第2章晶體結(jié)構(gòu)缺陷

1、第第2 2章章 晶體缺陷晶體缺陷缺陷的含義缺陷的含義：通常把晶體點陣結(jié)構(gòu)中周期性勢場的畸變稱為：通常把晶體點陣結(jié)構(gòu)中周期性勢場的畸變稱為晶體的晶體的結(jié)構(gòu)缺陷結(jié)構(gòu)缺陷。理想晶體理想晶體：質(zhì)點嚴格按照空間點陣排列。：質(zhì)點嚴格按照空間點陣排列。實際晶體實際晶體：存在著各種各樣的結(jié)構(gòu)的不完整性。：存在著各種各樣的結(jié)構(gòu)的不完整性。研究缺陷的意義：研究缺陷的意義：由于缺陷的存在，才使晶體表現(xiàn)出各種由于缺陷的存在，才使晶體表現(xiàn)出各種各樣的性質(zhì)，使材料加工、使用過程中的各種性能得以有各樣的性質(zhì)，使材料加工、使用過程中的各種性能得以有效控制和改變，使材料性能的改善和復(fù)合材料的制備得以效控制和改變，使材料性能的改

2、善和復(fù)合材料的制備得以實現(xiàn)。因此，了解缺陷的形成及其運動規(guī)律，對材料工藝實現(xiàn)。因此，了解缺陷的形成及其運動規(guī)律，對材料工藝過程的控制，對材料性能的改善，對于新型材料的設(shè)計、過程的控制，對材料性能的改善，對于新型材料的設(shè)計、研究與開發(fā)具有重要意義。研究與開發(fā)具有重要意義。缺陷對材料性能的影響舉例缺陷對材料性能的影響舉例: :材料的強化，如鋼材料的強化，如鋼是鐵中滲碳是鐵中滲碳陶瓷材料的增韌陶瓷材料的增韌半導(dǎo)體摻雜半導(dǎo)體摻雜第第2 2章章 晶體缺陷晶體缺陷分類方式：分類方式：1 1、根據(jù)缺陷的作用范圍把真實晶體缺陷分四類：、根據(jù)缺陷的作用范圍把真實晶體缺陷分四類：點缺陷點缺陷（point defe

3、ctpoint defect）：特征是三維空間）：特征是三維空間的各個方面上尺寸都很小，尺寸范圍約為一個的各個方面上尺寸都很小，尺寸范圍約為一個或幾個原子尺度，又稱零維缺陷，包括空位、或幾個原子尺度，又稱零維缺陷，包括空位、間隙原子、雜質(zhì)和溶質(zhì)原子。間隙原子、雜質(zhì)和溶質(zhì)原子。 線缺陷線缺陷（line defectline defect）：特征是在兩個方向）：特征是在兩個方向上尺寸很小上尺寸很小, ,另外一個方向上很大，又稱一維另外一個方向上很大，又稱一維缺陷，如各類位錯。缺陷，如各類位錯。 面缺陷（planar defect）：特征是在一個方面上尺寸很小,另外兩個方面上很大，又稱二維缺陷，包括

4、表面、晶界、亞晶界、相界、孿晶界等。體缺陷:在三維方向上缺陷尺寸都較大。如鑲嵌塊、空洞等。2、根據(jù)缺陷的形成原因熱缺陷雜質(zhì)缺陷非化學(xué)計量缺陷等。2.1 2.1 點缺陷點缺陷原子熱振動部分原子獲得足夠高的能量 克服約束,遷移到新的位置空位,間隙原子形成形成引起局部點陣畸變 引起引起點缺陷的形成原因點缺陷的形成原因點缺陷與材料點缺陷與材料的電學(xué)性質(zhì)、的電學(xué)性質(zhì)、光學(xué)性質(zhì)、材光學(xué)性質(zhì)、材料的高溫動力料的高溫動力學(xué)過程等有關(guān)。學(xué)過程等有關(guān)。 一、點缺陷的類型一、點缺陷的類型n1.1.金屬晶體中的點缺陷金屬晶體中的點缺陷 金屬晶體中常見的點缺陷有金屬晶體中常見的點缺陷有空位空位(vacancy)(vac

5、ancy)間隙原子間隙原子(interstitial atom)(interstitial atom)置換原子置換原子(sbustitutional atom)(sbustitutional atom) a a、空位、空位 空位是一種熱平衡缺陷空位是一種熱平衡缺陷, ,即在一定溫度下即在一定溫度下, ,空位有一定的平空位有一定的平衡濃度?？瘴辉诰w中的位置不是固定不變的衡濃度?？瘴辉诰w中的位置不是固定不變的, ,而是不斷運動變而是不斷運動變化的?？瘴皇怯稍用撾x其平衡位置而形成的，脫離平衡位置化的?？瘴皇怯稍用撾x其平衡位置而形成的，脫離平衡位置的原子大致有三個去處：的原子大致有三個去處：!

6、(1)(1)遷移到晶格的間隙中遷移到晶格的間隙中, ,這樣所形成的空位叫弗侖克爾空位；這樣所形成的空位叫弗侖克爾空位；! (2)(2)遷移到晶體表面上遷移到晶體表面上, ,這樣所產(chǎn)生的空位叫肖特基空位；這樣所產(chǎn)生的空位叫肖特基空位；!(3)(3)遷移到其他空位處遷移到其他空位處, ,這樣雖然不產(chǎn)生新的空位這樣雖然不產(chǎn)生新的空位, ,但可以使空位但可以使空位變換位置。變換位置。圖圖2-2 熱缺陷產(chǎn)生示意圖熱缺陷產(chǎn)生示意圖（a）單質(zhì)中弗侖克爾缺陷的形成）單質(zhì)中弗侖克爾缺陷的形成（空位與間隙質(zhì)點成對出現(xiàn)）（空位與間隙質(zhì)點成對出現(xiàn)）（b）單質(zhì)中肖特基缺陷的）單質(zhì)中肖特基缺陷的形成形成V空位的運動空位的

