第十二章 晶体中的缺陷和扩散

第十二章晶体中的缺陷和扩散

1简述晶体中的各种缺陷。

点缺陷

A空位（lattice vacancy）与填隙基质原子（interstitial position）：空位有肖特基缺陷(Schottky defect)和弗仑克尔缺陷(Frenkel defect)两种晶体的内部只有空位，这样的热缺陷叫肖特基缺陷；原子脱离格点后，形成填隙原子，这样的缺陷叫弗仑克尔缺陷。

B填隙杂质原子：

C替位式杂质原子（离子）：

D色心（colour centre）：能吸收光的点缺陷称为色心。

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，就称为线缺陷。

(1)刃位错：位错线垂直于滑移方向。

(2)螺位错：位错线平行于滑移方向。

面缺陷

a.小角晶界(small angle boundary)：可看作由一排刃形位错构成

b.堆垛层错(stacking fault)：如对fcc结构，沿[111]方向的晶面排列为: ABCABCABCBCABC,

中缺少了一层A面。

c.晶界（grainboundary; 包括扭转晶界、孪晶界、非共格晶界等）。

2简述晶体中主要缺陷类型（至少答三种）。

3分析说明小角晶界的角度和位错的间距的关系，写出表达式。

4论述固体内部的位错类型，并且画出示意图。山东152页

刃位错

镙位错

5在离子晶体中点缺陷可以引起离子性导电，请给出简单解释。

在理想的离子晶体中，没有自由电子，离子又难以在晶体内移动，所以是典型的绝缘体。但实际离子晶体中，由于缺陷的杂质的存在，离子可以借助于缺陷在外电场作用下，发生定向漂移，使晶体具有一定的导电性，离子成为载流子，这种现象称为离子导电性。

离子晶体中的点缺陷是带电的，在没有外电场作用下，缺陷作无规运动，不形成电流。但当有外电场作用时，缺陷沿电场正、反方向的移动的几率不等，从而产生电流。

6金属淬火后为什么变硬?

[解答]

我们已经知道晶体的一部分相对于另一部分的滑移, 实际是位错线的滑移, 位错线的移动是逐步进行的, 使得滑移的切应力最小. 这就是金属一般较软的原因之一. 显然, 要提高金属的强度和硬度, 似乎可以通过消除位错的办法来实现. 但事实上位错是很难消除的. 相反, 要提高金属的强度和硬度, 通常采用增加位错的办法来实现. 金属淬火就是增加位错的有效办法. 将金属加热到一定高温, 原子振动的幅度比常温时的幅度大得多, 原子脱离正常格点的几率比常温时大得多, 晶体中产生大量的空位、填隙缺陷. 这些

点缺陷容易形成位错. 也就是说, 在高温时, 晶体内的位错缺陷比常温时多得多. 高温的晶体在适宜的液体中急冷, 高温时新产生的位错来不及恢复和消退, 大部分被存留了下来. 数目众多的位错相互交织在一起, 某一方向的位错的滑移, 会受到其它方向位错的牵制, 使位错滑移的阻力大大增加, 使得金属变硬.

7结合你的理解对晶体中的两种面缺陷进行描述

（1）堆垛层错

金属晶体常采取立方密积结构形式，而立方密积是原子球以三层为一循环的密堆积结构，若把这三层原子面分别用A、B、C表示则晶体的排列形式是

…ABCABCABCAB C…

若某一晶体（比如A）在晶体生长时丢失，原子面的排列形式成为：

…ABCABC B CABCAB C…

其中B晶面便是错位的面缺陷，若从某一晶面开始，晶体两部分发生了滑移，比如从某C 晶面以后整体发生了滑移，C变成A，则晶面的排列形式可能变成

…ABCAB A BCABCAB C…

其中A晶面便是错位的面缺陷。这一类整个晶面发生错位的缺陷称为堆垛层错。

（2）小角度晶界

按单一的晶格排列的晶体称为单晶体，而实际固体材料大多是多晶体。多晶体由许多晶粒组成，每一晶粒是单一晶体，各晶粒取向不同，我们将多晶体不同取向的晶粒间的界面称为晶粒间界。因为晶粒间界附近的原子排列比较混乱，所以是一种面缺陷。晶粒间界对于金属材料的冶炼和热处理过程中对晶粒大小的控制，是获得优质材料的一个重要因素。

按晶粒取向的差别，通常晶界可分为大角晶界（两晶粒取向差超15度）和小角晶界。大角晶界人原子的排列情况很复杂，目前尚难以作出精确描述。至于小角晶界，可用简单模型来描述：当两晶粒取向差θ很小时，认为晶界过渡区域是由一些刃型位错排列组成的，如图4-1-4所示。

图4-1-4 小角晶界示意图