第二章晶体缺陷.
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晶体结构缺陷的类型
二 按缺陷产生旳原因分类
晶体缺陷
辐照缺陷 杂质缺陷
电荷缺陷 热缺陷 非化学计量缺陷
1. 热缺陷
定义:热缺陷亦称为本征缺陷，是指由热起伏旳原因所产生 旳空位或间隙质点（原子或离子）。
类型:弗仑克尔缺陷（Frenkel defect）和肖特基缺陷 （Schottky defect）
T E 热起伏(涨落) 原子脱离其平衡位置
面缺陷旳取向及分布与材料旳断裂韧性有关。
面缺陷－晶界
晶界示意图
亚晶界示意图
晶界: 晶界是两相邻晶粒间旳过渡界面。因为相邻晶粒 间彼此位向各不相同，故晶界处旳原子排列与晶内不同， 它们因同步受到相邻两侧晶粒不同位向旳综合影响，而做 无规则排列或近似于两者取向旳折衷位置旳排列，这就形 成了晶体中旳主要旳面缺陷。
-"extra" atoms positioned between atomic sites.
distortion of planes
selfinterstitiallids
Two outcomes if impurity (B) added to host (A):
• Solid solution of B in A (i.e., random dist. of point defects)
OR
Substitutional alloy (e.g., Cu in Ni)
Interstitial alloy (e.g., C in Fe)
Impurities in Ceramics
本章主要内容：
§2.1 晶体构造缺陷旳类型 §2. 2 点缺陷 §2.3 线缺陷 §2.4 面缺陷 §2.5 固溶体 §2.6 非化学计量化合物
晶体结构缺陷
26
（6）带电缺陷
不同价离子之间取代如Ca2+取代Na+——Ca
· Na
Ca2+取代Zr4+——Ca”Zr
(7) 缔合中心 在晶体中除了单个缺陷外，有可能出现邻近两个缺陷
互相缔合，把发生 缔合的缺陷用小括号表示，也称复合缺陷。 在离子晶体中带相反电荷的点缺陷之间，存在一种有
利于缔合的库仑引力。 如：在NaCl晶体中，
Sr O(S ) Li2O Sr •. V O
Li
Li
O
(3) Al2O3固溶在MgO晶体中(产生正离子空位，生成置换型SS)
Al2O3
(
S
)
MgO
2
Al
•. Mg
VMg
3OO
(4) YF3固溶在CaF2晶体中(产生正离子空位，生成置换型SS)
2Y F (S ) CaF2 2Y •. V 6F
(1－4)
3MgO Al2O3 2MgAl Mgi•• 3OO
(1－5)
（1－5〕较不合理。因为Mg2+进入间隙位置不易发生。
33
写出下列缺陷反应式：
(1) MgCl2固溶在LiCl晶体中(产生正离子空位，生成置换型SS)
MgCl2 (S)
LiCl
Mg •. Li
VLi
2ClCl
(2) SrO固溶在Li2O晶体中(产生正离子空位，生成置换型SS)
3
HRTEM image of an edge of a zeolite beta crystallite（沸石）
STM图显示表面原子 存在的原子空位缺陷
4
自然界中理想晶体是不存在的 对称性缺陷？晶体空间点阵的概念似乎 不能用到含有缺陷的晶体中，亦即晶体 理论的基石不再牢固? 其实，缺陷只是晶体中局部破坏 统计学原子百分数，缺陷数量微不足道
（6）带电缺陷
不同价离子之间取代如Ca2+取代Na+——Ca
· Na
Ca2+取代Zr4+——Ca”Zr
(7) 缔合中心 在晶体中除了单个缺陷外，有可能出现邻近两个缺陷
互相缔合，把发生 缔合的缺陷用小括号表示，也称复合缺陷。 在离子晶体中带相反电荷的点缺陷之间，存在一种有
利于缔合的库仑引力。 如：在NaCl晶体中，
Sr O(S ) Li2O Sr •. V O
Li
Li
O
(3) Al2O3固溶在MgO晶体中(产生正离子空位，生成置换型SS)
Al2O3
(
S
)
MgO
2
Al
•. Mg
VMg
3OO
(4) YF3固溶在CaF2晶体中(产生正离子空位，生成置换型SS)
2Y F (S ) CaF2 2Y •. V 6F
(1－4)
3MgO Al2O3 2MgAl Mgi•• 3OO
(1－5)
（1－5〕较不合理。因为Mg2+进入间隙位置不易发生。
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写出下列缺陷反应式：
(1) MgCl2固溶在LiCl晶体中(产生正离子空位，生成置换型SS)
MgCl2 (S)
LiCl
Mg •. Li
VLi
2ClCl
(2) SrO固溶在Li2O晶体中(产生正离子空位，生成置换型SS)
3
HRTEM image of an edge of a zeolite beta crystallite（沸石）
STM图显示表面原子 存在的原子空位缺陷
4
自然界中理想晶体是不存在的 对称性缺陷？晶体空间点阵的概念似乎 不能用到含有缺陷的晶体中，亦即晶体 理论的基石不再牢固? 其实，缺陷只是晶体中局部破坏 统计学原子百分数，缺陷数量微不足道
第二章-晶体结构与晶体中的缺陷
• 层间结合力强，水分子不易进入层间，与水拌和体积不膨 胀，泥料可塑性差（黏土-水系统解释）。
• 层内力远远大于层间力，容易形成片状解理。
• ⑷ 蒙脱石结构
• 单元层间：范德华力，弱。 • [SiO4]4-中的Si4+被Al3+取代（
同晶取代）为平衡电价，吸 附低价正离子，易解吸，使 颗粒荷电，因此使陶瓷制品 因带某些离子具有放射性。 • 性质： • 加水体积膨胀，泥料可塑性 好。
因子看，A位离子越大， B位离子才能较大。
理想立方钙钛矿结构中离子的位置
§2.2 硅酸盐晶体结构
一、硅酸盐结构特点与分类 硅酸盐是数量极大的一类无机物。硅酸盐晶体可以 按硅（铝）氧骨干的形式分成岛状结构、组群状结 构、链状结构、层状结构和架状结构。它们都具有 下列结构特点： 1）结构中Si4+之间没有直接的键，而是通过O2-连接 起来的 2）结构是以硅氧四面体为结构的基础 3）每一个O2-只能连接2个硅氧四面体 4）硅氧四面体间只能共顶连接，而不能共棱和共面 连接
陶瓷材料如MgO,CaO, NiO,
CoO,MnO和PbO等都形成
该结构。岩盐型结构还是若干
复杂层状化合物结构的一部分。
根据鲍林静电价规则，
