7.1晶体缺陷的基本类型

晶体缺陷晶体缺陷crystal defects实际晶体中原子偏离理想的周期性排列的区域称作晶体缺陷。

晶体缺陷在晶体中所占的总体积很小，也就是说，实际晶体中的绝大部分区域，原子排列于周期性位置上。

因此，晶体缺陷是近完整晶体中的不完整性。

但晶体缺陷对固体的许多结构敏感的物理量（如引起形变的临界切应力、扩散系数等）有极大的影响，晶体缺陷的研究对材料的强度、热处理等问题的研究有很重要的作用。

晶体缺陷分为：①点缺陷，包括空位、自填隙原子、代位原子、异类填隙原子等；②线缺陷，如位错；③面缺陷，如堆垛层错、孪晶界、反相畴界等，面缺陷还可以包括晶体表面、晶界和相界面（见界面）。

点缺陷图1是点缺陷的示意图,表示各种点缺陷的形式。

热平衡状态下点缺陷浓度C 遵从统计物理规律C＝exp(－u/kT)这里k是玻耳兹曼常数;T是绝对温度;u是点缺陷形成能。

常用金属铁、铜、铝等的室温平衡空位浓度很小，接近熔点时的空位浓度约为 10-4。

自填隙原子形成能是空位形成能的3～4倍，其平衡浓度极小。

代位原子和异类填隙原子的最大浓度由相图决定。

表面空位和增原子的形成能和表面的取向关系很大,但都比体空位形成能小。

在某些表面，它们的形成能只有体空位形成能的一半。

因此它们的平衡浓度比体空位高得多（见晶体表面）。

界面的曲率半径ρ对平衡空位浓度Cv的影响由下式表示：这里 C0是界面曲率为零(曲率半径ρ为无穷大)的空位浓度，σ是界面能，V是原子体积。

图2a表示曲率半径不同引起的表面空位的浓度差（曲率半径不同对界面附近体空位浓度的影响类似）。

表面增原子浓度受到的影响和表面空位受到的影响相反(上式的括号内加一负号)。

由此引起的表面空位流和增原子流会使波浪状表面变平（图2a）；使两个颗粒颈部变粗（图2b）。

这是粉末冶金烧结过程的重要理论依据。

非平衡状态下点缺陷浓度可以大大超过平衡浓度。

从熔点附近淬火后得到的过饱和空位浓度可以比平衡浓度大几个数量级。

形变产生的空位浓度达10-4 ε(ε是应变量)。

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。

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。

第七章晶体缺陷透射电子显微镜下观察到不锈钢316L (00Cr17Ni14Mo2)的位错线与位错缠结§7-1 引言前面讲的都是理想状态的完整晶体，晶体中没有任何缺陷，晶体中的所有原子都在各自的平衡位置，处于能量最低状态。

然而这样的理想晶体在现实中是不存在的，实际晶体中存在着大量的这样那样的缺陷。

所以，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。

一、晶体缺陷的分类按照晶体缺陷的几何形态可以分为四类：点缺陷(point defects)——零维缺陷线缺陷，又称为位错(dislocation)——一维缺陷面缺陷——二维缺陷体缺陷——三维缺陷二、晶体缺陷对材料的影响晶体缺陷对晶体材料性能的影响非常大：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。

§7-2 点缺陷常见的点缺陷有：空位(vacancy间隙原子(interstitial atom)置换原子(substitutional atom)图3.1 晶体中的各种点缺陷1-大的置换原子；2-肖脱基空位；3-异类间隙原子；4-复合空位；5－弗兰克尔空位；6-小的置换原子3、过饱和空位形成在一定温度时，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（空位和间隙原子）的方式：淬火(quenching)：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(cold work)：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(raidation)：高能粒子（中子、质子、氘核、α-粒子、电子等）照射时，晶体点阵上的原子被击出，进入点阵间隙，留下空位，并形成间隙原子。

间隙原子又可分为两种：同类的间隙原子，如前所述，一般是空位形成时产生的，空位浓度越高，则同类间隙原子的浓度也越高。