7、運動 圖圖2-1 2-1 點缺陷的類型點缺陷的類型 1- 1-大的置換原子大的置換原子 4- 4-復(fù)合空位復(fù)合空位 2- 2-肖特基空位肖特基空位 5- 5-弗蘭克爾空位弗蘭克爾空位 3- 3-異類間隙原子異類間隙原子 6- 6-小的置換原子小的置換原子nb b、間隙原子、間隙原子 處于晶格間隙中的原子即為間隙原子。在處于晶格間隙中的原子即為間隙原子。在形成弗侖克爾空位的同時形成弗侖克爾空位的同時, ,也形成一個間隙原也形成一個間隙原子，另外溶質(zhì)原子擠入溶劑的晶格間隙中后，子，另外溶質(zhì)原子擠入溶劑的晶格間隙中后，也稱為間隙原子也稱為間隙原子, ,他們都會造成嚴重的晶體畸他們都會造成嚴重的晶體畸

8、變。間隙原子也是一種熱平衡缺陷，在一定溫變。間隙原子也是一種熱平衡缺陷，在一定溫度下有一平衡濃度，對于異類間隙原子來說，度下有一平衡濃度，對于異類間隙原子來說，常將這一平衡濃度稱為固溶度或溶解度。常將這一平衡濃度稱為固溶度或溶解度。nc c、置換原子、置換原子 占據(jù)在原來基體原子平衡位置上的異類原子稱為置換占據(jù)在原來基體原子平衡位置上的異類原子稱為置換原子。由于原子大小的區(qū)別也會造成晶格畸變，置換原子原子。由于原子大小的區(qū)別也會造成晶格畸變，置換原子在一定溫度下也有一個平衡濃度值，一般稱之為固溶度或在一定溫度下也有一個平衡濃度值，一般稱之為固溶度或溶解度，溶解度，通常它比間隙原子的固溶度要大的

9、多通常它比間隙原子的固溶度要大的多。2.2.離子晶體中點缺陷離子晶體中點缺陷肖特基缺陷：肖特基缺陷：在離子晶體中，由于要維持電價平在離子晶體中，由于要維持電價平衡，因此一個正離子產(chǎn)生空位，則鄰近必有一個衡，因此一個正離子產(chǎn)生空位，則鄰近必有一個負離子空位，這樣的一個正負離子空位對；負離子空位，這樣的一個正負離子空位對；弗侖克爾缺陷：弗侖克爾缺陷：一個正離子跳入離子晶體的間隙一個正離子跳入離子晶體的間隙位置，則出現(xiàn)了一個正離子空位，這種空位間位置，則出現(xiàn)了一個正離子空位，這種空位間隙離子對。隙離子對。圖圖2-5 2-5 離子晶體中的點缺陷離子晶體中的點缺陷（a）離子晶體中的弗侖克爾缺陷的形）離子

10、晶體中的弗侖克爾缺陷的形成（空位與間隙質(zhì)點成對出現(xiàn)）成（空位與間隙質(zhì)點成對出現(xiàn)）（b）離子晶體中的肖特基缺陷）離子晶體中的肖特基缺陷的形成（正負離子空位對成對出現(xiàn)）的形成（正負離子空位對成對出現(xiàn)）VV+V-二、點缺陷的濃度二、點缺陷的濃度 1、平衡點缺陷、平衡點缺陷(equilibrium point defect）及其濃度）及其濃度 ne 平衡空位數(shù)平衡空位數(shù) n 原子總數(shù)原子總數(shù) Ev 每增加一個空位能量的變化每增加一個空位能量的變化 k 玻爾茲曼常數(shù)玻爾茲曼常數(shù),約為約為8.6210-5ev/K或或1.3810-23J/K T 絕對溫度絕對溫度其中：其中：A由振動熵決定的系數(shù)，取由振動熵

11、決定的系數(shù)，取110，通常取，通常取1。evnEcAenkT 三、過飽和點缺陷三、過飽和點缺陷(supersaturated point (supersaturated point defect)defect)的產(chǎn)生的產(chǎn)生 在點缺陷的平衡濃度下晶體的自由能最低，在點缺陷的平衡濃度下晶體的自由能最低，系統(tǒng)最穩(wěn)定。系統(tǒng)最穩(wěn)定。當(dāng)在一定的溫度下，晶體中點缺當(dāng)在一定的溫度下，晶體中點缺陷的數(shù)目明顯超過其平衡濃度時，這些點缺陷陷的數(shù)目明顯超過其平衡濃度時，這些點缺陷稱為過飽和點缺陷稱為過飽和點缺陷，通常它的產(chǎn)生方式有三種，通常它的產(chǎn)生方式有三種: :n1.1.淬火淬火 高溫時晶體中的空位濃度很高，經(jīng)過淬

12、火后，空高溫時晶體中的空位濃度很高，經(jīng)過淬火后，空位來不及通過擴散達到平衡濃度，在低溫下仍保持了較位來不及通過擴散達到平衡濃度，在低溫下仍保持了較高的空位濃度。高的空位濃度。n2.2.冷加工冷加工 金屬在室溫下進行壓力加工時，由于位錯交割金屬在室溫下進行壓力加工時，由于位錯交割所形成的割階發(fā)生攀移，從而使金屬晶體內(nèi)空位濃度增所形成的割階發(fā)生攀移，從而使金屬晶體內(nèi)空位濃度增加。加。n3.3.輻照輻照 當(dāng)金屬受到高能粒子（中子、質(zhì)子、當(dāng)金屬受到高能粒子（中子、質(zhì)子、粒子、電粒子、電子等）輻照時，晶體中的原子將被擊出，擠入晶格間隙子等）輻照時，晶體中的原子將被擊出，擠入晶格間隙中，由于被擊出的原子具

13、有很高的能量，因此還有可能中，由于被擊出的原子具有很高的能量，因此還有可能發(fā)生連鎖作用，在晶體中形成大量的空位和間隙原子。發(fā)生連鎖作用，在晶體中形成大量的空位和間隙原子。 四、點缺陷的運動四、點缺陷的運動 晶體中的點缺陷并不是固定不動的，而是處于不斷的運動過晶體中的點缺陷并不是固定不動的，而是處于不斷的運動過程中。程中。 三種運動形式：三種運動形式：a空位周圍的原子，由于熱激活，某個原子有可能獲得足夠空位周圍的原子，由于熱激活，某個原子有可能獲得足夠的能量而跳入空位中，并占據(jù)這個平衡位置。這時，在該原的能量而跳入空位中，并占據(jù)這個平衡位置。這時，在該原子的原來位置上，就形成了一個空位。這一過程