S=Z/n NaCl: 每一个Na+静电键强度是 1/6。正负离子的配位数相等， 都是6。因此键强度总和达到氯 离子的价电荷数(6x(1/6)=1) MgO: 阳离子Mg2+的静电键强 度是2/6 ,键强度总和等于氧离子 O2-的电价6x(2/6)=2
缺陷的含义：通常把晶体点阵结构中周期 性势场的畸变称为晶体的结构缺陷。 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。
晶体结构缺陷的类型
• 层内力远远大于层间力，容易形成片状解理。
• ⑷ 蒙脱石结构
• 单元层间：范德华力，弱。 • [SiO4]4-中的Si4+被Al3+取代（
同晶取代）为平衡电价，吸 附低价正离子，易解吸，使 颗粒荷电，因此使陶瓷制品 因带某些离子具有放射性。 • 性质： • 加水体积膨胀，泥料可塑性 好。
因子看，A位离子越大， B位离子才能较大。
理想立方钙钛矿结构中离子的位置
§2.2 硅酸盐晶体结构
一、硅酸盐结构特点与分类 硅酸盐是数量极大的一类无机物。硅酸盐晶体可以 按硅（铝）氧骨干的形式分成岛状结构、组群状结 构、链状结构、层状结构和架状结构。它们都具有 下列结构特点： 1）结构中Si4+之间没有直接的键，而是通过O2-连接 起来的 2）结构是以硅氧四面体为结构的基础 3）每一个O2-只能连接2个硅氧四面体 4）硅氧四面体间只能共顶连接，而不能共棱和共面 连接
陶瓷材料如MgO,CaO, NiO,
CoO,MnO和PbO等都形成
该结构。岩盐型结构还是若干
复杂层状化合物结构的一部分。
根据鲍林静电价规则，
S=Z/n NaCl: 每一个Na+静电键强度是 1/6。正负离子的配位数相等， 都是6。因此键强度总和达到氯 离子的价电荷数(6x(1/6)=1) MgO: 阳离子Mg2+的静电键强 度是2/6 ,键强度总和等于氧离子 O2-的电价6x(2/6)=2
缺陷的含义：通常把晶体点阵结构中周期 性势场的畸变称为晶体的结构缺陷。 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。
晶体结构缺陷的类型
第2章 晶体缺陷
FMS Chapter 2 Crystal Defects
Dalian Jiaotong University
6
• 晶体中点缺陷示意 2
(c) 2003 Brooks/Cole Publishing / Thomson Learning
空位
间隙 原子
小的置 换原子
大的置 换原子
Wednesday, July 09, 2014
Dalian Jiaotong University FMS Chapter 2 Crystal Defects
8
二、点缺陷的运动及平衡浓度
运动 • 点缺陷处在不断改变位置的运动状态
点缺陷处在不断产生与复合（湮灭）的运动状态
点缺陷是一种热平衡缺陷，在一定温度下，有 一个平衡缺陷浓度
点缺陷平衡浓度表达式
FMS
Chapter 2 Crystal Defects
14
2. 位错的基本类型
刃型位错 Edge 螺型位错 Screw 混合型位错 Mixed
Wednesday, July 09, 2014
一个原子平面中断处的边缘 过渡地带的原子面被扭曲成了 螺旋形 刃型位错与螺型位错的组合
Dalian Jiaotong University
FMS
Chapter 2 Crystal Defects
1
• 引言
• 即使在0K，实际晶体中也不是所有原子都严格地 按周期性规律排列的，总是不可避免地存在着一些 原子偏离规则排列的不完整区域，即晶体缺陷 • 即使在最严重的情况下，偏离规则的原子数的比例 也很小，不到总原子数的千分之一 • 这些缺陷对材料的结构敏感性能，强度、塑性、电 阻等产生重大影响，而且在扩散、相变、塑性变形 和再结晶等过程中扮演着重要角色 • 通过对缺陷的控制，可获得性能更优异和有实用价 值的材料
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6
• 晶体中点缺陷示意 2
(c) 2003 Brooks/Cole Publishing / Thomson Learning
空位
间隙 原子
小的置 换原子
大的置 换原子
Wednesday, July 09, 2014
Dalian Jiaotong University FMS Chapter 2 Crystal Defects
8
二、点缺陷的运动及平衡浓度
运动 • 点缺陷处在不断改变位置的运动状态
点缺陷处在不断产生与复合（湮灭）的运动状态
点缺陷是一种热平衡缺陷，在一定温度下，有 一个平衡缺陷浓度
点缺陷平衡浓度表达式
FMS
Chapter 2 Crystal Defects
14
2. 位错的基本类型
刃型位错 Edge 螺型位错 Screw 混合型位错 Mixed
Wednesday, July 09, 2014
一个原子平面中断处的边缘 过渡地带的原子面被扭曲成了 螺旋形 刃型位错与螺型位错的组合
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Chapter 2 Crystal Defects
1
• 引言
• 即使在0K，实际晶体中也不是所有原子都严格地 按周期性规律排列的，总是不可避免地存在着一些 原子偏离规则排列的不完整区域，即晶体缺陷 • 即使在最严重的情况下，偏离规则的原子数的比例 也很小，不到总原子数的千分之一 • 这些缺陷对材料的结构敏感性能，强度、塑性、电 阻等产生重大影响，而且在扩散、相变、塑性变形 和再结晶等过程中扮演着重要角色 • 通过对缺陷的控制，可获得性能更优异和有实用价 值的材料
材料科学基础--第2章晶体缺陷PPT课件
辐照：在高能粒子的辐射下，金属晶体点阵上的原子 可能被击出，发生原子离位。由于离位原子的能量高， 在进入稳定间隙之前还会击出其他原子，从而形成大量 的间隙原子和空位（即弗兰克尔缺陷）。在高能粒子辐 照的情况下，由于形成大量的点缺陷，而会引起金属显 著硬化和脆化，该现象称为辐照硬化。
12
2.1.5点缺陷与材料行为
Or, there should be 2.00 – 1.9971 = 0.0029 vacancies per unit cell. The number of vacancies per cm3 is:
17
Other Point Defects
Interstitialcy - A point defect caused when a ‘‘normal’’ atom occupies an interstitial site in the crystal.
