当前位置：文档之家 › [理学]第三章 晶体缺陷

[理学]第三章 晶体缺陷

  • 格式：ppt
  • 大小：5.00 MB
  • 文档页数：72

下载文档原格式

  / 72

合集下载

第3章晶体缺陷

第3章晶体缺陷


• An interstitial defect is formed when an extra atom is inserted into the crystal structure at a normally unoccupied position. • Interstitial atoms, although much smaller than the atoms located at the lattice points, are still larger than the interstitial sites that they occupy, consequently, the surrounding crystal region is compressed and distorted.
பைடு நூலகம்
• • • • • • • • • •
离开平衡位置的原子有三个去处: 离开平衡位置的原子有三个去处: (1)形成Schottky空位（vacancy） (1)形成 形成Schottky空位 vacancy） 空位（ (2)形成Frankely缺陷 (2)形成 形成Frankely缺陷 (3)跑到其它空位上使空位消失或移位。 (3)跑到其它空位上使空位消失或移位 跑到其它空位上使空位消失或移位。 点缺陷的类型： 点缺陷的类型： （1）空位 间隙原子（异类）（ ）（interstital （2）间隙原子（异类）（interstital atom) 自间隙原子(同类) self（3）自间隙原子(同类) （self- interstital atom ） 外来杂质原子： （4）外来杂质原子： 置换原子( atom) （5）置换原子(substitutional atom) ：
Crystal Defects
《晶体缺陷》课件

《晶体缺陷》课件


热稳定性
晶体缺陷可能影响材料在高温下的稳 定性，降低其使用温度范围。
比热容
晶体缺陷可能影响比热容，改变材料 吸收和释放热量的能力。
光学性能的影响
折射率与双折射
光吸收与散射
晶体缺陷可能导致折射率变化和双折射现 象，影响光学性能。
晶体缺陷可能导致光吸收增强或光散射增 加，改变光学透射和反射特性。
荧光与磷光
热电效应
某些晶体缺陷可能导致热电效应增强，影响 热电转换效率。
介电常数
晶体缺陷可能影响介电常数，改变电场分布 和电容。
电阻温度系数
晶体缺陷可能影响电阻温度系数，改变温度 对电阻的影响。
热学性能的影响
热导率变化
晶体缺陷可能降低材料的热导率，影 响热量传递和散热性能。
热膨胀系数
晶体缺陷可能影响热膨胀系数，影响 材料在温度变化下的尺寸稳定性。
。
韧性下降
晶体缺陷可能导致材料韧性下 降，使其在受到外力时更容易
脆裂。
疲劳性能
晶体缺陷可能影响材料的疲劳 性能，降低其循环载荷承受能
力。
强度与延展性
晶体缺陷可能影响材料的强度 和延展性，从而影响其承载能
力和塑性变形能力。
电学性能的影响
导电性变化
晶体缺陷可能改变材料的导电性，影响其在 电子设备中的应用。
传感器
基于晶体缺陷的原理，可以设计新型传感器，如压力传感 器、温度传感器和气体传感器等，以提高传感器的灵敏度 和稳定性。
在新能源领域中的应用
太阳能电池
在太阳能电池中，可以利用晶体 缺陷来提高光吸收效率和载流子 的收集效率，从而提高太阳能电
池的光电转换效率。
燃料电池
在燃料电池中，可以利用晶体缺陷 来改善电极的催化活性和耐久性， 从而提高燃料电池的性能和稳定性 。
ch3.2 晶体缺陷--线缺陷(位错)(06级)

ch3.2 晶体缺陷--线缺陷(位错)(06级)


第三章 晶体缺陷 ③ 滑移面必须是同时包含有位错线和滑移矢量的平面。位 错线与滑移矢量互相垂直,它们构成平面只有一个。 ④ 晶体中存在刃位错后,位错周围的点阵发生弹性畸变,既 有正应变,也有负应变。点阵畸变相对于多余半原子面是左右对 称的，其程度随距位错线距离增大而减小。就正刃型位错而言, 上方受压,下方受拉。 ⑤ 在位错线周围的畸变区每个原子具有较大的平均能量。 畸变区是一个狭长的管道。
第三章 晶体缺陷 (3) 柏氏矢量的唯一性。即一根位错线具有唯一的柏氏矢 量。它与柏氏回路的大小和回路在位错线上的位臵无关，位 错在晶体中运动或改变方向时，其柏氏矢量不变。 (4) 位错的连续性:可以形成位错环、连接于其他位错、终 止于晶界或露头于表面,但不能中断于晶体内. (5) 可用柏氏矢量判断位错类型 刃型位错: ξe⊥be，右手法则判断正负 螺型位错: ξs∥bs，二者同向右旋,反向左旋 (6) 柏氏矢量表示晶体滑移方向和大小.位错运动导致晶 体滑移时，滑移量大小|b|，滑移方向为柏氏矢量的方向。 (7) 刃型位错滑移面为ξ与柏氏矢量所构成的平面,只有一 个；螺型位错滑移面不定,多个。 (8) 柏氏矢量可以定义为:位错为柏氏矢量不为0的晶体缺 陷。
第三章 晶体缺陷 (3) 混合位错的滑移过程 沿位错线各点的法线方向在滑移面上扩展，滑动方向垂 直于位错线方向。但滑动方向与柏氏矢量有夹角。(hhwc1)
第三章 晶体缺陷
2. 位错的攀移
• 位错的攀移(climbing of disloction) :在垂直于滑移面方 向上运动 • 攀移的实质:刃位错多余半原子面的扩大和缩小，它是通过 物质迁移即原子或空位的扩散来实现的。 • 刃位错的攀移过程:正攀移,向上运动；负攀移, 向下运动 • 注意：只有刃型位错才能发生攀移；滑移不涉及原子扩散， 而攀移必须借助原子扩散；外加应力对攀移起促进作用，压 （拉）促进正（负）攀移；高温影响位错的攀移 • 攀移运动外力需要做功，即攀移有阻力。粗略地分析，攀移 阻力约为Gb/5。 • 螺型位错不止一个滑移面，它只能以滑移的方式运动，它是 没有攀移运动的。 • 攀移为非守恒（或非保守）运动，而滑移为守恒（或保守） 运动。
材料科学基础第三章晶体缺陷

