第5章固体中的缺陷 《材料科学与工程基础》
《固体中的点缺陷》课件
总结
点缺陷的重要性
点缺陷对材料的性质和性能具有重要影响。
对未来的展望
深入研究固体中的点缺陷将有助于开发更优质的材 料和应用。
1
密封技术
使用密封技术可以将点缺陷修复或减少其对材料性能的影响。
2
补充材料技术
通过添加补充材料，可以填补点缺陷并提高固体的性能。
点缺陷的应用
1 光电器件中的应用
点缺陷可以影响光电器件的光吸收、发射和传导性能。
2 半导体材料中的应用
半导体材料中的点缺陷可以调节导电性和能带结构。
3 电池材料中的应用
点缺陷可以影响电池材料的电子传导和离子扩散性能。
间隙缺陷
间隙缺陷指晶体中有其他原子 占据了晶格点之外的间隙位置。
气泡缺陷
气泡缺陷是由气体被困在晶体 中形成的缺陷。
点缺陷的检测
电子显微镜检测
使用电子显微镜可以观察和分析固体中的点缺陷。
吸收光谱技术
通过测量材料吸收光谱可以得出点缺陷的存在和性质。
散射技术
散射技术可以揭示固体中的点缺陷的位置和结构。
点缺陷的修复
点缺陷的形成原因
点缺陷的形成可以是热力学和动力学过程，例如晶体生长、化学反应和辐射暴露。
点缺陷的影响
1 对物理性质的影响
点缺陷可以影响固体的导电性、热导性、磁性和光学性质。
2 对材料性能的影响
点缺陷可能影响材料的机械强度、耐腐蚀性和化学稳定性。
点缺陷的分类
空位缺陷
空位缺陷指晶体中出现了空缺 的晶格点。
《固体中的点缺陷》PPT 课件
欢迎来到《固体中的点缺陷》PPT课件！本课程将深入探讨固体中的点缺陷， 包括其概述、影响、分类、检测、修复和应用。让我们一起开始探索这个有 趣的主题吧！
《材料科学基础》练习题集01
《材料科学基础》复习题第1章原子结构与结合键一、判断题：4、金属键具有明显的方向性和饱和性。
（ F）5、共价键具有明显的方向性和饱和性。
（ T）6、组成固溶体的两组元完全互溶的必要条件是两组元的电负性相同。
两组元的晶体结构相同（ F）7、工程材料的强度与结合键有一定的关系，结合键能越高的材料，通常其弹性模量、强度和熔点越低。
（F）8、晶体中配位数和致密度之间的关系是配位数越大，致密度越小。
（F ）二、选择题：1、具有明显的方向性和饱和性。
A、金属键B、共价键C、离子键D、化学键2、以下各种结合键中，结合键能最大的是。
A、离子键、共价键B、金属键C、分子键D、化学键3、以下各种结合键中，结合键能最小的是。
A、离子键、共价键B、金属键C、分子键D、化学键5、已知铝元素的电负性为1.61，氧元素的电负性为3.44，则Al2O3中离子键结合的比例为。
A、28%B、45%C、57%D、68%6、以下关于结合键的性质与材料性能的关系中，是不正确的。
P54A、结合键能是影响弹性模量的主要因素，结合键能越大，材料的弹性模量越大。
B、具有同类型结合键的材料，结合键能越高，熔点也越高。
C、具有离子键和共价键的材料，塑性较差。
D、随着温度升高，金属中的正离子和原子本身振动的幅度加大，导电率和导热率都会增加。
（应该是自由电子的定向运动加剧）7、组成固溶体的两组元完全互溶的必要条件是。
A、两组元的电子浓度相同B、两组元的晶体结构相同C、两组元的原子半径相同D、两组元电负性相同11、晶体中配位数和致密度之间的关系是。
A、配位数越大，致密度越大B、配位数越小，致密度越大C、配位数越大，致密度越小D、两者之间无直接关系三、填空题：2、构成陶瓷化合物的两种元素的电负性差值越大，则化合物中离子键结合的比例越大。
3、体心立方结构的晶格常数为a，单位晶胞原子数为 2 、原子半径为a ，配位数为 8 。
4、面心立方结构的晶格常数为a ，原子半径为 a ，配位数为 12 。
固体缺陷 书
固体缺陷书【原创版】目录1.固体缺陷的定义和重要性2.固体缺陷的类型3.固体缺陷的产生原因和影响4.固体缺陷的检测和预防方法5.固体缺陷在实际应用中的案例分析正文一、固体缺陷的定义和重要性固体缺陷是指在固态材料中存在的结构不完整、几何形状异常或物理性质异常的区域。
这些缺陷会对材料的性能产生不利影响，如降低强度、韧性和疲劳寿命，导致材料在使用过程中出现失效。
因此，研究固体缺陷对于提高材料的质量和可靠性具有重要意义。
二、固体缺陷的类型固体缺陷主要分为以下几类：1.点缺陷：包括空位、间隙和替位等，是原子层面上的缺陷。
2.线缺陷：包括位错、双晶界和反相界等，是晶体结构中的线状缺陷。
3.面缺陷：包括晶界、相界和位错环等，是晶体结构中的面状缺陷。
4.体缺陷：包括孔洞、夹杂和裂纹等，是材料中的体积缺陷。
三、固体缺陷的产生原因和影响固体缺陷的产生原因很多，包括材料制备过程中的不均匀成分、温度和应力分布，以及使用过程中的外力作用、腐蚀和疲劳等。
这些缺陷会对材料的性能产生不利影响，如降低强度、韧性和疲劳寿命，导致材料在使用过程中出现失效。
四、固体缺陷的检测和预防方法为了确保材料的质量和可靠性，需要对固体缺陷进行检测和预防。
常见的检测方法包括 X 射线衍射、电子显微镜和磁力探伤等。
预防方法主要包括合理控制材料制备过程中的参数，优化热处理和加工工艺，以及采取适当的使用和维护措施等。
五、固体缺陷在实际应用中的案例分析在实际应用中，固体缺陷可能导致材料失效，造成严重后果。
例如，在航空航天、核能和汽车等领域，由于材料缺陷导致的事故屡见不鲜。
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《固体中的点缺陷》PPT课件
/2 L 2 O ( i 1 ) N / i 4 O O 2 L N 1 i O i
精选PPT
36
杂质缺陷
• 为保持电中性，每引入一个Li+，则相应的
有一个Ni2+被氧化为Ni3+，最后形成的化合
物可以表示为：LiN3iN12iO
•
存在的缺陷为：Li
' Ni
和
Ni
• Ni
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8
具有刃位错的点阵图
螺型位错：晶面的生长并未中断，但是它是斜面地 绕着一根轴线盘旋生长起来的，每绕轴线盘旋一圈， 就上升一个晶面间距，这种缺陷叫做螺型位错.