11
2.1.4 过饱和点缺陷
晶体中的点缺陷浓度可能高于平衡浓度，称为过饱和点 缺陷，或非平衡点缺陷。获得的方法：
高温淬火：将晶体加热到高温，然后迅速冷却（淬火 ），则高温时形成的空位来不及扩散消失，使晶体在低 温状态仍然保留高温状态的空位浓度，即过饱和空位。
冷加工：金属在室温下进行冷加工塑性变形也会产生 大量的过饱和空位，其原因是由于位错交割所形成的割 阶发生攀移。
6
2.1.1 分类
3.置换原子（Substitutional atom） 异类原子代换了原有晶体中的原子，而处于晶体点阵的结 点位置，称为置换原子，亦称代位原子。 各种点缺陷，都破坏了原有晶体的完整性。它们从电学
和力学这两个方面，使近邻原子失去了平衡。空位和直 径较小的置换原子，使周围原子向点缺陷的方向松弛， 间隙原子及直径较大的置换原子，把周围原子挤开一定 位置。因而在点缺陷的周围，就出现了一定范围的点阵 畸变区，或称弹性应变区。距点缺陷越远，其影响越小 。因而在每个点缺陷的周围，都会产生一个弹性应力场 。
12
2.1.5点缺陷与材料行为
Or, there should be 2.00 – 1.9971 = 0.0029 vacancies per unit cell. The number of vacancies per cm3 is:
17
Other Point Defects
Interstitialcy - A point defect caused when a ‘‘normal’’ atom occupies an interstitial site in the crystal.
11
2.1.4 过饱和点缺陷
晶体中的点缺陷浓度可能高于平衡浓度，称为过饱和点 缺陷，或非平衡点缺陷。获得的方法：
高温淬火：将晶体加热到高温，然后迅速冷却（淬火 ），则高温时形成的空位来不及扩散消失，使晶体在低 温状态仍然保留高温状态的空位浓度，即过饱和空位。
冷加工：金属在室温下进行冷加工塑性变形也会产生 大量的过饱和空位，其原因是由于位错交割所形成的割 阶发生攀移。
6
2.1.1 分类
3.置换原子（Substitutional atom） 异类原子代换了原有晶体中的原子，而处于晶体点阵的结 点位置，称为置换原子，亦称代位原子。 各种点缺陷，都破坏了原有晶体的完整性。它们从电学
和力学这两个方面，使近邻原子失去了平衡。空位和直 径较小的置换原子，使周围原子向点缺陷的方向松弛， 间隙原子及直径较大的置换原子，把周围原子挤开一定 位置。因而在点缺陷的周围，就出现了一定范围的点阵 畸变区，或称弹性应变区。距点缺陷越远，其影响越小 。因而在每个点缺陷的周围，都会产生一个弹性应力场 。
第二章 晶体缺陷
2G ⎛ 2πW ⎞ τp = ⋅ exp⎜ − ⎟ (1 − v) b ⎠ ⎝
⎡ 2G 2π a ⎤ exp ⎢ − = (1 − v ) (1 − v ) b ⎥ ⎣ ⎦ 晶体滑移为什么多是沿着晶体中晶面间距最大的最密排面和原子密 排方向进行？
31
式中b：滑移方向上原子间距 G：切变模量 v：泊松比 W为位错宽度，W=a/1-v，a为晶面间距
11
2.2.1 位错的基本概念 1.位错学说的产生
1926年弗兰克尔利用理想晶体的模型估算了理论切变强度 与实验结果相比相差3‾4个数量级 1934年泰勒，波朗依和奥罗万三人几乎同时提出晶体中 位错的概念 泰勒把位错与晶体塑变的滑移联系起来，认为位错在切应 力作用下发生运动，依靠位错的逐步传递完成了滑移
2.位错的攀移
攀移为“非守恒运动”
空位引起的正攀移
负攀移
32
2.2.3 位错的弹性性质
1.位错的应力场 位错的存在，在其周围的点阵发生不同程度的畸变 中心部分畸变程度最为严重，为位错中心区，这部分 超出了弹性应变范围，不讨论 仅讨论中心区以外的弹性畸变区 借助各向同性的弹性连续介质模型讨论位错的弹性性质
由于混合位错可以分解为刃型和螺型两部分，因此，不难理 解，混合位错在切应力作用下，也是沿其各线段的法线方向 滑移，并同样可使晶体产生与其柏氏矢量相等的滑移量。
30
位错由1→2经过不对称状态，位错必越过一势垒才能前进。 位错移动受到一阻力——点阵阻力，又叫派—纳力（PeirlsNabarro），此阻力来源于周期排列的晶体点阵。
49
刃型肖克莱不全位错在（110）面上的投影 只能滑移，不能攀移
50
弗兰克（Frank）不全位错
（a）面心立方结构 （b）密排六方结构 密排面的堆垛顺序
⎡ 2G 2π a ⎤ exp ⎢ − = (1 − v ) (1 − v ) b ⎥ ⎣ ⎦ 晶体滑移为什么多是沿着晶体中晶面间距最大的最密排面和原子密 排方向进行？
31
式中b：滑移方向上原子间距 G：切变模量 v：泊松比 W为位错宽度，W=a/1-v，a为晶面间距
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2.2.1 位错的基本概念 1.位错学说的产生
1926年弗兰克尔利用理想晶体的模型估算了理论切变强度 与实验结果相比相差3‾4个数量级 1934年泰勒，波朗依和奥罗万三人几乎同时提出晶体中 位错的概念 泰勒把位错与晶体塑变的滑移联系起来，认为位错在切应 力作用下发生运动，依靠位错的逐步传递完成了滑移
2.位错的攀移
攀移为“非守恒运动”
空位引起的正攀移
负攀移
32
2.2.3 位错的弹性性质
1.位错的应力场 位错的存在，在其周围的点阵发生不同程度的畸变 中心部分畸变程度最为严重，为位错中心区，这部分 超出了弹性应变范围，不讨论 仅讨论中心区以外的弹性畸变区 借助各向同性的弹性连续介质模型讨论位错的弹性性质
由于混合位错可以分解为刃型和螺型两部分，因此，不难理 解，混合位错在切应力作用下，也是沿其各线段的法线方向 滑移，并同样可使晶体产生与其柏氏矢量相等的滑移量。
30
位错由1→2经过不对称状态，位错必越过一势垒才能前进。 位错移动受到一阻力——点阵阻力，又叫派—纳力（PeirlsNabarro），此阻力来源于周期排列的晶体点阵。
49
刃型肖克莱不全位错在（110）面上的投影 只能滑移，不能攀移
50
弗兰克（Frank）不全位错
（a）面心立方结构 （b）密排六方结构 密排面的堆垛顺序
第二章晶体缺陷
(2d)2=a2+a2 2a2=4d2
a=√2d
