晶体缺陷点缺陷和位错
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。
《材料科学基础》课件之第四章----04晶体缺陷
41
刃位错：插入半原子面，位错上方，原子间距变小， 产生压应变，下方原子间距变大，拉应变。过渡处 切应变，滑移面处有最大切应力，正应力为0。x NhomakorabeaGb
2 (1 )
y(3x2 (x2
y2) y2 )2
y
Gb
2 (1
)
y(x2 y2) (x2 y2)2
z ( x y )
x
xy
Gb
2 (1 )
21
刃位错b与位错线 垂直
螺位错b与位错线 平行
bb
l
l
正
负
b
b
右旋
左旋
任意一根位错线上各点b相同，同一位错只有一个b。
有大小的晶向指数表示
b a [uvw] 模 n
b a u2 v2 w2 n
22
Burgers矢量合成与分解：如果几条位错线在晶体内
部相交（交点称为节点），则指向节点的各位错的伯氏矢量 之和，必然等于离开节点的各位错的伯氏矢量之和 。
不可能中断于晶体内部（表面露头，终止与 晶界和相界，与其他位错相交，位错环）
半原子面及周围区域统称为位错
18
2. 螺位错
晶体在大于屈服值的切应力作用下，以某晶面为滑移面发生滑移。由于位错线周围 的一组原子面形成了一个连续的螺旋形坡面，故称为螺位错。
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。
d
34
六、位错应变能
位错原子偏移正常位置，产生畸变应力， 处于高能量状态，但偏移量很小，晶格为弹 性应变。
位错心部应变较大，超出弹性范围， 但这部分能量所占比例较小， <10%，可以近似忽略。
35
1. 理论基础：连续弹性介质模型
常见的晶体缺陷
常见的晶体缺陷
晶体是由原子或分子按照一定规律排列组成的固体物质，而晶体缺陷是指在晶体结构中出现的缺陷或不完美的区域。
晶体缺陷可以是自然形成的，也可以是在制备或处理过程中产生的。
常见的晶体缺陷有以下几种：
1. 位错：指晶体中原子或分子的错位或扭曲现象，是一种线性缺陷。
位错可以分为边缘位错和螺旋位错两种，它们的存在会导致晶体的弹性性质发生变化。
2. 点缺陷：指晶体中某些原子或分子的缺失或替代，是一种点状缺陷。
点缺陷包括空位、附加原子、缺失原子和间隙原子等。
3. 晶界：指晶体中不同晶粒之间的交界面。
由于晶界的存在，晶体中的原子排列方式和性质会发生变化，对材料的力学性能和电学性能等都有很大影响。
4. 色心：指晶体中某些原子或分子的缺失或替代，导致能量带结构的改变。
颜色的形成就是由于色心的存在导致。
5. 位隙：指晶体结构中一些原子或分子的位置被其他原子或分子占据，从而形成的空隙。
位隙也会影响晶体的物理性质。
以上就是常见的晶体缺陷，它们的存在会对晶体的性质和应用产生影响。
在材料科学和工程领域中，对晶体缺陷的研究和控制具有重要的意义。
- 1 -。
Chapter 3-1 晶体缺陷-点缺陷、位错
杂质（异类）原子
定义： 任何纯金属中都或多或少会存在杂质, 即其它
元素, 这些原子称杂质（异类）原子
热缺陷： 热起伏促使原子脱离点阵位置而形成的点缺陷。 热缺陷的两种基本形式
弗伦克尔缺陷
肖特基缺陷
热缺陷示意图
弗兰克尔缺陷
肖特基缺陷
化合物离子晶体中的两种点缺陷
金属晶体：弗兰克尔缺陷比肖特基缺陷少得多 离子晶体：结构配位数低-弗兰克尔缺陷较常见
ρ理论
=
n理论 NA
V
M
=
4 6.022 1023
26.98
4.049 10-8 3
g
cm 3 = 2. 6997g
cm 3
空位数 cm3
ρ ρ theoretical
observed
NA
M 4.620 10 20 cm 3 Al
例5 MgO晶体的肖特基缺陷生成能为84KJ/mol，计算该晶体 1000K和1500K的缺陷浓度
平移对称性的示意图
平移对称性的破坏
②分类
点缺陷（零维缺陷）--原子尺度的偏离.