具有螺位错的点阵图 Q是滑移面
精选PPT
9
二维缺陷(面缺陷)
二维缺陷
小角晶粒间界 孪晶界面 堆垛层错
精选PPT
10
晶粒间界
多晶体： 每一个晶粒是一个单晶体，许多单晶 颗粒体组成的固体叫多晶体。
理想的晶体除了可以作为理论模型之外， 在技术上没什么用处
偏离理想的不完善的晶体，一些结构和组成中 存在有某些缺陷的晶体，具有重要的理论意义 和实际价值。
精选PPT
2
固相中的化学反应只有通过缺陷的运动（扩散） 才能发生和进行，晶体中的缺陷决定着固体物质 的化学活性，而且各种缺陷还规定了晶体的光学、 电学、磁学、声学、力学和热学等方面的性质， 可以使晶体构成重要的技术材料。
Ti
' Ti
• 生成物的组成可以写为：
LaB1 aT3 iT14 iO 3
精选PPT
35
杂质缺陷
• 例二：利用掺在过程必须遵循电中性原则， 制备具有指定载流子浓度的材料。
• NiO：淡绿色绝缘体，掺入少量Li2O后，为
本科课程《材料科学与工程基础》教学大纲 (1)
四川大学本科课程《材料科学与工程基础》教学大纲一、课程基本信息课程名称（中、英文）：《材料科学与工程基础》（FUNDAMENTALS OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING）课程号（代码）：30014530课程类别：专业基础课学时/学分：48 /3先修课程：大学化学、大学物理、物理化学适用专业：高分子材料与工程等二级学科材料类专业开课时间：大学二年级下期二、课程的目的及任务材料科学与工程是二十世纪六十年代初期创立的研究材料共性规律的一门学科，其研究内容涉及金属、无机非金属和有机高分子等材料的成分、结构、加工同材料性能及材料应用之间的相互关系。
材料科学、材料工业和高新技术的发展要求高分子材料与工程等二级学科材料类专业的学生必须同时具备“大材料”基础和“中材料”专业的宽厚知识结构。
本课程是材料类专业的学科基础课程，是联系基础课与专业课的桥梁。
本课程从材料科学与工程的“四要素”出发，采用“集成化”的模式，详细讲授金属材料、无机非金属材料、高分子材料、复合材料等各种材料的共性规律及个性特征。
使学生建立材料制备/加工——组成/结构——性能---应用关系的“大材料”整体概念，从原理上认识高分子材料等各种材料的基本属性，及其在材料领域中的地位和作用。
为以后二级学科“中材料”专业课程的学习、材料设计、以及材料的应用等奠定良好基础。
本课程采用中文教材与英文原版教材相结合，实施“双语”教学。
使学生通过本课程的学习，熟悉材料科学与工程领域的主要英文专业词汇，提高对英文教材的阅读理解能力。
三、课程的教学内容、要点及学时分配（以红字方式注明重点难点）第一章绪论（1学时）本章概要：简要介绍材料的定义及分类，材料科学与工程的基本内容。
使学生了解本课程的学习内容和学习方法。
讲授要点：材料的定义、分类材料科学与工程的定义、性质、重要性（举例）课程学习的目的、方法、要求第二章材料结构基础（15学时）本章概要：按照从微观到宏观、从内部到表面、从静态到动态、从单组分到多组分的顺序，阐述原子电子结构、原子间相互作用和结合方式，固体内部和表面原子的空间排列状态、聚集态结构的有序性、无序性和转变规律及相互关系。
第五章结构缺陷及固溶体 PPT
X
X M+
X M+ X M+
M+ X M+ X
M+
M+ X
X M+ X M+
Hale Waihona Puke X M+ X M+
正离子空位
负离子空位
大家好
6
材料科学基础
2）填隙质点：
原子或离子进入晶体中正常结点之间的间隙位置， 成为填隙原子（或离子）或间隙原子（或离子）。
从成分上看，填隙质点可以是晶体自身的质点， 也可以 是外来 杂质的 质点。
大家好
17
材料科学基础
例题：
大家好
18
材料科学基础
⑤ 自由电子 e 及电子空穴 h•；
⑥ 带电缺陷：
不同价态的离子之间的替代就出现带电缺陷。
如 Ca2+ 取代 Na+ 形成
C
a
• N
a
Ca2+ 取代 Zr4+ 形成
Ca
'' Zr
⑦ 缔合中心：
一个带电的点缺陷与另一个带相反电荷的点缺陷相互
缔合形成一组或一群新的缺陷，它不是原来两种缺陷的中
“ ”表示有效负电荷，用“ ”表示有效零电荷， 零电荷可以省略不标。
大家好
15
材料科学基础
① 空位：V
VM —— M 原子空位 VX —— X 原子空位
在金属材料中，只有原子空位。
对于离子晶体，
V
'' M
—— 正离子空位
V
• X
•
—— 负离子空位
VM '' VM2e' VX •• VX2h•
顾宜《材料科学与工程基础》课后题答案
顾宜《材料科学与工程基础》课后题答案第一章：引言1.1 材料科学与工程基础的重要性材料科学与工程基础是现代工程领域不可或缺的一门基础课程。
它包括了材料科学与工程学科的基本原理和方法，为后续学习和研究提供了必要的基础知识。
材料是任何工程的基础，它在各个领域中都扮演着重要角色，如机械工程、电子工程、航空航天工程等。
因此，熟悉材料的结构、性质和应用对于工程师来说至关重要。
1.2 材料科学与工程基础的学习目标材料科学与工程基础的学习目标如下： - 理解材料的基本概念和分类方法； - 掌握材料制备、表征和性能分析的基本技术； - 理解不同材料的特性和应用； - 开发解决材料工程问题的能力。
第二章：晶体结构与晶体缺陷2.1 晶体的结构晶体是由原子、离子或分子按照一定的排列方式组成的长程有序固体结构。
晶体的结构可以通过晶体的晶胞来描述，晶胞是最小的重复单元。
2.2 晶体的缺陷晶体的缺陷指的是在晶体结构中存在的不完整或不规则的区域。
晶体的缺陷可以分为点缺陷、线缺陷和面缺陷三种类型。
点缺陷包括空位、插入原子和替代原子等。
线缺陷包括位错和脚位错。
面缺陷包括晶界和层错。
第三章：物理性能与力学性能3.1 物理性能物理性能是指材料的一些基本物理特性，如密度、热导率、电导率等。
物理性能的好坏对材料的应用和工程设计具有重要影响。
3.2 力学性能力学性能是指材料在力学作用下的表现。
常见的力学性能包括强度、硬度、韧性、可塑性等。
力学性能的好坏决定了材料在工程中的使用范围和耐久性。
第四章：金属材料4.1 金属的结构与特性金属是指电子云密度较大、以金属键连接的材料。
金属的结构特点是具有密堆结构和离域电子特性。
4.2 金属的物理性能与力学性能金属材料具有良好的导电性、导热性和延展性，对磨损和腐蚀有较好的抵抗能力。
金属材料的力学性能受材料的组织和处理方式的影响。
第五章：陶瓷材料与玻璃材料5.1 陶瓷材料的分类与特性陶瓷材料是以非金属元素为主要成分的材料，分为晶体陶瓷和非晶态陶瓷两大类。
第五章结构缺陷及固溶体ppt课件
20
注意：
1）位置关系强调形成缺陷时，基质晶体中正负离子格点数 之比保持不变，并非原子个数比保持不变。 2）在上述各种缺陷符号中，位于正常格点上，对格点数的 多少有影响，而不在正常格点上，对格点数的多少无影响。 3）形成缺陷时，基质晶体中的原子数会发生变化，外加杂 质进入基质晶体时，系统原子数增加，晶体尺寸增大；基
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材料科学基础
练习: 写出Al2O3 溶解到MgO晶格内形成有限
型置换固溶体的缺陷反应式。
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27
5.2 固溶体 （Solid solution, ss）
5.2.1 概述 凡在固体条件下，一种组分（溶剂）内“溶解”
了其它组分（溶质）而形成的单一、均匀的晶态固体 称为固溶体。可以在晶体生长过程中生成，也可以从 溶液或熔体中析晶时形成，还可以通过烧结过程中由 原子扩散而形成。
固溶体和化合物的区别
固溶体：组成可在一定范围内波动；溶质不破
坏主晶相的晶体结构；局部的微不均匀性。
化合物：化合物的结构不同于任何一个组元，
而有其特定的结构；精选相PPT均课件匀的。
31
意义： 采用固溶体原理来制备或开发各种新的
材料，满足科技的发展对材料性能提出的特
殊性要求.
