材料科学导论-第-章

《材料科学导论-第-章》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。

1、第3章晶体缺陷在实际晶体中，由于原子（或离子、分子）的热运动，以及晶体的形成条件、冷热加工过程和其他辐射、杂质等因素的影响，实际晶体中原子的排列不可能那样规则、完整，常存在各种偏离理想结构的情况，即晶体缺陷。晶体缺陷对晶体的性能，特别是对那些结构敏感的性能，如屈服强度、断裂强度、塑性、电阻率、磁导率等都有很大的影响。另外晶体缺陷还与扩散、相变、塑性变形、再结晶、氧化、烧结等有着密切关系。因此，研究晶体缺陷具有重要的理论与实际意义。根据晶体缺陷的几何特征，可以将它们分为三类：(1)点缺陷：其特征是在三维空间的各个方向

2、上尺寸都很小，尺寸范围约为一个或几个原子尺度，故称零维缺陷，包括空位、间隙原子、杂质或溶质原子等。(2)线缺陷：其特征是在两个方向上尺寸很小，另外一个方向上延伸较长，也称一维缺陷，如各类位错。(3)面缺陷：其特征是在一个方向上尺寸很小，另外两个方向上扩展很大，也称二维缺陷。晶界、相界、孪晶界和堆垛层错等都属于面缺陷。在晶体中，这三类缺陷经常共存，它们互相联系，互相制约，在一定条件下还能互相转化，从而对晶体性能产生复杂的影响。下面就分别讨论这三类缺陷的产生和发展、运动方式、交互作用，以及与晶体的组织和性能有关的主要问

3、题。3.1点缺陷点缺陷是最简单的晶体缺陷，它是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。晶体点缺陷包括空位、间隙原子、杂质或溶质原子，以及由它们组成的复杂点缺陷，如空位对、空位团和空位-溶质原子对等。对于溶质原子的问题已在上一章中讨论过，故在此主要讨论空位和间隙原子。3.1.1点缺陷的形成在晶体中，位于点阵结点上的原子并非静止的，而是以其平衡位置为中心作热振动。原子的振动能是按几率分布，有起伏涨落的。当某一原子具有足够大的振动能而使振幅增大到一定限度时，就可能克服周围原子对它的制约作用，跳离其原来的

4、位置，使点阵中形成空结点，称为空位。离开平衡位置的原子有三个去处：一是迁移到晶体表面或内表面的正常结点位置上，而使晶体内部留下空位，称为肖特基（Schottky）缺陷；二是挤入点阵的间隙位置，而在晶体中同时形成数目相等的空位和间隙原子，则称为弗仑克尔（Frenkel）缺陷；三是跑到其他空位肖特基空位弗仑克尔空位间隙原子中，使空位消失或使空位移位。另外，在一定条件下，晶体表面上的原子也可能跑到晶体内部的间隙位置形成间隙原子。晶格正常结点位置出现空位后，其周围原子由于失去了一个近邻原子而使相互间的作用力失去平衡，因而它

5、们会朝空位方向作一定程度的弛豫，并使空位周围出现一个波及一定范围的弹性畸变区。空位形成时，除引起点阵畸变，产生畸变能外，还会割断键力，改变周围的电子能量（势能和动能）。因此，空位的形成能Ev被定义为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。通常材料的熔点越高，结合能越大，则空位的形成能也越大。处于间隙位置的间隙原子，同样会使其周围点阵产生弹性畸变，而且畸变程度要比空位引起的畸变大得多，也会改变其周围的电子能量，因此，它的形成能大，在晶体中的浓度一般低得多。上述由于热起伏促使原子

6、脱离点阵位置而形成的点缺陷称为热平衡缺陷。另外，晶体中的点缺陷还可以通过高温淬火、冷变形加工和高能粒子（如中子、质子、a粒子等）的辐照效应等形成。这时，往往晶体中的点缺陷数量超过了其平衡浓度，通常称为过饱和的点缺陷。对于高分子晶体除了上述的空位、间隙原子和杂质原子等点缺陷外，还有其特有的点缺陷。20分子链上异常键合分子链位置发生交换两个分子链相对方向折叠在离子晶体中，由于要维持电中性，故点缺陷更加复杂，若离子晶体中有1个正离子产生空缺，则邻近必有1个负离子空位，这就形成了1个正负离子空位对，即Schottky缺陷；

7、如果1个正离子跳到离子晶体的间隙位置，则在正常的正离子位置出现了1个正离子空位，这种空位-间隙离子对即为Frenkel缺陷。当离子晶体中出现这种点缺陷时，电导率会增加。NaCl点阵中(100)面上离子位置及空位分布示意图3.1.2点缺陷的平衡浓度晶体中点缺陷的存在一方面造成点阵畸变，使晶体的内能升高，降低了晶体的热力学稳定性，另一方面，由于增大了原子排列的混乱程度，并改变了其周围原子的振动频率，引起组态熵和振动熵的改变，使晶体熵值增大，增加了晶体的热力学稳定性。这两个相互矛盾的因素使得晶体中的点缺陷在一定的温度下有

8、一定的平衡浓度。它可根据热力学理论求得。若N个原子组成的晶体中含有n个空位，形成一个空位所需能量为Ev，则空位在T温度时的平衡浓度：式中，A系由振动熵决定的系数，一般估计在1~10之间，k为玻尔兹曼常数（1.38×10–23J/K）。间隙原子的平衡浓度C′为式中N′为晶体中间隙位置总数，n′为间隙原子数，ΔE′v为形成一个间隙原子所需的能量。在一般的晶体中间