按
例：空位、间隙原子、杂质原子等
缺
陷 线缺陷（一维缺陷）--原子行列的偏离.
的
例：位错等
几 何
面缺陷（二维缺陷）--表面、界面处原子排列混乱.
形
例：表面、晶界、堆积层错、镶嵌结构等
态 体缺陷（三维缺陷）--局部的三维空间偏离理想晶体的周期性
CV ,1000
n N
exp( ΔGS RT
)
exp(
84000 8.3145 1000
) 4.096 10-5
CV ,1500
n N
ρ
( 单位晶胞原子数n )( 55.847g / mol ) ( 2.866 108 cm )3 ( 6.02 1023 / mol )
材料科学基础--第2章晶体缺陷PPT课件
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 。
晶体缺陷类型
晶体缺陷类型晶体缺陷是指晶体中存在的原子或离子排列不规则或异常的现象。
晶体缺陷可以分为点缺陷、线缺陷和面缺陷三种类型。
一、点缺陷点缺陷是晶体中原子或离子位置的局部不规则，主要包括空位、间隙原子和杂质原子。
1. 空位空位是指晶体中原子或离子在其晶体格点上的位置空缺。
晶体中的空位可以通过热处理、辐射或化学反应形成。
空位的存在会降低晶体的密度和电子迁移率，影响材料的性能。
2. 间隙原子间隙原子是指晶体中原子或离子占据晶体格点之间的空隙位置。
间隙原子的存在会导致晶体的畸变和疏松，影响材料的机械性能和导电性能。
3. 杂质原子杂质原子是指晶体中非本原子或离子替代晶体中的原子或离子。
杂质原子的存在会改变晶体的导电性、光学性质和热稳定性。
常见的杂质原子有掺杂剂、杂质原子和缺陷聚集体。
二、线缺陷线缺陷是晶体中原子或离子排列沿着一条线或曲线出现的不规则现象，主要包括位错和螺旋线缺陷。
1. 位错位错是晶体中原子或离子排列的一种不规则现象，可以看作是晶体中某一面上原子排列与理想晶体的对应面上的原子排列不匹配。
位错的存在会导致晶体的畸变和塑性变形，影响材料的力学性能。
2. 螺旋线缺陷螺旋线缺陷是晶体中原子或离子排列呈螺旋状的一种不规则现象。
螺旋线缺陷的存在会导致晶体的扭曲和磁性变化，影响材料的磁学性能。
三、面缺陷面缺陷是晶体中原子或离子排列在一定平面上不规则的现象，主要包括晶界和堆垛层错。
1. 晶界晶界是晶体中两个晶粒之间的交界面，是晶体中最常见的面缺陷。
晶界的存在会影响晶体的力学性能、导电性能和晶体的稳定性。
2. 堆垛层错堆垛层错是晶体中原子或离子排列在某一平面上的堆垛出现错误的现象。
堆垛层错的存在会导致晶体的畸变和位错密度增加，影响材料的机械性能和热稳定性。
总结：晶体缺陷是晶体中存在的原子或离子排列不规则或异常的现象。
根据缺陷的不同类型，晶体缺陷可以分为点缺陷、线缺陷和面缺陷。
点缺陷主要包括空位、间隙原子和杂质原子，线缺陷主要包括位错和螺旋线缺陷，面缺陷主要包括晶界和堆垛层错。
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。
4.1-2晶体缺陷的基本类型and位错缺陷的性质
晶界： 两个空间位向不同 的相邻晶粒之间的 界面。