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32
材料科学基础
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3
5.1 点缺陷（零维缺陷）
缺陷尺寸处于原子大小的数量级上，即三维方向 上缺陷的尺寸都很小。
包括空位（vacancy)，间隙质点(interstial particle)，杂质质点(foreign particle)，
点缺陷与材料的电学性质，光学性质，材料的高 温动力学过程等有关。 在无机材料中最基本和最重要的是点缺陷。
2020全国高中物理竞赛辅导课件-固体物理学-第五章 晶体中的缺陷(共49张PPT)
• 原子扩散的微观机制： 1）空位机制：扩散原子通过与周围的空位交换位置
进行扩散 。
2）间隙原子机制：扩散原子通过从一个间隙位置跳到 另一个间隙位置进行扩散。
3）易位机制：扩散原子通过与周围几个原子同时交换 位置进行扩散。
1）空位机制
d＝a
1
N n1
1：原子每跳一步所需等待的时间
n1u1
N n1 !
N !n1!
kBTlnW1
n1u1
kBTln
N n1 !
N !n1!
达到平衡时： F 0
n1
利用Stirling公式，当x很大时，有：
d lnx! lnx
dx
n1
F
u1
kBT
ln
N
n1
lnn1
0
n1 N n1
exp
u1 kBT
N n1
n1
N
• 螺型位错在晶体表面形成 一生长台阶，新凝结的原 子 最容易沿台阶集结，所以晶 体生长中容易沿着 螺旋面生长出新的一层，而且依次排序不会把台阶消 灭．
返 回
5.4 面缺陷
• 堆垛层错 • 孪晶界面 • 晶粒间界
• 堆垛层错
• 密堆积结构晶体中的某个原子层发生堆积错误， 称为堆垛层错（stacking fault），如立方密积的 fcc晶体中的正常堆积次序：···ABCABC ···， 若 堆垛次序为···ABCABABC ···，则称发生层错。
• 晶界结构和性质与相邻晶粒的取向差有关，当取向差 小于10˚时，晶界称为小角晶界；当取向大于10˚时晶 界称为大角度晶界。实际的多晶材料一般都是大角度 晶界，但晶粒内部的亚晶界则是小角晶界。最简单的 小角晶界是对称倾斜晶界。
第5章结构缺陷及固溶1
材料科学基础
2. 肖特基缺陷
材料科学基础
晶格位置 = 表面（晶界）位置 + 内部空位
材料科学基础
M M g g O O V M '' g V O M S g O S
0VM '' gVO
材料科学基础
[VM '' ]g[VO ]KS
OO2'eVO 1 2O2
材料科学基础
在无机材料中，发生缺陷反应时以质点取 代（置换）的情况为常见
取代类别 取代情况
缺陷
带电性
高价取代低价 正离子空位或负离子填隙 正离子取代
低价取代高价 正离子填隙或负离子空位
负电 正电
高价取代低价 负离子空位或正离子填隙 负离子取代
低价取代高价 负离子填隙或正离子空位
材料科学基础
（1）点缺陷 由于各种原因使晶体内部质点有规则的
周期性排列遭到破坏，引起质点间势场畸变 ，产生晶体结构不完整性，但其尺度仅仅局 限在1个或若干个原子级大小的范围内，这 种缺陷就称为点缺陷。零维缺陷。
材料科学基础
（2）线缺陷 如果晶体内部质点排列的规律性在某
一方向上达到一定的尺度范围遭到破坏， 就称为线缺陷，也称位错。一维缺陷。
生原因等不同角度进行分类，不同分类方
法可能产生重叠交叉。
材料科学基础
1. 按照位置和成分分类 空位 填隙质点 杂质缺陷
材料科学基础
1）空位： 正常结点没有被原子或离子所占据，成为
空结点，称为空位或空穴
M+ X M+ X
M+ X M+ X
固体缺陷 书
固体缺陷书固体材料的缺陷是指在晶体结构中存在的一些非理想的、不完美的部分。
这些缺陷的产生可能是由于材料的生长、加工、热处理或环境因素等多种原因引起的。
不同类型的固体缺陷会对材料的性能、热力学以及物理化学性质产生不同的影响。
固体缺陷可以分为点缺陷、线缺陷和面缺陷三类。
点缺陷是指晶格中某个原子的位置处有一个替位原子或者是一个空位。
其中，替位原子是指一种原子替代了原先位于该位置的原子，从而改变了晶体的化学组成。
而空位是指原来应存在的晶胞中没有原子存在。
这些点缺陷的存在会引起晶体的导电性、热导性、磁性以及机械性能等的变化。
其中，点缺陷最常见的是空位缺陷，即晶格中原子缺失，而其他缺陷则较为罕见。
线缺陷是指晶体中存在线条状的缺陷，也被称为排列缺陷。
其中最常见的线缺陷是位错。
位错是晶体中某些原子的排列出现了不规则性，导致一条或多条原子的排列方式与理论上的完美晶体结构不同。
位错的产生可以是晶体的生长过程中出现变形，也可以是外力对晶体的作用导致晶体中原子排列发生位移。
位错对材料的力学性能、电学性能等具有重要的影响。
此外，其他的线缺陷还有折线、步缺陷等。
面缺陷主要表现为晶体的表面形貌不规则、断裂或者是晶面发生偏移。
这类缺陷的形成往往是由于外力作用、晶体的生长或者加工工艺等原因引起的。
面缺陷会导致晶体的形貌不均匀、机械强度下降以及其他性能的变化。
固体缺陷在材料研究和工程应用中都具有重要的意义。
通过研究和理解材料中的缺陷性质，可以帮助我们设计合适的材料合成方法、改善材料性能以及开发出新型的材料。
例如，通过控制材料中的点缺陷，可以改变材料的导电性能，开发出新型的电子器件；通过控制线缺陷，可以改善材料的力学强度，使其用于高强度结构材料；通过控制面缺陷，可以调控材料的表面反应性能，用于催化剂等领域。
总之，固体缺陷是固体材料中不可避免的存在，但这些缺陷也是材料发展和创新的源泉。
通过对固体缺陷的深入研究，我们可以更好地理解固体材料的行为和性能，为材料科学和工程提供更多的指导。
固体物理缺陷形成机制
固体物理缺陷形成机制引言：固体物理缺陷是指晶体中的结构缺陷，包括点缺陷、线缺陷和面缺陷等。
这些缺陷对固体材料的物理性质和化学性质起着重要的影响。
固体物理缺陷的形成机制是一个复杂的过程，受多种因素的影响。
本文将从晶体生长、晶体缺陷动力学和热力学等方面介绍固体物理缺陷的形成机制。
一、晶体生长对缺陷形成的影响晶体生长是固体物理缺陷形成的基础过程之一。
在晶体生长过程中，存在着晶体生长速率不均匀、晶格畸变、晶体生长界面的扩散等因素，这些因素都会导致晶体中的缺陷形成。
例如，晶体生长速率不均匀会导致晶体内部形成位错，晶格畸变会导致晶体内部形成晶体缺陷。
此外，晶体生长界面的扩散也会导致晶体内部的缺陷形成。
二、晶体缺陷动力学对缺陷形成的影响晶体缺陷动力学是指晶体中缺陷的形成、扩散和消失的过程。
晶体缺陷的形成受到晶体的温度、压力、外界应力等因素的影响。
温度是晶体缺陷形成的重要因素，晶体在高温下容易形成缺陷，而在低温下缺陷形成的速率较慢。