14、可以看作空子的原來位置上，就形成了一個空位。這一過程可以看作空位向鄰近陣點位置的遷移位向鄰近陣點位置的遷移( (空位的運動）空位的運動）。a由于熱運動，晶體中的間隙原子也可由一個間隙位置遷移由于熱運動，晶體中的間隙原子也可由一個間隙位置遷移到另一個間隙位置到另一個間隙位置（間隙原子的運動）（間隙原子的運動）。a在運動過程中，當(dāng)間隙原子與一個空位相遇時，它將落入在運動過程中，當(dāng)間隙原子與一個空位相遇時，它將落入該空位，而使兩者都消失，這一過程稱為復(fù)合。該空位，而使兩者都消失，這一過程稱為復(fù)合。圖圖2-7 2-7 點缺陷運動示意圖點缺陷運動示意圖五、點缺陷對晶體材料性能的影響五、點缺陷對晶體材料性

15、能的影響 一般情形下，點缺陷主要影響晶體的物理一般情形下，點缺陷主要影響晶體的物理性質(zhì)，如比容性質(zhì)，如比容(specific volume)(specific volume)、比熱容、比熱容(specific heat volume)(specific heat volume)、電阻率、電阻率(resistivity)(resistivity)、擴散系數(shù)、介電常數(shù)等。、擴散系數(shù)、介電常數(shù)等。n1.1.比容比容 形成肖特基空位時，原子遷移到晶體表形成肖特基空位時，原子遷移到晶體表面上的新位置，導(dǎo)致晶體體積增加。面上的新位置，導(dǎo)致晶體體積增加。n2.2.比熱容比熱容 形成點缺陷需向晶體提供附加的能

16、量形成點缺陷需向晶體提供附加的能量( (空位生成空位生成焓焓) )，因而引起附加比熱容。，因而引起附加比熱容。n3.3.電阻率電阻率 金屬的電阻主要來源于離子對傳導(dǎo)電子的散射。金屬的電阻主要來源于離子對傳導(dǎo)電子的散射。正常情況下，電子基本上在均勻電場中運動，在有缺陷的正常情況下，電子基本上在均勻電場中運動，在有缺陷的晶體中，晶格的周期性被破壞，電場急劇變化，因而對電晶體中，晶格的周期性被破壞，電場急劇變化，因而對電子產(chǎn)生強烈散射，導(dǎo)致晶體的電阻率增大。子產(chǎn)生強烈散射，導(dǎo)致晶體的電阻率增大。n點缺陷對金屬力學(xué)性能的影響較小，它只通過與位錯的交點缺陷對金屬力學(xué)性能的影響較小，它只通過與位錯的交互作

17、用，阻礙位錯運動而使晶體強化。但在高能粒子輻照互作用，阻礙位錯運動而使晶體強化。但在高能粒子輻照的情形下，由于形成大量的點缺陷而能引起晶體顯著硬化的情形下，由于形成大量的點缺陷而能引起晶體顯著硬化和脆化（輻照硬化）。和脆化（輻照硬化）。六、點缺陷的符號表征六、點缺陷的符號表征以以MXMX型化合物為例：型化合物為例： 1.1.空位（空位（vacancyvacancy）用用V V來表示，符號中的右下標(biāo)表示缺陷所在來表示，符號中的右下標(biāo)表示缺陷所在位置，位置，V VM M含義即含義即M M原子位置是空的。原子位置是空的。2.2.間隙原子（間隙原子（interstitialinterstitial）亦

18、稱為填隙原子，用亦稱為填隙原子，用M Mi i、X Xi i來表來表示，其含義為示，其含義為M M、X X原子位于晶格間隙位置。原子位于晶格間隙位置。3. 3. 錯位原子錯位原子 錯位原子用錯位原子用M MX X、X XM M等表示，等表示，M MX X的含義是的含義是M M原子占原子占據(jù)據(jù)X X原子的位置。原子的位置。X XM M表示表示X X原子占據(jù)原子占據(jù)M M原子的位置。原子的位置。 4. 4. 自由電子（自由電子（electronelectron）與電子空穴）與電子空穴 (hole(hole）分別用分別用 和和 來表示。其中右上標(biāo)中的來表示。其中右上標(biāo)中的一撇一撇“/ /”代表一個單

19、位負電荷，一個圓點代表一個單位負電荷，一個圓點“”代表一個單位正電荷。代表一個單位正電荷。 he 5. 5.帶電缺陷帶電缺陷 在在NaClNaCl晶體中，取出一個晶體中，取出一個NaNa+ +離子，會在原來的離子，會在原來的位置上留下一個電子位置上留下一個電子 ，寫成寫成 ，即代表，即代表NaNa+ +離離子空位帶一個單位負電荷。同理，子空位帶一個單位負電荷。同理，ClCl- -離子空位記為離子空位記為 帶一個單位正電荷。帶一個單位正電荷。 即：即： =V=VNaNa ， =V=VClClh h。 eNaVClVNaVe 6 6、其它帶電缺陷：、其它帶電缺陷：1)CaCl1)CaCl2 2加入

20、加入NaClNaCl晶體時，若晶體時，若CaCa2+2+離子位于離子位于NaNa+ +離子位離子位置上，其缺陷符號為置上，其缺陷符號為 ，此符號含義為，此符號含義為CaCa2+2+離子占離子占據(jù)據(jù)NaNa+ +離子位置，帶有一個單位正電荷。離子位置，帶有一個單位正電荷。 2)2) 表示表示CaCa2+2+離子占據(jù)離子占據(jù)ZrZr4+4+離子位置，此缺陷離子位置，此缺陷帶有二個單位負電荷。帶有二個單位負電荷。 其余的缺陷其余的缺陷V VM M、V VX X、M Mi i、X Xi i等都可以加上對應(yīng)于原陣等都可以加上對應(yīng)于原陣點位置的有效電荷來表示相應(yīng)的帶電缺陷。點位置的有效電荷來表示相應(yīng)的帶電

