材料科学基础--第2章晶体缺陷

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1、1材料科学基础Chapter2–晶体缺陷2ChapterOutline2.1PointDefects2.2Dislocations2.3SurfaceDefects3晶体结构中原子组合的不完整性，称为晶体缺陷。点缺陷—在三维方向都很小的（不超过几个原子间距）缺陷，或者说是零维缺陷。包括空位、间隙原子、置换原子等。线缺陷—在两个方向上尺寸很小，而另一个方向尺寸很长的缺陷，即一维缺陷。也就是“位错”．这是本章要重点讨论的。面缺陷—在一个方向尺寸很小，而另两个方向尺寸很大的缺陷，即二维缺陷。如相界面、晶界、亚晶界，还有孪晶界、堆垛层错等。4Pointdefects-Imperfections,s

2、uchasvacancies,thatarelocatedtypicallyatone(insomecasesafew)sitesinthecrystal.Extendeddefects-Defectsthatinvolveseveralatoms/ionsandthusoccuroverafinitevolumeofthecrystallinematerial(e.g.,dislocations,stackingfaults,etc.).Vacancy-Anatomoranionmissingfromitsregularcrystallographicsite.Interstitiald

3、efect-Apointdefectproducedwhenanatomisplacedintothecrystalatasitethatisnormallynotalatticepoint.Substitutionaldefect-Apointdefectproducedwhenanatomisremovedfromaregularlatticepointandreplacedwithadifferentatom,usuallyofadifferentsize.Section2.1PointDefects点缺陷5图2-1点缺陷：(a)空位(b)间隙原子(c)小置换原子(d)大置换原子(e

4、)弗兰克空位(f)肖脱基空位Figure2-1Pointdefects:(a)vacancy,(b)interstitialatom,(c)smallsubstitutionalatom,(d)largesubstitutionalatom,(e)Frenkeldefect,(f)Schottkydefect.Allofthesedefectsdisrupttheperfectarrangementofthesurroundingatoms.671．空位(Vacancy)晶体中的原子克服周围原子的约束力，跳到别的位置而在原有位置留下的空结点，称为空位。它包括以下两类：弗兰克（Frank）空

5、位—晶体中的原子迁移到晶体点阵的间隙位置，在原位置形成的空位。肖脱基(Schottky)空位—晶体中的原子离开平衡位置，迁移到表面或其它界面而在原位置形成的空位。2．间隙原子(interstitialatom)晶体点阵的间隙位置出现的原子称为间隙原子。间隙原子又分为同类间隙原子和异类间隙原子。显然，同类间隙原子可与弗兰克空位同时产生。异类间隙原子，多由半径很小的异类原子形成。2.1.1分类83.置换原子（Substitutionalatom）异类原子代换了原有晶体中的原子，而处于晶体点阵的结点位置，称为置换原子，亦称代位原子。各种点缺陷，都破坏了原有晶体的完整性。它们从电学和力学这两个方面

6、，使近邻原子失去了平衡。空位和直径较小的置换原子，使周围原子向点缺陷的方向松弛，间隙原子及直径较大的置换原子，把周围原子挤开一定位置。因而在点缺陷的周围，就出现了一定范围的点阵畸变区，或称弹性应变区。距点缺陷越远，其影响越小。因而在每个点缺陷的周围，都会产生一个弹性应力场。2.1.1分类91.空位形成能和间隙原子形成能形成一个空位（或间隙原子）所需要的能量，称为空位形成能（或间隙原子形成能）。它包括电子能（缺陷对晶体中电子状态的影响）和畸变能。空位以前者为主，间隙原子以后者为主。间隙原子形成能比空位形成能高出几倍。所以，空位形成比较容易，数量比较多。2.空位引起的熵变n个空位在N个位置上的

7、组合方式的数目，若用ω即产生n个空位的几率表示，则玻尔兹曼研究出熵的统计学表达式为2.1.2点缺陷对体系热力学能和熵的影响10n个空位造成系统排列熵的改变为若N不变，当n0。因n<