晶粒间界面缺陷分类:
大角度晶界： 晶 粒 位 向 差 大 于 10 度 的晶界。 其结构为几个原子范 围内的原子的混 乱排列， 可视为一个过渡区。
小角度晶界： 晶粒位向差小于 10度的晶界。
2.堆垛间界
我们知道金属晶体常采用立方密积的结构形式，而立方密积 是原子球以三层为一组，如果把这样的一组三层记为 ABC，则晶
4.1.2 线缺陷
当晶格周期性的破坏是发生在晶体内部一条线的周围近邻，
这就称为线缺陷。位错就是线缺陷。
刃型位错 螺旋位错 1.刃型位错 A A B
G
H
F b B E
刃型位错
设想晶体的上部沿ABEF平面向右推移， A B 原来与AB
重合，经过这样的推压后，相对于AB滑移一个原子间距b，EF
§4.1 晶体缺陷的基本类型
本节主要内容： 4.1.1 点缺陷 4.1.2 线缺陷 4.1.3 面缺陷
晶体缺陷（晶格的不完整性）：晶体中任何对完整周期性
结构的偏离就是晶体的缺陷。 结构缺陷： 没有杂质的具有理想的化学配比
的晶体中的缺陷，如空位，填隙
晶体的缺陷 原子，位错。 化学缺陷： 由于掺入杂质或同位素，或者化学 配比偏离理想情况的化合物晶体中 的缺陷，如杂质，色心等。
１．弗仑克尔缺陷和肖特基缺陷
弗仑克尔缺陷 当晶格中的原子脱离格点后，移到间隙位置形成填隙原 子时，在原来的格点位置处产生一个空位，填隙原子和空位成 对出现，这种缺陷称为弗仑克尔缺陷。
肖特基缺陷
当晶体中的原子脱离格点位置后不在晶体内部形成填隙原
子，而是占据晶体表面的一个正常位置，并在原来的格点位置 产生一个空位，这种缺陷称为肖特基缺陷。
晶体中的点缺陷与线缺陷 )刃型位错和螺型位错
只有几个原子间距的线 缺陷
只有几个原子间距的线 缺陷
材料物理化学
刃型位错
螺型位错
与柏格斯矢量 的位置关系 柏格斯矢量 与刃性位错 柏格斯矢量 与螺型位错
线垂直
线平行
位错分类
刃性位错有正负之分
螺形位错分为左旋和右 旋
位错是否引起晶体畸变和形 引起晶体畸变和形成应 引起晶体畸变和形成应
成应力场
力场，且离位错线越远， 力场，且离位错线越远，
晶格畸变越小
晶格畸变越小
位错类型
4、（a）在 MgO 晶体中，肖特基缺陷的生成能为 6ev，计算在 25℃和 1600℃时 热缺陷的浓度。 （b）如果 MgO 晶体中，含有百万分之一 mol 的 Al2O3 杂质， 则在 1600℃时，MgO 晶体中是热缺陷占优势还是杂质缺陷占优势？说明原因。
材ห้องสมุดไป่ตู้物理化学
湖南工学院
解：（a）根据热缺陷浓度公式：
解：非化学计量氧化物 TiO2-x，其晶格缺陷属于负离子缺位而使金属离子 过剩的类型。 （a）缺陷反应式为：2Ti Ti?/FONT> O2↑→2 + +3OO
OO→ +2e′+ O2↑
材料物理化学
湖南工学院
（b）缺陷浓度表达式：[ V ]
10、试比较刃型位错和螺型位错的异同点。 解：刃型位错和螺型位错的异同点见下表所示。 刃型位错和螺型位错的异同点
2Fe Fe+ O2(g)→2Fe + V +OO
O2(g)→OO + V +2h 按质量作用定律，平衡常数
K=
