原子的不规则排列.ppt
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点线面缺陷
密度的变化： 简单地考虑肖脱基空位。 密度的变化： 简单地考虑肖脱基空位。空位的形 使得体积增加，由此而将引起密度的减小。 成，使得体积增加，由此而将引起密度的减小。
过饱和点缺陷（如淬火空位，辐照， 过饱和点缺陷（如淬火空位，辐照，塑性变形产生的大 量间隙原子-空位对）还可以提高金属屈服强度。 量间隙原子-空位第 三 节 原 子 的 不 规 则 排 列
(14)
• •
1.3.2.1 位错的基本类型 (2)螺型位错：左螺型位错、右螺型位错 螺型位错： 螺型位错 左螺型位错、 螺位错具有如下的几何特征： (1)螺位错线与其滑移矢量d平行，故纯螺位错只能是 直线。 (2)根据螺旋面的不同，螺位错可分左和右两种，当 螺旋面为右手螺旋时，为右螺位错，反之为左螺位错。 (3)螺位错没有多余原子面，它周围只引起切应变而 无体应变。
(11)
刃型位错的几何特征： 刃型位错的几何特征： (1)位错线与其滑移矢量 垂直，刃型位错可以为任意形 位错线与其滑移矢量d垂直 位错线与其滑移矢量 垂直，刃型位错可以为任意形 状的曲线。 状的曲线。 (2)有多余半原子面。 有多余半原子面。 有多余半原子面 习惯上， 习惯上，把多余半原子面在滑移面以上的位错称为 正刃型位错，用符号“ 表示，反之为负刃型位错， 正刃型位错，用符号“┻”表示，反之为负刃型位错， 表示。 用“┳”表示。刃型位错周围的点阵畸变关于半原子 面左右对称。 面左右对称。
(19)
P 11 12 13Q
O 8 9 10
76 5
4
P 12 13 Q 11
N 3 2 1 M
§1.3.2 线缺陷
第 三 节 原 子 的 不 规 则 排 列 1.3.2.2 柏氏矢量 （1）确定方法 ） a 在位错周围沿着 点阵结点形成 右螺旋的封闭 回路。（柏氏 回路） 回路） b 在理想晶体中按 同样顺序作同 样大小的 样大小 的 回路 。 c 在理想晶体中从 终点到起点的 矢量即为柏氏 矢量。 矢量。 1 2 3 1 2 3 4 4 3 2 1 2 1 1 1
晶体缺陷ppt
演变过程
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。
材料科学基础Powerpoint(上交大)第一章 原子排列03
5
二、线缺陷
6/10/2021
西北工业大学 材料科学基础CAI课件 王永欣主编
6
原子面整体滑移——塑变
发现问题
理论强度远大于实测值
促使
探求新理论——位错理论
核心
位错逐排依次运动——塑变
结果
计算强度值 实测值
6/10/2021
西北工业大学 材料科学基础CAI课件 王永欣主编
7
1. 位错基本类型
1 1 cos2
，
为混合位错的位错线与b 夹角
6/10/2021
西北工业大学 材料科学基础CAI课件 王永欣主编
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（a）比较
wE
wS
(1 )
wE
1.5wS
其中： 0.3 ~ 0.4
wE > wS
（b）一般公式
w Gb2
其中：α为几何因素系数，约0.5～1.0
6/10/2021
西北工业大学 材料科学基础CAI课件 王永欣主编
部分原子获得足够高的能量
克服约束，迁移到新的位置
形成
空位、间隙原子
引起
局部点阵畸变
6/10/2021
西北工业大学 材料科学基础CAI课件 王永欣主编
2
2. 分类
➢肖脱基缺陷——原子迁移到表面——仅形成空位 ➢弗兰克缺陷——原子迁移到间隙中——形成空位-间隙对 ➢杂质或溶质原子——间隙式（小原子）或置换式（大原子）
6/10/2021
西北工业大学 材料科学基础CAI课件 王永欣主编