材料科学基础第三章晶体缺陷


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 Ar a 3 N A 8.57 (3.294108 )3 6.0231023 x 1 2 Ar 2 92.91 7.1766103 106 7.1766103 7176 .6(个） 所以， 106 个Nb中有7176 .6个空位。
a NA
作业：
二.本章重点及难点 1、点缺陷的形成与平衡浓度 2、位错类型的判断及其特征、伯氏矢量的特征和物理意义 3、位错源、位错的增殖(F-R源、双交滑移机制等)和运动、 交割
4、关于位错的应力场可作为一般了解
5、晶界的特性(大、小角度晶界)、孪晶界、相界的类型
维纳斯“无臂” 之美更深入人心
处处留心皆学问
2.点缺陷的形成（本征缺陷的形成）
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
刃型位错的特点：
1).刃型位错有一个额外的半原子面。其实正、负之分只具 相对意义而无本质的区别。 2).刃型位错线可理解为晶体中已滑移区与未滑移区的边界 线。它不一定是直线，也可以是折线或曲线，但它必与滑移 方向相垂直，也垂直于滑移矢量。
Chapter 3-1 晶体缺陷-点缺陷、位错

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 )
晶体缺陷ppt

晶体缺陷ppt

演变过程
晶体缺陷在温度、压力等外部因素的作用下会发生变化，如点缺陷的迁移、位错 的滑移、晶界的迁移等。这些演变过程会影响晶体的性能和结构。
02
晶体缺陷的类型
点缺陷
弗兰克尔缺陷
在晶体中，原子或离子的一部分占据了应该是另一个原子的 位置，造成晶体结构的不完整性。
肖特基缺陷
在晶体中，一个原子或离子跳到了另一个原子的位置，形成 了一个空位。
位错是金属材料中最常见的晶体缺陷之一，其密度和分布对材
料的力学性能有重要影响。
在金属材料制备和使用过程中，应尽量减少晶体缺陷的产生，
03
以提高金属材料的性能。
功能陶瓷中的晶体缺陷
功能陶瓷的性能与晶体缺陷密切相关，如电导 率、介电常数等。
功能陶瓷中的晶体缺陷包括位错、空位、晶界 等，这些缺陷对材料的物理和化学性能产生重 要影响。
Hale Waihona Puke 06未来展望与挑战晶体缺陷研究的未来方向
发展新的检测技术
随着科学技术的发展，需要不断开发新的检测技术来更准确地识 别和测量晶体缺陷。
深入研究微观机制
进一步深入研究晶体缺陷的微观机制，包括缺陷的形成、扩散、 相互作用等，有助于更好地理解缺陷对材料性能的影响。
发展新型材料
基于对晶体缺陷的深入理解，可以设计和开发具有更优性能的新 型材料。
晶体缺陷的重要性
材料性能影响
晶体缺陷对材料的物理和化学性能具有重要影响，如导电性、导热性、强度 等。
工业应用
在工业上，晶体缺陷的应用也十分广泛，如半导体器件、激光器、太阳能电 池等。
晶体缺陷的产生与演变
产生原因
晶体缺陷的产生主要有两种原因，一是材料制备过程中引入的缺陷，如熔炼、铸 造、热处理等过程中产生；二是晶体生长过程中形成的缺陷，如位错、层错等。
晶体结构缺陷

