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第三章晶体缺陷-2016教材

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《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 。

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 )

无机材料科学基础 第三章晶体结构缺陷

无机材料科学基础 第三章晶体结构缺陷
2、造成晶体结构缺陷的原因:
实际晶体温度总是高于绝对零度(热缺陷) 实际晶体总是有限大小(表面/界面缺陷) 实际晶体总是含有或多或少的杂质(外来缺陷)
缺陷就是对于理想晶体结构的偏离
第三章晶体结构缺陷一
3、缺陷对于晶体的影响
影响晶体的电学以及力学性能 影响晶体内部质点的扩散 影响晶体的烧结和化学反应活性 形成非化学计量物质,改变材料的物理化学性能
杂质原子(掺杂原子)其量一般小于0.1%，进入主晶格后，因杂 质原子和原有的原子性质不伺，故它不仅破坏了原子有规则的 排列，而且在杂质原子周围的周期势场引起改变，因此形成一 种缺陷。
特点： A 杂质原子又可分为间隙杂质原子及置换杂质原子两种。前者
是杂质原子进入固有原子点阵的间隙中；后者是杂质原子替代 了固有原子。杂质原子在晶格中随机分布，不形成特定的结构。 B 晶体中杂质原子含量在未超过其固溶度时，杂质缺陷的浓度 与温度无关，这与热缺陷是不同的。
点缺陷的名称→
□←点缺陷所带的 有效电荷
× 中性 ● 正电荷
' 负电荷
○←点缺陷在晶体中占的位置
第三章晶体结构缺陷二
（ X原1）子空空位位：。用VM和Vx分别表示M原子空位和
（2）填隙原子：用Mi和Xi表示。 （3）错放位置：Mx表示M原子错放在X位置。 （4）溶质原子： LM表示L溶质处在M位置。 （5）自由电子及电子空穴：有些电子不一定
(1)弗伦克尔缺陷： 弗伦克尔缺陷可以看作是正常格点 离子和间隙位置反应生成间隙离子和空位的过程。
正常格点离子+未被占据的间隙位置〓间隙离子+空位
第三章晶体结构缺陷二
•例如在AgBr中，弗伦克尔缺陷的生成可写成：AgAg+Vi=Agi´+VAg · •由质量作用定律，

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：
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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
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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
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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
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第 三 章 晶 体 缺 陷

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

晶体结构缺陷课件

晶体结构缺陷课件

精选课件
7
图3-1 点缺陷的种类
精选课件
8
2、根据缺陷产生原因划分 1）热缺陷：当晶体的温度高于绝对0K时，由于晶格内
原子热振动，使一部分能量较大的原子离开平衡位置而 造成缺陷，这种缺陷称为热缺陷。热缺陷有两种基本形 式：弗仑克尔缺陷（Frenkel defect）和肖特基缺陷 (Schottky defect)。
离子晶体中基本点缺陷类型
精选课件
16
4）溶质原子：LM表示L溶质处在M位置，SX表示S溶质处 在X位置。 例：Ca取代了MgO晶格中的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′表示。电子空 穴用符号h·表示。它们都不属于某一个特定的原子所有， 也不固定在某个特定的原子位置。
(b)晶体的体积不发生改变。 (b)伴随有晶体体积的增加；
(c)肖特基缺陷的生成需要一个晶格上
混乱的区域，如晶界、位错、表面位置等。
精选课件
12
2）杂质缺陷：外来原子进入晶体而产生的缺陷。包括间隙杂质原 子和取代杂质原子。
3）非化学计量结构缺陷：有一些化合物，它们的化学组成会明显 随着周围气氛的性质和压力大小的变化而发生组成偏离化学计量 的现象，称之为非化学计量缺陷，它是生成n型或p型半导体的基 础。例如：TiO2在还原气氛下变为TiO2-x（x=0~1），这是一种n型 半导体。
精选课件
19
3）质量平衡：缺陷方程的两边必须保持质量平衡。缺陷 符号的下标仅表示缺陷位置，对质量平衡不起作用。如 VM为M位置上的空位，它不存在质量。
4）电荷守恒：在缺陷反应前后晶体必须保持电中性，即 缺陷反应式两边必须具有相同数目的总有效电荷。