21、缺陷。 NaCa ZraC 7 7、締合中心、締合中心 電電性相反的缺陷距離接近到一定程度時，性相反的缺陷距離接近到一定程度時，在庫侖力作用下會締合成一組或一群，產(chǎn)生在庫侖力作用下會締合成一組或一群，產(chǎn)生一個締合中心一個締合中心,V,VM M和和V VX X發(fā)生締合發(fā)生締合, ,記為（記為（V VM MV VX X）。）。七、缺陷反應(yīng)表示法七、缺陷反應(yīng)表示法 對于雜質(zhì)缺陷而言，缺陷反應(yīng)方程式的一般式：對于雜質(zhì)缺陷而言，缺陷反應(yīng)方程式的一般式： 產(chǎn)生的各種缺陷產(chǎn)生的各種缺陷雜質(zhì)雜質(zhì)基質(zhì)基質(zhì)1.1.寫缺陷反應(yīng)方程式應(yīng)遵循的原則寫缺陷反應(yīng)方程式應(yīng)遵循的原則 與一般的化學(xué)反應(yīng)相類似，書寫缺陷反應(yīng)方程與

22、一般的化學(xué)反應(yīng)相類似，書寫缺陷反應(yīng)方程式時，應(yīng)該遵循下列基本原則：式時，應(yīng)該遵循下列基本原則： （1 1）位置平衡）位置平衡 （2 2）質(zhì)量平衡質(zhì)量平衡 （3 3）電荷平衡）電荷平衡 （1 1）位置關(guān)系：）位置關(guān)系： 在化合物在化合物M Ma aX Xb b中，無論是否存在缺陷，其正負中，無論是否存在缺陷，其正負離子位置數(shù)（即格點數(shù)）之比始終是一個常數(shù)離子位置數(shù)（即格點數(shù)）之比始終是一個常數(shù)a/ba/b，即：，即：M M的格點數(shù)的格點數(shù)/X/X的格點數(shù)的格點數(shù)= =a/ba/b。如。如NaClNaCl結(jié)構(gòu)中，正負離子格點數(shù)之比為結(jié)構(gòu)中，正負離子格點數(shù)之比為1/11/1，AlAl2 2O O3

23、3中中則為則為2/32/3。 位置關(guān)系強調(diào)形成缺陷時，位置關(guān)系強調(diào)形成缺陷時，基質(zhì)基質(zhì)晶體中晶體中正負離子正負離子格點數(shù)之比格點數(shù)之比保持不變，并非原子個保持不變，并非原子個數(shù)比保持不變。數(shù)比保持不變。 在上述各種缺陷符號中，在上述各種缺陷符號中，V VM M、V VX X、M MM M、X XX X、M MX X、X XM M等位于正常格點上，對等位于正常格點上，對格點數(shù)的多少格點數(shù)的多少有影響，而有影響，而M Mi i、X Xi i、e e，、h h等不在正常格點等不在正常格點上，對格點數(shù)的多少無影響。上，對格點數(shù)的多少無影響。 (2)(2)質(zhì)量平衡：質(zhì)量平衡：與化學(xué)反應(yīng)方程式相同，缺陷反

24、應(yīng)方與化學(xué)反應(yīng)方程式相同，缺陷反應(yīng)方程式兩邊的質(zhì)量應(yīng)該相等。需要注意的是缺陷符號程式兩邊的質(zhì)量應(yīng)該相等。需要注意的是缺陷符號的的右下標(biāo)右下標(biāo)表示缺陷所在的位置，對質(zhì)量平衡無影響。表示缺陷所在的位置，對質(zhì)量平衡無影響。 (3)(3)電中性：電中性：電中性要求缺陷反應(yīng)方程式兩邊電中性要求缺陷反應(yīng)方程式兩邊的的有效電荷數(shù)有效電荷數(shù)必須相等。必須相等。晶體必須保持電中晶體必須保持電中性性 。 2.2.缺陷反應(yīng)實例缺陷反應(yīng)實例 （1 1）雜質(zhì)（組成）缺陷反應(yīng)方程式）雜質(zhì)（組成）缺陷反應(yīng)方程式雜質(zhì)在雜質(zhì)在基質(zhì)中的溶解過程基質(zhì)中的溶解過程 雜質(zhì)進入基質(zhì)晶體時，一般遵循雜質(zhì)進入基質(zhì)晶體時，一般遵循雜質(zhì)的正負離

25、雜質(zhì)的正負離子分別進入基質(zhì)的正負離子位置子分別進入基質(zhì)的正負離子位置的原則，這樣的原則，這樣基質(zhì)晶體的晶格畸變小，缺陷容易形成?；|(zhì)晶體的晶格畸變小，缺陷容易形成。例例11寫出寫出NaFNaF加入加入YFYF3 3中的缺陷反應(yīng)方程式中的缺陷反應(yīng)方程式n以以正離子正離子為基準(zhǔn)，反應(yīng)方程式為：為基準(zhǔn)，反應(yīng)方程式為：n以以負離子負離子為基準(zhǔn)，反應(yīng)方程式為：為基準(zhǔn)，反應(yīng)方程式為：.FF YYFV2F NaNaF3 F.i YYF3F2Na Na3NaF3 n以以正離子正離子為基準(zhǔn)，缺陷反應(yīng)方程式為：為基準(zhǔn)，缺陷反應(yīng)方程式為：n以以負離子負離子為基準(zhǔn)，則缺陷反應(yīng)方程式為：為基準(zhǔn)，則缺陷反應(yīng)方程式為：Cl

26、ClCaCaCl iCl.KKCl2Cl K.KKCl2Cl2VCaCaCl基本規(guī)律：基本規(guī)律：q低價正離子占據(jù)高價正離子位置時，該位置帶有負電荷，為了保持電中性，會產(chǎn)生負離子空位或間隙正離子。q高價正離子占據(jù)低價正離子位置時，該位置帶有正電荷，為了保持電中性，會產(chǎn)生正離子空位或間隙負離子。 232223Al OZrOTiOY O 23232222232322333623236Al OiAlOAl OAlOAlZrOZrOOZrOZrOiTiOTiOOTiOTiOVY OYOVY OYOY 例例3 MgO3 MgO形成形成 MgOMgO形成肖特基缺陷時，表面的形成肖特基缺陷時，表面的MgMg2