晶体结构缺陷

离子晶体中基本点缺陷类型
4）溶质原子：LM表达L溶质处于M位置，SX表达S溶质处 于X位置。 例：Ca取代了MgO晶格中旳Mg写作CaMg， Ca若填隙在MgO晶格中写作Cai。
5）自由电子及电子空穴：自由电子用符号e′表达。电子空 穴用符号h·表达。它们都不属于某一种特定旳原子全部， 也不固定在某个特定旳原子位置。
VO••
3OO
1 2
O2
例2：CaCl2溶解在KCl中：
产生K空位 ，合 理
CaCl2 KCl CaK• VK' 2ClCl
CaCl2 KCl CaK• Cli' ClCl
Cl-进入填隙位， 不合理
CaCl2 KCl Cai•• 2VK' 2ClCl
Ca进入填 隙位，不合
理
例3：MgO溶解到Al2O3晶格内形成有限置换型固溶体：
荷。为了保持电中性，会产生阴离子空位或间隙阳离子； 2、高价阳离子占据低价阳离子位置时，该位置带有正电
荷，为了保持电中性，会产生阳离子空位或间隙阴离子。
举例：
例1：TiO2在还原气氛下失去部分氧，生成TiO2-x旳反应能 够写为：
2TiO2
2TiT' i
VO••
3OO
1 2
O2
2Ti
4OO
2TiT' i
克罗格-明克符号系统
1、 缺陷符号旳表达措施 （以MX离子晶体为例） 1）空位：VM和VX分别表达M原子空位和X原子空位，V表达缺陷种类，
下标M、X表达原子空位所在位置。
VM〞=VM +2eˊ VX‥ = VX +2 h·
2）填隙原子：Mi和Xi分别表达M及X原子 处于晶格间隙位置 3）错放位置：MX表达M原子被错放在X位置上， 这种缺陷较少。
ch3.3 晶体缺陷--面缺陷(表面与界面)(07级)

ch3.3 晶体缺陷--面缺陷(表面与界面)(07级)


第三章 晶体缺陷
3. 晶界能
晶界能：形成单位面时，系统的自由能变化。 晶界能 ： 形成单位面时， 系统的自由能变化 。 它等于界面 区单位面积的能量减去无界面时该区单位面积的能量。J/㎡ 区单位面积的能量减去无界面时该区单位面积的能量。J/㎡。 • 小角度晶界的能量：主要来自位错能量( 小角度晶界的能量：主要来自位错能量(形成位错的能量和 将位错排成有关组态所作的功) 将位错排成有关组态所作的功)，而位密度又决定于晶粒间的 位向差，所以晶界能量与θ有关： 位向差，所以晶界能量与θ有关： 错中心的原子错排能。 错中心的原子错排能。 小角度晶界的晶界能是随位向差增加而增大， 小角度晶界的晶界能是随位向差增加而增大 ， 但该公式只 适用于小角度晶界，而对大角度晶界不适用。 适用于小角度晶界，而对大角度晶界不适用。 • 大角度晶界能量： 与 θ 无关， 基本上为一恒定值, 0 . 25— 大角度晶界能量 ： 无关 ， 基本上为一恒定值 , 25 1.0J/㎡ J/㎡ 的各面角均趋与稳定状态 • 在平衡状态时，三叉晶界的各面角均趋与稳定状态， 在平衡状态时 ，三叉晶界的各面角均趋与稳定状态，此时 φ1 = φ2 = φ3 = 120º。 。
第三章 晶体缺陷
3.3 表面与界面
第三章 晶体缺陷
面缺陷类型： 面缺陷类型： • 表面(crystal surface)：固体材料与气体或液体的分界面 表面( surface)： • 内界面(interface)：晶界、亚晶界、孪晶界、相界、层错 内界面(interface)：晶界、亚晶界、孪晶界、相界、 • • 晶界(grain boundaries)：位向不同的相邻晶粒之间的界面。 晶界(grain boundaries)：位向不同的相邻晶粒之间的界面。 亚晶界(sub boundaries)：晶粒又可分为更小的亚晶粒。 (sub亚晶界(sub-boundaries)：晶粒又可分为更小的亚晶粒。一般晶粒 尺寸为15~25μm。 亚晶粒尺寸为 1μm 。 亚晶粒之间的界面称为亚晶 尺寸为 15~25μm。亚晶粒尺寸为1μm。 15 μm 界。 • • • 孪晶界(twin 孪晶界(twin boundaries) ：相邻两晶粒的原子，相对一定晶面呈 相邻两晶粒的原子， 镜面对称排列，这两晶粒间的界面叫孪晶界。 镜面对称排列，这两晶粒间的界面叫孪晶界。 相界(phase 相界(phase boundaries) :合金的组织往往由多个相组成，不同的 合金的组织往往由多个相组成， 相具有不同的晶体结构和化学成分，两个相之间的界面。 相具有不同的晶体结构和化学成分，两个相之间的界面。 层错(stacking 层错(stacking faults) :
晶体缺陷化学ppt