由此可得[V ]﹠ PO 1/6 即：铁空位的浓度和氧分压的 1/6 次方成正比，故当周围分压增大时，铁空位浓 度增加，晶体质量减小，则 Fe1-xO 的密度也将减小。 （b）非化学计量化合物 Zn1+xO，由于正离子填隙，使金属离子过剩：
晶体缺陷点缺陷和位错
《材料科学与工程基础》
本章主要内容
3.1 点缺陷 3.2 位错 3.3 表面及界面
第3章 晶体缺陷
❖引 言
1、晶体缺陷(Defects in crystals)
定义：实际晶体都是非完整晶体，晶体中原子排 列的不完整性称为晶体缺陷。
2、缺陷产生的原因
（1）晶体生长过程中受到外界环境中各种复杂因 素的不同程度的影响；
作业
Cu晶体的空位形成能1.44x10-19J/atom，A=1, 玻尔兹曼常数k=1.38x10-23J/k。已知Cu的摩尔
质量为MCu＝63.54g/mol， 计算： 1）在500℃以下，每立方米Cu中的空位数？ 2） 500℃下的平衡空位浓度？
18
❖ 解：首先确定1m3体积内Cu原子的总数（已 知Cu的摩尔质量为MCu＝63.54g/mol， 500℃ 下Cu的密度ρCu＝8.96 ×106 g/m3
Ag
3980
0.372 25000 9.3×10-5 1.5×10-5
Cu
6480
0.490 40700 7.6×10-5 1.2×10-5
α-Fe
11000
2.75
68950 2.5×10-4 1.5×10-5
Mg
2630
0.393 16400 1.5×10-4 2.4×10-5
问题：计算结果和实验值相差甚远
3）位错线可以是任何形状的曲线。 4）点阵发生畸变，产生压缩和膨胀，形成应力场，
随着远离中心而减弱。
7.2 位错的基本知识
考虑一下，还 可以采用什么 方式构造出一 个刃型位错？
2、螺型位错
（1）螺型位错的形成
螺型位错的 原子组态：
第二章 金属晶体的缺陷
2.1 点缺陷 2.2 位错的基本概念 2.3 位错的运动 2.4 位错的弹性性质 2.5 实际晶体结构中的位错 2.6 位错源和位错增殖 2.7 位错的实际观测 2.8 金属界面
引言
实际晶体中，或多或少地存在偏离理想结构 的区域， 此即为：晶体缺陷。
1.点缺陷：空位、间隙原子、溶质原子。 2.线缺陷：位错。 3.面缺陷：晶界、相界 、孪晶界、堆垛层错。
N N n
C
n
u S f
e kT k
u
Ae kT
N
Sf
式中 A e k 是由振动熵决定的系数，一般估计在1~10之间。
对于间隙原子也可用同样方法求得类似公式。
应用时需求出空位或间隙原子的形成能。
点缺陷的形成能包括电子能（缺陷对晶体中电 子状态的影响）和畸变能。
空位形成能中，电子能是主要的；间隙原子， 则畸变能使主要的。
用统计热力学方法计算平衡条件下的空位浓度。
由热力学知道自由能 F U TS
F nuv T (nS f Sc )
（2-1）
Sc k ln N(N 1)...(N n 2)(N n 1) N !
n!
(N n)!n!
SC
k
ln
(N
N! n)!n!
代入（2-1）得：
N! F nuv nTS f kT ln (N n)!n!
