第七章晶体缺陷
晶体缺陷异质结构
晶体缺陷异质结构在固体物理学中，晶体缺陷异质结构是一个关键的研究领域，它涉及到晶体中原子排列的局部不规则性及其对材料性能的影响。
晶体通常以其规则的原子排列和长程有序性而著称，然而，在实际晶体中，总会存在各种各样的缺陷和不规则性。
这些缺陷可以是由原子或离子的缺失、取代或位置错乱引起的，也可以是由外部因素如辐射、杂质或温度变化等引起的。
当这些缺陷以特定的方式排列或聚集时，它们就形成了所谓的“异质结构”。
一、晶体缺陷的类型晶体缺陷主要分为点缺陷、线缺陷和面缺陷三种类型。
1.点缺陷：点缺陷是最简单的晶体缺陷形式，它只涉及到晶体中单个或少量原子的位置错乱。
常见的点缺陷有空位、填隙原子和反位原子。
空位是指晶体中某个位置上原子的缺失；填隙原子是指位于晶体正常点阵间隙中的多余原子；反位原子则是指晶体中某种类型的原子占据了另一种类型原子的位置。
2.线缺陷：线缺陷，也称为位错，是晶体中一种常见的一维缺陷。
位错可以看作是晶体中一部分原子相对于其他部分发生了滑移，形成了一条连续的错位线。
位错对晶体的力学性质、电学性质等都有重要影响。
3.面缺陷：面缺陷是晶体中二维的缺陷形式，包括晶界、孪晶界和堆垛层错等。
晶界是指不同晶粒之间的界面，孪晶界是指晶体中两部分原子排列呈镜像对称的界面，而堆垛层错则是指晶体中原子层的堆垛顺序发生了错误。
二、异质结构的形成异质结构通常是由不同类型的晶体缺陷相互作用、聚集或排列而形成的。
例如，在某些情况下，点缺陷可能会聚集在一起形成团簇或纳米尺度的结构；线缺陷可能会相互交错或形成网络结构；而面缺陷则可能会分隔晶体成不同的区域或畴。
这些缺陷的聚集和排列方式取决于晶体的生长条件、处理历史以及外部环境等因素。
三、晶体缺陷异质结构对材料性能的影响晶体缺陷异质结构对材料的物理、化学和机械性能都有显著的影响。
以下是一些主要方面：1.力学性质：晶体缺陷可以降低材料的强度和硬度，增加其塑性和韧性。
例如，位错可以作为滑移的起点和传播路径，在材料受力时促进塑性变形。
晶体缺陷知识点
晶体缺陷知识点晶体缺陷是固体材料中晶格出现的非理想性质，通常由于外界因素或内部原子位置错配引起。
晶体缺陷可以对材料的性质和行为产生显著影响，因此对晶体缺陷的认识和理解对于材料科学和工程领域至关重要。
本文将主要介绍晶体缺陷的类别、产生原因以及对材料性能的影响等相关知识点。
一、点缺陷点缺陷是晶体中最常见的缺陷之一，它包括空位、附加原子和原子间隙等。
空位是晶体中原子缺失的位置，它可能由于热振动、离子辐照或经历一系列化学反应等因素而形成。
附加原子是晶体中多余的原子，它可以是来自杂质或外界加入的额外原子。
原子间隙是晶体中原子之间的间隙空间，它的存在会导致晶体结构的变形和变化。
二、线缺陷线缺陷是晶体中延伸成线状的缺陷，包括位错和螺旋排列。
位错是晶体中原子错位或排列不当导致的线性缺陷，它可以通过晶体的滑移和或扩散过程产生。
螺旋排列是沿晶体某个轴线方向发生的原子错位，在某些晶体材料中常见。
三、面缺陷面缺陷是晶体中存在的平面或界面缺陷，包括晶界、层错和孪晶等。
晶界是晶体中两个晶粒的交界面，它由于晶体生长或晶体结构不匹配引起。
层错是晶体中原子层次错位排列的缺陷，通常发生在层状晶体结构中。
孪晶是晶体中两个晶粒具有相同的晶格方向但是镜像对称的缺陷。
四、体缺陷体缺陷是晶体中三维空间内存在的缺陷，主要包括孔洞和包裹物。
孔洞是晶体中的空隙空间，可以影响晶体的密度和物理性质。
包裹物是晶体中包裹其他原子或分子的空间，它可以是点状、线状或面状。
晶体缺陷的产生原因多种多样，包括热力学因素、机械应力和外部影响等。