晶体缺陷化学ppt


式中，UScho就是形成一个Schottky 缺陷时所需的能量，相应nScho为空位数。
若用1mol作空位单位，则UScho就为形成1mol空位时所需的能量，这时常 数k则改为R（R=k N0）。
Frenkel 缺陷：该缺陷是空位和间隙原子成对出现，合并式（3-11）
和（3-12），则有： nFren = N Exp（UFren /kT） 3-14 式中，UFren=U1 +U2，就是形成一个空位和一个间隙缺陷时所需的能量， 同样用1mol 作缺陷浓度单位式，就是形成1mol空位和间陷 NaCl 温度800℃ nScho=10-9～10-4 UScho=2（ev） n/N=10-10 Al 温度600℃ nScho=10-4 UScho=0.6（ev） n/N=10-1 金属铜 空位缺陷 温度1300K 浓度10-4 UScho=1（ev） n/N=10-3 间隙缺陷 温度1300K 浓度10-15 UFren=4（ev） n/N=10-18 ⑶热缺陷热力学平衡在缺陷控制过程中的应用 金属及合金常常为了控制其缺陷浓度采取热处理办法。常用的热处 理办法有：淬火和退火。淬火是指将高温的金属或合金突然放入冷却液 （常为热容大的耐高温液体），晶体骤冷下来。这样就保持了金属或合 金的高温构型和相态，当然也就保留了其高温时的高浓度热缺陷；退火 则是指，将高温的合金或金属在一定温度下保温平衡，在逐步降低温度 保温平衡，一直让其在近乎平衡条件下变到低温，当然金属或合金就得 到其低温构型或相态，也就具有较低的热缺陷。
3．浓度公式的讨论与应用 对比两种缺陷的浓度公式： nSchot = N Exp（UScho /kT）或 nScho = N Exp（UScho /RT） 3-13 nFrent = N Exp（UFren /kT）或 nFren = N Exp（UFren /RT） 3-14 ⑴ 两种缺陷的浓度都随温度升高而增加，随温度的下降而减少。显然， 当温度T→0时，缺陷浓度n→0，才会有完全有序的晶体（completedly ordered solid phase），也就是完美的晶体（ideal perfect crystals），这正是 热力学第三定律。所以实际晶体重，至少物理热缺陷是无时不在、无所不 在的，实际晶体都是缺陷晶体。 ⑵形成缺陷所需的能量位于浓度公式的指数项，其值越大，形成缺陷 就越难。对两类缺陷：UScho =U1（空位形成能）， UFren=U1 （空位形成能） +U2（间隙形成能），而且，一般说来，U1（空位形成能）＜U2（间隙形 成能），所以总有UScho＜UFren。也就是说，形成Frenkel缺陷的能量要比生 成Schottky 缺陷的能量大得多，故晶体中Frenkel缺陷的浓度要远比Schottky 缺陷的浓度小得多。
材料科学基础第三章 晶体缺陷

材料科学基础第三章 晶体缺陷


贵州师范大学
化学与材料科学学院
SCHOOL OF CHEMISTRY AND MATERIAL SCIENCE OF GUIZHOU NORMAL UNIVERSITY
贵州师范大学
化学与材料科学学院
二、点缺陷的产生 1. 平衡点缺陷及其浓度 虽然点缺陷的存在使晶体的内能增高，但 同时也使熵增加，从而使晶体的能量下降。因 此，点缺陷是晶体中热力学平衡的缺陷。 等温等容条件下，点缺陷使晶体的亥姆霍 A U T S 兹自由能变化为：
SCHOOL OF CHEMISTRY AND MATERIAL SCIENCE OF GUIZHOU NORMAL UNIVERSITY
贵州师范大学
化学与材料科学学院
三、点缺陷与材料行为 1. 点缺陷的运动 1）空位的运动
2）间隙原子的运动 3）空位片的形成
SCHOOL OF CHEMISTRY AND MATERIAL SCIENCE OF GUIZHOU NORMAL UNIVERSITY
贵州师范大学
化学与材料科学学院
第三章 晶体缺陷
CRYSTAL DEFECTS
点缺陷 位错的基本概念 位错的弹性性质 作用在位错线上的力 实际晶体结构中的位错 晶体中的界面
SCHOOL OF CHEMISTRY AND MATERIAL SCIENCE OF GUIZHOU NORMAL UNIVERSITY
贵州师范大学
化学与材料科学学院
一、点缺陷的类型
点缺陷的类型: (a) Schottky 空位; (b) Frenkel 缺陷; (c) 异类间隙原子; (d) 小置换原子; (e) 大置换原子
SCHOOL OF CHEMISTRY AND MATERIAL SCIENCE OF GUIZHOU NORMAL UNIVERSITY
[理学]第三章 晶体缺陷

