陶杰版材料科学基础--第7章 晶体缺陷

即在500℃时，每106个原子中才有1.4个空位。
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§7.1 点缺陷
三、点缺陷对材料性能的影响
无论那种点缺陷的存在，都会使其附近的原子稍微偏离原结点位置才能 平衡，即造成小区域的晶格畸变。点缺陷引起晶格畸变，能量升高，结构不 影响： 稳定，易发生转变。
（1）提高材料的电阻：定向流动的电子在点缺陷处受到非平衡力，增加了阻力，加 速运动提高局部温度(发热)。如铜中每增加1%的空位，电阻率约增1.5μΩcm。 （2）使晶体体积膨胀，密度减小。如肖脱基空位。假设一个空位形成后体积将增加 v，v为原子体积，n个空位形成后，晶体体积增加V＝nv，由此而将引起密度的减小。 （3）加快原子的扩散迁移。 空位可作为原子运动的周转站。 （4）形成其他晶体缺陷 过饱和的空位可集中形成内部的空洞，集中一片的塌陷形 成位错。 （5）改变材料的力学性能 空位移动到位错处可造成刃位错的攀移，间隙原子和异 类原子的存在会增加位错的运动阻力。会使强度提高，塑性下降。 （6）空位对金属的许多过程有着影响，特别是对高温下进行的过程起着重要的作用。 显然，这与高温时空位的平衡浓度急剧增高有关。诸如金属的扩散、高温塑性变形 的断裂、退火、沉淀、表面化学热处理、表面氧化、烧结等过程都与空位的存在和 运动有着密切的联系。
（3）置换原子：位于晶体点阵位置的异类原子。
空位与间隙原子的形成与温度有关，随着温 度的升高，空位或间隙原子的数目也增多。因此， 点缺陷又称为热缺陷。
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§7.1 点缺陷
二、点缺陷的类型
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§7.1 点缺陷
三、点缺陷的产生及其运动
（1）点缺陷的产生 a) 热平衡点缺陷：热振动中的能量起伏促使原子脱 离点阵位置而形成了点缺陷。
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§7.1 点缺陷
二、点缺陷的平衡浓度
( N n)! SC k ln Ω k ln 所以，晶体组态熵增加为： N !n!
由于 (N+n)!/(N!n!) 中各项的数目都很大 (N>>n>>1)，可用斯特 林近似公式lnx!＝xlnx-x (x>>1时)将上式简化为：
Sc k[(N n) ln(N n) N ln N n ln n]
二、点缺陷的平衡浓度 F 0 在平衡态，自由能应为最小，即: n T
N n E f kT ln TS v 0 n
可得空位平衡浓度：
E f kT [( N n) ln( N n) N ln N n ln n] TSv n
如 果 将 上 式 中 指 数 的 分 子 分 母 同 乘 以 阿 伏 加 德 罗 常 数 NA （6.023×1023）则， C = Aexp(-NAEv/kNAT) = Aexp(-Qf/RT)
式中，Qf=N0Ef为形成空位的激活能，即形成1mol空位所需作的功，
R为气体常数（8.31J/mol）。 按照类似的方法，也可求得间隙原子的平衡浓度： n' C' A' exp[ E f ' / kT ] N' 上面的公式表明： 在一定温度下，存在一个平衡空位浓度，此时晶体的自由焓最小， 因而最稳定。 平衡浓度随温度升高而呈指数地急剧增加。
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§7.1 点缺陷
五、杂质缺陷
外来原子进入主晶格（即原有晶体点阵）而产生的结 构为杂质缺陷。
点缺陷杂质原子无论进入晶格间隙的位置或取代主晶 格原子，都必须在晶格中随机分布，不形成特定的结 构。杂质原子在主晶格中的分布可以比喻成溶质在溶 剂中的分散，称之为固溶体。 晶体的杂质缺陷浓度仅取决于加入到晶体中的杂质含 量，而与温度无关，这是杂质缺陷形成（非本征缺陷） 与热缺陷形成（本征缺陷）的重要区别。
b) 过饱和点缺陷：外来作用（如高温淬火、高能粒 子辐照、冷加工变形）使得点缺陷数量超过其平衡浓度。
空位形成引起点阵畸变，亦会割断键力，故空位形 成需能量。 空位形成能（Δ Ef）:形成一个空位所需能量。
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§7.1 点缺陷
三、点缺陷的产生及其运动 (2）点缺陷的运动
a：热激活，原子跳跃到空位上。 b：热运动，间隙原子迁移到另一个间隙位置。 也可以迁移到另一个空位，使两者消失，称为复位。 C：能量起伏，产生新空位和间隙原子。 晶体中的原子正是由于空位和间隙原子不断的产生与复合，才 导致原子不停的由一处向另一处做无规则的布朗运动，这是扩散、 固态相变、表面处理、蠕变、烧结等物理化学的基础。
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晶体结构缺陷
§7.1 点缺陷 §7.2 线缺陷 §7.3 面缺陷 §7.4 体缺陷
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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 2、线缺陷、刃型位错、螺型位错、混合型位错、柏氏矢量、位错 运动、滑移、(双)交滑移、多滑移、攀移、交割、割价、扭折、塞 积；位错应力场、应变能、线张力、作用在位错上的力、位错密度、 位错源、位错生成、位错增殖、位错分解与合成、位错反应、全位 错、不全位错、堆垛层错 3、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 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、交割 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