温度和压力的变化可以导致晶体中原子位置发生偏移或畸变，进而产生缺陷。
机械应力也可以引起晶体的位错和断裂等缺陷。
此外，电磁辐射、化学环境和放射性衰变等因素也会影响晶体的结构和缺陷形成。
晶体缺陷对材料的性能和行为产生重要影响。
例如，点缺陷的存在可以改变材料的电导率、热导率和光学性能。
线缺陷和面缺陷可以导致晶体的强度和塑性发生变化，并影响晶体的断裂行为。
《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 。
晶体结构——精选推荐
第七章晶体结构第一节晶体的点阵结构一、晶体及其特性晶体是原子（离子、分子）或基团（分子片段）在空间按一定规律周期性重复地排列构成的固体物质。
晶体中原子或基团的排列具有三维空间的周期性，这是晶体结构的最基本的特征，它使晶体具有下列共同的性质：(1)自发的形成多面体外形晶体在生长过程中自发的形成晶面，晶面相交成为晶棱，晶棱会聚成顶点，从而出现具有几何多面体外形的特点。
晶体在理想环境中应长成凸多面体。
其晶面数（F）、晶棱数（E）、顶点数（V）相互之间的关系符合公式：F+V=E+2 八面体有8个面，12条棱，6个顶点，并且在晶体形成过程中，各晶面生长的速度是不同的，这对晶体的多面体外形有很大影响：生长速度快的晶面在晶体生长的时候，相对变小，甚至消失，生长速度小的晶面在晶体生长过程中相对增大。
这就是布拉维法则。
(2)均匀性：晶体中原子周期性的排布，由于周期极小，故一块晶体各部分的宏观性质完全相同。
如密度、化学组成等。
(3)各向异性：由于晶体内部三维的结构基元在不同方向上原子、分子的排列与取向不同，故晶体在不同方向的性质各不相同。
如石墨晶体在与它的层状结构中各层相平行方向上的电导率约为与各层相垂直方向上电导率的410倍。
(4)晶体有明显确定的熔点二、晶体的同素异构由于形成环境不同，同一种原子或基团形成的晶体，可能存在不同的晶体结构，这种现象称为晶体的同素异构。
如：金刚石、石墨和C60是碳的同素异形体。
三、晶体的点阵结构理论1、基本概念（1）点阵：伸展的聚乙烯分子具有一维周期性，重复单位为2个C原子，4个H 原子。
如果我们不管其重复单位的内容，将它抽象成几何学上的点，那么这些点在空间的排布就能表示晶体结构中原子的排布规律。
这些没有大小、没有质量、不可分辨的点在空间排布形成的图形称为点阵。
构成点阵的点称为点阵点。
点阵点所代表的重复单位的具体内容称为结构基元。
用点阵来研究晶体的几何结构的理论称为点阵理论。
（2）直线点阵：根据晶体结构的周期性，将沿着晶棱方向周期的重复排列的结构单元，抽象出一组分布在同一直线上等距离的点列，称直线点阵。
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)。
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
一、概述1、晶体缺陷：晶体中原子（离子、分子）排列的不规则性及不完整性。
种类：点缺陷、线缺陷、面缺陷。
1) 由上图可得随着缺陷数目的增加，金属的强度下降。
原因是缺陷破坏了警惕的完整性，降低了原子间结合力，从宏观上看，即随缺陷数目增加，强度下降。
2) 随着缺陷数目的增加，金属的强度增加。
原因是晶体缺陷相互作用（点缺陷钉扎位错、位错交割缠结等），使位错运动的阻力增加，强度增加。
3) 由此可见，强化金属的方向有两个：一是制备无缺陷的理想晶体，其强度最高，但实际上很难；另一种是制备缺陷数目多的晶体，例如：纳米晶体，非晶态晶体等。
二、点缺陷3、点缺陷：缺陷尺寸在三维方向上都很小且与原子尺寸相当的缺陷（或者在结点上或邻近的微观区域内偏离晶体结构正常排列的一种缺陷），称为点缺陷或零维缺陷。