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（3）位错应变能
单位长度螺位错应变能：
wS
(W L
)S
Gb2
4
ln
R r0
金属材料的组织结构PPT课件
分为刃型位错和螺型位错。
精品课件
24
刃型位错：当一个完整晶体某晶面以上的某处多出半个原子 面，该晶面象刀刃一样切入晶体，这个多余原子面的边缘就 是刃型位错。
半原子面在滑移面以上的称正位错，用“ ┴ ”表示。 半原子面在滑移面以下的称负位错，用“ ┬ ”表示。
精品课件
25
位错密度：
单位体积内所包含的位错线
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。
空位
间隙原
小置换原
大置换原
子
子
子
② 线缺陷：在三维尺寸的两个方向上尺寸很小，另一个
方向上尺寸较大的缺陷；
晶体中的位错是典型的线位错。
晶格中一部分晶体相对于另一部分晶体发生局部滑移，
滑移面上滑移区与未滑移区的交界线称作位错；
总长度。
= S/V(cm/cm3或1/cm2)
金属的位错密度为104~1012/cm2；
位错对性能的影响：
金属的塑性变形主要由位错 运动引起，因此阻碍位错运动是 强化金属的主要途径。
减少或增加位错密度都可以
提高金属的强度。
金属晶须
退火态
(105-108/cm2)
加工硬化态
(1011-1012/cm2)
精品课件
14
⑶ 密排六方晶格
密排六方晶格
密排六方晶格的参数
密排六方晶格
晶格常数：底面边长 a 和高 c，
c/a=1.633
原子半径 ：r 1 a
2
原子个数：6 配位数： 12 致密度：0.74 常见金属： Mg、Zn、 Be、Cd等
精品课件
18
2、实际金属的晶体结构 ⑴ 单晶体与多晶体
第3节 原子的不规则排列-位错1
ρ
22
三、位错的观察
1.浸蚀法——利用显微镜观察位错露头处的腐蚀坑 位错露头处的腐蚀坑形 位错露头处的腐蚀坑 貌（如三角形、正方形等规则的几何外形，且呈有规 律分布）。 适合于位错密度很低的高纯度晶体或者化合物晶体 的位错观察。 2.透射电镜——位错线的实际形貌
23
3
位错理论发展的历史
• 1907年有人在弹性力学中提出了位错的概念，并讨论了位错的应 力场； • 1934年，Taylor、Polanyi和Orowan几乎同时从晶体学角度提出位 错概念，把位错和晶体塑性变形联系起来，开始建立并逐步发展 了位错理论模型； • 1947年，Cotterll在英国国际强度会议上报告了用溶质原子与位错 的相互作用来解释碳钢的屈服点效应，得到了满意的结果。这使 得从假设出发的位错理论在解决金属力学性质的具体问题上获得 成功； • 1950年以后，由于透射电子显微镜 透射电子显微镜技术的发展，证实了位错的存 透射电子显微镜 证实了位错的存 在及其运动，位错理论从假设⇒实验证实⇒理论发展。 在及其运动
6
从这个角度看，晶体中的位错作为滑移区与未滑移区的 晶体中的位错作为滑移区与未滑移区的 边界，就不可能终断于晶体内部， 边界，就不可能终断于晶体内部，它们或者在表面露头， 或者终止于晶界和相界，或者与其它位错线交叉，或者 自行在晶体内部形成一个封闭环，这是位错的一个重要 位错的一个重要 特征。 特征。
z O’ b
b1 = a[110]
a b2 = [110] 2
O a x
y
右图中的矢量Ob，其晶向指数也为[110]，柏氏 矢量b2=1/2a+1/2b+1/2c，可简写为：
16
立方晶系柏氏矢量的一般表达式：
西北工业大学材料科学基础考研复习第一章PPT课件
<111>方向
2
晶胞原子数：81812
配位数：8
致密度：68%
（a为棱长）
密排六方（hcp)
• 点阵常数：R 1 a 2
• 最近原子距离：d=a
•
方向
