第3章点缺陷、位错的基本类型和特征_材料科学基础.
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3.1 点 缺 陷
(a) 肖脱基空位－离位原子进入其它空位或迁移至界面。 (b)弗兰克尔空位－离位原子进入晶体间隙。 (c)间隙原子：位于晶体点阵间隙的原子。 (d)(e)置换原子：位于晶体点阵位置的异类原子。 (f)离子晶体：负离子不能到间隙; 局部电中性要求。
9
3.1
点 缺 陷
（a）弗仑克尔缺陷的形成 （空位与间隙质点成对出现）
4
第
三 缺陷的形成原因
章
晶 2.杂质缺陷
体 ➢ 定义：亦称为组成缺陷，是由外加杂质的引入所
缺
陷
产生的缺陷。
➢ 特征：如果杂质的含量在固溶体的溶解度范围内，
则杂质缺陷的浓度与温度无关。
➢ 杂质缺陷对材料性能的影响
5
第
三 缺陷的形成原因
章
晶 3. 非化学计量缺陷
体 定义：组成上偏离化学中的定比定律所形成的缺
18
第
3.2 位错
三 章
3.2.1 位错的基本类型和特征
1. 位错的概念：位错是晶体的线性缺陷。晶体中
晶
某处一列或若干列原子有规律的错排。
体
• 意义：对材料的力学行为如塑性变形、强度、断裂等
缺
起着决定性的作用，对材料的扩散、相变过程有较大
陷
影响。
• 位错的提出：1926年，弗兰克尔发现理论晶体模型刚
T 100K 300K 500K 700K 900K 1000K n/N 10-57 10-19 10-11 10-8.1 10-6.3 10-5.7
14
3.1
点 4. 点缺陷的产生
缺
陷 ➢ 平衡点缺陷：热振动中的能力起伏。 ➢ 过饱和点缺陷：外来作用，如高温淬火、辐 照、冷加工等。
15
3.1
点 5. 点缺陷的运动：迁移、复合－浓度降低；聚集
性切变强度与与实测临界切应力的巨大差异（2～4个 数量级）。1934年，泰勒、波朗依、奥罗万几乎同时 提出位错的概念。1939年，柏格斯提出用柏氏矢量表 征位错。1947年，柯垂耳提出溶质原子与位错的交互 作用。1950年，弗兰克和瑞德同时提出位错增殖机制。 之后，用TEM直接观察到了晶体中的位错。
缺
陷
陷，如Fe1－xO、Zn1+xO等晶体中的缺陷。
特点：其化学组成随周围气氛的性质及其分压大
小而变化。是一种半导体材料。
4. 其它原因，如电荷缺陷，辐照缺陷等
6
第
三
3.1 点缺陷
章
1. 基本概念：如果在任何方向上缺陷区的尺寸
晶
体
都远小于晶体或晶粒的线度，因而可以忽略
缺
不计，那么这种缺陷就叫做点缺陷。 点缺陷
陷
是最简单的晶体缺陷，它是在结点上或邻近
的微观区域内偏离晶体结构的正常排列的一
种缺陷。
7
3.1
3.1 点缺陷
点
缺 2. 基本类型： 陷 空位（vacancy） ：实际晶体中某些晶格结
点的原子脱离原位，形成的空着的结点位置 就叫做空位。 间隙原子（interstitial particle） ：进入 点阵间隙中的原子称为间隙原子。 置换原子（foreign particle）：那些占据 原来基体原子平衡位置上的异类原子称为置 换原子。
缺
陷
缺陷等
按几何形态：点缺陷、线缺陷、面缺陷等
3
第
三 缺陷的形成原因
章
晶 1. 热缺陷
体 ➢ 定义：热缺陷亦称为本征缺陷，是指由热起伏的
缺
原因所产生的空位或间隙质点（原子或离子）。
陷
➢ 类型：弗仑克尔缺陷（Frenkel defect）和肖特
基缺陷（Schottky defect）
➢ 热缺陷浓度与温度的关系：温度升高时，热缺陷 浓度增加
（b）单质中的肖特基缺陷的 形成
Frenkel defect 和 Schottky defect产生示意图
10
3.1
点 3. 点缺陷的平衡浓度
缺 ① 热力学分析表明，晶体最稳定的状态并不是完
陷
整晶体，而是含有一定浓度的点缺陷状态，即
在该浓度情况下，自由能最低。这个浓度就称
为该温度下晶体中点缺陷的平衡浓度。
位缺陷的平衡浓度为：x=n/N
12
3.1
点 ② 点缺陷的平衡浓度的计算
缺 陷
13
3.1
点 由上式可得：
缺 1）晶体中空位在热力学上是稳定的，一定温度
陷
T对应一平衡浓度X；
2）X与T呈指数关系，温度升高，空位浓度增 大；
3）空位形成能ΔUV大，空位浓度小。 例如：已知铜中ΔUV=1.7×10-19 J，A取为1，则
19
3.2
3.2.1 位错的基本类型和特征
位
1. 刃型位错：刃型位错的位错线垂直于滑移方向，
错
模型如图所示，相当于在正常排列的晶体当中
插入了半个原子面。拥有半原子面的晶体部分，
原子间距减小，晶格受到压应力；在缺少半原
子面的晶体部分，原子间距增大，晶体收到拉
应力。
20
3.2
需的能量，叫空位移动能Em。自扩散激活能 相当于空位形成能与移动能的总和。
17
3.1
6. 点缺陷与材料行为
点
缺 （1）结构变化：晶格畸变（如空位引起晶格收