分类：空位、间隙原子、杂质原子、溶质原子。
4、肖特基空位：原子迁移到晶体表面或内表面正常结点位置使晶体内形成的空位。
5、弗仑克尔空位：原子离开平衡位置挤入点阵间隙形成数目相等的空位和间隙原子，该空位叫做弗仑克尔空位。
6、空位形成能EV：在晶体中取出一个原子放在晶体表面上（不改变晶体表面积和表面能）所需的能量。
间隙原子形成能远大于空位形成能，所以间隙原子浓度远小于空位浓度。
7、点缺陷为热平衡缺陷，淬火、冷变形加工、高能粒子辐照可得到过饱和点缺陷。
8、复合：间隙原子和空位相遇，间隙原子占据空位导致两者同时消失，此过程成为复合。
9、点缺陷对性能的影响：点缺陷使得金属的电阻增加，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，还可以提高金属的屈服强度。
三、线缺陷10、线缺陷：线缺陷在两个方向上尺寸很小，另外一个方向上延伸较长，也称为一维缺陷。
主要为各类位错。
11、位错：位错是晶体原子排列的一种特殊组态；位错是晶体的一部分沿一定晶面与晶向发生某种有规律的错排现象；位错是已滑移区和未滑移区的分界线；位错是伯氏矢量不为零的晶体缺陷。
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
晶体缺陷[学习目的][Back]材料的性质决定于其组成原子的性质及其结构（原子空间位置和相互作用关系）。
绝对理想化的晶体材料由于其原子性质和结构都是唯一确定的，所以其性质也是唯一确定的。
这样一来材料理想化晶体材料的性质就非常容易研究，材料世界中也会非常单调古板。
庆幸的是实际材料中存在很多对理想晶体的偏离（所谓晶体缺陷）。
这些偏离使实际材料的性质产生了许多变数，造就了我们面前的多彩的材料世界。
可以说材料的性质决定于其中晶体缺陷的种类和分布（结构）。
因此材料科技工作者必须要掌握材料中已知缺陷的种类、性质、结构、表征方法和这些缺陷对材料的各种性质的影响规律。
从而解释为什么这种材料在经过这样处理之后会有这样的性质。
应该说，我们对晶体缺陷的认识还不全面。
随着理论深化、表征手段的完善，晶体缺陷的知识在增加。
本章的另外一个重要目的是向同学展示晶体缺陷相关问题的研究思路和方法，培养大家对此类问题的研究能力。
[本章主要内容][Back]1、描述空位和自空隙原子晶体缺陷。
2、已知相关的常数，计算具体温度下材料中的平衡空位数。
3、说出两种固溶体类型，并且简要写出各自的定义，画出草图。
4、说出并描述在陶瓷化合物中发现的八种不同的离子点缺陷。
5、已知一金属的分子质量以及其中两种或两种以上元素的原子量，计算每一种元素的质量百分比和原子百分比。
6、对于刃型位错、螺型位错和混合位错：(a)描述并且画出每一种位错；(b)标出位错线的位置；(c)标明位错线的延伸方向。
7、描述(a)晶界(b)孪晶界附近区域内的原子结构。
[重要术语和概念][Back] Alloy: 合金A metallic substance that is composed of two or more elements.由两种及以上元素组成的金属材料。
Weight percent (wt%):质量百分数Concentration specification on the basis of weight (or mass) of a particular element relative to the total alloy weight (or mass).。
晶体的缺陷名词解释