压力和外界应力也会影响晶体中缺陷的形成，压力会导致晶格的畸变和应力集中，从而促进缺陷的形成。
三、热力学对缺陷形成的影响热力学是研究物质在平衡状态下的性质和变化规律的科学。
热力学对固体物理缺陷的形成有重要影响。
在固体材料中，热力学平衡是缺陷形成的基本要求。
热力学平衡的条件包括热力学势的最小值条件、熵增原理等。
当热力学势达到最小值时，固体材料中的缺陷会形成。
此外，固体材料中的缺陷形成还受到熵增原理的影响，根据熵增原理，固体材料中的缺陷形成会导致系统的熵增加。
四、其他因素对缺陷形成的影响除了晶体生长、晶体缺陷动力学和热力学外，还有其他因素会影响固体物理缺陷的形成。
例如，固体材料的化学成分、晶体结构和外界环境等因素都会对缺陷形成起到重要作用。
化学成分的改变会改变晶体的结构和性质，从而影响缺陷的形成。
晶体结构的改变也会导致缺陷的形成，例如晶体的晶格畸变和晶体缺陷的密度等。
外界环境的变化也会导致缺陷的形成，例如温度的变化、外界应力的作用等。
《材料科学基础》习题及参考答案
形核功，还是可以成核的。
答案
(7)测定某纯金属铸件结晶时的最大过冷度，其实测
值与用公式ΔT=0.2Tm计算值基本一致。
答案
(8) 某些铸件结晶时，由于冷却较快，均匀形核率N1
提高，非均匀形核率N2也提高，故总的形核率为N=
N1 +N2。
答案
返回
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(9) 若在过冷液体中，外加10 000颗形核剂，则结晶
❖ ②比较Cu-10% Sn合金铸件和Cu-30%合金铸件的铸造性能 及铸造组织，说明Cu-10% Sn合金铸件中有许多分散砂眼的 原因。
③ω(Sn}分别为2%，11%和15%的青铜合金，哪一种可进行 压力加工?哪种可利用铸造法来制造机件?
答案
返7回8
❖ 9.如下图所示，已知A，B，C三组元固态完全不互溶，质量 分数分别84%A,，10%B，10%C的O合金在冷却过程中将进 行二元共晶反应和三元共晶反应，在二元共晶反应开始时， 该合金液相成分(a点)为60%A，20%B，20%C，而三元共 晶反应开始时的液相成分(E点)为50%A，10%B，40%C。
答案
返回
6
❖ 6.位错受力后运动方向处处垂直于位错线，在运动
过程中是可变的，晶体作相对滑动的方向应是什么
方向？
答案
❖ 7.位错线上的割阶一般如何形成？
答案
❖ 8.界面能最低的界面是什么界面？
答案
❖ 9. “小角度晶界都是由刃型位错排成墙而构成的”这
种说法对吗？
答案
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7
三、综合题
❖ 1. 作图表示立方晶体的（123）（0 -1 -2） （421）晶面及[-102][-211][346]晶向。 答案
❖ 9. 在Fe中形成1mol 空位的能量为104. 67kJ，
材料科学与工程基础
材料科学与工程基础《材料科学与工程基础》是2006年机械工业出版社出版的图书，作者是史密斯。
1内容简介本书由williamF.Smith和JavedHashemi编写的《材料科学与工程基础》第5版于2008年由McGraw-Hill出版。
2006年机械工业出版社影印该书第4版，获得好评，相对第4版，第5版有很多大的改进：对原子结构和结合键部分重新编写，更精确，更新颖，更加有利于教学；纳米技术贯穿于各章节中；对习题也有较大改进，进行科学分类，有利于学生和教师实现教学计划所要求的目标和校准。
希望引进该书第5版能使老师的教学和学生的使用更加方便。
[2]2目录出版说明第5版影印前言第4版影印前言Perface第1章材料科学与工程引论211材料与工程312材料科学与工程613材料的种类8131金属材料8132聚合物材料10133陶瓷材料11134复合材料13135电子材料1414材料间的竞争1515材料科学与技术的最新进展和未来趋势17 151智能材料17152纳米材料1916材料设计与选择1917第1章小结2018定义2119习题22第2章原子结构与键合2421原子结构和亚原子粒子2522原子序数、质量数和相对原子质量2823原子的电子结构31231普朗克量子理论和电磁辐射31232氢原子的玻尔理论34233不确定原理和薛定谔波函数37234量子数、能级和原子轨道40235多电子原子的能态43236量子力学模型和元素周期表4424原子尺寸、离化能和电子亲合力的周期性变化49241原子尺寸的变化趋势49242离化能的变化趋势49243电子亲和力的变化趋势52 244金属、类金属和非金属5225一次键54251离子键55252共价键61253金属键68254混合键7026二次键7127第2章小结7428定义7529习题77第3章材料中的晶体结构和非晶态结构84 31空间点阵和晶胞8532晶系与布拉菲点阵8633主要的金属晶体结构87331体心立方（BCC）晶体结构89 332面心立方（FCC）晶体结构92 333密排六方（HCP）晶体结构93 34立方晶胞中的原子位置9535立方晶胞中的晶向9636立方晶胞中晶面的米勒指数10037密排六方晶体结构中的晶面和晶向105 371HCP晶胞中的晶面指数105372HCP晶胞中的晶向指数10638FCC、HCP和BCC晶体结构的比较108 381FCC和HCP晶体结构108382BCC晶体结构11039体密度、面密度以及线密度的晶胞计算110 391体密度110392面密度111393线密度113310多晶型或同素异构114311晶体结构分析1153111X光源1163112X光衍射1173113晶体结构的X光衍射分析119312非晶态材料125313第3章小结126314定义127315习题128材料科学与工程基础目录第4章凝固和晶体缺陷13641金属的凝固137411液态金属中稳定晶核的形成139 412液态金属中晶体生长与晶粒结构的形成144413工业铸件中的晶粒结构14542单晶体的凝固14643金属固溶体150431置换式固溶体151432间隙式固溶体15344晶体缺陷155441点缺陷155442线缺陷（位错）156443面缺陷159444体缺陷16245鉴别微观结构和缺陷的实验技术163 451光学金相、ASTM晶粒尺寸和晶粒直径的确定163452扫描电子显微镜（SEM）168 453透射电子显微镜（TEM）169 454高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）170445扫描探针显微镜和原子分辨率173 46第4章小结17647定义17748习题178第5章热激活过程和固体中的扩散18651固体中的速率过程18752固体中的原子扩散191521固体中的扩散概述191522扩散机制191523稳态扩散193524非稳态扩散19653扩散过程的工业应用198531气体渗碳使钢铁表面硬化198 