图2-8 图2-9
2）螺型位错：当螺型位错移过整个晶体后，在晶体表面 形成的滑移台阶宽度也等于柏氏矢量，其结果与刃型 位错是完全一样的。但它不像刃型位错那样有确定的 滑移面，而可以在通过位错线的任何原子平面上滑移。
图2-10
3）混合型位错
图2-11
图2-12
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。
晶体缺陷的分类
晶体缺陷的分类
1. 点缺陷，就像生活中的小瑕疵一样。
比如说金属晶体里少了个原子，这就是点缺陷呀！它虽然小，可对晶体的性能影响却不小呢！
2. 线缺陷，嘿，这就像一条小裂缝在晶体中蔓延。
想想看，位错不就是这样嘛，对晶体的强度等方面有着重要作用呢！
3. 面缺陷，哇哦，这好比晶体中有个明显的界面呀！像晶界、相界这些，对晶体的一些特性那可是有着关键影响的咧！
4. 空位缺陷，不就像是晶体里本该有的位置空了出来嘛，就像教室里面少了个同学一样明显，会引起一系列的变化哦！
5. 间隙原子缺陷，这多有趣，就像是硬生生挤进了一个不该在那的原子呀，对晶体的结构稳定性会带来挑战呢！
6. 杂质原子缺陷，就仿佛外来者闯入了晶体的世界。
比如说在硅晶体里掺杂其他原子，这影响可大啦！
7. 刃型位错，它就像晶体中一把隐形的刀呀，对晶体的变形等行为有着特殊意义呢！
8. 螺型位错，像不像一条螺旋状的小过道在晶体中呢，在晶体的生长等过程中作用明显得很呢！
9. 混合位错，哈哈，这就是前两种位错的结合体呀，复杂又有趣呢，对晶体来说可真是个特别的存在哟！
我的观点结论就是：晶体缺陷的分类可真是丰富多样又奇妙无比，每一种都有着独特的魅力和重要的作用呀！。
晶体缺陷的基本类型和特征
晶体缺陷的基本类型和特征
晶体缺陷是晶体中原子或离子位置的错误或不规则排列。
基本类型和特征包括以下几种：
1. 点缺陷：点缺陷是晶体中原子或离子缺失、替代或插入所引起的缺陷。
常见的点缺陷包括：空位缺陷（晶体中存在未被占据的空位）、插入缺陷（晶格中多余的原子或离子）、置换缺陷（晶体中某种原子或离子被其他种类的原子或离子替代）。
2. 线缺陷：线缺陷是沿晶体中某一方向的错误排列或不规则缺陷。
常见的线缺陷包括：位错（晶体中原子排列错误引起的错位线）、螺旋位错（沿着晶格某个方向成螺旋形排列的错位线）。
3. 面缺陷：面缺陷是晶体中平面上原子排列错误或不规则的缺陷。
常见的面缺陷包括：晶界（不同晶体颗粒的交界面）、层错（晶体中平行于某一层的错位面）。
4. 体缺陷：体缺陷是三维空间中晶体结构的错误或不规则排列。
常见的体缺陷包括：空间格点缺陷（晶体晶格中存在未被占据的空间）、体间隙（晶体中原子或离子占据不规则的空间位置）。
每种缺陷类型都有其特定的物理和化学性质，对晶体的电学、光学、磁学等性质都有影响。
因此，研究晶体缺陷对于理解晶体的结构和性质至关重要。
晶体缺陷类型
晶体缺陷类型一、点缺陷晶体中的点缺陷是指晶体结构中原子位置的缺失或替代。
常见的点缺陷有空位、间隙原子和杂质原子。
1. 空位空位是指晶体中某个晶格位置上原子缺失的现象。
晶体中的空位通常会导致晶体的物理性质发生变化，如导电性的改变。
空位的产生可以是由于晶体的生长过程中原子的缺失，也可以是由于晶体受到外界因素的影响而产生的。
2. 间隙原子间隙原子是指晶体结构中存在于晶格空隙中的原子。
间隙原子常见的有插入型间隙原子和取代型间隙原子。
插入型间隙原子是指一种原子插入了晶体结构的空隙中，而取代型间隙原子是指一种原子取代了晶体结构中原本占据该位置的其他原子。
3. 杂质原子杂质原子是指晶体结构中掺入的其他元素原子。
当晶体中的杂质原子的尺寸与晶体原子的尺寸相近时，杂质原子可能会占据晶格空隙，形成间隙型杂质。
