in Solid Solution
三、置换式原子（溶质、杂质）
Substitutional Solute Atoms
Processing Innovations
New Materials
Atomic Arrangements: - Crystal Structure and Defects
of Metals and Alloy Phases - Phase Constitutions of Alloys -Microstructure of Metals and Alloys
过饱和空位（固溶后时效热处理工艺要求的原因）！
强烈塑性变形:表面喷丸强化－表面纳米化 高能粒子辐照：中子辐照等(同时产生
自间隙原子），材料性能严重脆化！
Nitriding Iron at Lower Temperatures
W. P. Tong, N. R. Tao, Z. B. Wang, J. Lu, K. Lu*
2、间隙原子 Interstitials：
3、置换式原子 S换式（溶质）原子
一、空位 Vacancies
一种热力学稳定的晶体缺陷
晶体热力学：N个晶格结点、n个空位，空位浓度Cv=n/N
DG=nUv-T(nDSv+DSc)
空位: 系统自由能增加nUv（ Uv：空位形成自由能） 空位: 组态熵DSc及振动熵DSv增加系统自由能降低
《Science》 299 (2003)5607, 686-688.
2004年中国十大科技新闻（位列第二）
Microstructure in the surface layer of a pure iron plate was refined at the nanometer scale by a surface mechanical attrition treatment that generates repetitive severe plastic deformation of the surface layer. The subsequent nitriding kinetics were greatly enhanced, so that the nitriding temperature could be as low as 300°C, which is much lower than conventional nitriding temperatures (above 500°C). This enhanced processing method demonstrates the technological significance of nanomaterials in improving traditional processing techniques.
《物理冶金原理》
主要研究内容
➢ 金属材料的原子排列与结构(晶体结构、 晶体缺陷、显微组织等)
➢ 金属材料主要制备成形工艺的基本原理 (相图与凝固、固态相变、塑性变形等)
➢ 金属材料组织结构、性能及其与制备、 成形过程之间关系与控制的基本理论。
《物理冶金原理》研究对象:
Fundamentals of Metals Processing:
DG=nUv-T(nDSv+DSc)
Sv = 3k.ln(n/n’) Sc = k.ln(N!/n![N-n]!)
Cu晶体中不同温度的平衡空位浓度
空位对合金组织及性能控制的重要性
物理及电子学性质（密度、电学、电子学性能）
原子扩散的基本（最重要）方式
对合金固态相变过程(形核、长大；时效)及固态相变组织具 有决定性影响；
晶体的自由能
DG=nUv-T(nDSv+DSc)
组态熵：Configurational Entropy
DSc = k.ln(N!/n![N-n]!)
振动熵：Vibrational Entropy
DSv = 3k.ln(n/n’)
温度T时晶体中的平衡空位浓度
Cv=n/N=A.exp(-Uv/kT)
- etc
Properties:
- Mechanical - Functional
晶体缺陷
Crystal Defects or Imperfections
理想晶体 Ideal or Perfect Crystals
实际晶体的不完美性或“缺陷” Imperfections or Defects in
二、间隙原子 Interstitial Atoms
热力学不稳定的晶体缺陷
自间隙原子(Self-Interstitials)：
除经高能粒子辐照外(如核装备零件，同时产生 空位空位群空洞：缺陷)、一般不存在
溶质间隙原子(Solute Interstitials) ：
C、N、B、O、H等，固溶强化效果极强！
- Solidification (Casting, Welding, etc) - Solid-State Phase Transformation - Plastic Deformation (hot and cold working, forging, rolling, Mechanical Behaviors，etc)