532集成电路用硅晶圆的杂质扩散202 54温度对固体扩散的影响20455第5章小结20856定义20857习题209第6章金属的力学性能(Ⅰ)21461金属与合金的成形加工215611金属和合金的铸造215612金属和合金的热轧和冷轧217613金属和合金的挤压221614锻造222615其他的金属成形工艺22462金属材料中的应力和应变225621弹性变形和塑性变形225622工程应力和工程应变226623泊松比228624切应力与切应变22863拉伸试验和工程应力应变图230631由拉伸试验和工程应力应变图获得的力学性能数据232632部分合金的工程应力应变曲线的比较23763 3 真应力和真应变23764硬度与硬度测试23965金属单晶体的塑性形变240651金属晶体表面的滑移带与滑移线240 652金属晶体由滑移机制造成的塑性形变242653滑移系统244654金属单晶体的临界切应力249655施密特定律250656孪生25266多晶金属的塑性形变254661晶界对金属强度的影响254662塑性形变对晶粒形状和位错分布的影响256663冷塑性形变对金属强度增加的影响258 67金属的固溶强化25968塑性形变金属的回复和再结晶261681深冷加工金属再加热之前的结构262 682回复263683再结晶26469金属中的超塑性268610纳米晶金属270611第6章小结271612定义272613习题273第7章金属的力学性能(Ⅱ)28071金属的断裂281711韧性断裂282712脆性断裂283713韧度和冲击试验286714韧性脆性转变温度286715断裂韧度28972金属的疲劳291721周期应力295722韧性金属在疲劳过程中发生的基本结构变化296723影响金属疲劳强度的几个主要因素297 73疲劳裂纹扩展速率298731疲劳裂纹扩展与应力、裂纹长度的关系298732疲劳裂纹扩展速率与应力强度因子范围作图300733疲劳寿命计算30274金属的蠕变和应力断裂304741金属的蠕变304742蠕变试验306743蠕变断裂试验30775第7章小结30876定义30977习题309第8章相图31681纯物质的相图31782吉布斯相律31983冷却曲线32084二元匀晶合金系统32185杠杆定律32486合金的非平衡凝固32887二元共晶合金系统33188二元包晶合金系统33989二元偏晶系统344810不变反应345811有中间相和中间化合物的相图347 812三元相图351813第8章小结354814定义355815习题357第9章工程合金36691铁和钢的生产368911高炉中的生铁生产368912炼钢和主要钢铁产品形式的加工369 92铁碳系统371921铁铁碳化物相图371922Fe Fe3C相图中的固相371923Fe Fe3C相图中的不变反应372 924碳素钢的缓慢冷却37493普通碳素钢的热处理381931马氏体381932奥氏体的等温分解386933共析碳素钢的连续冷却转变曲线391 934碳素钢的退火与正火394935碳素钢的回火395936碳素钢的分类与典型的力学性能399 94低合金钢400941合金钢的分类400942合金钢中合金元素的分布402943合金元素对钢的共析温度影响403 944淬硬性404945低合金钢典型的力学性能和应用409 95铝合金409951析出强化（硬化）411952铝及其产品的一般性能418953锻造铝合金419954铸造铝合金42496第9章小结42697定义42798习题428第10章聚合物材料436101概述4371011热塑性塑料4381012热固性塑料438102聚合反应4391021单个乙烯分子的共价键结构439 1022一个活化乙烯分子的共价键结构440 1023聚乙烯聚合的整体反应和聚合度441 1024链式聚合步骤4411025热塑性塑料的平均相对分子质量443 1026单体的官能度4441027非晶体线性聚合物的结构444 1028乙烯基树脂与亚乙烯基树脂446 1029均聚物与共聚物44710210其他聚合方法450103工业用聚合方法452104一些热塑性塑料的结晶度与立体异构现象4541041非晶态热塑性塑料的凝固454 1042半晶态热塑性塑料的凝固454 1043半晶态热塑性塑料的结构456 1044热塑性塑料的立体异构现象457 1045齐格勒（Ziegler）催化剂与纳塔（Natta）催化剂458105塑料的加工4591051用于热塑性塑料的加工工艺460 1052用于热固性塑料的加工工艺464 106通用热塑性塑料4661061聚乙烯4681062聚氯乙烯均聚物与共聚物471 1063聚丙乙烯4731064聚苯乙烯4731065聚丙烯腈4741066苯乙烯丙烯腈（SAN）4751067ABS4751068聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）477 1069氟塑料478107工程热塑性塑料4791071聚酰胺（尼龙）4801072聚碳酸酯4831073苯氧基树脂4841074聚甲醛4851075热塑性聚酯4861076聚苯硫醚4871077聚醚酰亚胺4881078聚合物合金488108热固性塑料（热固性树脂）4891081酚醛塑料4911082环氧树脂4921083不饱和聚酯4941084氨基树脂（尿素塑料和三聚氰胺）495109第10章小结4971010定义4981011习题500第11章陶瓷材料510111概述511112简单陶瓷的晶体结构5131121简单陶瓷化合物中的离子键和共价键5131122存在于离子键固体中的简单离子排列5141123氯化铯晶体（CsCl）结构517 1124氯化钠晶体（NaCl）结构518 1125FCC与HCP晶格中的间隙位置522 1126闪锌矿晶体（ZnS）结构524 1127氟石晶体（CaF2）结构526 1128反氟石晶体结构5281129刚玉晶体（Al2O3）结构528 11210尖晶石（MgAl2O4）晶体结构528 11211钙钛矿（CaTiO3）晶体结构528 11212碳和它的同素异形体529113硅酸盐结构5331131硅酸盐结构的基本结构单元533 1132硅酸盐的岛状结构、链状结构及环状结构5331133硅酸盐的片状结构5331134硅酸盐的网络结构535114陶瓷制备过程5361141材料准备5371142成形5371143热处理542115传统陶瓷和工程陶瓷5441151传统陶瓷5441152工程陶瓷547116陶瓷的力学性能5491161概述5491162陶瓷材料变形的机制5491163影响陶瓷材料强度的因素550 