材料科学基础付华课件 4-1节 晶体缺陷-点缺陷

1*材料科学基础FundamentalsofMaterialsScience石家庄铁道大学材料科学与工程学院材料科学系：付华联系电话Q:1115279899

0绪论第1章原子结构与结合键AtomicStructureandbindingbond第2章晶体学基础BasisofCrystallography第3章晶体结构CrystalStructure第4章晶体缺陷Crystaldefects第5章非晶体与准晶结构AmorphousandQuasicrystalStructure第6章相图PhaseDiagram第7章固体扩散SolidDiffusion第8章凝固与结晶SolidificationandCrystallization第9章烧结与聚合SinteringandPolymerization第10章

固态

相变SolidPhaseTransformation

第4章晶体缺陷CrystalDefect4.1点缺陷（Pointdefect）4.1.1点缺陷的类型4.1.2点缺陷的浓度4.1.3点缺陷对材料性能的影响4.2线缺陷（Linedefects）4.2.1位错的类型4.2.2柏氏矢量4.2.3位错的运动4.2.4位错的应力场4.2.5位错与晶体缺陷间的交互作用4.2.6位错的增殖与塞积4.2.7实际晶体中的位错4.3面缺陷

(Surfacedefects)4.3.1晶体表面4.3.2晶界结构与能量4.3.3单相多晶体中的晶粒形貌4.3.4晶界偏析与晶界迁移4.3.5相界实际晶体-----由于原子的热运动并存在能量起伏，原子排列不完整，偏离理想结构；晶体中一些微小区域原子排列的周期性受到破坏---晶体缺陷defects(Imperfections)晶体的形成条件；原子（离子、分子）的热运动；冷热加工过程；辐射、杂质等。晶体缺陷：crystaldefect晶体缺陷的产生原因：5*1.晶体缺陷与扩散、相变、塑性变形、再结晶、氧化、烧结等（工艺过程）有着密切关系。晶体缺陷对晶体性能的影响2.对强度/塑性/韧性等力学性能，

电\磁\热\光等结构敏感的物理性能，有很大的影响。缺陷

defects(Imperfections)在材料中的重要地位：材料性质（能）property\performance的决定性因素。6*Itisthedefectsthatmakesmaterialssointeresting,justlikethehumanbeing.Defectsareattheheartofmaterialscience.按照缺陷区尺寸相对晶体的大小，晶体缺陷分为三类:

点缺陷Pointdefect线缺陷linedefect面缺陷Planardefect体缺陷：三维尺寸较大，如--空洞，气泡，沉淀相等。⑴空间三维方向上的尺寸都很小，约为几个原子间距，又称零维缺陷。点缺陷

Pointdefect⑵包括：空位:vacancy间隙原子:interstitialatom置换原子:Displacedatom“尺寸很小”？：一般与原子间距同一数量级。（1）某一方向上尺寸与晶体或晶粒的线度相当，而在其它方向上的尺寸可以忽略。线缺陷linedefect

（位错dislocation）（2）线缺陷就是各种类型的位错(dislocation)。10*位错的高分辨图像11*（1）在共面的各方向上尺寸可与晶体或晶粒的线度相比拟，在穿过该面的任何方向上缺陷区的尺寸都远小于晶体或晶粒的线度。面缺陷

Planardefect表面surface、晶界grainboundary、亚晶界sub-grainboundary、孪晶界twinboundary、层错stackingfault相界phaseboundary等。非化学计量:TiO2-x13*第4章晶体缺陷Chapter4CrystalDefect4.1点缺陷（Pointdefect）4.1.1点缺陷的类型4.1.2点缺陷的浓度4.1.3点缺陷对材料性能的影响4.2线缺陷（Linedefects）4.2.1位错的类型4.2.2柏氏矢量4.2.3位错的运动4.2.4位错的应力场4.2.5位错与晶体缺陷间的交互作用4.2.6位错的增殖与塞4.2.7实际晶体中的位错4.3面缺陷