晶胞体积a3，晶胞内的原子数4
体积L3中的空位数=1/8×8=1，单位体积内的空位数为 1/L3=nv， L3=1/nv
四、过饱和空位
过饱和空位：晶体中数量超过了其平 衡浓度的空位。
过饱和空位将对晶体的性能产生影响。 产生过饱和空位的方法： 高温淬火 冷加工 辐照
C
n N
exp(SV
/ k) exp(EV
/ kT)
Ae的物理及力学性能有明显影响
5、空位对材料的高温蠕变、沉淀、回复、表面氧化、 烧结有重要影响
面心立方晶胞
Z
c
a
X
b
Y
晶格常数：a=b=c； ===90
晶胞原子数：
18 16 4 82
原子半径：(4r)2 a2 a2 r 2a 4
配位数：12 致密度：0.74
( E'V S'V
e kT k
)
A'e(
E'v kT
)（2-2）
ne、ne′— 平衡空位和平衡间隙原子的数目； N — 阵点总数； k — 玻尔兹曼常数。
△EV、△EV′— 空位形成能和间隙原子形成能； △Sv、 △Sv′— 相应的振动熵变化。
A、A′— 由振动熵决定的系数，其值约在1~10之间， 方便计算时可取A=1；
虽然晶体中存在缺陷，但从总体上看， 还是较完整的。
偏离平衡位置的原子，排列并不是杂乱 无章的，仍按一定的规律产生、发展、运动 和交互作用。
晶体缺陷对晶体的许多性能有很大的影 响，特别是对塑性、强度、扩散等有着决定 作用。
第一节 点缺陷
第二章-晶体缺陷
第二章晶体缺陷P2问题空位形成应该遵循物质守恒，即内部原子跑到表面上。
空位形成整体是膨胀过程，但具体机制较复杂。
一方面，缺少了原子会造成整体收缩；另一方面，跑到表面的原子使体积增加，综合效果是形成一个空位导致半个原子体积的增加。
相关问题有：1.如果测量产生空位的晶体，其点阵常数是增大还是缩小？2.将点阵常数测量结果与晶体整体膨胀的事实做对比，能够发现什么与空位浓度相关的规律？提示：由简到繁是惯用的方法，故可以考虑一维晶体。
答：①增大②随着晶体整体膨胀的增加，空位浓度增加。
-——详见潘金生《材料科学基础》P213空位的测量问题溶质原子尽管造成局部的排列偏离，但并不把它算为点缺陷，为什么？答：由对“置换原子”与“空位”的比较及“间隙溶质”与“自间隙原子”的比较可知，溶质原子的加入所产生的对于标准态的偏离比较小，因此不把它算为点缺陷。
问题图2－2中的置换原子(黑色)的尺寸画得有些随意。
假定(b)图中黑原子半径比白的小5％，而(c)图中大5％，问那种情况下基体内的应变能更大些？为什么？答：（b）图中应变能更大。
①（a）图中，周围白原子点阵常数变大，呈现拉伸状态。
（b）图中，周围白原子点阵常数变小，呈现压缩状态。
②由右结合能的图像可知，在平衡位置r0左右，曲线并非对称。
产生相同的形变，压缩引起的应变能更大。
所以(b)图中应变能更大。
P4问题Al2O3溶入MgO(具有NaCl结构)中，形成的非禀性点缺陷在正离子的位置，还是相反？答：Al 2O 3溶入MgO 晶体，由于Al 离子是+3价，，而Mg 离子是+2价，所以当两个铝离子取代两个镁离子的位置后，附近的一个镁离子必须空出，形成的非禀性点缺陷在正离子的位置。
问题 图2－3(a)的画法有些问题。
更好的画法是将图中的大小方块画在一起，即正负离子空位成对出现(参见余永宁“材料科学基础”图6－5)。
为什么成对的画法更好些？答：因为①正、负电中心成对出现的时候，可以抵消一点局部电中性的无法满足。
第二章-晶体缺陷资料讲解
位错的能量包括中心区域错排能以及位错中心区域以 外部分的应变能，而中心区域错排能大约只占位错总能量 的1/15～1/10，故通常忽略不计。
一般地，以单位长度的位错所具有的能量来度量位错 应变能的高低，故其量纲为 J / m。
2-2 位错
螺型位错的应变能为：
W螺
W L
Gb2
4
R ln
r0
刃型位错的应变能为：
滑移面转移到与之相交的另一个滑移面上继续滑移。 2. 位错交滑移的条件 螺型位错除可发生滑移外，也可以发生交滑移。 螺型位错交滑移前后的两个滑移面必须属于以螺型位
错柏氏矢量所在晶向为轴的晶带。
2-2 位错
3. 螺型位错的交滑移过程
a
b
c
a—沿A面滑移; b—交滑移到B面; c—再次交滑移到A面
2-2 位错
O S2
N
2-2 位错
思考题： 1. 何谓位错交割？ 2. 分析位错线互相垂直的两个刃型位错的 交割过程。
2-2 位错
五、位错的弹性性质
（一）位错的应力场
1. 弹性连续介质模型 该模型对晶体作如下假设： （1）完全服从虎克定律，即不存在塑性变形； （2）是各向同性的； （3）为连续介质，不存在结构间隙。
（1）弹性连续介质模型 将一个圆管的一侧沿轴向 切开，然后使被切开的晶面相 对上、下滑动一个柏氏矢量b， 再焊合起来，即对应着一个以 Z 轴（圆管中心轴线）为位错 线、柏氏矢量为b的螺型位错。
2-2 位错
（2）螺型位错应力场的数学表达式
圆柱坐标系下： z
z
Gz
2G br
r r zr rz0
rrzz0
位错的运动方式有两种最基本形式，即滑移和攀移。 （一）位错的滑移
一般地，以单位长度的位错所具有的能量来度量位错 应变能的高低，故其量纲为 J / m。
2-2 位错
螺型位错的应变能为：
W螺
W L
Gb2
4
R ln
r0
刃型位错的应变能为：
滑移面转移到与之相交的另一个滑移面上继续滑移。 2. 位错交滑移的条件 螺型位错除可发生滑移外，也可以发生交滑移。 螺型位错交滑移前后的两个滑移面必须属于以螺型位
错柏氏矢量所在晶向为轴的晶带。
2-2 位错
3. 螺型位错的交滑移过程
a
b
c
a—沿A面滑移; b—交滑移到B面; c—再次交滑移到A面
2-2 位错
O S2
N
2-2 位错
思考题： 1. 何谓位错交割？ 2. 分析位错线互相垂直的两个刃型位错的 交割过程。
2-2 位错
五、位错的弹性性质
（一）位错的应力场
1. 弹性连续介质模型 该模型对晶体作如下假设： （1）完全服从虎克定律，即不存在塑性变形； （2）是各向同性的； （3）为连续介质，不存在结构间隙。
（1）弹性连续介质模型 将一个圆管的一侧沿轴向 切开，然后使被切开的晶面相 对上、下滑动一个柏氏矢量b， 再焊合起来，即对应着一个以 Z 轴（圆管中心轴线）为位错 线、柏氏矢量为b的螺型位错。
2-2 位错
（2）螺型位错应力场的数学表达式