晶体的缺陷名词解释晶体学是研究晶体内部结构和缺陷的科学，晶体的缺陷是晶体中不规则排列的原子或离子，其存在对晶体的性质和性能产生重要影响。
本文将对晶体的缺陷名词进行解释和探讨。
一、位错位错是晶体中最常见的缺陷之一。
位错是晶体中原子或离子的断裂、错位或在晶体内偏离理想位置的缺陷。
位错分为直线位错、面内位错和体位错。
直线位错是沿着某个方向延伸的位错线，用于解释晶体中的滑移和塑性行为。
面内位错是紧邻平面的晶格原子错位，可以影响晶体的断裂和强度。
体位错是晶体中多个面内位错重叠形成的三维位错结构。
二、点缺陷点缺陷是晶体中存在的原子或离子缺陷，其大小仅为一个晶胞的量级。
点缺陷包括原子间隙、自间隙、离子空位和杂质原子。
原子间隙是晶体中某些原子的理想位置为空出的空间，可以容纳其他原子。
自间隙则是由原来的晶格原子跑到别处形成的间隙，导致了晶体中的晶格畸变。
离子空位是离子晶体中缺失的离子，结果是电荷不平衡。
杂质原子是非晶体中掺入的其他原子，可以显著改变晶体的化学和物理性质。
三、线缺陷线缺陷是晶体中存在的缺陷行，其宽度明显大于点缺陷。
线缺陷包括晶格扭曲、晶格错位带、螺旋位错带和阵列位错。
晶格扭曲是晶格不一致引起的畸变，主要表现为晶格常数的变化。
晶格错位带是晶格中原子错位所形成的缺陷带，常见于金属材料。
螺旋位错带是由于晶体中原子扭曲形成的螺旋线结构，可以影响晶体的力学性能。
阵列位错是沿某个方向连续形成的位错，会导致晶体的局部应力集中。
四、界面缺陷界面缺陷是晶体内部不同晶体区域之间的缺陷，包括晶界和相界。
晶界是晶体中两个晶粒之间的边界，常见于多晶材料中，可以影响晶体的导电性和力学性能。
相界则是晶体内部不同相之间的边界，会导致晶体中的相变和形态变化。
五、体缺陷体缺陷是晶体中三维空间的缺陷，其大小大于线缺陷和点缺陷。
体缺陷包括晶格空缺、晶格畸变和晶格间隙。
晶格空缺是晶体中空出的晶格位置，导致晶体中缺失原子的紧邻空位。
晶格畸变是晶体中晶格常数的变化，常见于热力学非平衡过程和应力作用下。
《晶体缺陷》PPT课件
则
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Gb
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ES
4
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6．6．2 刃型位错应变能
类似可求得单位长度刃型位错应变能
Ee
Gb2
4 (1
v)
ln
R r0
51
6．6．3 混合位错的应变能
任何一个混合位错都可分解为一刃型位错和一个螺型位错，设其柏氏矢量b与位错线 交角为θ，则 :
有一定平衡数量的空位和间隙原子，其数量可近似算出。
设自由能F=U－TS U为内能，S为系统熵（包括振动熵SV和排列熵SC） 空位的引入，一方面由于弹性畸变使晶体内能增加； 另一方面又使晶体中混乱度增加，使熵增加。而熵 的变化包括两部分： ① 空位改变它周围原子的振动引起振动熵，SV ② 空位在晶体点阵中的排列可有许多不同的几何组 态，使排列熵SC增加。
18
6．2．3 混合位错
位错线上任一点的滑移矢量相同，但两者方向夹角呈 任意角度，图为混合位错的产生
6．3 柏氏矢量
柏氏矢量是描述位错性质的一个重要物理量，1939年 Burgers提出，故称该矢量为“柏格斯矢量”或“柏 氏矢量”，用b 表示
1．柏氏矢量的确定（方法与步骤）
1）人为假定位错线方向，一般是从纸背向纸面或由上 向下为位错线正向
设立刃型位错模型，
由弹性理论求得：
xx
D
y(3x2 (x2
y2) y2 )2