27、+2+和和O O2-2-離子遷離子遷移到表面新位置上，在晶體內(nèi)部留下空位移到表面新位置上，在晶體內(nèi)部留下空位: : Mg MgMg surfaceMg surface+O+OO surfaceO surfaceMgMgMg new surfaceMg new surface+O+OO new surface O new surface + + 以以（naughtnaught）代表無缺陷狀態(tài)，則：）代表無缺陷狀態(tài)，則： O O.O MgVV .O MgVV例例4 AgBr4 AgBr形成弗侖克爾缺陷形成弗侖克爾缺陷 其中半徑小的其中半徑小的AgAg+ +離子進入晶格間隙，在其離子進入晶格間隙，在

28、其格點上留下空位，方程式為：格點上留下空位，方程式為： AgAgAgAg Ag.iVAg 當(dāng)晶體中剩余空隙比較小，如當(dāng)晶體中剩余空隙比較小，如NaClNaCl型型結(jié)構(gòu)，容易形成肖特基缺陷；當(dāng)晶體中剩結(jié)構(gòu)，容易形成肖特基缺陷；當(dāng)晶體中剩余空隙比較大時，如螢石余空隙比較大時，如螢石CaFCaF2 2型結(jié)構(gòu)等，型結(jié)構(gòu)等，容易產(chǎn)生弗侖克爾缺陷。容易產(chǎn)生弗侖克爾缺陷。 1、刃型位錯形成的原因一、刃型位錯一、刃型位錯2.2 2.2 線缺陷線缺陷bGAn晶體中已滑移區(qū)與未滑移區(qū)的邊界線（即位錯晶體中已滑移區(qū)與未滑移區(qū)的邊界線（即位錯線）若垂直于滑移方向，則會存在一多余半排原線）若垂直于滑移方向，則會存在一多

29、余半排原子面，它象一把刀刃插入晶體中，使此處上下兩子面，它象一把刀刃插入晶體中，使此處上下兩部分晶體產(chǎn)生原子錯排，這種晶體缺陷稱為部分晶體產(chǎn)生原子錯排，這種晶體缺陷稱為刃型刃型位錯（位錯（edge dislocationedge dislocation）。）。n多余半排原子面在滑移面上方的稱正刃型位錯，多余半排原子面在滑移面上方的稱正刃型位錯，記為記為“”；n相反，半排原子面在滑移面下方的稱負刃型位相反，半排原子面在滑移面下方的稱負刃型位錯，記為錯，記為“” ” 2、刃型位錯的分類3、刃型位錯的結(jié)構(gòu)特征 有一額外的半原子面，分正和負刃型位錯； 可理解為是已滑移區(qū)與未滑移區(qū)的邊界線，可是直線也可

30、是折線和曲線，但它們必與滑移方向和滑移矢量垂直; 只能在同時包含有位錯線和滑移矢量的滑移只能在同時包含有位錯線和滑移矢量的滑移平面上滑移；平面上滑移； 位錯周圍點陣發(fā)生彈性畸變，有切應(yīng)變，位錯周圍點陣發(fā)生彈性畸變，有切應(yīng)變，也有正應(yīng)變；也有正應(yīng)變； 在位錯線周圍的過渡區(qū)（畸變區(qū)）每個原在位錯線周圍的過渡區(qū)（畸變區(qū)）每個原子具有較大的能量。子具有較大的能量。二、二、 螺型位錯螺型位錯1、螺型位錯的形成原因螺型位錯示意圖螺型位錯示意圖特點：滑移方向與位錯線平行。特點：滑移方向與位錯線平行。 2 2、晶體中已滑移區(qū)與未滑移區(qū)的邊界線（即位錯線）若平行、晶體中已滑移區(qū)與未滑移區(qū)的邊界線（即位錯線）若平

31、行于滑移方向，則在該處附近原子平面已扭曲為螺旋面，即位于滑移方向，則在該處附近原子平面已扭曲為螺旋面，即位錯線附近的原子是按螺旋形式排列的，這種晶體缺陷稱為錯線附近的原子是按螺旋形式排列的，這種晶體缺陷稱為螺螺型位錯（型位錯（screw dislocationscrew dislocation）。）。根據(jù)原子旋轉(zhuǎn)方向的不同根據(jù)原子旋轉(zhuǎn)方向的不同, ,螺型位錯可分為左螺型和右螺型位螺型位錯可分為左螺型和右螺型位錯錯, ,通常用拇指代表螺旋前進方向，其余四指代表螺旋方向，通常用拇指代表螺旋前進方向，其余四指代表螺旋方向，符合右手法則的稱右螺旋位錯；符合左手法則的稱為左螺旋符合右手法則的稱右螺旋位錯

32、；符合左手法則的稱為左螺旋位錯。位錯。3 3、螺型位錯的結(jié)構(gòu)特征、螺型位錯的結(jié)構(gòu)特征 n無額外的半原子面，原子錯排是呈軸對稱的無額外的半原子面，原子錯排是呈軸對稱的n分右旋和左旋螺型位錯；分右旋和左旋螺型位錯；n螺型位錯線與滑移矢量平行，一定是直線，位螺型位錯線與滑移矢量平行，一定是直線，位錯線移動方向與晶體滑移方向垂直；錯線移動方向與晶體滑移方向垂直；n滑移面不是唯一的，包含螺型位錯線的平面都可以作為滑移面不是唯一的，包含螺型位錯線的平面都可以作為它的滑移面；它的滑移面；n位錯周圍點陣也發(fā)生彈性畸變，但只有平行于位錯線的位錯周圍點陣也發(fā)生彈性畸變，但只有平行于位錯線的切應(yīng)變而無正應(yīng)變，即不引