圆柱坐标系下： z
z
Gz
2G br
r r zr rz0
rrzz0
位错的运动方式有两种最基本形式，即滑移和攀移。 （一）位错的滑移
晶体缺陷【材料科学基础】
5
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3.点缺陷的形成
晶体点阵中的原子以其平衡结点为中心不停地进 行热振动。随温度升高，振幅增大，振动频率也 增大。 晶体内原子的热振动能量不相同，存在能量起伏。 某些原子振动的能量高到足以克服周围原子的束 缚时，它们将有可能脱离原来的平衡位置，迁移 到一个新的位置，在原来的平衡位置上留下空位。 温度越高，原子脱位的几率越大。
7
离位原子的去处： ¾ 离位原子迁移至表面或晶界时形成的空位— —肖脱基空位； ¾ 离位原子迁移至点阵间隙处所形成的空位— —弗兰克空位； ¾ 离位原子迁移其它空位中，使空位发生移 位，不增加空位数目。
8
4.点缺陷导致一定范围内弹性畸变和能量增加
9
5.空位和间隙原子的形成与温度密切相关： 随温度升高，点缺陷数目增加，称为热缺陷。 6.高温淬火、冷变形加工、高能粒子轰击也可 产生点缺陷 （点缺陷并非都通过原子的热 振动产生）。
第二章 晶体缺陷
1
引言： 完整晶体：原子规则地存在于应在的位置上。 晶体缺陷：实际晶体中偏离理想结构的区域。
2
晶体缺陷分类（按几何特征分）：
点缺陷（零维缺陷），在三维空间的各个方向上尺 寸都很小的缺陷。如：空位、间隙原子、杂质、溶 质原子等。 线缺陷（一维缺陷），在一个方向上尺寸较大，另 两个方向上尺寸较小。如：位错。 面缺陷（二维缺陷），在两个方向上尺寸较大，在 另一个方向上尺寸较小。如：晶体表面、晶界、相 界、孪晶界、堆垛层错等。
位错的观察
18
早期对位错观察的例子：
位错的电子显微镜观察 的例子：
氟化锂表面浸蚀出的位错露头 的浸蚀坑
锗晶体中位错的电子显微镜图象
19
GaN晶体中刃位错的高分辨电子显微像
材料科学基础第二章晶体缺陷
金属 Al Ag Cu
α-Fe
Mg
理论切应力
3830 3980 6480 11000 2630
实验值
0.786 0.372 0.490 2.75 0.393
切变模量 24400 25000 40700 68950 16400
21
dislocation
一 般 金 属 的 G=104~105MPa, 理论剪切强 度应为103~104MPa，实际只有1~10MPa 理论强度比实测值大1000倍以上！！ 1934年Taylor, Polanyi和Orowan几乎同 时提出晶体中存在易动的缺陷－位错， 借助于位错运动实现塑性变形。
12
设在温度T时，含有N个结点的晶体中形成n个空位， 与无空位晶体相比：
ΔF=n·ΔEV-T·ΔS
ΔS=ΔSC+n·ΔSV
n个空位引入，可能的原子排列方式：Wc
(N
N! n)!n!
利用玻尔兹曼关系SC=k·lnWC，并利用Stiring公式
令： (F ) 0
n T
13.00
12.75
12.50
12.25
Fe的 电 阻 率 随 淬 火 温 度 的 变 化
12.00
200
400
600
800 1000 1200 1400 1600
Tem perature / oC
17
2.2位错的基本概念 (1)位错理论产生强化材料的重要手段，但是对于变形的微观过 程、加工硬化等尚不能解释。 滑移带现象。当时，普遍认为金属塑性变形是 晶体刚性滑移的结果，滑移面两侧的晶体借助 于刚性滑动实现变形。 1926年弗兰克尔从刚性模型出发，估计了晶 体的理论强度。
2-第二章晶体结构缺陷-1详解
力的大小的变化
2.点缺陷的符号表征（克劳格-文克符号）
以MX型化合物为例：
1）空位（vacancy）用V来表示，右下标表示缺陷 所在位置，VM含义即M原子位置是空的。
2）间隙原子（interstitial），填隙原子，用Mi、Xi 来表示，M、X原子位于晶格间隙位置。
3）错位原子 错位原子用MX、XM等表示，MX的含 义是M原子占据X原子的位置。
①取代式杂质原子（置换式） ②间隙式杂质原子（填隙式）
根据缺陷产生的原因：
弗伦克尔缺陷 (1)热缺陷：
间隙原子和空位 晶体体积不变
肖特基缺陷 正离子空位和负离子空位
晶体体积增加
(2)杂质缺陷(组成缺陷)：外来原子进入晶体
(3)电荷缺陷：自由电子空穴
(4)色心：负离子缺位和被束缚的电子(NaCl+TiO2) (5)非化学计量结构缺陷：随周围气氛的性质和压
MgO形成肖特基缺陷时，表面的Mg2+和O2-离子 迁移到表面新位置上，在晶体内部留下空位:
MgMg surface+OO surface MgMg new surface+OO new surface +
V'' Mg
VO..
以零O（naught）代表无缺陷状态，则：
O
V'' Mg
VO..
例4·AgBr形成弗仑克尔缺陷
单晶试棒在拉伸应力作用下的 变化（宏观）
应力
2.晶体在外力作用下的孪生
在外力作用下，晶体的一部分相对于另一 部分，沿着一定的晶面和晶向发生切变，切 变之后，两部分晶体的位向以切变面为镜面 呈对称关系。
(a)孪生面、孪生方向的方位
(b)（11 0）晶面：孪生过程中（111）
2.点缺陷的符号表征（克劳格-文克符号）
以MX型化合物为例：
1）空位（vacancy）用V来表示，右下标表示缺陷 所在位置，VM含义即M原子位置是空的。
2）间隙原子（interstitial），填隙原子，用Mi、Xi 来表示，M、X原子位于晶格间隙位置。
3）错位原子 错位原子用MX、XM等表示，MX的含 义是M原子占据X原子的位置。
①取代式杂质原子（置换式） ②间隙式杂质原子（填隙式）
根据缺陷产生的原因：
弗伦克尔缺陷 (1)热缺陷：
间隙原子和空位 晶体体积不变
肖特基缺陷 正离子空位和负离子空位
晶体体积增加
(2)杂质缺陷(组成缺陷)：外来原子进入晶体
(3)电荷缺陷：自由电子空穴
(4)色心：负离子缺位和被束缚的电子(NaCl+TiO2) (5)非化学计量结构缺陷：随周围气氛的性质和压
MgO形成肖特基缺陷时，表面的Mg2+和O2-离子 迁移到表面新位置上，在晶体内部留下空位:
MgMg surface+OO surface MgMg new surface+OO new surface +
V'' Mg
VO..