yy
D
y(x2 y2 ) (x2 y2)2
zz v(xx yy)
xz zx yz zy 0
xy
晶体缺陷总结
螺型位错 :
38
二、柏氏矢量
确定方法: 首先在原子排列基本正常区域作一个包含位 错的回路,也称为柏氏回路，这个回路包含了 位错发生的畸变。然后将同样大小的回路置于 理想晶体中，回路当然不可能封闭，需要一个 额外的矢量连接才能封闭，这个矢量就称为该 位错的柏氏(Burgers)矢量。
39
40
14
15
16
三、点缺陷的平衡浓度
热力学分析表明,在高于0K的任何温度下，晶体最稳 定的状态是含有一定浓度点缺陷的状态。此浓度称为 点缺陷的平衡浓度。
1. 空位形成能 空位的出现破坏了其周围的结合状态，因而造成局部 能量的升高，由空位的出现而高于没有空位时的那一 部分能量称为“空位形成能”。
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柏氏矢量与位错类型的关系:
刃型位错 柏氏矢量与位错线相互垂直。 (依方向关系可分正刃和负刃型位错:半原子面在上面的称正刃
型位错,半原子面在下面的称负刃型位错) 螺型位错 柏氏矢量与位错线相互平行。 (依方向关系可分左螺和右螺型位错：根据原子旋转方向的不
同,螺型位错可分为左螺型和右螺型位错,通常用拇指代表螺 旋前进方向，其余四指代表螺旋方向，符合右手法则的称 右螺旋位错;符合左手法则的称为左螺型位错) 混合位错 柏氏矢量与位错线的夹角非0或90度。
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柏氏矢量守恒:
①同一位错的柏氏矢量与柏氏回路的大小和走向无关。 ②位错不可能终止于晶体的内部,只能到表面、晶界和其他位错。
在位错网的交汇点，必然
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三、位错的运动
滑移面:过位错线并和柏氏矢量平行的平面(晶面) 是该位错的滑移面。
位错的滑移运动：位错在滑移面上的运动。
43
刃型位错的滑移运动: 在图示的晶体上施加一切应力,当应力足够大时，
结晶学 第七章 线缺陷-位错
2、径向温度梯度产生位错密度的估算
G ∴ τ M＝ 2π
⎛b⎞ ⎜ ⎟ ⎝a⎠
G τ M＝ 2π
(b ≤ a )
若a = b，此即为估算最大切应力（屈服强度）的理论公式。
τ M = 109 ~ 1010 Pa 对一般金属材料 G = 1010 ~ 1011 Pa 则： 6 但是，实验测量得：τ M = 10 Pa
8
1934年Taylor G .T.等人提出了新的模型：
P
3
应力 T 有方向性，是位置的函数，还 是小面元法线方向 n 的函数，通常在直角 坐标系下描述某点的应力，可用九个分量 的张量(txx txy txz, tyx tyy tyz, tzxtzytzz)表示。 将应力T 分解为两个分量
n
σ T
(1) 沿小面元 dS 法线方向称作正应力s ； (2) 沿小面元 dS 切线方向称作切应力 τ 。
34
1、弯曲晶体造成位错密度的估算 设：薄层厚度d ，弯曲 晶片的曲率半径r ，张 角θ 。 求出晶片上下底面的 弧长差：
d⎞ ⎛ ⎜ r + ⎟θ 2⎠ ⎝ d⎞ ⎛ − ⎜ r − ⎟ θ = d ⋅θ 2⎠ ⎝
弯曲无滑移
弯曲有滑移 1 1 位错数 dθ = × = 总面积 b drθ rb
35
11
b
⊥
刃型位错的运动产 生晶体滑移示意图
滑移矢量为：
b
12
(2) 螺型位错 滑移方向(用滑移矢量 b 表示)，与位错线平行 上下层原子的排列成螺旋状。根据螺旋方向的不同，分为 左螺旋型和右螺旋型。(大拇指指向滑移矢量，四指由未滑移 区逐渐指向滑移区)