1120
• 晶胞原子数：1 /6 1 1 2 /2 2 3 6
• 配位数：6+6
• 致密度：k
61/6d3
7% 4
6(0.5a 3a/2)c
《材料科学基础》命题规律分析和考点精讲
参考书目
• 1.《材料科学基础》（第二版），刘智恩，西北工业大学 出版社，2003
• 2.《材料科学基础》，胡庚祥，蔡珣，上海交通大学出版 社，2000
• 3.《材料科学基础》，石德珂，西安交通大学出版社， 2000
• 4.《材料科学基础》，潘金生，仝健民，清华大学出版社 ，1998
（hkl）
【uvw】
• 立方晶系晶面间距公式： • 正方晶系晶面间距公式： • 六方晶系晶面间距公式：
• 两晶向夹角公式： • 两晶面夹角公式：
相关真题与习题
• 1.写出{112}晶面族的等价晶面（2011年考题） • 2.写出附图的简单立方晶体中ED、C’F的晶向指数和ACH、FGD’的晶
面指数，并求ACH晶面的晶面间距，以及FGD’与A’B’C’D’两晶面 之间的夹角。（注：G、H点为二等分点，F点为三等分点）（2010）
平衡浓度计算公式：
cv
ne Aexp(Ev)
N
kT
A1,k13.81024J/(原子 •K)
规律：温度越高，空位浓度越大。
• 二。线缺陷（重中之重） • 1.刃位错 分为：正刃型位错（上压下拉）
不规则排列
dw1 ( l ds)b
假想有一力F作用于位错上，则F 作功dw2
dw2 F ds
有
dw1 dw2
l ds b F ds F bl
单位长度位错线上的力：
F Fd b l
（b）说明
Fd∝τ，Fd∝b Fd⊥位错线，指向未滑移区 Fd为假象力，其方向与τ不一定一致。（如螺位错Fd⊥τ）
6
7 8
5
4
3 2 7 8
6
5
4
3
2
1 9 10 11
1 9 10 11
b
（1） 包含位错线做一封闭回路——柏氏回路 （2） 将同样的回路置于完整晶体中——不能闭合
（3） 补一矢量（终点指向起点）使回路闭合——柏氏矢量
4 3 1 2 3
2 1 2 1 1 1
b
1 2 3 1
4 3
2
1 1 1
σxz = σzx， σyz = σzy y σxy——作用面垂直于x， 方向为y
x x x
（b）单元体应变分量
正应变：εxx，εyy，εzz 切应变：εxy = εyx，εxz = εzx
（c）柱坐标下分量
与直角坐标的关系：
y r x y ， arctg ，z z x
2 2
二、线缺陷
原子面整体滑移——塑变
发现问题
理论强度远大于实测值
促使
探求新理论——位错理论
核心
位错逐排依次运动——塑变
结果
计算强度值 ≈ 实测值
1. 位错基本类型
1) 刃位错
┻
多出（或少了） 称为 半排原子面
刃位错
用┻（或 ┳）表示
原子结构原子结构与元素周期表最新ppt
【思考·讨论】
(2)M电子层最多容纳18个电子,钙原子的核外电子排布不是 而是 ,请说明理由。
(2)M电子层最多容纳18个电子,钙原子的核外电子排布
提示:若钙原子的M层排10个电子,此时M层就成为最外层,这和电子排布规律中的“最外层上排布的电子数不能超过8个”相矛盾,不符合电子排布的规律,即M层不是最外层时最多排18个电子,而它作为最外层时最多只能排8个电子。
【解析】选B。因为B的L层电子数为(a+b)且有M层,所以a
【典例2】A、B两种原子,A的M电子层比B的M电子层少3个电子,B的L电子层电子数恰为A的L电子层电子数的2倍。A和B分别是 ( )A.硅原子和钠原子 B.硼原子和氦原子C.氯原子和碳原子 D.碳原子和铝原子
【典例2】A、B两种原子,A的M电子层比B的M电子层少3个电
【解析】L层有8个电子,则M层有4个电子,故A为硅
答案:(从左到右,从上到下)硅 硼 钠 氧
答案:(从左到右,从上到下)硅 硼