[理学]第三章 晶体缺陷

起晶体的膨胀和收缩. <2>螺型位错所产生的切应力分量只与r有关<成反比>,而与
θ、z无关.只要r一定,τzθ就为常数.因此,螺型位错的应力场是 的对称的,即与位错等距离的各处,其切应力值相 等,并随着与位错距离的增大,应力值减小.
注意,这里当r→0时, τzθ → ∞,显然与实际情况不符,这说明 上述结果不适用位错中心的严重畸变区.
型位错可分为右旋〔以右拇指表示螺旋面前进方向,四指表示螺 旋面旋转方向〕和左旋螺型位错.
<3>螺型位错线与滑移矢量平行,因此一定是直线,而且位错线 的移动方向与晶体滑移方向互相垂直.
<4>纯螺型位错的滑移面不是唯一的.凡是包含螺型位错线的 平面都可以作为它的滑移面.但实际上,滑移通常是在那些原子密 排面上进行.
3、伯氏矢量的表示方法
b a uvw n为正整数 n
b b 1 b 2 a n u 1 v 1 w 1 a n u 2 v 2 w 2 a n u 1 u 2 v1 v2 w1 w2]
位错的强度,称为柏氏矢量的大小或模： ba u2v2w2
n
b1 b2 b3
b12b2 2 b3 2
3.2.3 位错的运动
、空位的平衡浓度
空位形成能：在晶体内取出一个原子放在晶体表面上〔但不改 变晶体的表面积和表面能〕所需要的能量.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".
空位的出现提高了体系的熵值 在一摩尔的晶体中如存在n个空位,晶体中有
2、伯氏矢量的特性
伯氏矢量与位错类型的关系：
刃型位错 柏氏矢量与位错线相互垂直.<依方向关系可分 正刃和负刃型位错>

第 三 章 晶 体 缺 陷


3.1.3 点缺陷的运动
点缺陷的运动方式： 点缺陷的运动方式： 空位运动。 (1) 空位运动。 (2) 间隙原子迁移 (3) 空位和间隙原子相遇，两缺陷同时消失。 空位和间隙原子相遇，两缺陷同时消失。 (4) 逸出晶体到表面 ， 或移到晶界 ， 点缺陷消失 。 逸出晶体到表面， 或移到晶界， 点缺陷消失。
3.2.1 位错的基本类型和特征
位错的类型： 位错的类型： 刃型位错（ 1.刃型位错（edge dislocation） 2.螺型位错 螺型位错（ 2.螺型位错（screw dislocation） 3.混合位错 混合位错（ 3.混合位错（mixed dislocation）
1. 刃型位错
（1）刃型位错（edge dislocation）的产生 刃型位错（ 晶体局部滑移造成的刃型位错 刃型位错图示： （2） 刃型位错图示：18 刃型位错线：多余半原子面与滑移面的交线 交线。 刃型位错线：多余半原子面与滑移面的交线。 （3）刃型位错特征： 刃型位错特征： 刃型位错有一个额外的（ 多余） 半原子面。 ① 刃型位错有一个额外的 （ 多余 ） 半原子面 。 一般把多 出的半原子面在滑移面的上边的称为正刃型位错 正刃型位错用 出的半原子面在滑移面的上边的称为 正刃型位错 用 “ ⊥ ” 表 把多出在下边的称为负刃型位错 负刃型位错用 表示。 示;而 把多出在下边的称为负刃型位错用“┬”表示。19 刃型位错是直线、 折线或曲线。 它与滑移方向、 ② 刃型位错是直线 、 折线或曲线 。 它与滑移方向 、 伯氏 矢量（b)垂直 垂直。 矢量（b)垂直。20
点缺陷示意图
(a) 肖特基空Biblioteka 晶体中的点缺陷(b) 弗仑克尔缺陷 弗仑克尔缺陷
点缺陷类型1 点缺陷类型1

第三章-晶体缺陷与扩散

KCl • K
K : Cl = 2 : 2 对于非化学计量化合物，当存在气氛不同时，原子之间的比
例是改变的。如TiO2 由 1 : 2
变成 1 : 2-x (TiO2 - x )
(2) 位置增殖 形成Schottky缺陷时增加了位置数目。 能引起位置增殖的缺陷：空位(VM 、VX)、置换杂质原子 ( MX 、XM)、表面位置等。 不发生位置增殖的缺陷：e/ , h. , Mi , Xi , Li 等。 当表面原子迁移到内部与空位复合时，则减少了位置数 目（MM 、XX）。 (3)质量平衡 参加反应的原子数在方程两边应相等。 (4)电中性 缺陷反应两边总的有效电荷必须相等。 (5)表面位置 当一个M原子从晶体内部迁移到表面时，用符号MS表示。 S 表示表面位置。在缺陷化学反应中表面位置一般不特
－G f n exp( ) N 2 KT
3 非化学计量结构缺陷（电荷缺陷）
存在于非化学计量化合物中的结构缺陷，化合物化学组成与
周围环境气氛有关；不同种类的离子或原子数之比不能用简单整
数表示。如氧化钛TiO2-x 。
4、杂质缺陷
（由于外来原子进入晶体而产生的缺陷）
概念——外来原子进入晶体而产生的缺陷。原子进入晶体的 数量一般小于0.1%。间隙杂质、置换杂质 特点——杂质缺陷的浓度与温度无关，只决定于溶解度。
有效负电荷不同于实际电荷，它相当于缺陷及其四周的总电荷 减去理想晶体中的同一区域处的电荷之差，对电子和空穴而言，它 们的有效电荷与实际电荷相等。 以MX离子晶体为例（ M2＋ X2－ ）：
（1）空位： VM 表示M原子占有的位置，在M原子移走后出现的空位； VX 表示X原子占有的位置，在X原子移走后出现的空位。 把离子化合物看作完全由离子构成（这里不考虑化学键 性质），则在 NaCl晶体中，如果取走一个Na+ 晶格中多了 一个e, 因此VNa 必然和这个e相联系，形成带电的空位——