b
右螺旋型位错 左图的右视平面图
13
晶体缺陷
不同材料的空位形成能
材料 W Fe Ni Cu Ag Mg Al Pb Sn
u/eV 2.20 1.50 1.40 1.15 1.10 0.89 0.76 0.60 0.50
金属熔点越高，空位形成能越大，空位数 越少。
例题1 由600℃降至300℃时，Ge晶体中的空位平衡浓 度降低了6个数量级，试计算Ge晶体中的空位形 成能。
晶体中的原子正是由于空位和间隙原子不
断地产生与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，是固态相变、表面化学热处理、蠕变、
烧结等物理化学过程的基础。
晶体在室温下也可能有大量非平衡空位，如从高温快速冷却时 保留的空位，或者经辐照处理后的空位，这些过量空位往往沿 一些晶面聚集，形成空位片。或者它们与其他晶体缺陷发生交 互作用，因而使材料强度有所提高、但同时也引起显著的脆性。
A UT S U nu 等温等容过程
点缺陷在T温度时的平衡浓度为：
n e u Ce A exp N kT
Ce：某一种类型点缺陷的平衡浓度； 温度越高，平衡浓度越大； U：该类缺陷形成能; 空位形成能越大，平衡浓度越小；
N：晶体的原子总数； ne：平衡点缺陷数目； A：材料常数，其值常取1; K：玻尔兹曼常数, 约为8.62× 10-23eV/ K或1.38× 1023J/ K ；
螺位错形成示意图
几何特征：位错线与原子滑移方向相平行；位错 线周围原子的配置是螺旋状的。
分类：有左、右旋之分，它们之间符合左手、右
手螺旋定则。
混合型位错
除了刃型位错和螺型位错这两种典型的基本位 错外，还有就是这两种位错的混合型，称为混合 型位错。
如果滑移从晶体的一角开始，然后逐渐扩大滑 移范围，滑移区和未滑移区的交界为曲线，曲线 与滑移方向既不垂直也不平行，原子的排列介于 刃型位错和螺型位错之间，就称为混合型位错。
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第七章晶体缺陷
第一章所述的晶体结构是理想晶体的结构，但是在实际应用的金属中，总是不可避免地存在着不完整性，即原子的排列都不是完美无缺的。
实际金属中原子排列的不完整性称为晶体缺陷。
按照晶体缺陷的几何形态特征，可以将其分为以下三类：
(1)点缺陷（point defect）其特征是三个方向上的尺寸都很小，相当于原子的尺寸，例如空位（vacancy）、间隙原子（interstitial atom）、置换原子（substitional atom）等；
(2)线缺陷（line defect）其特征是在两个方向上的尺寸很小，另一个方向上的尺寸相对很大。
属于这一类缺陷的主要是位错（dislocation）；
(3)面缺陷（interfacial defect）其特征是在一个方向上的尺寸很小，另两个方向上的尺寸相对很大，例如晶界、亚晶界（subgrain boundary）等。
7-1 点缺陷
常见的点缺陷有三种，即空位、间隙原子和置换原子，如图2.11所示。
间隙原子
空位
置换原子
图2.11 晶体中的点缺陷
一、空位
在实际晶体的晶格中，并不是每个平衡位置都为原子所占据，总有极少数位置是空着的，这就是空位。
由于空位的出现，使其周围的原子偏离平衡位置，发生晶格畸变（distortion），所以说空位是一种点缺陷。
二、间隙原子
间隙原子就是处于晶格空隙中的原子。
晶格中原子间的空隙是很小的，一个