而当杂质原子的尺寸与晶体原子的尺寸相差较大时，杂质原子可能会取代晶体结构中的原子，形成取代型杂质。
二、线缺陷晶体中的线缺陷是指晶体中某一维方向上存在的缺陷。
常见的线缺陷有位错和脆性裂纹。
1. 位错位错是指晶体中晶格的错位。
位错的存在会导致晶体的形变和力学性质的改变。
位错可以分为位错线、位错环和位错面，具体形态取决于晶体中晶格错位的类型和方向。
2. 脆性裂纹脆性裂纹是指晶体中的裂纹缺陷。
脆性裂纹通常是由于外界应力作用于晶体中产生的。
脆性裂纹的存在会导致晶体的强度降低和断裂现象的发生。
三、面缺陷晶体中的面缺陷是指晶体中某一面或界面的缺陷。
常见的面缺陷有晶界、孪晶和堆垛层错。
1. 晶界晶界是指晶体中不同晶粒之间的界面。
晶界的存在会导致晶体结构的变化以及晶粒的生长和晶体的形变。
2. 孪晶孪晶是指晶体中存在两个或多个晶格取向相近但并不完全相同的晶粒。
孪晶的存在会导致晶体的形变和物理性质的改变。
3. 堆垛层错堆垛层错是指晶体中原子堆垛顺序的错误。
堆垛层错的存在会导致晶体的物理性质发生变化，如磁性和导电性的改变。
总结：晶体中的缺陷类型包括点缺陷、线缺陷和面缺陷。
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《材料科学与工程基础》
本章主要内容
3.1 点缺陷 3.2 位错 3.3 表面及界面
第3章 晶体缺陷
❖引 言
1、晶体缺陷(Defects in crystals)
定义：实际晶体都是非完整晶体，晶体中原子排 列的不完整性称为晶体缺陷。
2、缺陷产生的原因
（1）晶体生长过程中受到外界环境中各种复杂因 素的不同程度的影响；
（2）晶体形成后还会受到外界各种因素的作用。
3、缺陷对晶体性能的影响
力学性能：如强度、硬度、塑性、韧性等； 物理性能：如电阻率、扩散系数等、比容、比热容； 化学性能：如耐蚀性等； 冶金性能：如固态相变等； 工艺性能：如锻造性能、冲压性能、切削性能等。
4、晶体缺陷的分类
按照晶体缺陷的几何形态分为四类：
Cv = n/N = exp[-(Ev -TSv) / kT] = Aexp(-Ev / kT) 其中A = exp(Sv / k)，由振动熵决定，一般估计
A在1～10之间
间隙原子的平衡浓度Cg：
Cg = n / N = exp[-(Eg-TSg) / kT] = Aexp(-Eg / kT )
Sg -形成间隙原子引起的熵变；Eg -间隙原子的形成能
（1）点缺陷-----零维缺陷。如空位、间隙原子 及杂质原子等。
（2）线缺陷，又称位错-----一维缺陷。 （3）面缺陷----二维缺陷。如晶界，表面及层错
等。 （4）体缺陷-----三维缺陷。如沉淀相、空洞等。
多晶体中的常见缺陷模型图
3.1 点缺陷
点缺陷：最简单的晶体缺陷，它是结点上或临近
的微观区域内偏离晶体结构的正常排列的一种 缺陷。如空位、间隙原子、杂质或溶质原子、 空位对、空位团和空位-溶质对等。
F = nEv-TS S = Sc + nSv
热力学上有: Sc = klnΩ k 为玻尔兹曼常数，k = 1.38 ×10-23J/K；Ω为系
统的微观状态数目。n 个空位形成后，整个晶 体将包含 N＋n 个点阵位置。N 个原子和 n 个 点阵位置上的排列方式为(N +n)! ，由于N 个 原子的等同性和 n 个空位的等同性，最后可以 识别的微观状态数为：
21
4、过饱和空位(热力学非平衡点缺陷)
过饱和：在一定温度时，晶体具有平衡的空位浓度。当空
位浓度超过平衡浓度时，就称为过饱和。
获得过饱和点缺陷的方式： 淬火：温度升高，平衡浓度增大，急速冷却后，空位来不