(Surfacedefects)4.3.1晶体表面4.3.2晶界结构与能量4.3.3单相多晶体中的晶粒形貌4.3.4晶界偏析与晶界迁移4.3.5相界15*4.1点缺陷一、点缺陷形成与种类：

空位、间隙原子、置换原子原子热震动能量起伏动态4.1点缺陷一、点缺陷形成与种类：

空位、间隙原子、置换原子晶体中的点缺陷

－空位；－间隙原子；

－置换原子（一）空位的类型动态Frankel空位Schottky空位德国物理学家WalterH.Schottky苏联物理学家YakovFrenkel（1）肖脱基缺陷（Schottky)：原子迁移到外表面/晶界，

（2）弗兰克空位（Frankel)：原子挤入点阵间隙。动态Franker空位形成等量空位和间隙Schottky空位只形成空位（一）空位的类型（二）离子晶体中的点缺陷保持电中性：（1）Schottky空位：等量的正/负离子空位。（2）Franker空位：等量的正离子空位/间隙。Cl-Cl-Cl-Cl-Cl-Cl-Cl-Cl-Cl-Cl-Cl-Cl-Cl-Cl-Cl-Cl-Cl-Na+Na+Na+Na+Na+Na+Na+Na+Na+Na+Na+Na+Na+Na+Na+Na+VClVNaSchottky空位（二）离子晶体中的点缺陷：Frankel空位：等量的正离子空位/间隙。Schottky空位：等量的正/负离子空位。离子晶体中的点缺陷：间隙和置换原子不同价位离子置换？22*FeO中：

Fe3+置换Fe2+；→引发Fe2+空位高价正离子占据低价正离子（A3+→→B2+):该位置带正电荷；为保持电中性，产生间隙负离子或正离子空位。（三）缺陷方程（了解）23*低价正离子占据高价正离子（A+→→B2+):该位置带负电荷；为保持电中性，产生间隙正离子或负离子空位。缺陷方程：（了解）24*MgO晶体内常含有FeO，Fe2+离子置换了Mg2+：缺陷方程：1个正电荷1个空位,2个负电荷2个负电荷间隙Ca2+，

2个正电荷25*小结：点缺陷类型二、点缺陷的平衡浓度平衡浓度Ce:

Ce=A•exp（－EV/kT）

EV：空位形成能。Ei：间隙原子形成能空位和间隙哪个容易形成？空位平衡浓度远大于间隙原子的平衡浓度。主要点缺陷为空位。三、点缺陷对材料性能的影响原因：点缺陷使附近的原子稍微偏离原结点位置才能平衡，造成小区域的晶格畸变。

点缺陷不断运动，加快原子的扩散迁移。

空位可作为原子运动的周转站。

2）形成其他晶体缺陷。过饱和空位集中形成空洞，集中塌陷形成位错。29*3）改变材料的力学性能。使强度提高，塑性下降。一般情况下，点缺陷对金属力学性能影响较小，通过和位错交互作用，阻碍位错运动使晶体强化。在高能粒子辐射下，形成大量点缺陷，引起晶体显著硬化和脆化。4）提高材料的电阻。

电子在点缺陷处受到非平衡力，增加运动阻力.四、过饱和点缺陷晶体中点缺陷数大大超过平衡值。

过饱和空位的存在是一非平衡状态，热力学上：有恢复到平衡态的趋势；动力学上：需要一时间过程。（2）辐照法（3）塑性变形（1）淬火法：高温下快冷到低温，空位来不及移出晶体。31*空位:vacancy间隙原子:interstitialatom置换原子:Displacedatom小结：点缺陷的种类及对材料性能的影响。32*空位的类型：

（1）肖脱基缺陷（Schottky)：原子迁移到外表面/晶界，

只形成空位而不形成等量的间隙原子。

（2）弗兰克空位（