原子硬挤进去，必然使周围的原子偏离平衡位置，造成晶格畸变，因此间隙原子也是一种点缺陷。
间隙原子有两种，一种是同类原子的间隙原子，另一种是异类原子的间隙原子。
三、置换原子
许多异类原子溶入金属晶体时，如果占据在原来基体原子的平衡位置上，则称为置换原子。
由于置换原子的大小与基体原子不可能完全相同，因此其周围临近原子也将偏离其平衡位置，造成晶格畸变，因此置换原子也是一种点缺陷。
由上可知，不管是哪类点缺陷，都会造成晶格畸变，这将对金属的性能产生影响，如使屈服强度升高、电阻增大、体积膨胀等。
此外，点缺陷的存在，还将加速金属中的扩散过程，从而影响与扩散有关的相变化、化学热处理、高温下的塑性变形和断裂等。
7-2 线缺陷
晶体中的线缺陷就是各种类型的位错。
位错是一种极重要的晶体缺陷，它是在晶体中某处有一列或若干列原子发生了有规律的位错现象，使长度达几百至几万个原子间距、宽约几个原子间距范围内的原子离开其平衡位置，发生了有规律的错动。
位错有多种类型，其中最简单、也是最基本的有两种：刃型位错（edge dislocation ）和螺型位错（screw dislocation ），如图2.12所示。
一、刃型位错
刃型位错如图2.12(b)所示。
由图可见，晶体的上半部分已经发生了局部滑移，左边是未滑移区，右边是已滑移区，原子向左移动了一个原子间距。
在已滑移区和未滑移区之间，出现了一个多余的半原子面，好象一片刀刃插入晶体，中止在内部。
沿着半原子面的“刃边”，晶格发生了很大的畸变，这就是一条刃型位错。
如图2.13所示，晶格畸变中心的联线就是刃型位错线（图中画“⊥”处）。
位错线并不是一个原子列，而是一个晶格畸变的“管道”。
(a)完整晶体 (b)刃型位错 (c)螺型位错
图2.12 完整晶体和位错
二、螺型位错
螺型位错如图2.12(c)所示。
由图可见，晶体的上半部分已经发生了局部滑
移，左边是未滑移区，右边是已滑移区，原子相对移动了一个原子间距。
在已滑图2.13 刃型位错
(a)
(b)
(c)
图2.14 螺型位错
移区和未滑移区之间，有一个很窄的过渡区，如图2.14所示。
在过渡区中，原子都偏离了平衡位置，使原子面畸变成一串螺旋面。
在这螺旋面的轴心处，晶格畸变最大，这就是一条螺型位错。
螺型位错也不是一个原子列，而是一个螺旋状的晶格畸变管道。
由上可知，无论是何种位错，都有一个共同点，即：在位错的一边是已滑移区，另一边是未滑移区，位错就是已滑移区和未滑移区在滑移面上的边界线。
位错是一种极为重要的晶体缺陷，它对于金属的强度、断裂和塑性变形等起着决定性的作用。
7-3 面缺陷
晶体中的面缺陷主要有两种：晶界和亚晶界。
一、晶界
多晶体由许多晶粒构成，由于各晶粒的位向不同，晶粒之间存在晶界。
当相邻两晶粒位向差小于15°时，称为小角度晶界（low-angle boundary ）；位向差大于15°时，称为大角度晶界（high-angle boundary ）。
小角度晶界是由一系列位错排列而成的，如图 2.15所示。
大角度晶界的原子排列处于紊乱过渡状态，如图2.16所示。
二、亚晶界
即使在一个晶粒内部，原子排列的位向也不完全一致，仍然由许多晶格位向差小于2°的小晶块构成。
这种小晶块称为亚晶粒（subgrain ），亚晶粒的边界晶界
晶粒2
晶粒1 图2.15 小角度晶界的位错模型θ
θ
图2.16 大角度晶界的原子排列示意图
称为亚晶界。
图2.17是Al-Ni合金的亚晶粒。
在晶界或亚晶界上，原子的排列偏离平衡位置，晶格畸变较大，位错密度较高，原子处于较高的能量状态，原子的活性较大，所以对金属中的许多过程的进行，具有极为重要的作用。
图2.17Al-Ni合金的亚晶粒。