33、起體積的膨脹和收縮；切應(yīng)變而無正應(yīng)變，即不引起體積的膨脹和收縮；n螺型位錯周圍的點陣畸變隨離位錯線距離的增加而急劇螺型位錯周圍的點陣畸變隨離位錯線距離的增加而急劇減少，位錯畸變區(qū)也是幾個原子間距寬度，同樣是線位減少，位錯畸變區(qū)也是幾個原子間距寬度，同樣是線位錯。錯。 混合位錯：滑移矢量既不平行也不垂直混合位錯：滑移矢量既不平行也不垂直于位錯線，而是與位錯線相交成任意角于位錯線，而是與位錯線相交成任意角度。這種位錯稱為混合位錯。度。這種位錯稱為混合位錯。三三 混合位錯混合位錯（a a）混合位錯的）混合位錯的形成形成（b b）混合位錯分解為刃位錯）混合位錯分解為刃位錯和螺位錯示意圖和螺位錯示意圖（

34、c c）混合位錯線附近原）混合位錯線附近原子滑移透視圖子滑移透視圖 (1)(1)首先選定位錯線的正向首先選定位錯線的正向(),(),例如例如, ,常規(guī)定出紙面的方常規(guī)定出紙面的方向為位錯線的正方向。向為位錯線的正方向。 (2)(2)在實際晶體中在實際晶體中, ,從任一原子出發(fā)從任一原子出發(fā), ,圍繞位錯圍繞位錯( (避開位錯避開位錯線附近的嚴重畸變區(qū)線附近的嚴重畸變區(qū)) )以一定的步數(shù)作一右旋回路（伯氏以一定的步數(shù)作一右旋回路（伯氏回路回路) )。 (3)(3)在完整晶體中，按同樣的方向和步數(shù)作相同的回路，在完整晶體中，按同樣的方向和步數(shù)作相同的回路，該回路并不封閉，由終點向起點引一矢量該回路

35、并不封閉，由終點向起點引一矢量 ，使該回路，使該回路閉合，這個矢量閉合，這個矢量 就是實際晶體中位錯的伯氏矢量。就是實際晶體中位錯的伯氏矢量。bb 圖2-13 柏氏回路與柏氏矢量 a-有位錯晶體 b-完整晶體MNOQPMNOPQb螺型位錯的伯氏回路示意圖螺型位錯的伯氏回路示意圖（a a）實際晶體的伯氏回路）實際晶體的伯氏回路 （b b）完整晶體的伯氏回路）完整晶體的伯氏回路2 2、伯氏矢量的特征：、伯氏矢量的特征：n(1)(1)用伯氏矢量可判斷位錯的類型用伯氏矢量可判斷位錯的類型。伯氏矢量與位錯。伯氏矢量與位錯線垂直者為刃型位錯，平行者為螺型位錯，既不垂直線垂直者為刃型位錯，平行者為螺型位錯，

36、既不垂直又不平行者為混合位錯。又不平行者為混合位錯。n(2)(2)伯氏矢量反映位錯區(qū)域點陣畸變總累積的大小伯氏矢量反映位錯區(qū)域點陣畸變總累積的大小。柏氏矢量越大，位錯周圍晶體畸變越嚴重。柏氏矢量越大，位錯周圍晶體畸變越嚴重。n(3)(3)用伯氏矢量可以表示晶體滑移的方向和大小用伯氏矢量可以表示晶體滑移的方向和大小。位。位錯運動導(dǎo)致晶體滑移時，滑移量大小即伯氏矢量的大錯運動導(dǎo)致晶體滑移時，滑移量大小即伯氏矢量的大小，滑移方向即為伯氏矢量的方向。小，滑移方向即為伯氏矢量的方向。 n(4)(4)一條位錯線具有唯一的伯氏矢量一條位錯線具有唯一的伯氏矢量。它與伯氏回路。它與伯氏回路的大小和回路在位錯線上

37、的位置無關(guān)，位錯在晶體中的大小和回路在位錯線上的位置無關(guān)，位錯在晶體中運動或改變方向時，其伯氏矢量不變。運動或改變方向時，其伯氏矢量不變。 n(5)(5)若位錯可分解，則分解后各分位錯的伯氏矢量之若位錯可分解，則分解后各分位錯的伯氏矢量之和等于原位錯的伯氏矢量。和等于原位錯的伯氏矢量。n(6)(6)位錯可定義為伯氏矢量不為零的晶體缺陷，它具位錯可定義為伯氏矢量不為零的晶體缺陷，它具有連續(xù)性，不能中斷于晶體內(nèi)部。有連續(xù)性，不能中斷于晶體內(nèi)部。其存在形態(tài)可形成其存在形態(tài)可形成一個閉合的位錯環(huán)，或連接于其他位錯，或終止在晶一個閉合的位錯環(huán)，或連接于其他位錯，或終止在晶界，或露頭于晶體表面界，或露頭于

38、晶體表面. . n3 3、伯氏矢量的表示法、伯氏矢量的表示法 柏氏矢量的大小和方向要用它在各個晶軸上的柏氏矢量的大小和方向要用它在各個晶軸上的分量，即點陣矢量分量，即點陣矢量a a，b b和和c c來表示。對于立方來表示。對于立方晶系，由于晶系，由于a=b=ca=b=c，故柏氏矢量可表示為，故柏氏矢量可表示為 n如果一個伯氏矢量如果一個伯氏矢量b b是另外兩個伯氏矢量是另外兩個伯氏矢量 和和 之和。之和。1111abu v wn2222abu v wn12111222aabbbu v wuvwnn222abuvwn表示位錯的強度表示位錯的強度 同一晶體中，伯氏矢量越大，表明該位錯導(dǎo)致點陣畸變越

39、同一晶體中，伯氏矢量越大，表明該位錯導(dǎo)致點陣畸變越嚴重，能量也越高，傾向于分解為兩個或多個能量較低的嚴重，能量也越高，傾向于分解為兩個或多個能量較低的位錯：位錯：b1 b2+b3并滿并滿足足222123bbb五、位錯的運動 位錯運動的基本形式有兩種：滑移（slip）和攀移（climb）1、位錯的滑移 位錯的滑移：在外加切應(yīng)力作用下，通過位錯中心附近的原子沿伯氏矢量方向在滑移面上不斷地作少量位移（小于一個原子間距）而逐步實現(xiàn)的。 位錯的運動在外加切應(yīng)力的作用下發(fā)生；位錯的運動在外加切應(yīng)力的作用下發(fā)生；位錯移動的方向和位錯線垂直（與伯氏矢量的方向平行）；位錯移動的方向和位錯線垂直（與伯氏矢量的方向

