我国晶体缺陷研究的先驱—冯瑞
晶体缺陷与晶体强度
缺陷在影响晶体的什么？－重要性
晶体缺陷对结构敏感性能，强度、塑性、电 阻等具有很大的影响，而且与相变、扩散、 塑性变形、再结晶及氧化、烧结等许多物理 冶金问题密切相关。
尽管结构缺陷占的分额很少，但对性能产生 根本的影响，起着关键作用。
牵一发而动全身!敏感因素!-----缺陷
x a
C
2x
b
C
b 2a
2
理论切变强度的估算：
因原子间斥力的短程性， 能量曲线不是正弦形的， 所以上面的估计是过高的， 更合理的值约为G/30。理 论切变强度和切变模量相 差约1个数量级。
晶体力学性能——晶体的非完整性是主要 的，完整性处于次要地位。
位错概念的引入
理论切变强度的估算：
假设能量曲线是正弦形式。 这样，要使原n
2x
b
在弹性变形范围，应力和应 变服从胡克定律：
理论切变强度的估算：
μ是拉梅系数，对各向同 性弹性体，它等于切变模 量G，γ是切应变，可以 近似为x/a，因此：
3.点缺陷对性能的影响
主要影响材料的物理性能
比体积 比热容 电阻率
1.3.3 位错（dislocations）
位错概念引入及位错观察
30年代，在研究晶体滑移时，发现理论屈 服强度和实际强度间有巨大差异，为了解 释这种差异，人们设想晶体中存在某种缺 陷。形变就在这局部缺陷处发生。
晶体结构——规则的完整排列是主要的， 非完整的是次要的。
线缺陷：在两个方向上尺寸很小，而另一个方 向上尺寸较大的缺陷。主要是位错。
面缺陷：在一个方向上尺寸很小，在另外两个 方向上尺寸较大的缺陷。晶界、相界、表面
1.3.2 点缺陷(Point Defect)
1 点缺陷的类型及形成
晶体中的点缺陷包括空位、间隙原子、杂质 或溶质原子以及它们组成的复杂缺陷。
空位
(a) Schottky空位
(b)Frenkel空位
a空位，b空位对，c三空位及空位四面体
b
c
a e
空位邻近原子群向空位所在地移动，形成一个由 几个原子组成的松驰集团，好象局部的熔化区
间隙原子：在点阵间隙位置挤进一个同类原 子，该原子称为间隙原子。
球对称畸变
沿密排方向，n+1原子占据n个原子位置
点缺陷周围的畸变：
往晶体中引入一个空位或一个间隙原子，它们周 围原子离开它们的平衡位置，造成晶格畸变，使 晶体总自由能降低。在无表面应力的均匀的各向 同性弹性体中引入一个强度为C的膨胀中心时， 体积变化△υ为
4cr r 3(1 ) /(1 )
式中σ为泊松(Poisson)比，r为常数，大多数金 属r=1.5
晶体中的原子偏离规则排列的不完整区域， 称为晶体缺陷。
尽管从整个晶体来看，原子（离子，原子团）是规 则排列的，但在微观区域却存在不规则性（缺陷）， 这些不规则性对晶体很多物理化学过程以及性能起 着重要作用，它们在这些过程中常常扮演主要角色， 而晶体的规则性只退居为舞台的背景。
概念
点缺陷：在三维空间各方向上尺寸都很小的缺 陷。如空位、间隙原子、异类原子等。
空位在点缺陷中有极重要地位，一方面普遍 存在，另一方面浓度较高，对材料性质有重 大影响。如扩散、蠕变等过程。
间隙原子：在高能辐照条件下有可察觉的数 量。
空位（Vacancy）
从晶体正常点阵位置上抽去一个原子，失去了原 子的位置就是空位。 a. 肖脱基空位(Schottky)，离位原子迁移到表面或 晶界而留下空位 b. 弗兰克尔空位(Френкель)，离位原子挤入晶体 的间隙位置后而留下空位
引入可观浓度点缺陷的方法
➢ 激冷（从高温淬火） ➢ 多种条件下的范性形变 ➢ 以核粒子辐照损伤晶体 ➢ 冶金过程中的应力迫使原
子偏离结构位置
点缺陷的热力学
﹡点缺陷热力学：晶体中 点缺陷的存在一方面造成 点阵畸变，使晶体内能升 高；另一方面增大了原子 排列的混乱程度，改变了 周围原子的振动频率。使 熵值增大晶体稳定。
点缺陷的形成能：
形成一个点缺陷内能的增加。 ☻空位形成能：从晶体内部取出一个原子 (离子)放到晶体表面所需要的能量。 ☻间隙原子形成能：从晶体表面取出一个 原子，挤进间隙位置所需要的能量。
点缺陷的迁移能：
定义：点缺陷往晶体中运动时必须经过能量的最 高点(即鞍点)，超过鞍点所需能量为点缺陷的迁 移能。 迁移方式：空位为直接式，间隙原子有直接式、 间隙式和对分间隙式 热跃迁几率：将点缺陷看作微观粒子，处在热能 谷中，从热涨落获得足够的能量越过势垒进入B。 在势阱A中有n个无交互作用的粒子。 P=B处粒子的流量/A中粒子的总数
a. 体心组态
b. 挤列组态
置换原子：占据在原来基体原子平衡位置上的异类 原子称为置换原子。
➢每种点缺陷都会造成晶格畸变，从而对性能产生影 响，屈服强度升高、电阻增大、体积膨胀等。 ➢与扩散相关的过程。
2. 点缺陷的运动及平衡浓度
点缺陷的运动
点缺陷的平衡浓度
空位是一种热平衡缺陷，一定温度下有一定的平 衡浓度。温度越高，平衡浓度越大。 金属中的空位平衡浓度是很低的，即使在接近熔 点温度也只有约10-4。 例如铝在靠近熔点的温度（933K）时的平衡空 位浓度Nv=8.7×10-4。 间隙原子的形成焓比空位约大一个数量级，所以 它的平衡浓度更低，接近熔点时一般为10-15。
点缺陷的迁移能
金属的空位迁移能略低于空位形成能；间隙原 子的迁移能比间隙原子的形成能小很多，且比 空位迁移能大。
晶体中的自扩散是不依赖于浓度梯度的，它是 由扩散原子的热运动而引起的原子迁移，实质 上是空位在晶体中的迁移，因此，自扩散的激 活能就等于空位的形成能加上空位的迁移能。
退火时，空位向空位壑迁移，引起空位的 湮没，位错、晶界、相界、自由表面均是 空位壑。
点缺陷的浓度
C=Aexp(-NoEo/KN0T) =Aexp(-Qf/RT)
Qf=N0E0——形成空位的激活能，即形成1mol空位 所需要的功，单位为J/mol
R=kN0——气体常数 ，为8.31J/mol.K A=exp(S0/k)由振动熵决定的系数，1～10
点缺陷产生后，其周围产生弹性畸变，而且间隙 原子的畸变比空位要大得多