及消失，被保留下来，形成过饱和空位。
冷变形：较低温度下塑性变形，会产生空位，超过此温度
时的平衡浓度。
辐照：高能粒子照射时，晶体点阵上的原子被击出，进入
点阵间隙，留下空位，并形成等数目的间隙原子。
❖ 3.1.3 点缺陷的运动
1、空位缺陷运动的实质
原子的迁移过程，它构成了晶体中原子传输的基础
2、缺陷的复合
间隙原子迁移到空位，两种缺陷同时消失，称为点 缺陷的复合。
3.1.4 点缺陷与材料行为
1、物理性质、如R、V、ρ 等发生变化 （1）电阻率的变化
3.1.1 点缺陷的形成
1、原子在平衡位置附近因热振动引起的微小位移 所带来的不规则性。
2、高温淬火、冷变形加工和高能粒子的辐照效应 等形成。
实际晶体中的点缺陷
（1）空位片
（2）挤塞子
❖ 3.1.2 点缺陷的平衡浓度
1、点缺陷平衡浓度
晶体的自由能最低时，晶体处于平衡稳定状态， 晶体中存在的点缺陷浓度。
空位的形成使内能和熵变增加，导致自由能随 空位数的变化有一极小值。此时系统处于平衡状 态，对应的空位浓度Cv 为平衡空位浓度。Cv 由 能量极小条件 dF/dn =0确定：
dF/dn = Ev - kT ln[(N +n) / n] - TSv=0
ln[(N + n) / n] = (Ev - TSv) / kT 考虑到 n 远小于N ，则有：
（2）密度的变化 肖脱基缺陷，将引起密度减小。
1.21023 / m3
2）计算空位浓度CV来自nv Nexp
1.44 1019 1.381023 773
e13.5
1.4106
即在500℃时，每106个原子中才有1.4个空位。
20
练习
纯铁的空位形成能为105kJ/mol，将纯铁 加热到850℃后激冷至室温(20℃)，假设高温 下的空位能全部保留，试求过饱和空位浓度 与室温平衡空位浓度的比值。
作业
Cu晶体的空位形成能1.44x10-19J/atom，A=1, 玻尔兹曼常数k=1.38x10-23J/k。已知Cu的摩尔
质量为MCu＝63.54g/mol， 计算： 1）在500℃以下，每立方米Cu中的空位数？ 2） 500℃下的平衡空位浓度？
18
❖ 解：首先确定1m3体积内Cu原子的总数（已 知Cu的摩尔质量为MCu＝63.54g/mol， 500℃ 下Cu的密度ρCu＝8.96 ×106 g/m3
Ω = (N + n)! / N ! n!
即有：Sc = klnΩ = kln[(N + n)! / N ! n!]
由于(N + n)!/N!n!中各项的数目都很大 (N>>n>>1)，用斯特林(Stirling)近似公式： lnx ! = x lnx－x (x>>1时) 则有： Sc = k(N +n)ln(N +n)－kN lnN －kn lnn F = nEv －kT [(N +n) ln(N +n)－N lnN－ nlnn]－nTSv
N
N0 Cu
M Cu
6.0231023 8.96106 63.54m3
8.491028
19
1）将N代入空位平衡浓度公式，计算空位数目nv
nv
N exp EV kT
8.49
1028
exp
1.44 1019 1.381023 773
8.49 1028 e13.5 8.49 1028 1.37 106
2、点缺陷存在平衡浓度的原因
（1）点缺陷的形成提高了晶体的内能，降低晶体的 热力学稳定性；
（2）点缺陷的形成提高了晶体的熵值，增加了晶体 的热力学稳定性。
❖ 3.1.2 点缺陷的平衡浓度
3、点缺陷平衡浓度的计算
空位的形成能Ev为：形成一个空位时引起系统能 量的增加，单位为 eV
考虑一具有 N 个点阵位置的晶体，形成 n 个空 位后，系统的自由能的变化为：