第三章 晶体缺陷 第一节 点缺陷 引言

? 完整晶体：原子规则地存在于应在的位置上。 ? 晶体结构缺陷：实际晶体中偏离理想结构的区域。 晶体缺陷分类： （按几何特征分）

? 1、点缺陷（零维缺陷） （Point defect）

? 在各个方向上尺寸都很小的缺陷。如：空位、间隙原子、溶质原子等。

? 2、线缺陷（一维缺陷）（Line defects）

? 在一个方向上尺寸较大，另两个方向上尺寸较小。如：位错。

? 3、面缺陷（二维缺陷）（Surface defects）

? 在两个方向上尺寸较大，在另一个方向上尺寸较小。如：晶体表面、晶界、

相界、孪晶界等。

? 4、体缺陷（三维缺陷）（Body defects）

? 在任意方向上尺寸较大。如：沉淀相、空洞、气泡等

? 研究缺陷的产生、运动、交互作用及转化，具有重要的理论和实际意义。 第一节 点缺陷

一、晶体中点缺陷的结构及形成 二、点缺陷的平衡浓度 三、点缺陷的移动

四、点缺陷对金属性能的影响 1、点缺陷的形成

2、点缺陷的分类（离位原子的去处）

? 肖脱基(Schottky)缺陷——原子迁移到表面——仅形成空位 ? 弗兰克(Franke)缺陷——原子迁移到间隙中—形成空位-间隙对 ? 杂质或溶质原子——间隙式（小原子）或置换式（大原子） 迁移其它空位中，使空位发生移位，不增加空位数目。 3、点缺陷的弹性畸变和能量

? 点缺陷导致一定范围内的弹性畸变和能量增加

4、点缺陷与温度的关系

? 空位和间隙原子的形成与温度密切相关

? 随温度升高，点缺陷数目增加，称为热缺陷。

5、点缺陷的产生

① 原因：热运动

② 工艺：高温淬火、冷变形加工、高能粒子轰击也可产生点缺陷。(点缺陷并非都通过

原子的热振动产生)。

辐照对于材料性能所引起的一些特殊效应

? 电离 ? 蜕变

? 离位（金属中最主要的辐照效应）

二、点缺陷的平衡浓度

? 点缺陷形成对晶体的影响：

? (1)点阵畸变，晶体内能增加，晶体不稳定； ? (2)原子排列混乱程度增加，改变周围原子振动频率，晶体熵增加，晶体稳定。

? 由于存在这两个互为矛盾的因素，所以，晶体中的点缺陷在一定温度下有一定的平

衡数目，这个平衡浓度可以借热力学求得

热力学平衡

? 当晶体中空位处于系统热力学平衡状态时，T 温度下系统的自由能 F为： F=U–TS

? 式中：

? U为内能；

? S为总熵，包括组态熵Sc和振动熵Sf 。

? 设由N个原子组成的晶体中，含有n个空位。形成一个空位所需要的能量为△Ev，

则n个空位使内能增加为△U=n△Ev。 n个空位将引起的总熵变为

△S=n△Sf+ △Sc。

? 自由能变化：

△F= n△Ev－T(n△Sf+ △Sc)

? 根据统计热力学，组态熵可以表示为：

Sc＝klnW

? 式中：

－

k为玻尔滋曼常数（＝1.38×1023J/K）；

W为微观状态的数目，即晶体中存在n个空位时可能出现的不同排列方式数目： ? 晶体的组态熵的增值为：

W??N?n?!N!n!?N?n?!??N?n?!??Sc?S?n空位??S?0空位??k?ln?ln1??klnN!n!N!n!??? 利用x>>1时的斯特令(Stirling)近似式lnx!≈xlnx－x，上式可以简化为：

△Sc＝k[(N+n)ln(N+n)-N lnN -n lnn]

? 带入自由能式，则：

△F=n(△Ev－T△Sf )-kT [(N+n)ln(N+n)-NlnN-nlnn]

? 由于T温度平衡条件下的自由能极小（ne处出现极小值，代表平衡态，即空位平衡

浓度），上式对n求一次偏导，令其等于零：

空位在T温度的平衡浓度为：

?Sf?Ev?EvnC??exp()exp(?)?Aexp(?)

NkkTkT

?S式中： p( f )，是由振动熵决定的系数，一般在1～10之间。 A ? exk间隙原子平衡浓度为：

?Evn???C???Aexp(?)

N?kT

? 式中：

N’ ：间隙位置总数； n’ ：间隙原子数；

△Ev’ ：间隙原子形成能；

△Sf’ ：间隙原子引起的振动熵变。 ? 推论：

? （1）晶体中的空位是热力学上的稳定缺陷，对应于一定温度，有一定的空位平衡浓

度，过高或过低均不稳定。

? （2）空位浓度与温度之间呈指数关系，随温度的升高，空位浓度急剧增大。 ? （3）空位形成能越大，空位浓度越小。