第三章 晶体缺陷

第三章 晶体缺陷

§3.1.3 缺陷化学反应表示法
⑴ 写缺陷反应方程式应遵循的原则 与一般的化学反应相类似，书写缺陷反应 方程式时，应该遵循下列基本原则： a. 位置关系 b. 质量平衡 c. 电中性
a.位置关系： 在化合物MaXb中，无论是否存在缺陷， 其正负离子位置数（即格点数）的之比始 终是一个常数a/b，即：M的格点数/X的格 点数a/b。如NaCl结构中，正负离子格点 数之比为1/1，Al2O3中则为2/3。
• 固溶体强度与硬度高于各组元，而塑性则较低。
• 5. 固溶体的研究方法
㈠ 理论密度的计算
• ㈡ 固溶体化学式的写法
• 例题：在ZrO2中加入CaO，生成固溶体，在1600℃， 该固溶体具有萤石结构，经XRD分析，当溶入0.15分 子CaO时，晶胞参数a＝0.513nm，测得密度 D=5.447g/cm３,求计算密度，并判断固溶体的种类。
'' Ca
b. 弗仑克尔缺陷浓度的计算
AgBr晶体形成弗仑克尔缺陷的反应方程式为： AgAg Ag. 平衡常数K为：
' V i Ag
K
式中 [AgAg]1。
[ Ag ][V ] [ Ag Ag ]
. i ' Ag
. i
' Ag
G 又G=－RTlnK ,则 [ Ag ] [V ] exp( ) 2 RT
CaF2晶体形成肖特基缺陷反应方程式为：
O V 2V
'' Ca
. F
动态平衡
'' . 2 [VCa ][VF ] 4[VCa'' ]3 K [O] [O]
G=－RTlnK
. '' [ V ] 2 [ V 又[O]=1， F Ca ]

《晶体缺陷》PPT课件

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则
z
Gb
2r
WS
1 2
R Gb2
r0 2r
dr
Gb 2 ln R
4 r0
Gb2 R
ES
4
ln r0
6．6．2 刃型位错应变能
类似可求得单位长度刃型位错应变能
Ee
Gb2
4 (1
v)
ln
R r0
51
6．6．3 混合位错的应变能
任何一个混合位错都可分解为一刃型位错和一个螺型位错，设其柏氏矢量b与位错线 交角为θ，则 :
有一定平衡数量的空位和间隙原子，其数量可近似算出。
设自由能F=U－TS U为内能，S为系统熵（包括振动熵SV和排列熵SC） 空位的引入，一方面由于弹性畸变使晶体内能增加； 另一方面又使晶体中混乱度增加，使熵增加。而熵 的变化包括两部分： ① 空位改变它周围原子的振动引起振动熵，SV ② 空位在晶体点阵中的排列可有许多不同的几何组 态，使排列熵SC增加。
18
6．2．3 混合位错
位错线上任一点的滑移矢量相同，但两者方向夹角呈 任意角度，图为混合位错的产生
6．3 柏氏矢量
柏氏矢量是描述位错性质的一个重要物理量，1939年 Burgers提出，故称该矢量为“柏格斯矢量”或“柏 氏矢量”，用b 表示
1．柏氏矢量的确定（方法与步骤）
1）人为假定位错线方向，一般是从纸背向纸面或由上 向下为位错线正向
设立刃型位错模型，
由弹性理论求得：
xx
D
y(3x2 (x2
y2) y2 )2
yy
D
y(x2 y2 ) (x2 y2)2
zz v(xx yy)
xz zx yz zy 0
xy

第三章 晶体缺陷-3.3

第三章 晶体缺陷-3.3

43
44
三叉晶界
3个界面相交于一个三叉界棱。在达到平衡状
态时，O点处的界面张力必须达到力学平衡。
12 23 cos 2 31 cos 1 0 12 2 3 31 sin 3 sin 1 sin 2
O
在平衡状态下，三叉晶界的各面角均趋向于最稳
Gb 0 4 (1 )
随着θ的增加而增大 公式只适于小角度晶界
A 积分常数，取决于位错中心的原子错排能
42
• 大角度晶界的晶界能 • 原子排列混乱，界面原子键合受到很大的破 坏，具有高的化学键能，并且不随位向差改 变，为一水平线； • 但是一些特殊位向的大角晶界，由于能够形 成重合位置的点阵，界面上有高密度的重合 位置原子，因而使界面能有所下降。
6
3.3.1 外表面
表面的弛豫与再构-减小表面的能量。
表面的特点 –原子部分被包围，相邻原子少，畸变 –成分偏聚和表面吸附，成分有变化
造成表层的点阵畸变，使它们的能量比内部原子高， 这几层高能量的原子层称为表面。
7
表面能
表面能(J/m2)：晶体表面单位面积自由能的增加。 可以理解为产生单位新表面所作的功。
20
Fig. SEM images of Cu2O crystals grown with M(EDTA) = M(Cu2+) = 1.25 mmol and pH = 11 at different reaction times: (A) 8 h; (B) 12 h; (C) 18 h; (D) 24 h. Scale bar =10 um.
40
3. 晶界能
• 晶界能定义为形成单位面积界面时，系
统的自由能变化（dF/dA ）

