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材料科学基础 材料科学基础 第一页，共三十七页，2022年，8月28日 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性能，如屈服强度、断裂强度、塑性、电阻率、磁导率等有很大影响。另外晶体缺陷还与扩散、相变、塑性变形、再结晶、氧化、烧结等有密切关系。 因此，研究晶体缺陷具有重要的理论与实际意义。 第二页，共三十七页，2022年，8月28日 晶体结构缺陷的类型按几何形态分类: 1. 点缺陷 2. 线缺陷 3. 面缺陷 第三页，共三十七页，2022年，8月28日 1.点缺陷（零维缺陷） ? 缺陷尺寸处于原子大小的数量级上，即三维方向上缺陷的尺寸都很小。 包括： 空位（vacancy）、 间隙质点（interstitial particle）、 杂质质点（foreign particle）。 点缺陷与材料的电学性质、光学性质、高温动力学过程等有关。 第四页，共三十七页，2022年，8月28日 图2-1 晶体中的点缺陷 　　 (a)空位 (b)杂质质点 (c)间隙质点 第五页，共三十七页，2022年，8月28日 2.线缺陷（一维缺陷） 指在一维方向上偏离理想晶体中的周期性、规则性排列所产生的缺陷，即缺陷尺寸在一维方向较长，另外二维方向上很短，如各种位错（dislocation）。 线缺陷的产生及运动与材料的韧性、脆性密切相关。 第六页，共三十七页，2022年，8月28日 图4-2 　(a) 刃位错　(b)螺位错 (a) (b) 第七页，共三十七页，2022年，8月28日 3.面缺陷 面缺陷又称为二维缺陷，是指在二维方向上偏离理想晶体中的周期性、规则性排列而产生的缺陷，即缺陷尺寸在二维方向上延伸，在第三维方向上很小，如晶界、相界等。 面缺陷的取向及分布与材料断裂韧性有关。 第八页，共三十七页，2022年，8月28日 图4-3　面缺陷－晶界 第九页，共三十七页，2022年，8月28日 2.1 点缺陷 (point defects) 是在结点上或邻近的微观区域内偏离晶体结构的正常排列的一种缺陷。 特征：三个方向尺寸都很小，不超过几个原子间距。 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。 第十页，共三十七页，2022年，8月28日 分类方法分别有按照位置、成分和产生原因等不同角度进行分类，不同分类方法可能产生重叠交叉。 2.1.1 点缺陷的类型 第十一页，共三十七页，2022年，8月28日 一、 按照位置和成分分类 空位 填隙质点 杂质缺陷 第十二页，共三十七页，2022年，8月28日 1、空位： 正常结点没有被原子或离子所占据，成为空结点，称为空位或空穴 第十三页，共三十七页，2022年，8月28日 2、填隙质点： 原子或离子进入晶体中正常结点之间的间隙位置，成为填隙原子（或离子）或间隙原子（或离子）。 从成分上看，填隙质点可以是晶体自身的质点，也可以是外来杂质的质点 第十四页，共三十七页，2022年，8月28日 3、杂质缺陷： 外来杂质质点进入晶体中就会生成杂质缺陷，从位置上看，它可以进入结点位置，也可以进入间隙位置 第十五页，共三十七页，2022年，8月28日 二、 按照缺陷产生原因分类 热缺陷 杂质缺陷 非化学计量结构缺陷 第十六页，共三十七页，2022年，8月28日 1、热缺陷： 当晶体的温度高于0 K时，由于晶格上质点热振动，使一部分能量较高的质点离开平衡位置而造成缺陷。 离开平衡位置的原子有三种去处：a 移到晶体表面的正常结点而留下空位：肖特基缺陷（Schottky） b 挤入点阵的间隙位置，晶体中形成数目相等的空位和间隙原子称为弗仑克尔缺陷（Frenkel） C 跑到其他晶体缺陷处而使空位消失或使空位移位。 第十七页，共三十七页，2022年，8月28日 图2-4 热缺陷产生示意图 （a）弗仑克尔缺陷的形成（空位与间隙质点成对出现） （b）单质中的肖特基缺陷的形成 第十八页，共三十七页，2022年，8月28日 （1）弗仑克尔缺陷： 在晶格热振动时，一些能量较大的质点离开平衡位置后，进入到间隙位置，形成间隙质点，而在原来位置上形成空位 。 特点：间隙质点与空位总是成对出现 第十九页，共三十七页，2022年，8月28日 （2）肖特基缺陷： 如果正常格点上的质点，在热起伏过程中获得能量离开平衡位置迁移到晶体的表面，而在晶体内部正常格点上留下空位。