【补偿训练】 1.(2019·长沙高一检测)原子核外电子分层排布遵循一定数量规律并相互制约。下列说法中肯定错误的是 ( )A.某原子K层上只有一个电子
提示:若钙原子的M层排10个电子,此时M层就成为最外层,这和
【案例示范】【典例1】(2019·济南高一检测)A元素的原子最外层电子数是a,次外层电子数是b;B元素的原子M层电子数是(a-b),L层电子数是(a+b),则A、B两元素形成化合物的化学式最可能表示为 ( )A.B3A2 B.BA2 C.A3B2 D.AB2
【案例示范】
【思维建模】解答有关电子排布题的思维流程如下:
【思维建模】解答有关电子排布题的思维流程如下:
【解析】选B。因为B的L层电子数为(a+b)且有M层,所以a+b=8,又因A原子最外层电子数为a,次外层电子数为b,且满足a+b=8,所以A原子有两个电子层,且K层为2个电子,L层为6个电子,所以a=6,b=2。进而推知B的各电子层上的电子数分别为2、8、4。即A为O,B为Si。A、B两元素形成化合物的化学式最可能为SiO2。
(2)M电子层最多容纳18个电子,钙原子的核外电子排布不是 而是 ,请说明理由。
(2)M电子层最多容纳18个电子,钙原子的核外电子排布
提示:若钙原子的M层排10个电子,此时M层就成为最外层,这和电子排布规律中的“最外层上排布的电子数不能超过8个”相矛盾,不符合电子排布的规律,即M层不是最外层时最多排18个电子,而它作为最外层时最多只能排8个电子。
【解析】选B。因为B的L层电子数为(a+b)且有M层,所以a
【典例2】A、B两种原子,A的M电子层比B的M电子层少3个电子,B的L电子层电子数恰为A的L电子层电子数的2倍。A和B分别是 ( )A.硅原子和钠原子 B.硼原子和氦原子C.氯原子和碳原子 D.碳原子和铝原子
【典例2】A、B两种原子,A的M电子层比B的M电子层少3个电
【解析】L层有8个电子,则M层有4个电子,故A为硅
答案:(从左到右,从上到下)硅 硼 钠 氧
答案:(从左到右,从上到下)硅 硼
【补偿训练】 1.(2019·长沙高一检测)原子核外电子分层排布遵循一定数量规律并相互制约。下列说法中肯定错误的是 ( )A.某原子K层上只有一个电子
提示:若钙原子的M层排10个电子,此时M层就成为最外层,这和
【案例示范】【典例1】(2019·济南高一检测)A元素的原子最外层电子数是a,次外层电子数是b;B元素的原子M层电子数是(a-b),L层电子数是(a+b),则A、B两元素形成化合物的化学式最可能表示为 ( )A.B3A2 B.BA2 C.A3B2 D.AB2
【案例示范】
【思维建模】解答有关电子排布题的思维流程如下:
【思维建模】解答有关电子排布题的思维流程如下:
【解析】选B。因为B的L层电子数为(a+b)且有M层,所以a+b=8,又因A原子最外层电子数为a,次外层电子数为b,且满足a+b=8,所以A原子有两个电子层,且K层为2个电子,L层为6个电子,所以a=6,b=2。进而推知B的各电子层上的电子数分别为2、8、4。即A为O,B为Si。A、B两元素形成化合物的化学式最可能为SiO2。
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• 刃型位 • 错线与 • 滑移方 • 向垂直。 • 其原子 • 排列如 • 图。
• 位错线实际上是晶体中已滑移区ABEF与未 滑移区EFCD在滑移面ABCD上的交线，因 为此处的原子相对位移不可能从一个原子 间距突变为零，所以存在一个过渡区。过 渡区中的原子相对位移从一个原子间距逐 渐减至零。
• 刃型位错周围的点阵畸变相对于多余半原 子面是左右对称的。畸变程度随离位错线 的距离增大而减小，严重点阵畸变的范围 约为几个原子间距。
• 例题1.3.2: 已知Al晶体在550℃的空位浓度 c=2×10-6, 计算空位均匀分布时的平均间距.