以零O（naught）代表无缺陷状态，则：
O
V'' Mg
VO..
例4·AgBr形成弗仑克尔缺陷
单晶试棒在拉伸应力作用下的 变化（宏观）
应力
2.晶体在外力作用下的孪生
在外力作用下，晶体的一部分相对于另一 部分，沿着一定的晶面和晶向发生切变，切 变之后，两部分晶体的位向以切变面为镜面 呈对称关系。
(a)孪生面、孪生方向的方位
(b)（11 0）晶面：孪生过程中（111）
第二章 晶体缺陷(Defect of the crystals
晶体缺陷（ 第二章 晶体缺陷（Defect of the crystals） ） 2.1 点缺陷
2.1.1 点缺陷的类型及形成 1. 空位
热力学使平衡原子跳至三个去处： 热力学使平衡原子跳至三个去处： 外表面 ①跳至 跳至 晶体表面 →肖脱基空位 肖脱基空位 晶界 ②跳至晶格间隙中形成间隙 原子→弗兰克尔空位 原子 弗兰克尔空位 跳至其它空位处→不产生多余空位 ③跳至其它空位处 不产生多余空位 空位处： 空位处：晶格负畸变
长度达几百—几万个原子间距， 长度达几百 几万个原子间距，宽度 几万个原子间距 线缺陷。 为几个原子间距 —— 线缺陷。
它是极其重要的晶体缺陷。 它是极其重要的晶体缺陷。影响 材料强度 塑性变形、 固态相变。 塑性变形、断裂扩散 、固态相变。
晶体缺陷（ 第二章 晶体缺陷（Defect of the crystals） ） 2.2线缺陷（位错） 线缺陷（位错）
晶体缺陷（ 第二章 晶体缺陷（Defect of the crystals） ） 2.1 点缺陷
2.1.1 点缺陷的类型及形成
3. 置换原子 占据晶格结点的异类原子， 中溶有Mn、 、 占据晶格结点的异类原子，如：Fe中溶有 、Si、Cr… 中溶有 正畸变 晶格 负畸变
晶体缺陷（ 第二章 晶体缺陷（Defect of the crystals） ） 2.1 点缺陷
晶体缺陷（ 第二章 晶体缺陷（Defect of the crystals） ）
实际金属是多晶体，晶体内部存在晶格缺陷。 实际金属是多晶体，晶体内部存在晶格缺陷。 点缺陷 点缺陷 线缺陷 线缺陷 面缺陷 面缺陷
这些缺陷影响材料性能。 这些缺陷影响材料性能。
晶体缺陷（ 第二章 晶体缺陷（Defect of the crystals） ） 2.1efect of the crystals） ） 2.2线缺陷（位错） 2.2.1位错的基本理论 线缺陷（位错）
材料科学基础-5
（2）若数条位错线相交于一点，则指向结点的各位 错线的柏氏矢量之和应等于离开节点的各位错线的柏 氏矢量之和。
（3）位错线不可能中断于晶体内部，这种性质称为位 错的连续性。
• 利用柏氏矢量b与位错线t的关系，可判定 位错类型。 若 b∥t 则为螺型位错。 若 b⊥t 为刃型位错。 若既不垂直也不平行，为混合型位错
位错线
正刃型位错
负刃型位错
刃型位错的结构特点：
• 刃型位错有一个多余半原子面。一般把多余半原子面在滑 移面以上者，称为正刃型位错，以“”号标示；反之， 则为负刃型位错，以“”号标示。刃型位错的正、负之 分只具相对意义，而无本质区别。 • 刃型位错线与形成位错的晶体滑移矢量和滑移方向垂直。 • 刃型位错是以位错线为中心轴、半径为23个原子间距的
刃型 位错
螺型 位错 混合 位错
⊥位错线
∥位错线
⊥位错线本身 与b一致
⊥位错线本身 与b一致
与b一致 唯一 确定 与b一致 多个 与b一致
成角度
⊥位错线本身 与b一致
（1） 可以通过柏氏矢量和位错线的关系来判断位错 特征。b⊥t时为刃型位错，b∥t为螺型位错，对于混合 型位错，b和t的角度在0°和90°。
练习2 晶面上有一位错环，确定其柏氏矢量，该位错环在切应 力作用下将如何运动？
2.2.4 运动位错的交割
• 当位错在其滑移面上滑移时，会与穿过滑移面的 其他位错相遇。当外力足够大时，两个相遇的位 错便会交叉通过，继续向前滑移。位错间交叉通 过的行为即称为位错交割。
• 发生位错交割后，位错线常常变成折线，即形成 折线线段。此扭折线段在位错滑移过程中可以消 失，则为位错扭折，如果位错滑移过程中不能消 失，就称为位错割阶。
混合位错示意图
（3）位错线不可能中断于晶体内部，这种性质称为位 错的连续性。
• 利用柏氏矢量b与位错线t的关系，可判定 位错类型。 若 b∥t 则为螺型位错。 若 b⊥t 为刃型位错。 若既不垂直也不平行，为混合型位错
位错线
正刃型位错
负刃型位错
刃型位错的结构特点：
• 刃型位错有一个多余半原子面。一般把多余半原子面在滑 移面以上者，称为正刃型位错，以“”号标示；反之， 则为负刃型位错，以“”号标示。刃型位错的正、负之 分只具相对意义，而无本质区别。 • 刃型位错线与形成位错的晶体滑移矢量和滑移方向垂直。 • 刃型位错是以位错线为中心轴、半径为23个原子间距的
刃型 位错
螺型 位错 混合 位错
⊥位错线
∥位错线
⊥位错线本身 与b一致
⊥位错线本身 与b一致
与b一致 唯一 确定 与b一致 多个 与b一致
成角度
⊥位错线本身 与b一致
（1） 可以通过柏氏矢量和位错线的关系来判断位错 特征。b⊥t时为刃型位错，b∥t为螺型位错，对于混合 型位错，b和t的角度在0°和90°。
练习2 晶面上有一位错环，确定其柏氏矢量，该位错环在切应 力作用下将如何运动？
2.2.4 运动位错的交割
• 当位错在其滑移面上滑移时，会与穿过滑移面的 其他位错相遇。当外力足够大时，两个相遇的位 错便会交叉通过，继续向前滑移。位错间交叉通 过的行为即称为位错交割。
• 发生位错交割后，位错线常常变成折线，即形成 折线线段。此扭折线段在位错滑移过程中可以消 失，则为位错扭折，如果位错滑移过程中不能消 失，就称为位错割阶。
混合位错示意图
