第一节_晶体中的点缺陷

五、点缺陷的运动
空位在晶体中的分布是一个动态平衡，其不断地与 周围原子交换位置。 例如：空位周围的原子，由于热振动的能量起伏， 而获得足够的能量跳入空位，并占据这个平衡位置， 在这个原子原来的位置上，就形成一个空位。 这一过程可看成是空位向邻近阵点位置的迁移。
空位的移动
空位迁移能：空位迁移必须获得的能量△Em。 可通过实验方法测定。例如：
原子半径：
b
( 4r ) 2 a 2 a 2 2 r a 4
Y
a
X
配位数：12 致密度：0.74

E 'v ( ) ' A e kT （2-2）
空位和间隙原子的平衡浓度随温度升高呈 指数关系急剧增加。 例： Cu在22℃时，C=2×109个/m3， 1000℃时， C=5×1024个/m3，相差15个 数量级。
1 eV=1.602 ×10-19J
ne CV e N
(
EV SV ) kT k
Ae
(
E v ) kT
fcc
(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
分类：
空位：晶体内部的原子离开其平衡位置后, 留下的原子尺度的空洞。 间隙原子：进入晶体点阵间隙的原子。 自间隙原子：由同类原子形成的间隙原子。 异类间隙原子：由外来杂质原子形成的间 隙原子。 置换原子：占据原来基体原子平衡位置的 异类原子。 置换原子与基体原子半径总有差异，也是 一类点缺陷。
肖脱基缺陷：离位原子迁移到晶体的外 表面或内界面，而形成的空位。
n C exp(SV / k ) exp(EV / kT) Aexp(EV / kT) N
4、空位对金属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
晶格常数：a=b=c； ===90 晶胞原子数：
c
Z
1 1 8 6 4 8 2
肖脱基缺陷
弗兰克缺陷：离位原子跳入晶体点阵间隙 中，形成一个空位的同时，还形成了一个间隙 原子。
弗兰克缺陷
点缺陷存在的结果：使周围原子间的作用 力失去平衡，原子将重新调整位置，点阵产生 局部的弹性畸变，形成应力场。 如：空位周围的原子向空位处偏移，间隙 原子周围的原子则向外偏移。 空位引起的畸变较间隙原子小。
三、点缺陷的平衡浓度
点缺陷是热力学稳定的缺陷，可以在热力 学平衡的晶体中存在。 在一定温度下，晶体中总有一定平衡浓度 的空位和间隙原子存在。
在T温度下，空位和间隙原子的平衡浓度分别为：
ne CV N
CV '
EV SV ( ) e kT k

Ev ( ) Ae kT
源自文库
（2-1）
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
一、点缺陷的形成、分类
形成原因：原子热振动的能量起伏，使少 数原子的振动能量在某瞬间很大，大到可以克 服周围原子对它的束缚，该原子就可离开其平 衡位置，形成点缺陷。
二、点缺陷的形成能
点阵畸变，意味着原子离开了平衡位置，故 晶体内能必然升高。通常把这部分增加的能量 称为点缺陷形成能。即： 点缺陷形成能：形成点缺陷所引起的晶体能 量的增量。 它包括畸变能和电子能（缺陷对晶体中电子 状态有影响）。 空位形成能中，电子能为主，畸变能只占很 小比例。 间隙原子形成能中，弹性畸变能为主。
3、过饱和点缺陷提高金属的屈服强度。 4、空位对高温下进行的过程起重要作用。 如金属的扩散、高温塑性变形和断裂、退火、 沉淀、表面化学热处理等过程，都与空位的存 在和运动有着密切的联系。 5、点缺陷还对内耗、介电常数等有影响。
小结
1、空位是热力学稳定的缺陷。 2、不同金属空位形成能不同。 3、空位浓度与空位形成能、温度密切相关
实测的一些金属的空位形成能△Ev。 金属 Au Ag Cu Pt Al W Pb △Ev(ev) 0.94 1.06 1.06 1.50 0.75 3.50 0.50 间隙原子引起的畸变较空位大的多，间 隙原子的形成能较空位形成能大几倍。 Cu晶体的间隙原子形成能约3.00ev，是 其空位形成能的2.83倍。
N 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；
E 'V S 'V ( ) n'e k e kT
第六章
晶体缺陷
晶体缺陷 ：晶体中原子偏离平衡位置而出现的 不完整性区域。 按几何特征可分为三类： 点缺陷：不完整区域在三个空间方向上的尺寸均 很小（原子尺度），如空位、间隙原子； 线缺陷：不完整区域在二个空间方向上的尺寸很 小，在另一个方向上的尺寸很大，如位错； 面缺陷：不完整区域在一个空间方向上的尺寸很 小，在另二个方向上的尺寸很大，如晶界、相界；
金属 Au Ag Cu Al Pt W △Em(ev)0.87 0.81 0.94 0.62 0.75 1.87
空位的迁移频率：j=νZexp(Sm/k)exp(-Em/kT) ν－原子振动频率，Z－空位周围原子配位数， Sm－空位 迁移熵，△Em－空位迁移能。
同理，由于热振动，晶体中的间隙原子也可以由一 个间隙位置迁移到另一个间隙位置。
六、点缺陷对晶体性能的影响
1、点缺陷引起电阻的增加。 点缺陷区对传导电子产生强烈的散射，使电阻增大。
如铜中每增加1% (原子)的空位，电阻率增加约为 1.5μΩm。
2、点缺陷的存在使晶体体积膨胀，密度减小。 形成一个肖脱基缺陷，体积膨胀约0.5个原子体积。 形成一个弗兰克缺陷，体积膨胀约1~2个原子体积。