• 解: Al晶体为面心立方点阵,设点阵常数为a,原子 直径为d,则: a=2d (d从手册上查,见附录B)
• 设单位体积中的阵点数为N,因一个面心晶胞(V=a3) 含4个阵点(原子),则: N=4/V=4/(2d)3= 2/d3
• 晶体中的线缺陷指各种位错，即晶体中某 处一列或若干列原子发生有规律的错排现 象，错排区为细长的管状畸变区域，长度 可达几百至几万原子间距，而宽度只有几 个原子间距。位错分为刃型位错和螺型位 错两种。
• 位错dislocation是一类极为重要的晶体缺 陷，对材料的塑性变形、强度、断裂等起 着决定性作用，对扩散、相变等也影响较 大。
• 空位浓度是单位体积内的空位数与阵点数之比 c=n/N.
• 所以单位体积内的空位数: n=Nc=2×2×10-6/d3
• 设空位平均间距为L,则以L为棱边的立方体中含一 个空位: n/L3=1
• 即: L=(1/n)1/3=d/(2×2×10-6)1/3=20.3nm • 答:(略)
• 1.3.2 线缺陷
• 平行于滑移方
• 向。在bb’和AB
• 两线之间有一个
• 约几个原子间距ห้องสมุดไป่ตู้
• 宽，上下层原子
• 不吻合的过渡区。
• 以bb’为轴，依次连接过渡区内的同一原子 面的原子，其走向构成右螺旋，故称这种 位错为螺型位错。
• 1.3.2.1 位错的基本类型：
• (1) 刃型位错edge dislocation ：如图所示， 原子面ABCD上半部分沿着ABCD面局部滑 移了一个原子间距，结果在滑移面ABCD的 上半部分出现了多余的半排原子面EFGH， 它好象是一把刀切入晶体并终止于ABCD面 上
• 在半原子面的“刃边”EF的周围，晶格发 生畸变。我们称EF为刃型位错线。
• 如果离位原子迁移到晶体的外表面或内界 面处，则空位称为肖脱基(Schottky)空位； 如果离位原子迁移到点阵间隙，则这种空 位称为弗兰克尔(ФренеІь)空位。
• 进入点阵间隙的原子称为间隙原子；同类 原子称为自间隙原子；异类原子称为异类 间隙原子。
• 若异类原子占据空位称为置换原子。因与 基体原子半径有别，会引起晶格畸变 distortion of lattice。
• cv=ne/N=exp[-ΔEv/kT+ΔSv/k] (1-2) • 式中ne为平衡空位浓度；N为阵点总数；
ΔEv为空位形成能；ΔSv为振动熵；k为玻 尔兹曼常数。
• 式(1-2)可以简化：
• cv=ne/N=exp[-ΔEv/kT+ΔSv/k]= • =Aexp[-ΔEv/kT] • 式中A为振动熵所决定的系数，其值在
• 点缺陷使其周围原子间的作用力失去平衡， 原子需要重新调整位置。点阵因此产生弹 性畸变，形成应力场stress field。
• 点阵畸变使原子离开平衡位置，故晶体内 能上升。通常把这一部分增加的能量称为 点缺陷形成能。
• 常见金属中，间隙原子形成能比空位形成 能大几倍。
• 1.3.1.2 空位平衡浓度：绝对零度的晶体为 完整结构的晶体。在绝对零度以上的任何 温度下， 由于热起伏会造成一定浓度的肖 脱基空位和弗兰克尔空位。总空位数与温 度有关，其浓度称为该温度下晶体的平衡 浓度，用cv表示。
• 晶体缺陷按几何特征分为三类：
• (1) 点缺陷：在空间三维方向尺寸都很小， 相当于原子数量级。如空位和间隙原子。