40、平行）；運動位錯掃過的區(qū)域晶體的兩部分發(fā)生了伯氏矢量大小的相運動位錯掃過的區(qū)域晶體的兩部分發(fā)生了伯氏矢量大小的相對運動對運動( (滑移滑移) )；位錯移出晶體表面將在晶體的表面上產(chǎn)生伯氏矢量大小的臺位錯移出晶體表面將在晶體的表面上產(chǎn)生伯氏矢量大小的臺階。階。螺位錯也是在外加切應(yīng)力的作用下發(fā)生運動；螺位錯也是在外加切應(yīng)力的作用下發(fā)生運動；位錯移動的方向總是和位錯線垂直位錯移動的方向總是和位錯線垂直( (與伯氏矢量垂直）；與伯氏矢量垂直）；運動位錯掃過的區(qū)域晶體的兩部分發(fā)生了伯氏矢量大小的相對運動位錯掃過的區(qū)域晶體的兩部分發(fā)生了伯氏矢量大小的相對運動運動( (滑移滑移) )；位錯移過部分在表面留下

41、部分臺階，全部移出晶體的表面上產(chǎn)位錯移過部分在表面留下部分臺階，全部移出晶體的表面上產(chǎn)生伯氏矢量大小的完整臺階。生伯氏矢量大小的完整臺階。刃位錯的運動刃位錯的運動螺位錯的運動螺位錯的運動混合位錯的運動混合位錯的運動（1）位錯的滑移特點刃位錯滑移方向與外力及伯氏矢量 平行，正、負刃位錯滑移方向相反。螺位錯滑移方向與外力及伯氏矢量 垂直，左、右螺型位錯滑移方向相反。混合位錯滑移方向與外力及伯氏矢量 成一定角度（即沿位錯線法線方向滑移）。晶體的滑移方向與外力及位錯的伯氏矢量 相一致，但并不一定與位錯的滑移方向相同。 bbbb2 2、位錯的攀移、位錯的攀移n 只有刃型位錯才能發(fā)生攀移運動，即位錯只有刃

42、型位錯才能發(fā)生攀移運動，即位錯在垂直于滑移面的方向上運動。其實質(zhì)是構(gòu)成在垂直于滑移面的方向上運動。其實質(zhì)是構(gòu)成刃型位錯的多余半原子面的擴大或縮小，它是刃型位錯的多余半原子面的擴大或縮小，它是通過物質(zhì)遷移即原子或空位的擴散來實現(xiàn)的。通過物質(zhì)遷移即原子或空位的擴散來實現(xiàn)的。通常把半原子面向上運動稱為正攀移，向下運通常把半原子面向上運動稱為正攀移，向下運動稱為負攀移動稱為負攀移 。圖圖2-17 2-17 刃位錯攀移示意圖刃位錯攀移示意圖（a）正攀移（半原子）正攀移（半原子面縮短）面縮短）(b)未攀移未攀移（c）負攀移（半）負攀移（半原子面伸長）原子面伸長） 3 3、運動位錯的交割、運動位錯的交割 割

43、階與扭折割階與扭折 在位錯的滑移運動過程中，其位錯線往往很難同時實現(xiàn)全長在位錯的滑移運動過程中，其位錯線往往很難同時實現(xiàn)全長的運動。因而一個運動的位錯線，特別是在受阻的情況下，有可的運動。因而一個運動的位錯線，特別是在受阻的情況下，有可能通過其中一部分線段首先進行滑移。若由此形成的曲折線段就能通過其中一部分線段首先進行滑移。若由此形成的曲折線段就在滑移面上時，稱為在滑移面上時，稱為扭折扭折（kinkkink）；若該曲折線段垂直于位錯的）；若該曲折線段垂直于位錯的滑移面時，稱為滑移面時，稱為割階割階（jogjog）。）。（1 1）兩個伯氏矢量互相垂直的刃型位錯交割）兩個伯氏矢量互相垂直的刃型位錯

44、交割伯氏矢量為伯氏矢量為b b1 1的刃型位錯的刃型位錯XYXY沿平面沿平面P PXYXY向下運向下運動，與在平面動，與在平面P PABAB上伯氏矢量為上伯氏矢量為b b2 2的刃型位錯的刃型位錯ABAB交割，由于交割，由于XYXY掃過的區(qū)域，其滑移面兩側(cè)掃過的區(qū)域，其滑移面兩側(cè)的晶體將發(fā)生距離的晶體將發(fā)生距離b b1 1的相對位移，因此，交割的相對位移，因此，交割后，在位錯線后，在位錯線ABAB上產(chǎn)生上產(chǎn)生PPPP小臺階。小臺階。PPPP的的大小和方向取決于大小和方向取決于b b1 1，但其伯氏矢量仍為，但其伯氏矢量仍為b b2 2，b b2 2垂直于垂直于PPPP，故，故PPPP是刃型位錯

45、，但它不在原是刃型位錯，但它不在原位錯線的滑移面上，因而它是割階。由于位位錯線的滑移面上，因而它是割階。由于位錯錯XYXY平行于平行于b b2 2，因此交割后不會在，因此交割后不會在XYXY上形成割上形成割階。階。 （2 2）兩個伯氏矢量互相平行的刃型）兩個伯氏矢量互相平行的刃型位錯的交割位錯的交割伯氏矢量為伯氏矢量為b b1 1的刃型位錯的刃型位錯XYXY沿平面沿平面P PXYXY由前到后運動，與在平面由前到后運動，與在平面P PABAB上伯上伯氏矢量為氏矢量為b b2 2的刃型位錯的刃型位錯ABAB交割，交交割，交割后，在割后，在ABAB和和XYXY位錯線上分別出現(xiàn)位錯線上分別出現(xiàn)平行于平