晶体缺陷


KF = exp( EF
T——绝对温度 绝对温度
KF
)
K—波尔兹曼常数 波尔兹曼常数K=1.38×10-33J/K 波尔兹曼常数 ×
由此得
ni = N N i exp( Ef RT )
在晶体中N= Ni，则 在晶体中
ni = exp( Ef ) 2 RT N
式中n 式中 i/N——弗仑克尔缺陷的浓度 弗仑克尔缺陷的浓度 该式表示弗仑克尔缺陷浓度与缺陷生成能及 温度有关系。 温度有关系。
′ ′ ′ ′ V Na + Vcl = (V NaVcl )
缺陷作为化学物质， 缺陷作为化学物质 ， 则可同一般化学反 应一样可应用质量作用定律。 应一样可应用质量作用定律。 在写缺陷反应方程式时， 在写缺陷反应方程式时 ， 必须遵循以下 原则： 原则： 1、位置关系 化学物M X=a： 化学物MaXb中，M：X=a：b永远不变 Mg：O=1 MgO Mg：O=1：1
Cacl 2 ( S ) → CaL + Vk + 2Cl Cl
Kcl
式中不带电，实际上，都是离子性材料，应为 式中不带电，实际上，都是离子性材料， CaCl2，KCl均为强离子材料，考虑到氧化 均为强离子材料， 均为强离子材料
Kcl Cacl 2 ( S ) → Ca ′′ + 2Vk′ + 2Cl Cl
缺陷深度不大时，nv＜ N
nv Es = exp( ) N 2 RT
与弗仑克尔公式相比，具有一样的形式， 与弗仑克尔公式相比，具有一样的形式， 则可以归纳为： 则可以归纳为：
n E = exp( ) N 2 RT
式中： 式中：n/N——缺陷浓度 缺陷浓度 E——缺陷生成能 缺陷生成能

3 晶体缺陷

(一根不分岔的位错线，不论其形状如何变化，也不管位错线 上各处的位错类型是否相同，其各部位的柏氏矢量都相同； 当位错在晶体中运动或者改变方向时，柏氏矢量不变)
若位错分解, 各位错柏氏矢量之和等于原位错的柏 氏矢量。若有数根位错线相交于一点(称为位错结点)，则
指向结点的各位错线的柏氏矢量之和应等于离开结点的各位 错线的柏氏矢量之和.
柏氏矢量与回路起点及其具体途径无关。(如果 规定了位错线的正向，并按右螺旋法则确定回 路方向，那么一根位错线的柏氏矢量就是恒定 不变的。) 只要不和其他位错线相遇，不论回路 怎样扩大、缩小或任意移动，由此回路确定的 柏氏矢量是唯一的，即柏氏矢量的守恒性。
out
28
一根位错线具有唯一的柏氏矢量。
15Βιβλιοθήκη 刃型位错结构的特点1. 有一个额外的半原子面。一般把多出的半原子面 在滑移面上边的称为正刃型位错，记为“⊥”； 多出在下边的称负刃型位错。记号而已。
2. 刃型位错线可理解为晶体中已滑移区与未滑移区 的边界线。可以是直线、折线或曲线，但必与滑 移方向相垂直，也垂直于滑移矢量.
out
16
3. 滑移面必定是同时包含有位错线和滑移矢量的平 面，在其他面上不能滑移。( 由于刃型位错中，位 错线与滑移矢量互相垂直，由它们所构成的平面 只有一个)。
位错移动一个原子间距,
而附近原子只移动很小
out
距离.因此,位错运动只需 很小的切应力. 这就是整
体移动理论与实际3相3 差
甚远的原因.
注意: 滑移时，刃型位错的运动方向始终垂直位错 线而平行柏氏矢量。刃型位错的滑移面就是由位错线 与柏氏矢量所构成的平面，因此刃型位错的滑移限于 单一的滑移面上。
螺型位错的运动 方向始终垂直位 错线和柏氏矢量

晶体缺陷 例题(2013级)