• (2) 线缺陷：在某二维方向尺寸很小，另一 维方向尺寸很大。如各类型位错。
• (3) 面缺陷：在某二维方向尺寸很大，另一 维方向尺寸很小。如晶界和相界。
• 晶体中总是有缺陷的，但完整性是主要的。 因此晶体有一系列与非晶体不同的特性。
1.3 原子的不规则排列
• 由于晶体生长条件、原子热运动以及材料 加工过程中的各种因素影响，原子排列往 往出现偏离理想结构的情况。通常把晶体 中原子偏离其平衡位置而出现不完整性的 区域称为晶体缺陷crystal imperfection。
• 晶体缺陷以一定的形态存在，按一定的规 律产生、发展、运动和交互作用，并对晶 体的性能和物理化学变化有重要影响。
1~10之间。
• 由此可见：空位平衡浓度与温度和形成能 之间呈指数关系。温度越高，空位平衡浓 度越大。
• 1.3.1.3 空位对晶体性能的影响：通常空位 主要影响晶体的物理性质，如比体积、比 热容、电阻率等。若空位过饱和还会影响 金属的屈服强度。
• 此外，点缺陷还影响其他物理性质，如扩 散系数、内耗、介电常数等。
• 正负刃型位错：为讨论方便，通常将多余 半原子面位于上半部的为错线称为正刃型 位错，用符号“”表示；将多余半原子面 位于下半部的为错线称为负刃型位错，用 符号“Τ”表示。
• 位错的“正”“负”是相对的。
• 刃型位错线可以是直线、折线或曲线；可 以是开放线，也可以是封闭线。
• (2) 螺型位错screw dislocation：如图，在切应 力τ的作用下，简立方晶体右端上下两部分沿滑移 面ABCD发生了一个原子间距的局部位移，而右 半部分未发生位移，其边界线bb’就是一条位错线，
• 1.3.1 点缺陷
• 1.3.1.1 点缺陷的形成、结构和能量：原子 的热振动能量是温度的函数。在一定温度 下，热振动平均能量是一定的。但每个原 子在同一瞬间或同一原子在不同瞬间的振 动能量并不相同，即存在能量起伏。当某 些原子的能量高于其位垒时，可以摆脱周 围原子的约束而跳离平衡位置，留下一个 空位，温度越高几率越大。
• 位错线实际上是晶体中已滑移区ABEF与未 滑移区EFCD在滑移面ABCD上的交线，因 为此处的原子相对位移不可能从一个原子 间距突变为零，所以存在一个过渡区。过 渡区中的原子相对位移从一个原子间距逐 渐减至零。
• 刃型位错周围的点阵畸变相对于多余半原 子面是左右对称的。畸变程度随离位错线 的距离增大而减小，严重点阵畸变的范围 约为几个原子间距。
• 例题1.3.2: 已知Al晶体在550℃的空位浓度 c=2×10-6, 计算空位均匀分布时的平均间距.
• 解: Al晶体为面心立方点阵,设点阵常数为a,原子 直径为d,则: a=2d (d从手册上查,见附录B)
• 设单位体积中的阵点数为N,因一个面心晶胞(V=a3) 含4个阵点(原子),则: N=4/V=4/(2d)3= 2/d3
• 晶体中的线缺陷指各种位错，即晶体中某 处一列或若干列原子发生有规律的错排现 象，错排区为细长的管状畸变区域，长度 可达几百至几万原子间距，而宽度只有几 个原子间距。位错分为刃型位错和螺型位 错两种。
• 位错dislocation是一类极为重要的晶体缺 陷，对材料的塑性变形、强度、断裂等起 着决定性作用，对扩散、相变等也影响较 大。
• 空位浓度是单位体积内的空位数与阵点数之比 c=n/N.
