晶體缺陷(I)-點(diǎn)缺陷

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1、第三章晶體缺陷引言晶體缺陷概述及類型第一節(jié)點(diǎn)缺陷第二節(jié)位錯(cuò)-線缺陷第三節(jié)表面及界面一、晶體的特征晶體結(jié)構(gòu)的基本特征：原子（或分子、離子）在三維空間呈周期性重復(fù)排列，即存在長(zhǎng)程有序。性能上兩大特點(diǎn)：固定的熔點(diǎn)，各向異性。周期性、方向性。引言晶體缺陷的類型二、晶體缺陷的含義晶體點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)中周期性勢(shì)場(chǎng)的畸變；實(shí)際晶體中與理想的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)發(fā)生偏差的區(qū)域。理想晶體：質(zhì)點(diǎn)嚴(yán)格按照空間點(diǎn)陣排列。實(shí)際晶體：存在著各種各樣的結(jié)構(gòu)的不完整性。對(duì)晶體的周期性和方向性而言，它的缺陷十分活躍，狀態(tài)易受外界條件的影響（如溫度、載荷、輻射等）而變化。三、晶體缺陷的類型（1）按幾何形態(tài)分類：點(diǎn)缺陷（在

2、三維空間各方向上尺寸都很小，亦稱為零維缺陷，如空位、間隙原子和異類原子等）；線缺陷（在兩個(gè)方向上尺寸很小，主要是位錯(cuò)）；面缺陷（在空間的一個(gè)方向上尺寸很小，另外兩個(gè)方向上尺寸較大的缺陷，如晶界、相界等）。（2）按形成原因分類：熱缺陷；雜質(zhì)缺陷；非化學(xué)計(jì)量缺陷等。圖3-1晶體中的點(diǎn)缺陷(a)空位(b)雜質(zhì)質(zhì)點(diǎn)(c)間隙質(zhì)點(diǎn)圖3-2線缺陷(a)刃位錯(cuò)(b)螺位錯(cuò)(a)(b)圖3-3面缺陷－晶界圖3-4面缺陷－堆積層錯(cuò)面心立方晶體中的抽出型層錯(cuò)(a)和插入型層錯(cuò)(b)圖3-5面缺陷－共格晶面面心立方晶體中{111}面反映孿晶左圖：陶瓷粉體右圖：燒結(jié)后的陶瓷點(diǎn)缺陷的存在，可

3、以提高擴(kuò)散系數(shù)，促進(jìn)陶瓷燒結(jié)；面缺陷，陶瓷晶粒間的界面。第一節(jié)點(diǎn)缺陷一、點(diǎn)缺陷的概念二、點(diǎn)缺陷的類型三、缺陷反應(yīng)遵循的原則四、點(diǎn)缺陷的平衡濃度五、點(diǎn)缺陷與材料行為圖3-6晶體中的點(diǎn)缺陷(a)空位(c)間隙原子(b)異類原子（雜質(zhì)質(zhì)點(diǎn)）一、點(diǎn)缺陷的概念缺陷尺寸處于原子大小的數(shù)量級(jí)上，在三維空間各方向上的尺寸都很小，亦稱零維缺陷。二、點(diǎn)缺陷的類型（1）空位（vacancy）：晶體中某結(jié)點(diǎn)上的原子空缺肖脫基(Schottky)空位或肖脫基缺陷：脫位原子一般進(jìn)入其他空位或者逐漸遷移至晶界表面。弗蘭克耳(Frenkel)缺陷：晶體中的原子有可能擠入結(jié)點(diǎn)的間隙，形成另一種類型的