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退火与正火 时效 这些过程均与原子的扩散相联系。如果晶体中没有空位，这些工艺根 本无法进行。提高这些工艺处理温度可大幅度提高的过程的速率，也 正是基于空位浓度及空位迁移速度随温度的上升呈指数上升的规律。
点缺陷的存在使晶体体积膨胀，密度减小。 点缺陷引起电阻的增加，这是由于晶体中存在点缺陷时， 对传导电子产生了附加的电子散射，使电阻增大。 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。 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。 过饱和点缺陷（如淬火空位、辐照缺陷）还提高了金属的 屈服强度。
中。 空位周围的原子，由于热振动能量的起伏，有可能获得足 够的能量而跳入空位，并占据这个平衡位置，这时在这个原 子的原来位置上，就形成一个空位。这一过程可以看作是空 位向邻近结点的迁移。 在运动过程中，当间隙原子与一个空位相遇时，它将落入 这个空位，而使两者都消失，这一过程称为复合，或湮没。
（a）原来位置；
（b）中间位置；
（c）迁移后位置
图 空位从位置A迁移到B
2.点缺陷的平衡浓度 晶体中点缺陷的存在，一方面造成点阵畸变，使晶体的内
能升高，增大了晶体的热力学不稳定性；另一方面，由于增 大了原子排列的混乱程度，并改变了其周围原子的振动频率， 又使晶体的熵值增大。熵值越大，晶体便越稳定。 由于存在着这两个互为矛盾的因素，晶体中的点缺陷在一 定温度下有一定的平衡数目，这时点缺陷的浓度就称为它们 在该温度下的热力学平衡浓度。 在一定温度下有一定的热力学平衡浓度，这是点缺陷区别 于其它类型晶体缺陷的重要特点。
第二章 晶体缺陷
晶体结构的特点是长程有序。结构基元或者构成物体的粒
子(原子、离子或分子等)完全按照空间点阵规则排列的晶体 叫理想晶体。
在实际晶体中，粒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。
把实际晶体中偏离理想点阵结构的区域称为晶体缺陷。 实际晶体中虽然有晶体缺陷存在，但偏离平衡位置很大的
图 晶体中的缺陷(a) 肖脱基空位
空位的两种类型：点
(b) 弗兰克尔空位
离位原子迁移到晶体的表面上，这样形成的空位通常称为
肖脱基缺陷；可迁移到晶体点阵的间隙中，这样的空位称弗 兰克尔缺陷。
§2.1.2 点缺陷的运动及平衡浓度
1.点缺陷的运动 点缺陷并非固定不动，而是处在不断改变位置的运动过程
置换原子：位于晶体点阵位置的异类原子。
2.点缺陷的形成 原子相互作用的两种作用力：(1)原子间的吸引力；(2)
原子间的斥力 点缺陷形成最重要的环节是原子的振动 原子的热振动 （以一定的频率和振幅作振动） 原子被束缚在它的平衡位置上，但原子却在做着挣脱 束缚的努力 点缺陷形成的驱动力：温度、离子轰击、冷加工 在外界驱动力作用下，哪个原子能够挣脱束缚，脱离 平衡位置是不确定的，宏观上说这是一种几率分布
高能粒子辐照
离子注入 这是用高能离子轰击材料将其嵌入近表面区域的一种工 艺。离子注入晶体中可以产生大量点缺陷：注入组分离子， 产生空位和填隙离子；注入杂质原子则产生代位或填隙杂 质。在半导体器件工艺中，离于注入是引入掺杂层的有效 途径。在制备某些合金材料时，不溶的合金元素只有借助 离子注入技术才能实现合金化。此外，高能离子注入还能 产生位错环和各种类型的面缺陷，甚至非晶层。
§2.1.3 点缺陷对性能的影响
产生过饱和点缺陷的方法
高温激冷 晶体中点缺陷的热平衡浓度随温度下降而指数式地减小。 如果极缓慢地冷却晶体．则高温下平衡而低温下过量的点
缺陷将可能通过合并湮灭 ( 如空位与填隙原子的复合或消
失于晶内其他缺陷 (如位错、晶界等)和晶体表面处等过程 而减少，始终保持相应温度下的热平衡浓度。如果使晶体
关于空位的总结
空位是热力学上稳定的点缺陷，一定的温度对应一定的平 衡浓度，偏高或偏低都不稳定。 不同金属的空位形成能是不同的，一般高熔点金属的形成 能大于低熔点金属的形成能。 空位浓度、空位形成能和加热温度之间的关系密切。在相 同的条件下，空位形成能越大，则空位浓度越低；加热温 度越高，则空位浓度越大。 空位对晶体的物理性能和力学性能有明显的影响。 空位对金属材料的高温蠕变、沉淀析出、回复、表面氧化、 烧结等都产生了重要的影响。
粒子数目是很少的，从总的来看，其结构仍可以认为是接近
完整的。
晶体缺陷对晶体的性能，特别是对那些结构敏感的性能，
如屈服强度、断裂强度、塑性、电阻率、磁导率等有很大
的影响。另外晶体缺陷还与扩散偶、相变、塑性变形、再
结晶、氧化、烧结等有着密切关系。因此，研究晶体缺陷
具有重要的理论与实际意义。
根据几何形态特征，可以把晶体缺陷分为三类：点缺陷、
图
空位-体系能量曲线
n C A exp(Ev / KT ) N n 平衡空位数 N 阵点总数 Ev 每增加一个空位的能量 变化 K 玻尔兹曼常数 A 与振动熵有关的常数
材料中空位的实际意义
• 空位迁移是许多材料加工工艺的基础。 晶体中原子的扩散就是依靠空位迁移而实现的。 在常温下空位迁移所引起的原子热振动动能显著提高，再加上高温 下空位浓度的增多，因此高温下原子的扩散速度十分迅速。 材料加工工艺中有不少过程都是以扩散作为基础的 化学热处理
迅速冷却，即进行淬火处理，那么高温下形成的高浓度点
缺陷将被“冻结”在晶内，形成过饱和点缺陷。
大量的冷变形 塑性形变的物理本质是晶体中位错的大量滑移。位错滑 移运动中的交截过程和其它位错的非保守运动，都可能产 生大量空位和填隙原子。如果温度巳够低，不能发生明显 的固态扩散过程的话，这些点缺陷则处于非热平衡态
线缺陷和面缺陷。
第一节 点缺陷
§2.1.1 点缺陷的类型及形成
点缺陷的定义 点缺陷：在三维方向上尺寸都很小（远小于晶体或晶粒
的线度）的缺陷。 1.点缺陷的类型 金属中常见的基本点缺陷有空位、间隙原子和置换原子。 空位：空位就是未被占据的原子位置； 间隙原子：间隙原子可以是晶体中正常原子离位产生， 也可以是外来杂质原子；