• 所以单位体积内的空位数: n=Nc=2×2×10-6/d3
• 设空位平均间距为L,则以L为棱边的立方体中含一 个空位: n/L3=1
• 即: L=(1/n)1/3=d/(2×2×10-6)1/3=20.3nm • 答:(略)
• 1.3.2 线缺陷
• 平行于滑移方
• 向。在bb’和AB
• 两线之间有一个
• 约几个原子间距ห้องสมุดไป่ตู้
• 宽，上下层原子
• 不吻合的过渡区。
• 以bb’为轴，依次连接过渡区内的同一原子 面的原子，其走向构成右螺旋，故称这种 位错为螺型位错。
• 1.3.2.1 位错的基本类型：
• (1) 刃型位错edge dislocation ：如图所示， 原子面ABCD上半部分沿着ABCD面局部滑 移了一个原子间距，结果在滑移面ABCD的 上半部分出现了多余的半排原子面EFGH， 它好象是一把刀切入晶体并终止于ABCD面 上
• 在半原子面的“刃边”EF的周围，晶格发 生畸变。我们称EF为刃型位错线。
• 如果离位原子迁移到晶体的外表面或内界 面处，则空位称为肖脱基(Schottky)空位； 如果离位原子迁移到点阵间隙，则这种空 位称为弗兰克尔(ФренеІь)空位。
• 进入点阵间隙的原子称为间隙原子；同类 原子称为自间隙原子；异类原子称为异类 间隙原子。
• 若异类原子占据空位称为置换原子。因与 基体原子半径有别，会引起晶格畸变 distortion of lattice。
• cv=ne/N=exp[-ΔEv/kT+ΔSv/k] (1-2) • 式中ne为平衡空位浓度；N为阵点总数；
ΔEv为空位形成能；ΔSv为振动熵；k为玻 尔兹曼常数。
• 式(1-2)可以简化：
• cv=ne/N=exp[-ΔEv/kT+ΔSv/k]= • =Aexp[-ΔEv/kT] • 式中A为振动熵所决定的系数，其值在
• 点缺陷使其周围原子间的作用力失去平衡， 原子需要重新调整位置。点阵因此产生弹 性畸变，形成应力场stress field。
• 点阵畸变使原子离开平衡位置，故晶体内 能上升。通常把这一部分增加的能量称为 点缺陷形成能。
• 常见金属中，间隙原子形成能比空位形成 能大几倍。
• 1.3.1.2 空位平衡浓度：绝对零度的晶体为 完整结构的晶体。在绝对零度以上的任何 温度下， 由于热起伏会造成一定浓度的肖 脱基空位和弗兰克尔空位。总空位数与温 度有关，其浓度称为该温度下晶体的平衡 浓度，用cv表示。
• 晶体缺陷按几何特征分为三类：
• (1) 点缺陷：在空间三维方向尺寸都很小， 相当于原子数量级。如空位和间隙原子。
• (2) 线缺陷：在某二维方向尺寸很小，另一 维方向尺寸很大。如各类型位错。
• (3) 面缺陷：在某二维方向尺寸很大，另一 维方向尺寸很小。如晶界和相界。
• 晶体中总是有缺陷的，但完整性是主要的。 因此晶体有一系列与非晶体不同的特性。
1.3 原子的不规则排列
• 由于晶体生长条件、原子热运动以及材料 加工过程中的各种因素影响，原子排列往 往出现偏离理想结构的情况。通常把晶体 中原子偏离其平衡位置而出现不完整性的 区域称为晶体缺陷crystal imperfection。
• 晶体缺陷以一定的形态存在，按一定的规 律产生、发展、运动和交互作用，并对晶 体的性能和物理化学变化有重要影响。
1~10之间。
• 由此可见：空位平衡浓度与温度和形成能 之间呈指数关系。温度越高，空位平衡浓 度越大。
• 1.3.1.3 空位对晶体性能的影响：通常空位 主要影响晶体的物理性质，如比体积、比 热容、电阻率等。若空位过饱和还会影响 金属的屈服强度。
• 此外，点缺陷还影响其他物理性质，如扩 散系数、内耗、介电常数等。
• 正负刃型位错：为讨论方便，通常将多余 半原子面位于上半部的为错线称为正刃型 位错，用符号“”表示；将多余半原子面 位于下半部的为错线称为负刃型位错，用 符号“Τ”表示。
• 位错的“正”“负”是相对的。
• 刃型位错线可以是直线、折线或曲线；可 以是开放线，也可以是封闭线。
• (2) 螺型位错screw dislocation：如图，在切应 力τ的作用下，简立方晶体右端上下两部分沿滑移 面ABCD发生了一个原子间距的局部位移，而右 半部分未发生位移，其边界线bb’就是一条位错线，
• 1.3.1 点缺陷
• 1.3.1.1 点缺陷的形成、结构和能量：原子 的热振动能量是温度的函数。在一定温度 下，热振动平均能量是一定的。但每个原 子在同一瞬间或同一原子在不同瞬间的振 动能量并不相同，即存在能量起伏。当某 些原子的能量高于其位垒时，可以摆脱周 围原子的约束而跳离平衡位置，留下一个 空位，温度越高几率越大。