1164陶瓷材料的韧度5511165部分稳定氧化锆（PSZ）的相变增韧5531166陶瓷的疲劳失效5531167陶瓷研磨剂材料555117陶瓷材料的热学性能5561171陶瓷耐火材料5571172酸性耐火材料5581173碱性耐火材料5581174航天航空器用陶瓷瓦绝热片558 118玻璃5581181玻璃的定义5601182玻璃的转变温度5601183玻璃的结构5611184玻璃的组成5621185玻璃的粘性变形5641186玻璃的形成方法5661187钢化玻璃5681188化学强化玻璃568119陶瓷涂层和表面工程5701191硅酸盐玻璃涂层5701192氧化物和碳化物涂层570 1110纳米技术和陶瓷5711111第11章小结5731112定义5741113习题575第12章复合材料582121概述583122增强塑料类复合材料用纤维5841221增强塑料用玻璃纤维5841222增强塑料用碳纤维5871223增强塑料用的芳族聚酰胺纤维589 1224增强塑料类复合材料用的碳纤维、芳族聚酰胺纤维和玻璃纤维的力学性能比较589123纤维增强塑料类复合材料5911231纤维增强塑料的基体材料5911232纤维增强塑料5921233在等应变、等应力情况下的片状连续纤维塑料基体复合材料的弹性模量方程596124纤维增强塑料的开式模塑加工工艺601 1241手铺成型工艺6011242喷射铺展成型工艺6011243真空包热压成型工艺6021244绕丝成型工艺603125纤维增强塑料的闭式模塑加工工艺604 1251压塑与注射成型加工工艺604 1252片状模塑复合材料（SMC）加工工艺6051253连续挤压成型加工工艺606126金属基和陶瓷基复合材料6061261金属基复合材料（MMCs）606 1262陶瓷基复合材料（CMCs）608 127第12章小结613128定义614129习题616第13章材料的电学性能624131金属的电导6251311金属电导现象的经典模型625 1312欧姆定律6271313金属导体中电子的漂移速度631 1314金属的电阻率632132电导性的能带模型6361321金属的能带模型6361322绝缘体的能带模型638133本征半导体6381331本征半导体的电导机制6381332纯硅晶体点阵中的电荷输运639 1333元素本征半导体的能带图640 1334元素本征半导体电导的定量关系641 1335温度对本征半导体的影响643134非本征半导体6451341n型（负型）非本征半导体645 1342p型（正型）非本征半导体647 1343非本征硅半导体材料的掺杂剂649 1344掺杂剂对非本征半导体中的载流子浓度的影响6491345在室温条件下总电离杂质浓度对硅中载流子迁移率的影响6521346温度对非本征半导体电导率的影响653135半导体器件6551351pn结6561352pn结型二极管的一些应用659 1353双极性结型晶体管660136微电子学6621361微电子平面双极性晶体管662 1362微电子平面场效应晶体管663 1363微电子集成电路的制作666137化合物半导体673138陶瓷的电学性能6761381介电体的基本特性676 1382陶瓷绝缘体材料678 1383陶瓷电容器材料679 1384陶瓷半导体6801385铁电陶瓷682139纳电子学6851310第13章小结6861311定义6871312习题690第14章光学性质与超导材料696 141概述697142光谱和电磁波频谱697143光的折射6991431折射率6991432光折射的斯涅耳定律701 144光的吸收、辐射和反射702 1441金属7021442硅酸盐玻璃7031443塑料7041444半导体706145发光7071451光致发光7081452阴极发光708146射线的受激发射和激光710147光导纤维7141471光导纤维中的光损失714 1472单模和多模光导纤维715 1473光导纤维的加工7161474现代光导纤维通信系统718 148超导材料7191481超导态7191482超导体的磁学性质7201483超导体中的电流和磁场722 1484高电流、高磁场超导体723 1485高临界温度(Tc)超导氧化物725 149定义7271410习题728第15章磁学性能732151概述733152磁场和参量7331521磁场7331522磁感应7361523磁导率7361524磁化率738153磁性的类型7381531反磁性7391532顺磁性7391533铁磁性7391534原子的单个未成对电子的磁矩741 1535反铁磁性7431536亚铁磁性743154温度对铁磁性的影响743155铁磁畴744156决定铁磁畴结构的能量类型746 1561交换能量7461562静磁能量7471563磁晶各向异性能7471564畴壁能量7481565磁致伸缩能量749157铁磁性金属的磁化和退磁751158软磁材料7521581软磁材料的理想性能7531582软磁材料的能量损失7531583铁硅合金7541584金属玻璃7551585镍铁合金756159硬磁材料7591591硬磁材料的性能759 1592铝镍钴（Alnico）合金761 1593稀土合金7631594钕铁硼磁合金765 1595铁铬钴磁合金765 1510铁氧体76715101软磁铁氧体76715102硬磁铁氧体7711511第15章小结7711512定义7721513习题775附录Ⅰ：部分元素的一些性质780附录Ⅱ：元素的离子半径782习题解答784。
固体缺陷 书
固体缺陷书1. 引言固体缺陷是固体材料中的一种普遍现象。
它们可以是晶格中的原子或离子的位置偏移、缺失或多余，也可以是晶格中的结构缺陷，如晶界、位错和空隙等。
固体缺陷对材料的物理和化学性质产生了重要影响，因此对其进行深入研究具有重要意义。
2. 固体缺陷的分类根据固体缺陷形成原因和性质的不同，可以将固体缺陷分为点缺陷、线缺陷和面缺陷。
2.1 点缺陷点缺陷是指晶格中某个位置上原子或离子与理想位置有所偏离。
常见的点缺陷包括空位、间隙原子、杂质原子等。
•空位：指晶格中某个位置上没有占据的原子或离子。
空位可以通过热激活或辐射引起。
•间隙原子：指在晶格中出现在正常占据位置之间的额外原子或离子。
它们通常由于封闭过程或高温下的快速扩散而形成。
•杂质原子：指替代了晶格中某个位置上的原子或离子的外来原子或离子。
杂质原子可以影响材料的电学、磁学和光学性质。
2.2 线缺陷线缺陷是指晶格中某一维方向上的缺陷，包括位错和脆化性晶界。
•位错：指晶体中原子排列出现周期性偏移或错位。
位错可以影响材料的机械、热学和电学性质。
•脆化性晶界：是由于晶界处原子排列不完美引起的，使材料在该区域变得脆弱。
2.3 面缺陷面缺陷是指晶格中某个平面上的缺陷，如孪生、多晶和堆垛层错等。