陷
缩，间隙原子引起晶格膨胀，置换原子可引
起收缩或膨胀。）；形成其他晶体缺陷（如
过饱和的空位可集中形成内部的空洞，集中
一片的塌陷形成位错。）
（2）性能变化：物理性能：如电阻率增大，密 度减小。力学性能：屈服强度提高（间隙原 子和异类原子的存在会增加位错的运动阻 力。）加快原子的扩散迁移
第3章 晶体缺陷
3.1 点缺陷 3.2 位错 3.3 表面及界面
1
第
三 缺陷的含义：通常把晶体点阵结构中周期
章 性势场的畸变称为晶体的结构缺陷。
晶
理想晶体：质点严格按照空间点阵排列。
体
缺
实际晶体：存在着各种各样的结构的不
陷 完整性。
2
第
三
章
缺陷的分类方式：
晶
体 按形成原因：热缺陷、杂质缺陷、非化学计量
缺
－浓度升高－塌陷
陷
➢ 晶体中的原子正是由于空位和间隙原子不断
地产生与复合才不停地由一处向另一处作无
规则的布朗运动，这就是晶体中原子的自扩
散。是固态相变、表面化学热处理、蠕变、
烧结等物理化学过程的基础。
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3.1
点 5. 点缺陷的运动： 缺 ➢ 空位在晶体中的分布是一个动态平衡，其不
陷
断地与周围原子交换位置，使空位移动所必
原因：空位的出现破坏了其周围的结合状态， 因而造成局部能量的升高（由空位的出现而高 于没有空位时的那一部分能量称为“空位形成 能”）但同时空位的出现大大提高了体系的熵 值
11
3.1
点 ② 点缺陷的平衡浓度的计算：假设温度T和压强
缺
P条件下，从N个原子组成的完整晶体中取走
陷
n个原子，即生成n个空位。并定义晶体中空
3.1 点 缺 陷
(a) 肖脱基空位－离位原子进入其它空位或迁移至界面。 (b)弗兰克尔空位－离位原子进入晶体间隙。 (c)间隙原子：位于晶体点阵间隙的原子。 (d)(e)置换原子：位于晶体点阵位置的异类原子。 (f)离子晶体：负离子不能到间隙; 局部电中性要求。
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点 缺 陷
（a）弗仑克尔缺陷的形成 （空位与间隙质点成对出现）
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第
三 缺陷的形成原因
章
晶 2.杂质缺陷
体 ➢ 定义：亦称为组成缺陷，是由外加杂质的引入所
缺
陷
产生的缺陷。
➢ 特征：如果杂质的含量在固溶体的溶解度范围内，
则杂质缺陷的浓度与温度无关。
➢ 杂质缺陷对材料性能的影响
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第
三 缺陷的形成原因
章
晶 3. 非化学计量缺陷
体 定义：组成上偏离化学中的定比定律所形成的缺
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第
3.2 位错
三 章
3.2.1 位错的基本类型和特征
1. 位错的概念：位错是晶体的线性缺陷。晶体中
晶
某处一列或若干列原子有规律的错排。
体
• 意义：对材料的力学行为如塑性变形、强度、断裂等
缺
起着决定性的作用，对材料的扩散、相变过程有较大
陷
影响。
• 位错的提出：1926年，弗兰克尔发现理论晶体模型刚
T 100K 300K 500K 700K 900K 1000K n/N 10-57 10-19 10-11 10-8.1 10-6.3 10-5.7
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点 4. 点缺陷的产生
缺
陷 ➢ 平衡点缺陷：热振动中的能力起伏。 ➢ 过饱和点缺陷：外来作用，如高温淬火、辐 照、冷加工等。
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3.1
点 5. 点缺陷的运动：迁移、复合－浓度降低；聚集
性切变强度与与实测临界切应力的巨大差异（2～4个 数量级）。1934年，泰勒、波朗依、奥罗万几乎同时 提出位错的概念。1939年，柏格斯提出用柏氏矢量表 征位错。1947年，柯垂耳提出溶质原子与位错的交互 作用。1950年，弗兰克和瑞德同时提出位错增殖机制。 之后，用TEM直接观察到了晶体中的位错。
缺
陷
陷，如Fe1－xO、Zn1+xO等晶体中的缺陷。
特点：其化学组成随周围气氛的性质及其分压大
小而变化。是一种半导体材料。
4. 其它原因，如电荷缺陷，辐照缺陷等
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第
三
3.1 点缺陷
章
1. 基本概念：如果在任何方向上缺陷区的尺寸
晶
体
都远小于晶体或晶粒的线度，因而可以忽略
缺