Cu 0.15
Pt 0.10
Al 0.12
W 0.3
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迁移能 0.14 -19 （×10 J）
§7.1 点缺陷
四、热缺陷的类型
按照离开平衡位置原子进入晶格内的不同位置，热缺陷可分为 两类： 1.肖特基缺陷 离开平衡位置的原子迁移至晶体表面的正常格点位置，而晶体 内仅留有空位，晶体中形成了肖特基缺陷。晶体表面增加了新的原 子层，晶体内部只有空位缺陷。肖特基缺陷的特点晶体体积膨胀， 密度下降。 2.弗伦克尔缺陷 离开平衡位置的原子进入晶格的间隙位置，晶体中形成了弗伦 克尔缺陷。弗伦克尔缺陷的特点是空位和间隙原子同时出现，晶体 体积不发生变化，晶体不会因为出现空位而产生密度变化。
空位缺陷
间隙原子
小置换原子
大置换原子

§7.1 点缺陷
一、点缺陷的定义及分类
定义：是结点上或临近的微观区域内偏离晶体结构正常排列 的一种缺陷。 类型：空位、间隙原子、杂质或溶质原子以及它们组成的复 杂点缺陷（如：空位对、空位团、空位-溶质原子对）。
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§7.1 点缺陷
二、点缺陷的类型
（1）空位：在任何瞬间，总有一些原子的能量大到足以克服周围原子对它的 束缚，可能摆脱原来的平衡位置而迁移到别处，结果在原来晶格结点的位置 上出现了空结点，即空位。 a)肖脱基空位－离位原子进入其它空位或迁移至晶界或表面。 b)弗兰克尔空位－离位原子进入晶体点阵的间隙。 c) 原子跑到其它空位。 d)晶体表面原子可能跑到晶体内部的间隙位置. （2）间隙原子：位于晶体点阵间隙的原子。
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①晶体缺陷的定义
理想晶体所有质点都在自己的结点位臵,质点严格按照空间点阵排列。 实际晶体与理想的点阵结构发生偏离(位臵、组成),存在着各种各样的结构的不完整性。
晶体缺陷：实际晶体中偏离理想点阵结构的区域。
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②晶体缺陷的分类
按 缺 陷 的 几 何 形 态 按 缺 陷 产 生 的 原 因
点缺陷（零维缺陷）--原子尺度的偏离 例：空位、间隙原子、杂质原子 线缺陷（一维缺陷）--原子行列的偏离 例：位错 面缺陷（二维缺陷）--表面、界面处原子排列混乱 例：表面、晶界、相界、层错、镶嵌结构等 体缺陷（三维缺陷）--局部的三维空间偏离理想晶体的周期性 例：异相夹杂物、孔洞、亚结构等 热缺陷（本征缺陷）-----由热起伏促使原子脱离点阵位置而形成的点缺陷。 缺陷浓度与温度有关。 杂质缺陷（组成缺陷）-----由外加杂质的引入所产生的缺陷。 缺陷浓度主要与掺杂量、固溶度有关。 非化学计量缺陷（非整比化合物） -----指组成上偏离化学中的定比定律 所形成的缺陷。缺陷浓度主要与气氛性质、压力有关。 其它原因：电荷缺陷，辐照缺陷等
第7章 晶体缺陷
第7章 晶体缺陷
维纳斯‚无臂‛ 之美更深入人心
处处留心皆学问
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晶体缺陷赋予材料丰富内容
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一、晶体中的缺陷
晶体结构特点是长程有序。 构成物体的原子、离子或分子等完全按照空间点阵规 则排列的，将此晶体称为理想晶体。 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着偏离理想结构的区域，出现了 不完整性。 通常把实际晶体中偏离理想点阵结构的区域称为晶体 缺陷。
N0 Cu 6.023 1023 8.96 106 28 N 8.49 10 M Cu 63.54m3
1）将N代入空位平衡浓度公式，计算空位数目nv
EV 1.44 1019 28 nv N exp 8.49 10 exp kT 1.38 1023 773 8.49 1028 e13.5 8.49 1028 1.37 106 1.2 1023 / m3 19 2）计算空位浓度 C nv exp 1.44 10 13.5 6 e 1.4 10 V N 1.38 1023 773
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§7.1 点缺陷
二、点缺陷的平衡浓度 例：Cu晶体的空位形成能Ef=1.44x10-19J/atom， 系数A=1，玻尔兹曼常数k=1.38x10-23J/k。 计算：
1）在500℃以下，每立方米Cu中的空位数字？ 2）500℃下的平衡空位浓度？
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解：首先确定1m3体积内Cu原子的总数（已知Cu的摩尔质量为MCu＝ 63.54g/mol，500℃下Cu的密度ρ Cu＝8.96×106g/m3
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