材料科学基础课件第三章晶体缺陷

材料科学基础课件第三章晶体缺陷
课件 7
当然不能否认当缺陷比例过高以致于 这种“完整性”无论从实验或从理论上都 不复存在时，此时的固体便不能用空间点 阵来描述，也不能被称之为晶体。这便是 材料中的另一大类别：非晶态固体。对非 晶固体和晶体，无论在原子结构理论上或 是材料学家对它们完美性追求的哲学思想 上都存在着很大差异，有兴趣的同学可以 借助于参考书对此作进一步的理解。
课件 28
由于(N + n)!/N!n!中各项的数目都很大 (N>>n>>1)，可用斯特林(Stirling)近似公式： lnx ! = x lnx－x (x>>1时) 则有： Sc = k lnΩ= k ln[(N +n)!/N!n!] = k ln(N + n )!－kln N!－k lnn!= k (N +n )ln(N +n )－ k(N +n)－kN lnN＋kN －knlnn＋kn = k(N +n)ln(N +n)－kN lnN －kn lnn (3-206) 将(3-206)式代入(3-201)式得： F = nEv －kT [(N +n) ln(N +n)－N lnN －nlnn]－nTSv (3-207)
课件
20
三、肖脱基和弗仑克尔空位 脱离了平衡位置的原子，我们称为离位 原子。那么离位原子在晶体中可能占据的 位置有哪几种？不难想象，有如下一些情 况： (1)离位原子迁移到晶体内部原有的空 位上，此时，空位数目不发生变化。
课件
21
课件
22
课件
23
四、点缺陷的平衡浓度 1.点缺陷平衡浓度的概念 点缺陷形成的驱动力与温度有关，对 此，我们深信不疑。在一定的温度场下， 能够使原子离位形成点缺陷，那么点缺陷 的数目会无限制增加吗？从理论上分析可 以知道：一定温度下，点缺陷的数目是一 定的，这就是点缺陷的平衡浓度。
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位错的运动-滑移，是有缺陷晶体的局部滑动
1、存在着某种缺陷---位错（dislocation） 2、位错的运动（逐步传递）=>晶体的逐步滑移
日常生活和大自然的启示=〉
小人移大毯！
毛毛虫的蠕动
2019/6/13
《材料科学基础》CAI课件-李克
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（三）实验验证
证实：
依靠电子显微分析技术
20世纪50年代，电镜实验观察到螺旋位 错；位错等晶体缺陷因此得以成为六、 七十年代的研究热点。
（2）冷加工、高温淬火 （3）高能粒子辐照--产生过饱和缺陷
2019/6/13
《材料科学基础》CAI课件-李克
5
3.1.2、点缺陷的平衡浓度- （P85,86）课外
根据热力学原理，对空位、间隙原子平衡浓度进行推导， 得到：
C Aexp( Qf / RT )
C