点缺陷的存在使晶体体积膨胀，密度减小。 点缺陷引起电阻的增加，这是由于晶体中存在点缺陷时， 对传导电子产生了附加的电子散射，使电阻增大。 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。 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。 过饱和点缺陷（如淬火空位、辐照缺陷）还提高了金属的 屈服强度。
中。 空位周围的原子，由于热振动能量的起伏，有可能获得足 够的能量而跳入空位，并占据这个平衡位置，这时在这个原 子的原来位置上，就形成一个空位。这一过程可以看作是空 位向邻近结点的迁移。 在运动过程中，当间隙原子与一个空位相遇时，它将落入 这个空位，而使两者都消失，这一过程称为复合，或湮没。
（a）原来位置；
（b）中间位置；
（c）迁移后位置
图 空位从位置A迁移到B
2.点缺陷的平衡浓度 晶体中点缺陷的存在，一方面造成点阵畸变，使晶体的内
能升高，增大了晶体的热力学不稳定性；另一方面，由于增 大了原子排列的混乱程度，并改变了其周围原子的振动频率， 又使晶体的熵值增大。熵值越大，晶体便越稳定。 由于存在着这两个互为矛盾的因素，晶体中的点缺陷在一 定温度下有一定的平衡数目，这时点缺陷的浓度就称为它们 在该温度下的热力学平衡浓度。 在一定温度下有一定的热力学平衡浓度，这是点缺陷区别 于其它类型晶体缺陷的重要特点。
第二章 晶体缺陷
晶体结构的特点是长程有序。结构基元或者构成物体的粒
子(原子、离子或分子等)完全按照空间点阵规则排列的晶体 叫理想晶体。
在实际晶体中，粒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。
把实际晶体中偏离理想点阵结构的区域称为晶体缺陷。 实际晶体中虽然有晶体缺陷存在，但偏离平衡位置很大的
图 晶体中的缺陷(a) 肖脱基空位
空位的两种类型：点
(b) 弗兰克尔空位
离位原子迁移到晶体的表面上，这样形成的空位通常称为
肖脱基缺陷；可迁移到晶体点阵的间隙中，这样的空位称弗 兰克尔缺陷。
§2.1.2 点缺陷的运动及平衡浓度
1.点缺陷的运动 点缺陷并非固定不动，而是处在不断改变位置的运动过程
置换原子：位于晶体点阵位置的异类原子。
2.点缺陷的形成 原子相互作用的两种作用力：(1)原子间的吸引力；(2)
原子间的斥力 点缺陷形成最重要的环节是原子的振动 原子的热振动 （以一定的频率和振幅作振动） 原子被束缚在它的平衡位置上，但原子却在做着挣脱 束缚的努力 点缺陷形成的驱动力：温度、离子轰击、冷加工 在外界驱动力作用下，哪个原子能够挣脱束缚，脱离 平衡位置是不确定的，宏观上说这是一种几率分布
高能粒子辐照
离子注入 这是用高能离子轰击材料将其嵌入近表面区域的一种工 艺。离子注入晶体中可以产生大量点缺陷：注入组分离子， 产生空位和填隙离子；注入杂质原子则产生代位或填隙杂 质。在半导体器件工艺中，离于注入是引入掺杂层的有效 途径。在制备某些合金材料时，不溶的合金元素只有借助 离子注入技术才能实现合金化。此外，高能离子注入还能 产生位错环和各种类型的面缺陷，甚至非晶层。
§2.1.3 点缺陷对性能的影响
产生过饱和点缺陷的方法
高温激冷 晶体中点缺陷的热平衡浓度随温度下降而指数式地减小。 如果极缓慢地冷却晶体．则高温下平衡而低温下过量的点
缺陷将可能通过合并湮灭 ( 如空位与填隙原子的复合或消
失于晶内其他缺陷 (如位错、晶界等)和晶体表面处等过程 而减少，始终保持相应温度下的热平衡浓度。如果使晶体
关于空位的总结
空位是热力学上稳定的点缺陷，一定的温度对应一定的平 衡浓度，偏高或偏低都不稳定。 不同金属的空位形成能是不同的，一般高熔点金属的形成 能大于低熔点金属的形成能。 空位浓度、空位形成能和加热温度之间的关系密切。在相 同的条件下，空位形成能越大，则空位浓度越低；加热温 度越高，则空位浓度越大。 空位对晶体的物理性能和力学性能有明显的影响。 空位对金属材料的高温蠕变、沉淀析出、回复、表面氧化、 烧结等都产生了重要的影响。
粒子数目是很少的，从总的来看，其结构仍可以认为是接近
完整的。
晶体缺陷对晶体的性能，特别是对那些结构敏感的性能，
如屈服强度、断裂强度、塑性、电阻率、磁导率等有很大
的影响。另外晶体缺陷还与扩散偶、相变、塑性变形、再
结晶、氧化、烧结等有着密切关系。因此，研究晶体缺陷
具有重要的理论与实际意义。
根据几何形态特征，可以把晶体缺陷分为三类：点缺陷、
图
空位-体系能量曲线
n C A exp(Ev / KT ) N n 平衡空位数 N 阵点总数 Ev 每增加一个空位的能量 变化 K 玻尔兹曼常数 A 与振动熵有关的常数
材料中空位的实际意义
• 空位迁移是许多材料加工工艺的基础。 晶体中原子的扩散就是依靠空位迁移而实现的。 在常温下空位迁移所引起的原子热振动动能显著提高，再加上高温 下空位浓度的增多，因此高温下原子的扩散速度十分迅速。 材料加工工艺中有不少过程都是以扩散作为基础的 化学热处理
迅速冷却，即进行淬火处理，那么高温下形成的高浓度点
缺陷将被“冻结”在晶内，形成过饱和点缺陷。
大量的冷变形 塑性形变的物理本质是晶体中位错的大量滑移。位错滑 移运动中的交截过程和其它位错的非保守运动，都可能产 生大量空位和填隙原子。如果温度巳够低，不能发生明显 的固态扩散过程的话，这些点缺陷则处于非热平衡态
线缺陷和面缺陷。
第一节 点缺陷
§2.1.1 点缺陷的类型及形成
点缺陷的定义 点缺陷：在三维方向上尺寸都很小（远小于晶体或晶粒
的线度）的缺陷。 1.点缺陷的类型 金属中常见的基本点缺陷有空位、间隙原子和置换原子。 空位：空位就是未被占据的原子位置； 间隙原子：间隙原子可以是晶体中正常原子离位产生， 也可以是外来杂质原子；