3
2
6
• （4）a[100] a [111] a [1 1 1]
2
2
• 习题解答：
• 根据位错反应的两个条件
• (1) 能 （2）、（3）、（4）均不能。
3-21 解答
第三章 晶体缺陷
第三章 晶体缺陷
3-21 解答（续）
第三章 晶体缺陷
第三章 晶体缺陷 结合第3章和第5章 谈谈晶界的特征及其在塑性变形中的作用
第三章 晶体缺陷
例题6：方形晶体中有两根刃型位错，如下图：（1）当周围晶体 中：（a）空位多于平衡值；(b）空位少于平衡值；(c）间隙原 子多于平衡值；（d）间隙原子少于平衡值时，位错易于向何种 方向攀移？（2）加上怎样的外力，才能使这两根位错线通过纯 攀移而相互靠拢？
• （1）晶体中刃型位错的正攀移（空位迁 移到或间隙原子离开多余半原子面下端， 多余半原子面缩小）会吸收空位或产生间 隙原子，反之，负攀移（间隙原子迁移到 或空位离开多余半原子面下端，多余半原 子面扩大）会吸收间隙原子和放出空位， 故（a）（d）两种情况下位错易发生正攀 移；(b) (c) 两种情况下位错易发生负攀移
• （3）在足够大的切应力τ作用下， 位错环上部晶体将不断沿x轴方向 运动，下部将沿x轴负方向运动。 根据右手法则，这种运动必然使 位错环个边向位错环的外侧运动， 使位错环扩大。当位错环移出晶 体后，上下两部分晶体相对滑动 一个柏氏矢量b大小的距离，结果 在晶体左右两侧面形成两个相反 的台阶，台阶的宽度为b的大小。
余半原子面的扩大与缩小。 • 交滑移：纯螺位错、相交位错线的多个滑移面；
位错增殖
第三章 晶体缺陷
• 例题9. 判断下列位错反应能否进行：
•
（1）

第三章 晶体缺陷习题及作业


（4）求出此两位错的柏氏矢量和。
4、假定有一个b在 [0-10]晶向的刃型位错沿着（100）晶面滑 动，
a)如果有另一个柏氏矢量在[010]方向，沿着（001）晶面上 运动的刃型位错，通过上述位错时该位错将发生扭折还是 割阶？ b)如果有一个b方向为[100]，并在（001）晶面上滑动的螺 型位错通过上述位错，试问它将发生扭折还是割阶？
作业
1 、为什么说空位是热力 学平衡点缺陷？ 2、指出图中ABCDA各个 线段位错线是什么性 质的位错。它们在外 力txy 作用下将如何运 动。 （位错线的方向为顺时针） 图1
b
3、在一个简单立方的二维晶体中，画出一个正刃型位错和一 个负刃型位错。 （1）用柏氏回路求出正、负刃型位错的柏氏矢量； （2）若将正、负刃型位错反向时，其柏氏矢量是否也随之反 （3）具体 移 面 ABCD 平 行 于 晶 体的上下表面，晶体中 有一位错线fed，de段在 滑移面上并平行于AB,ef 段垂直于滑移面，位错 的柏氏矢量b与de平行而 与ef垂直。 （1）欲使de段位错线在 ABCD滑移面上运动而 ef不动，应对晶体施加 怎样的应力？ （2）在上述应力作用下de 段位错线如何运动？晶 体外形如何变化。
5、如图所示立方晶体的滑 移面ABCD平行于晶体 的上下底面，该滑移面 上有一正方形位错环。 如果位错环底各段分别 与滑移面各边平行，其 柏氏矢量b//AB,回答下 列问题： （位错线的 方向为顺时针） （1）认为位错环离开晶 体后，滑移面上产生的 滑移台阶应为4个b,对 吗？为什么？ （2）画出滑移方向.
  1. 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
  2. 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
  3. 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。

(5)螺型位错线周围的点阵也发生了弹性畸变，但是，只有平
行于位错线的切应变而无正应变，即不会引起体积膨胀和收缩，
且在垂直于位错线的平面投影上，看不到原子的位移，看不出
有缺陷。(6) 螺型位锗周围的点阵畸变随离位错线距离的增加而
急剧减少，故它也是包含几个原子宽度的线缺陷。
h
15