A exp(
E

V
)
kT
（3.7）空位 （3.8）间隙原子
位错怎么运动？
晶体局部滑动的推进
运动前方：未滑动区域 运动后方：已滑动区域
分类：根据几何结构特征，分为刃型位错和螺型位错。
2019/6/13
《材料科学基础》CAI课件-李克
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1. 刃型位错 edge dislocation
特征：
1）额外原子面， 刃口处的原子列称为位错线。半原子面 在上,正刃型位错 ┻ ；下为负刃型位错 ┳ 2）位错线-滑移区域边界线。不一定是直线，可以是折线， 也可以是曲线， 但位错线必与滑移矢量垂直。图3.5 3）位错线垂直于滑移矢量，位错线与滑移矢量构成的面 是滑移面， 刃位错的滑移面是唯一的。 4）刃型位错周围的晶体产生点阵畸变，上压， 下拉， 半 原子面是对称的， 位错线附近畸变大， 远处畸变小。 5）位错周围的畸变区一般只有几个原子宽（一般点阵畸 变程度大于其正常原子间距的1/4的区域宽度， 定义为位 错宽度， 约2~5个原子间距。） * 畸变区是狭长的管道， 故位错可看成是线缺陷。
据
零维缺陷 (zero-dimensional defect)
几
何 特
线缺陷 （line defect) 在二个方向尺寸均很小
征
一维缺陷 (one-dimensional defect)
分 类
面缺陷 （plane defect) 在一个方向上尺寸很小
二维缺陷 (two-dimensional defect)
杂质或溶质原子：
间隙式（小原子）或 置换式（大原子）
2019/6/13
《材料科学基础》CAI课件-李克
4
3.1.1、点缺陷的形成 原因
（1）热运动—产生热平衡缺陷，产生与消亡达致平衡 能量起伏=〉原子脱离原来的平衡位置而迁移别处 肖特基空位，-〉晶体表面 =〉空位(vacancy) 弗兰克尔空位，-〉晶体间隙 空位消失或移位
晶体中的生长螺旋
位错理论进一步发展，用于研究固态相 变，晶体的声、光、电、磁、热、催化、 表面性质
2019/6/13
《材料科学基础》CAI课件-李克
刃型位错
12
3.2.1 位错的基本类型和特征
定义：是原子排列的一种特殊组态，是晶体中的线缺陷， 是滑移面上已滑动区域与未滑动区域的边界。
位错在哪里？
两区域边界即位错所在位置
点缺陷对晶体性能的影响：
1）电阻增大 2）体积膨胀，密度减小 3）有利于原子扩散 4）过饱和缺陷可提高机械性能，如屈服强度
2019/6/13
《材料科学基础》CAI课件-李克
8
3.2 位错dislocation –– 线缺陷
线缺陷—位错，材料科学中的有关晶体的核心概念之一； 也是难懂的概念之一。
对位错的认识过程：实验观察 理论解释 efects that makes materials so interesting, just like the human being.
Defects are at the heart of materials science.
材料中 的缺陷
宏观缺陷：孔洞，裂纹，氧化，
腐蚀，杂质…
微观缺陷：
晶体缺陷
非晶体缺陷--
2019/6/13
《材料科学基础》CAI课件-李克
2
晶体缺陷：晶体中各种偏离理想结构的区域。
对屈服强度、断裂强度、塑性、电阻率、磁导率产生重要影响。 与扩散、相变、塑性变形、再结晶等有密切关系。
根
点缺陷 （point defect) 三维空间的各个方向均很小
（一）实验观察
首先，实验观察到位错的“线 索”或“影子” –滑移线
怎么解释？ 机制是什么？
2019/6/13
变形晶体表面的滑移线
《材料科学基础》CAI课件-李克
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（二）理论解释
• 单晶体强度：理论计算值与实验之间存在巨大误差
理论值：根据刚性相对滑动模型得到tc=103~104MPa 实验值：tc=1~10 MPa，相差甚远 ？
第三章 晶体缺陷
【本章主要内容】
3.1 点缺陷的类型及形成 3.2 线缺陷（位错）类型和特征 位错的运动：滑移和攀移、运动位错的交割（扭折与
割阶） 位错的生成原因与增殖方式
简述晶体中产生位错的主要来源。
3.3 面缺陷：晶界和相界特点
简述晶界具有哪些特性。
2019/6/13
《材料科学基础》CAI课件-李克
2019/6/13
《材料科学基础》CAI课件-李克
3
3.1 点缺陷
点缺陷：是晶体内结点上或邻近的微观区域内偏离正常晶粒结构排列的
一种缺陷。包括空位、间隙原子、溶质原子和杂质原子、复合体（如：
空位对、空位-溶质原子对）
*点缺陷分类：
肖特基缺陷：
原子迁移到表面— 晶体内部形成空位
弗仑克尔缺陷：
原子迁移到间隙中—形 成空位-间隙对
计算中的假设：
• 1 完整晶体，没有缺陷
• 2 整体滑动
以上假设与实际不符！应是局部滑动！ 而非整体滑动
假说：1934年，Taylor等提出位错的概念，认为存在着某种 缺陷--位错，其模型：位错的运动（逐步传递）=>晶体的逐 步滑移，计算证实理论屈服强度接近实验值。
2019/6/13
《材料科学基础》CAI课件-李克
同样的温度条件下，空位平衡浓度比间隙原子浓度大得多。
2019/6/13
《材料科学基础》CAI课件-李克
6
3.1.3、点缺陷的运动及其对晶体性能的影响
空位、间隙原子的运动：
1）热激活使空位运动；热运动使间隙原子运动；但一定温 度下平衡浓度不变。
2）空位与间隙原子不断产生与复合，无规则布朗运动，是 晶体内原子的自扩散，是固态相变、表面热处理、蠕变等过 程的内在机制。