不计，那么这种缺陷就叫做点缺陷。 点缺陷
陷
是最简单的晶体缺陷，它是在结点上或邻近
的微观区域内偏离晶体结构的正常排列的一
种缺陷。
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3.1 点缺陷
点
缺 2. 基本类型： 陷 空位（vacancy） ：实际晶体中某些晶格结
点的原子脱离原位，形成的空着的结点位置 就叫做空位。 间隙原子（interstitial particle） ：进入 点阵间隙中的原子称为间隙原子。 置换原子（foreign particle）：那些占据 原来基体原子平衡位置上的异类原子称为置 换原子。
缺
陷
缺陷等
按几何形态：点缺陷、线缺陷、面缺陷等
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第
三 缺陷的形成原因
章
晶 1. 热缺陷
体 ➢ 定义：热缺陷亦称为本征缺陷，是指由热起伏的
缺
原因所产生的空位或间隙质点（原子或离子）。
陷
➢ 类型：弗仑克尔缺陷（Frenkel defect）和肖特
基缺陷（Schottky defect）
➢ 热缺陷浓度与温度的关系：温度升高时，热缺陷 浓度增加
（b）单质中的肖特基缺陷的 形成
Frenkel defect 和 Schottky defect产生示意图
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3.1
点 3. 点缺陷的平衡浓度
缺 ① 热力学分析表明，晶体最稳定的状态并不是完
陷
整晶体，而是含有一定浓度的点缺陷状态，即
在该浓度情况下，自由能最低。这个浓度就称
为该温度下晶体中点缺陷的平衡浓度。
位缺陷的平衡浓度为：x=n/N
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3.1
点 ② 点缺陷的平衡浓度的计算
缺 陷
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3.1
点 由上式可得：
缺 1）晶体中空位在热力学上是稳定的，一定温度
陷
T对应一平衡浓度X；
2）X与T呈指数关系，温度升高，空位浓度增 大；
3）空位形成能ΔUV大，空位浓度小。 例如：已知铜中ΔUV=1.7×10-19 J，A取为1，则
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3.2
3.2.1 位错的基本类型和特征
位
1. 刃型位错：刃型位错的位错线垂直于滑移方向，
错
模型如图所示，相当于在正常排列的晶体当中
插入了半个原子面。拥有半原子面的晶体部分，
原子间距减小，晶格受到压应力；在缺少半原
子面的晶体部分，原子间距增大，晶体收到拉
应力。
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3.2
需的能量，叫空位移动能Em。自扩散激活能 相当于空位形成能与移动能的总和。
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3.1
6. 点缺陷与材料行为
点
缺 （1）结构变化：晶格畸变（如空位引起晶格收
陷
缩，间隙原子引起晶格膨胀，置换原子可引
起收缩或膨胀。）；形成其他晶体缺陷（如
过饱和的空位可集中形成内部的空洞，集中
一片的塌陷形成位错。）
（2）性能变化：物理性能：如电阻率增大，密 度减小。力学性能：屈服强度提高（间隙原 子和异类原子的存在会增加位错的运动阻 力。）加快原子的扩散迁移
第3章 晶体缺陷
3.1 点缺陷 3.2 位错 3.3 表面及界面
1
第
三 缺陷的含义：通常把晶体点阵结构中周期
章 性势场的畸变称为晶体的结构缺陷。
晶
理想晶体：质点严格按照空间点阵排列。
体
缺
实际晶体：存在着各种各样的结构的不
陷 完整性。
2
第
三
章
缺陷的分类方式：
晶
体 按形成原因：热缺陷、杂质缺陷、非化学计量
缺
－浓度升高－塌陷
陷
➢ 晶体中的原子正是由于空位和间隙原子不断
地产生与复合才不停地由一处向另一处作无
规则的布朗运动，这就是晶体中原子的自扩
散。是固态相变、表面化学热处理、蠕变、
烧结等物理化学过程的基础。
Biblioteka Baidu16
3.1
点 5. 点缺陷的运动： 缺 ➢ 空位在晶体中的分布是一个动态平衡，其不
陷
断地与周围原子交换位置，使空位移动所必
原因：空位的出现破坏了其周围的结合状态， 因而造成局部能量的升高（由空位的出现而高 于没有空位时的那一部分能量称为“空位形成 能”）但同时空位的出现大大提高了体系的熵 值
11
3.1
点 ② 点缺陷的平衡浓度的计算：假设温度T和压强
缺
P条件下，从N个原子组成的完整晶体中取走
陷
n个原子，即生成n个空位。并定义晶体中空