4、點(diǎn)缺陷——間隙原子，同時(shí)原來(lái)的位置也空缺了，產(chǎn)生一個(gè)空位，通常把這一對(duì)點(diǎn)缺陷（空位和間隙原子）稱為弗蘭克耳缺陷。（2）間隙原子（interstitialparticle）（弗蘭克耳缺陷并不僅只指空位）（3）異類原子或雜質(zhì)質(zhì)點(diǎn)（foreignparticle）也可視做晶體的點(diǎn)缺陷，它的原子尺寸或化學(xué)電負(fù)性與基體原子不一樣，它的引入必然導(dǎo)致周圍晶格的畸變。三、缺陷應(yīng)遵循的法則點(diǎn)缺陷的存在，破壞了原有原子間的作用力平衡，點(diǎn)缺陷周圍的原子必然會(huì)離開原有的平衡位置，作相應(yīng)的微量位移，這就是晶格畸變或應(yīng)變，它們對(duì)應(yīng)著晶體內(nèi)能的升高。但缺陷反應(yīng)前后應(yīng)遵循以下法則：（1）位置關(guān)系：

5、在化合物MaXb中，無(wú)論是否存在缺陷，其正負(fù)離子位置數(shù)（即格點(diǎn)數(shù)）的之比始終是一個(gè)常數(shù)a/b，即：M的格點(diǎn)數(shù)/X的格點(diǎn)數(shù)?a/b。如NaCl結(jié)構(gòu)中，正負(fù)離子格點(diǎn)數(shù)之比為1/1，Al2O3中則為2/3。（2）質(zhì)量平衡：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(hào)的右下標(biāo)表示缺陷所在的位置，對(duì)質(zhì)量平衡無(wú)影響。（3）電中性：電中性要求缺陷反應(yīng)方程式兩邊的有效電荷數(shù)必須相等。四、點(diǎn)缺陷的平衡濃度（1）平衡點(diǎn)缺陷及其濃度能量+能量-nne△U=nu△F=△U-T△S-T△S△F=△U-T△SF：自由能U：內(nèi)能T：溫度S：熵平衡點(diǎn)缺陷的濃度A：材

6、料常數(shù)T：熱力學(xué)溫度u:該類型缺陷形成能k：玻爾茲曼常數(shù)（1）點(diǎn)缺陷的平衡濃度與化學(xué)反映速率一樣，隨溫度升高呈指數(shù)關(guān)系增加。（2）點(diǎn)缺陷的形成能也以指數(shù)關(guān)系影響點(diǎn)缺陷的平衡濃度。由于間隙原子的形成能要比空位高幾倍，因此間隙原子的平衡濃度比空位低很多；在一般情況下，晶體中自間隙原子點(diǎn)缺陷可忽略不計(jì)。例題：Cu晶體的空位形成能Uv為0.9ev/atom，或1.44×10-19J/atom，材料常數(shù)A取1，玻爾茲曼常數(shù)k=1.38×10-23J/K，計(jì)算：①在500℃下，每立方米Cu中的空位數(shù)目；②在500℃下的平衡空位濃度。解答：已知：Cu原子的摩爾質(zhì)量MCu=63

7、.54g/mol；500℃下Cu的密度ρCu=8.96×106g/m3）首先確定1m3體積內(nèi)Cu原子的總數(shù)：再求500℃下的平衡空位濃度：最后獲得500℃下每立方米Cu中的空位數(shù)目：（2）過(guò)飽和點(diǎn)缺陷的產(chǎn)生概念：晶體中點(diǎn)缺陷的數(shù)目明顯超過(guò)平衡值。產(chǎn)生原因：高溫淬火，輻照，冷加工，等等。五、點(diǎn)缺陷與材料行為（1）點(diǎn)缺陷的運(yùn)動(dòng)-擴(kuò)散原子或分子的擴(kuò)散是依靠點(diǎn)缺陷（空位和間隙原子）的運(yùn)動(dòng)而實(shí)現(xiàn)的；高溫下的原子擴(kuò)散速度十分可觀。材料加工工藝中不少過(guò)程都是以擴(kuò)散作為基礎(chǔ)：表面化學(xué)處理；成分均勻化處理；退火與正火；時(shí)效硬化處理；燒結(jié)；固態(tài)相變；等等。（2）對(duì)材料物理性能與力學(xué)