•孪生：是指沿着特定方向形成对称镜像排列的两个区域。
孪生可以改变材料的力学、磁学和光学性质。
•多晶：是由多个晶粒组成的材料。
多晶结构中存在许多晶界，对材料的力学性能和导电性能产生重要影响。
•堆垛层错：是晶体中某些原子或离子的堆垛顺序发生错误。
堆垛层错可以改变材料的磁学、电学和光学性质。
3. 固体缺陷的影响固体缺陷对材料的物理和化学性质产生重要影响。
•电学性质：固体缺陷可以改变材料的导电性能。
例如，杂质原子可以引入额外的载流子，从而增加材料的电导率。
•磁学性质：固体缺陷对磁性材料的磁化行为有显著影响。
位错和孪生等线缺陷可以改变磁畴结构，从而影响磁性。
•光学性质：固体缺陷可以改变材料对光的吸收、散射和发射行为。
第5章固体中的缺陷 《材料科学与工程基础》
第5章固体中的缺陷为什么要学习固体中的缺陷某些材料的性质受到存在于材料中的缺陷的极大影响。
因此、知道存在于材料中缺陷的类型，以及它们在影响材料性质中的作用是很重要的。
例如、纯金属的力学性质经过合金化以后（即加入杂质原子）会发生很大变化——例如、标准银合金（含银92.5％，含铜7.5％）比纯银更硬更强（8.10节）。
而且，在我们的计算机、计算器和家用功能的集成微电子设备是通过在半导体材料上引入高度可控的杂质浓度和定域化掺杂获得的（12.11节）。
学过这一章后，你应当掌握以下内容：1. 描述空位和自间隙晶体缺陷。
2. 已知相关常数，计算某特定温度下材料中的平衡空位数。
3. 两种类型的固溶体的书面定义和图示表达。
4. 陶瓷化合物中几种不同的点缺陷。
5. 已知合金中组元的质量和原子量，计算每种元素的质量百分浓度和原子百分浓度。
6. 对于刃型、螺型和混合型位错中的每一种：（a ） 描述和画出位错；（b ） 注意位错线的位置；（c ） 指出位错线延伸的方向。
7. 描述（a ）晶界和（b ）孪生晶界附近的原子结构5.1 引言对于晶体固体材料，我们默认在材料内部原子级水平上排列完全有序。
然而这种理想固体是不存在的；所有固体都存在大量的各种缺陷。
事实上材料的许多性质都很深地受到材料中缺陷程度的影响；这种影响不总是有害的，人们常常通过有意识的引入缺陷和控制缺陷的量来获得特殊性质的材料，详细情况在下面的章节中要介绍。
“晶体缺陷”意味着在原子大小范围晶格不规则。
晶体缺陷的分类通常按照缺陷区的几何形状和大小。
这一章要讨论几种不同的缺陷，包括点缺陷（尺寸与一两个原子大小相近），线缺陷（一维缺陷），以及面缺陷，即界面，是二维缺陷。
也要讨论如果在某一方向上缺陷区的尺寸可以与晶体或晶粒的线度相比拟，而在其它方向上的尺寸相对于晶体或晶粒线度可以忽略不计，那么这种缺陷就称为线缺陷或位错，这是本章要着重讨论的缺陷…(3)面缺陷如果在共面的各方向上缺陷区的尺寸可与晶体或晶粒的线度相比固体中的杂质，因为杂质原子也可能以点缺陷的形式存在。
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第5章固体中的缺陷为什么要学习固体中的缺陷某些材料的性质受到存在于材料中的缺陷的极大影响。
因此、知道存在于材料中缺陷的类型，以及它们在影响材料性质中的作用是很重要的。
例如、纯金属的力学性质经过合金化以后（即加入杂质原子）会发生很大变化——例如、标准银合金（含银92.5％，含铜7.5％）比纯银更硬更强（8.10节）。
而且，在我们的计算机、计算器和家用功能的集成微电子设备是通过在半导体材料上引入高度可控的杂质浓度和定域化掺杂获得的（12.11节）。
学过这一章后，你应当掌握以下内容：1. 描述空位和自间隙晶体缺陷。
2. 已知相关常数，计算某特定温度下材料中的平衡空位数。
3. 两种类型的固溶体的书面定义和图示表达。
4. 陶瓷化合物中几种不同的点缺陷。
5. 已知合金中组元的质量和原子量，计算每种元素的质量百分浓度和原子百分浓度。
6. 对于刃型、螺型和混合型位错中的每一种：（a ） 描述和画出位错；（b ） 注意位错线的位置；（c ） 指出位错线延伸的方向。
7. 描述（a ）晶界和（b ）孪生晶界附近的原子结构5.1 引言对于晶体固体材料，我们默认在材料内部原子级水平上排列完全有序。
然而这种理想固体是不存在的；所有固体都存在大量的各种缺陷。
事实上材料的许多性质都很深地受到材料中缺陷程度的影响；这种影响不总是有害的，人们常常通过有意识的引入缺陷和控制缺陷的量来获得特殊性质的材料，详细情况在下面的章节中要介绍。
“晶体缺陷”意味着在原子大小范围晶格不规则。
晶体缺陷的分类通常按照缺陷区的几何形状和大小。
这一章要讨论几种不同的缺陷，包括点缺陷（尺寸与一两个原子大小相近），线缺陷（一维缺陷），以及面缺陷，即界面，是二维缺陷。
也要讨论如果在某一方向上缺陷区的尺寸可以与晶体或晶粒的线度相比拟，而在其它方向上的尺寸相对于晶体或晶粒线度可以忽略不计，那么这种缺陷就称为线缺陷或位错，这是本章要着重讨论的缺陷…(3)面缺陷如果在共面的各方向上缺陷区的尺寸可与晶体或晶粒的线度相比固体中的杂质，因为杂质原子也可能以点缺陷的形式存在。
{最后，简要叙述显微测量缺陷的技术和材料的结构。
}点缺陷5.2 金属中的点缺陷最简单的点缺陷是空位,即空的晶格位。
通常在一个原子原来占据的地方变成了空位（图 5.1）。
所有晶体固体都含有空位，事实上，不可能阻止材料中没有空位这种缺陷。
空位存在的必然性可以用热力学原理来解释；实质上、空位的存在增加了晶体中的熵（无序性）。
一定量的材料中的平衡空位数Nv 随温度而增加，具有如下关系： )exp(kTQ N N v v -= （5.1）式中，N 是总的原子数，v Q 是形成空位所需要的能量，T 是绝对温度，k 是气体常数或波尔兹曼常数，取值取决于v Q 的单位。
v Q 的单位为焦耳时，k 为1.38*10-23J/atom-K,当v Q 的单位为电子伏特时，k 为8.62*10-5eV/atom-K 。
因此，空位数随温度成指数增加。
对大多数金属，空位分数N N v /在略低于熔点的时候是10-4数量级，也就是说，在10000个位置中有一个是空的。
正如以上讨论指出的，其他材料的空位数也有类似于公式5.1的关系。
自间隙是晶体中的一个原子挤入到原来并没有原子占据的很小的间隙位置中去的情况。
这种情况也表示在图5.1中。
对于金属材料，自间隙会引起周围晶格的较大变形，因为原子比间隙的空间要大得多。
因此这种情况并不多见，它仅仅以很小的浓度，即远低于空位的浓度出现。
例5.15.3 陶瓷中的点缺陷原子点缺陷陶瓷化合物也存在点缺陷。
象金属一样，空位和间隙都是可能的；可是由于陶瓷材料至少含有两类离子，每种离子都可能形成缺陷，例如在NaCl 中，Na 离子间隙和空位以及Cl 离子间隙和空位都可能存在。
知道阴离子间隙的精确浓度不太可能。