46、行于b b1 1、b b2 2的的PPPP、QQQQ臺階。這臺階。這兩個臺階的滑移面和原位錯的滑移兩個臺階的滑移面和原位錯的滑移面一致，故為扭折，屬面一致，故為扭折，屬螺型位錯螺型位錯。n1 1、MgOMgO晶體的肖特基缺陷生成能為晶體的肖特基缺陷生成能為84kJ84kJmolmol，計算該晶體在，計算該晶體在1000K1000K和和1500K1500K的缺陷濃度。的缺陷濃度。n2 2、對于刃位錯和螺位錯，區(qū)別其位錯線方向、伯氏矢量和位錯運動方、對于刃位錯和螺位錯，區(qū)別其位錯線方向、伯氏矢量和位錯運動方向的特點。向的特點。 n3 3、下圖是晶體二維圖形，內(nèi)含有一個正刃型位錯和一個負刃型位錯。、

47、下圖是晶體二維圖形，內(nèi)含有一個正刃型位錯和一個負刃型位錯。(a)(a)圍繞兩個位錯伯氏回路，最后得伯氏矢量若干？圍繞兩個位錯伯氏回路，最后得伯氏矢量若干？(b)(b)圍繞每個位錯分別作伯氏回路，其結(jié)果又怎樣圍繞每個位錯分別作伯氏回路，其結(jié)果又怎樣? ? 2.3 2.3 面缺陷面缺陷2.2.晶體的表面能：晶體的表面能：同體積晶體的表面能高出晶體內(nèi)部的能量稱同體積晶體的表面能高出晶體內(nèi)部的能量稱為晶體的表面自由能或表面能。計量單位為為晶體的表面自由能或表面能。計量單位為J/mJ/m2 2。表面能就是。表面能就是表面張力，單位為表面張力，單位為N/mN/m。3.3.表面能的來源：表面能的來源：材料表

48、面的原子和內(nèi)部原子所處材料表面的原子和內(nèi)部原子所處的環(huán)境不同，內(nèi)部在均勻的力場中，能量較低，而的環(huán)境不同，內(nèi)部在均勻的力場中，能量較低，而表面的原子有一個方向沒有原子結(jié)合，處在與內(nèi)部表面的原子有一個方向沒有原子結(jié)合，處在與內(nèi)部相比較高的能量水平。另一種設(shè)想為一完整的晶體，相比較高的能量水平。另一種設(shè)想為一完整的晶體，按某晶面為界切開成兩半，形成兩個表面，切開時按某晶面為界切開成兩半，形成兩個表面，切開時為破壞原有的結(jié)合鍵單位面積所吸收的能量。由于為破壞原有的結(jié)合鍵單位面積所吸收的能量。由于不同的晶面原子的排列方式不同，切開破壞的化學(xué)不同的晶面原子的排列方式不同，切開破壞的化學(xué)鍵的量也不同，所以

49、用不同的晶面作表面對應(yīng)的表鍵的量也不同，所以用不同的晶面作表面對應(yīng)的表面能也不相同，一般以原子的排列面密度愈高，對面能也不相同，一般以原子的排列面密度愈高，對應(yīng)的表面能較小。應(yīng)的表面能較小。 實際應(yīng)用的工程材料中，實際應(yīng)用的工程材料中，那怕是一塊尺寸很小材料，那怕是一塊尺寸很小材料，絕大多數(shù)包含著許許多多的絕大多數(shù)包含著許許多多的小晶體，每個小晶體的內(nèi)部，小晶體，每個小晶體的內(nèi)部，晶格位向是均勻一致的，而晶格位向是均勻一致的，而各個小晶體之間，彼此的位各個小晶體之間，彼此的位向卻不相同。稱這種由多個向卻不相同。稱這種由多個小晶體組成的晶體結(jié)構(gòu)稱之小晶體組成的晶體結(jié)構(gòu)稱之為為“多晶體多晶體”。

50、晶界晶界n晶界的特性晶界的特性 晶界處點陣畸變大，存在著晶界能，因此，晶粒的長大晶界處點陣畸變大，存在著晶界能，因此，晶粒的長大和晶界的平直化都能減小晶界面積，從而降低晶界的總能和晶界的平直化都能減小晶界面積，從而降低晶界的總能量，這是一個自發(fā)過程。然而晶粒的長大和平直化均須通量，這是一個自發(fā)過程。然而晶粒的長大和平直化均須通過原子擴散來實現(xiàn)，因此，隨著溫度升高和保溫時間的增過原子擴散來實現(xiàn)，因此，隨著溫度升高和保溫時間的增長，均有利于這兩過程的進行。長，均有利于這兩過程的進行。 晶界處原子排列不規(guī)則，因此在常溫下晶界的存在會對晶界處原子排列不規(guī)則，因此在常溫下晶界的存在會對位錯的運動起阻礙作

51、用，致使塑性變形抗力提高，宏觀表位錯的運動起阻礙作用，致使塑性變形抗力提高，宏觀表現(xiàn)為晶界較晶內(nèi)具有較高的強度和硬度。晶粒越細，材料現(xiàn)為晶界較晶內(nèi)具有較高的強度和硬度。晶粒越細，材料的強度越高。這就是是細強化，而高溫下則相反，因高溫的強度越高。這就是是細強化，而高溫下則相反，因高溫下晶界存在一定的粘滯性，易使相鄰晶粒產(chǎn)生相對滑動。下晶界存在一定的粘滯性，易使相鄰晶粒產(chǎn)生相對滑動。 晶界處原子偏離平衡位置，具有較高的能量，并且晶界晶界處原子偏離平衡位置，具有較高的能量，并且晶界處存在較多的缺陷，晶界處原子的擴散速度比在晶內(nèi)快得處存在較多的缺陷，晶界處原子的擴散速度比在晶內(nèi)快得多。多。 在固態(tài)相變過程中，由于晶界能量較高且原子活動能力在固態(tài)相變過程中，由于晶界能量較高且原子活動能力較大，所以新相易于在晶界優(yōu)先形核。顯然，原始晶粒越較大，所以新相易于在晶界優(yōu)先形核。顯然，原始晶粒越細，晶界越多