3、混合位错
h
16
h
h
7
3.1.3、空位的平衡浓度
空位形成能：在晶体内取出一个原子放在晶体表面上（但不改 变晶体的表面积和表面能）所需要的能量。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”。
空位的出现提高了体系的熵值
在一摩尔的晶体中如存在n个空位，晶体中有N=6.023×1023个晶格 置，这是空位的浓度为x=n/N，系统熵值为：
第三章 晶体缺陷
3.1 点缺陷 3.2 线缺陷 3.2.1 位错的基本类型和特征 3.2.2 柏氏矢量 3.2.3 位错的运动 3.2.4 位错的弹性性质 3.2.5 位错的生成与增殖 3.2.6 位错与晶体缺陷的相互作用 3.2.7 实际晶体中的位错
h
1
3.3 表面及界面 3.3.1 外表面 3.3.2 晶界和亚晶界 3.3.3 相界
h
2
晶体中的缺陷概论
晶体缺陷：即使在每个晶粒的内部，也并不完全象 晶体学中论述的(理想晶体)那样，原子完全呈现 周期性的规则重复的排列。把实际晶体中原子排 列与理想晶体的差别称为晶体缺陷。晶体中的缺 陷的数量相当大，但因原子的数量很多，在晶体 中占有的比例还是很少，材料总体具有晶体的相 关性能特点，而缺陷的数量将给材料的性能带来 巨大的影响。
h
3
晶体缺陷按范围分类：
1. 点缺陷 在三维空间各方向上尺寸都很小，在原 子尺寸大小的晶体缺陷。
2. 线缺陷 在三维空间的一个方向上的尺寸很大(晶 粒数量级)，另外两个方向上的尺寸很小(原子尺 寸大小)的晶体缺陷。其具体形式就是晶体中的 位错Dislocation
3. 面缺陷 在三维空间的两个方向上的尺寸很大(晶 粒数量级)，另外一个方向上的尺寸很小(原子尺 寸大小)的晶体缺陷。
出晶体，就会造成晶体中的空位浓度超过这时的平
衡值。过饱和空位的存在是一非平衡状态，有恢复
到平衡态的热力学趋势，在动力学上要到达平衡态
还要一时间过程。
3.3.4 点缺陷的运动
0ZexpSmexp ET m
h
布朗运动 原子的自扩散 固态相变 表面化学热处理 蠕变
10
3.2 位错
线缺陷：在三维空间的一个方向上的尺寸很大(晶粒数量级)，
离原结点位置才能平衡，即造成小区域的晶格畸变。
效果
1)
提高材料的电阻 定向流动的电子在点缺陷处受到非 平衡力(陷阱)，增加了阻力，加速运动提高局部温度
(发热)。
2) 加快原子的扩散迁移 空位可作为原子运动的周转站。
3) 形成其他晶体缺陷 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。
4) 改变材料的力学性能 空位移动到位错处可造成刃位 错的攀移，间隙原子和异类原子的存在会增加位错的 运动阻力。会使强度提高，塑性下降。
另外两个方向上的尺寸很小(原子尺寸大小)的晶体缺陷。其 具体形式就是晶体中的位错Dislocation
3.2.1、位错的基本类型和特征
1、刃型位错
参看南昌第一章动画
h
11
刃型位错结构的特点： (1)刃型位错有一个额外的半原子面。有正负之分。 (2)刃型位错线可理解为晶体中己滑移区与未滑移区的边界线。
3）置换原子： 在一种类型的原子组成 的晶格中，不同种类的原子替换原有的 原子占有其应有的位置。
h
5
空位的形成能Ev：
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”。
h
6
3.1.2、点缺陷对材料性能的影响
原因：无论那种点缺陷的存在，都会使其附近的原子稍微偏
h
8
平衡空位浓度 体系的自由能最低时，晶体处于平 衡稳定状态，晶体中存在的空位浓度。
设每个空位的形成能为u，空位浓度为x时自由能 的变化为：
P83间隙原子的平衡浓度与空位平衡浓度的区别。
h
9
过饱和空位 晶体中含点缺陷的数目明显超过平衡
值。如高温下停留平衡时晶体中存在一平衡空位，
快速冷却到一较低的温度，晶体中的空位来不及移
h
4
3.1 点缺陷
点缺陷：在三维空间各方向上尺寸都很小，在原子尺寸大小
的晶体缺陷。
3.1.1、点缺陷的形成
点缺陷通常有三种类型：
1) 空位： 在晶格结点位置应有原子的
地方空缺，这种缺陷称为“空位”。
2）间隙原子： 在晶格非结点位置，往 往是晶格的间隙，出现了多余的原子。
它们可能是同类原子，也可能是异类 原子。
型位错可分为右旋（以右拇指表示螺旋面前进方向，四指表示
螺旋面旋转方向）和左旋螺型位错。
(3)螺型位错线与滑移矢量平行，因此一定是直线，而且位错
线的移动方向与晶体滑移方向互相垂直。
(4)纯螺型位错的滑移面不是唯一的。凡是包含螺型位错线的
平面都可以作为它的滑移面。但实际上，滑移通常是在那些原
子密排面上进行。
17
3.2.2 伯氏矢量 1、 伯氏矢量的确定
确定方法： 首先在原子排列基本正常区域作一个包含位错的 回路，也称为柏氏回路，这个回路包含了位错发生的畸变。 然后将同样大小的回路置于理想晶体中，回路当然不可能 封闭，需要一个额外的矢量连接才能封闭，这个矢量就称 为该位错的柏氏(Burgers)矢量。
它不一定是直线，也可以是折线或曲线，但它必与滑移方向相 垂直，也垂直于滑移矢量，如图3．5所示。
(3)滑移面必定是同时包含有位错线和滑移矢量的平面，在其 他面上不能滑移。刃型位错中，位错线与滑移矢量互相垂直， 因此，由它们所构成的平面只有一个。
(4)晶体中存在刃型位错之后，位错周围的点阵发生弹性畸变， 既有切应变，又有正应变。就正刃型位错而言，滑移面上方点 阵受到压应力，下方点阵受到拉应力；负刃型位错与此相反。
(5)在位错线周围的过渡区(畸变区)每个原子具有较大的平均能 量。但该区只有几个原子间距宽，畸变区是狭长的管道，所以 刃型位错是线缺陷。
h
12
h
13
2、螺型位错
参看南昌第一章动画
h
14
螺型位错具有以下特征：
(1)螺型位错无额外半原子面，原子错排是呈轴对称的。
(2)根据位错线附近呈螺旋形排列的原子的旋转方向不同．螺