阴离子相对较大，要填入到较小的间隙中需要额外的应力排开周围的离子。
图5.2画出了阴离子和阳离子空位，以及阳离子间隙。
陶瓷中缺陷的表示通常通过指定原子的类型和点缺陷浓度。
由于原子以带电的离子出现，当考虑缺陷结构的时候，必须考虑电中性的要求。
电中性是材料中离子所带的正负电荷总数相等。
因此、陶瓷中的缺陷不会单独发生。
一种缺陷类型是阳离子空位和阴离子间隙对。
这种缺陷叫做弗兰克尔缺陷（图 5.3）。
可以认为是阳离子离开它的晶格位置进入间隙位置形成的。
电荷没有发生变化，因为阳离子在间隙中仍然带正电。
另一种类型的点缺陷是AX 型化合物中发现的阳离子空位－阴离子空位对，叫做肖特基缺陷，也画在图5.3中。
认为这种缺陷是把材料内部的一个阳离子和一个阴离子移动到材料的外表面形成的。
因为阳离子和阴离子有相等的电荷，有一个阴离子空位便存在一个阳离子空位，整个材料维持电中性的要求。
无论肖特基缺陷和弗兰克尔缺陷都不会改变阳离子与阴离子的比值。
如果没有其他缺陷存在，这时材料为化学计量关系，化学计量是化合物中的阴阳离子精确按照化学式的比例关系取值。
如NaCl 化学计量为：阴阳离子比为1:1，如果偏离这一比值，我们就把这种化合物称为非化学计量的。
非化学计量在某些陶瓷材料中是存在的，若材料中含有某种具有两种价态的离子时。
氧化铁就是这样一种材料，因为铁可以二价和三价形式存在；这两种价态的任意一种离子的数量取决于温度和氧气压力。
由于Fe 3+的形成引入多余的一个正电荷，破坏了原材料的电中性，必须由某种缺陷形式进行弥补。
当每形成两个Fe 3+就可能形成一个Fe 2＋空位（或移去两个正电荷）（图5.4）。
晶体这时不再是化学计量的，因为有多余的一个氧离子，但是晶体保持电中性。
这种现象在铁氧化物中非常普遍，事实上，它的化学式常写成Fe 1-x O(这里x 是小于1的可变的分数。
5.4 固体中的杂质金属中的杂质自然界只由一种原子组成的纯金属是不存在的，杂质即外来原子总是有，一些以点缺陷的形式存在。
事实上，即使采用相当复杂的技术，也很难把金属提纯到99.9999%以上，就是在这样高的纯度下，在一立方米材料中也含有1022-1023的杂质原子。
工程上应用的大多数金属都不是高纯的，而是合金，人们有意加入一些杂质原子以改善金属的力学性质和耐腐蚀特性。
例如Sterling银是含银92.5%，含铜7.5%的银合金。
在通常情况下，高纯银耐腐蚀性好，但是很软。
加入铜合金化以后大大改善了银的力学强度，也没有损害它的耐腐蚀性能。
杂质原子加入到金属中会导致固溶体和二次相的形成，这取决于杂质种类、它们的浓度和合金的温度。
这里只讨论固溶体，新相放在第10章讨论。
一些有关杂质和固熔体的概念要说明。
至于合金，通常用溶质和溶剂来表示量的关系，溶剂是大量存在的元素或化合物，溶剂原子也叫做主体原子。
溶质则是以微量或少量存在的元素或化合物。
固溶体固溶体是外来的溶质原子加入到溶剂材料中，晶体结构不变，没有新结构产生的一类物质。
也许用液体溶液来说明是有助于理解。
如果两种互相溶解的液体（例如水和酒精）混合，就会产生分子混合的完全均匀的一种液体。
与溶液类似，固溶体中的杂质原子也随机均匀的分散在固体中。
固溶体中的杂质点缺陷有两种形式：即置换型和间隙型固溶体。
置换型固溶体是杂质原子取代溶剂原子形成的（图 5.5）。
溶质原子能否取代溶剂原子形成置换型固溶体具有以下规则：1.原子大小因素只有原子半径相近，即溶质和溶剂原子半径的差值不超过15%，才可能形成置换型固溶体，否则会产生额外的晶格缺陷或生成新相。
2.晶体结构溶质和溶剂原子的金属晶体结构必须相同。
3.电负性更为电负性的原子与更为电正性的原子很可能形成金属间化合物而不是置换型固溶体。
4.价态其他因素相同，具有较高化合价的金属会溶解其他较高化合价的金属而不是较低化合价的金属。
置换型固溶体的一个典型例子是铜和镍形成的固溶体。
这两种元素可以任意比例完全互溶。
上面提到的规则也完全符合。
铜和镍的原子半径分别为0.128和0.125nm，金属铜和镍都为面心立方结构，它们的电负性分别为1.9和1.8（图2.7）；最后，铜的最常见化合价为+1（有时也可为+2），镍的化合价为+2。
间隙型固溶体杂质原子填充在主体原子的空隙中（见图 5.5）。
对于金属材料具有相当高的致密度，间隙空间很小。
因此间隙杂质原子的半径应比主体原子半径小。
通常允许的间隙杂质原子浓度是较低的（小于10%）。
即便是很小的间隙原子通常半径也大于间隙空位，因此它们会对相邻的主体原子施加晶格应力。
（题5.9）碳加入到铁当中会形成间隙型固溶体；碳的最大浓度为2%。
碳的原子半径远小于铁，为0.071nm，而铁为0.124nm。
陶瓷中的杂质象金属材料一样，杂质原子可在陶瓷材料中形成固溶体。
间隙型和取代型两种固溶体都是可能的，对间隙型固溶体杂质离子的半径必须小于阴离子半径，对于置换型固溶体置换离子的电性质与被置换离子的电性质要相同，如果杂质原子是阳离子，它最可能占据阳离子空位。
为了得到置换型固溶体，杂质离子的半径和电荷应与被置换的离子或空位尽量一致。
例如钙和氧离子很可能分别取代钠离子和氯离子。
图5.6中画出了阳离子和阴离子置换型和间隙型杂质。
为了使置换型杂质原子获得一定的固溶度，离子大小和电荷应当与被置换的主体离子尽可能一致。
如果杂质离子与被置换的主体离子电荷不同，晶体必须补偿这种差异以满足固体电中性的要求。
正如上面讨论的，一种补偿方式是形成晶格缺陷——即上面谈到的离子型的间隙或空位。
聚合物中的点缺陷应当注意由于聚合物的链状结构和结晶形态，聚合物中的缺陷与陶瓷和金属中的形式是不相同的。
聚合物结晶区材料中的点缺陷类似于金属，包括空位和间隙原子或离子。
链末端认为是一种缺陷，因为它们在化学上与单元链有所不同，空位也与链末端有关。
杂质原子/离子或原子团/离子团可以作为中间杂质参与分子结构中，它们也可以主链和短支链形式进入聚合物的分子结构。
5.6成份的表示常常有必要按照合金的元素组成表示成分（或浓度）。
两种表示浓度最普通的形式是质量百分浓度和原子百分浓度。
质量百分浓度（wt%）是某种金属元素的质量除以合金的总质量。
如含有元素1和元素2的质量百分浓度表达式为：（5.3）式中m1、m2分别表示两种元素的质量。
元素2的浓度可以按照类似的方法计算。
原子百分浓度（at%）的计算是某种金属元素的摩尔数除以合金的总摩尔数。
具有某特定质量的元素的摩尔数nm1可按下式计算：（5.4）式中m1’和A1分别为元素1的质量和原子量。
含有元素1和元素2的合金中元素1的原子百分浓度表达式为：（5.5）以类似方法可以得到元素2的原子百分浓度。
原子百分浓度也可用原子数而不是摩尔数来计算，因为所有物质的每摩尔的原子数是相同的。
其他形式的缺陷5.7 位错-线缺陷位错是线缺陷即一维缺陷，在位错线附近原子发生错排。