晶体缺陷1 点缺陷

(a)
(b)
图3-2 线缺陷 (a) 刃位错 (b)螺位错
图3-3 面缺陷－晶界
图3-4 面缺陷－堆积层错
面心立方晶体中的抽出型层错(a) 和插入型层错(b)
图3-5 面缺陷－共格晶面
面心立方晶体中{111}面反映孪晶
左图：陶瓷粉体
右图：烧结后的陶瓷
点缺陷的存在，可以提高扩散系数，促进陶瓷烧结； 面缺陷，陶瓷晶粒间的界面。
再求500℃下的 平衡空位浓度：
Ce
ne N
Leabharlann Baidu
A exp
u kT
exp
1.44 10 19 1.38 10 23 773
1.37 10 6
最后获得500℃下每 立方米Cu中的空位数目：
ne NCe 8.49 10 28 1.37 10 6 1.2 10 23 / m3
（2）过饱和点缺陷的产生
第三章 晶体缺陷
引 言 晶体缺陷概述及类型 第一节 点缺陷 第二节 位错-线缺陷 第三节 表面及界面
引言 晶体缺陷的类型
一、晶体的特征
晶体结构的基本特征：原子（或分子、 离子）在三维空间呈周期性重复排列，即存 在长程有序。
性能上两大特点：固定的熔点， 各向异性。
周期性、方向性。
二、晶体缺陷的含义
晶体点阵结构中周期性势场的畸变； 实际晶体中与理想的点阵结构发生偏差的区域。
理想晶体：质点严格按照空间点阵排列。 实际晶体：存在着各种各样的结构的不完整性。
对晶体的周期性和方向性而言，它的缺陷十分活 跃，状态易受外界条件的影响（如温度、载荷、辐射 等）而变化。
三、晶体缺陷的类型
（1）按几何形态分类： 点缺陷（在三维空间各方向上尺寸都很小，亦称为
空位，空位片，与其它晶体缺陷交互作用，提高强 度、引起显著的脆性。
本节重点与难点
（1）晶体缺陷概念与分类
晶体点阵结构中周期性势场的畸变；实际晶体中与 理想的点阵结构发生偏差的区域。（点、线、面）
①在500℃下，每立方米Cu中的空位数目； ②在500℃下的平衡空位浓度。
解答：已知：Cu原子的摩尔质量MCu=63.54g/mol； 500℃下Cu的密度ρCu=8.96×106g/m3）
首先确定1m3体积内 Cu原子的总数：
N
N0 Cu
M Cu
6.0231023 8.96106 63.54m3
8.491028 / m3
第一节 点缺陷
一、点缺陷的概念 二、点缺陷的类型 三、缺陷反应遵循的原则 四、点缺陷的平衡浓度 五、点缺陷与材料行为
一、点缺陷的概念
缺陷尺寸处于原子大小的数量级上，在三维空间各方 向上的尺寸都很小，亦称零维缺陷。
(a)空位
图3-6
(b)异类原子 （杂质质点）
(c)间隙原子
晶体中的点缺陷
二、点缺陷的类型
概念： 晶体中点缺陷的数目明显超过平衡值。
产生原因： 高温淬火， 辐照， 冷加工， 等等。
五、点缺陷与材料行为
（1）点缺陷的运动-扩散
原子或分子的扩散是依靠点缺陷（空位和间隙原子） 的运动而实现的；高温下的原子扩散速度十分可观。
材料加工工艺中不少过程都是以扩散作为基础： 表面化学处理； 成分均匀化处理； 退火与正火； 时效硬化处理； 烧结； 固态相变； 等等。
（3）电中性：电中性要求缺陷反应方程式两边的有效电荷数必须相等。
四、点缺陷的平衡浓度
（1）平衡点缺陷及其浓度 能量 +
△F = △U-T△S
F：自由能
U：内能
T：温度
ne
S：熵
能量 -
△U=nu
△F= △U-T△S
n
-T△S
平衡点缺陷 的浓度
Ce
ne N
Aexp u kT
A：材料常数 T：热力学温度 u: 该类型缺陷形成能 k：玻尔兹曼常数
（2）间隙原子（interstitial particle）
（弗兰克耳缺陷并不仅只指空位）
（3）异类原子或杂质质点（foreign particle）
也可视做晶体的点缺陷，它的原子尺寸或化学电负性与基体原 子不一样，它的引入必然导致周围晶格的畸变。
三、缺陷应遵循的法则
点缺陷的存在，破坏了原有原子间的作用力平衡，点缺陷周 围的原子必然会离开原有的平衡位置，作相应的微量位移，这就 是晶格畸变或应变，它们对应着晶体内能的升高。
（2）对材料物理性能与力学性能的影响
①电阻：最明显的是引起电阻的增加，晶体中
存在点缺陷时破坏了原子排列的规律性，使电子在 传导时的散射增加，从而增加了电阻。
②密度： 空位的存在使晶体的密度下降、体积
膨胀。
③高温蠕变：空位的存在及其运动是晶体高温
下发生蠕变的重要原因之一。
④力学性能：晶体在室温下可能有大量非平衡
但缺陷反应前后应遵循以下法则：
（1）位置关系：在化合物MaXb中，无论是否存在缺陷，其正负离子位置 数（即格点数）的之比始终是一个常数a/b，即：M的格点数/X的格 点数a/b。如NaCl结构中，正负离子格点数之比为1/1，Al2O3中则为 2/3。
（2）质量平衡：与化学反应方程式相同，缺陷反应方程式两边的质量 应该相等。需要注意的是缺陷符号的右下标表示缺陷所在的位置，对 质量平衡无影响。
零维缺陷 ，如空位、间隙原子和异类原子等 ）；
线缺陷（在两个方向上尺寸很小，主要是位错 ）； 面缺陷（在空间的一个方向上尺寸很小，另外两个
方向上尺寸较大的缺陷，如晶界、相界等 ）。
（2）按形成原因分类： 热缺陷； 杂质缺陷； 非化学计量缺陷等。
(a)空位
(b)杂质质点
(c)间隙质点
图3-1 晶体中的点缺陷
（1）点缺陷的平衡浓度与化学反映速率一样，随温度升高呈指数关 系增加。 （2）点缺陷的形成能也以指数关系影响点缺陷的平衡浓度。
由于间隙原子的形成能要比空位高几倍，因此间隙原子的平衡 浓度比空位低很多；在一般情况下，晶体中自间隙原子点缺陷可忽 略不计。
例题：Cu晶体的空位形成能Uv为0.9ev/atom，或1.44×10-19J/atom，材 料常数A取1，玻尔兹曼常数k = 1.38×10-23J/K，计算：
（1）空位（vacancy）：晶体中某结点上的原子空缺
肖脱基(Schottky)空位或肖脱基缺陷：脱位原子一般进入其他空 位或者逐渐迁移至晶界表面。
弗兰克耳(Frenkel)缺陷：晶体中的原子有可能挤入结点的间隙， 形成另一种类型的点缺陷——间隙原子，同时原来的位置也空缺了， 产生一个空位，通常把这一对点缺陷（空位和间隙原子）称为弗兰克 耳缺陷。