第三章 晶体缺陷
晶体结构完整幷规则排列只是理想情况。由于原子的热震动以及晶体的形成过程、加工过程及使用过程中将受到各种条件的影响,在实际晶体结构中原子（离子或原子团）并非完整规则排列，且存在各种不完整性即晶体缺陷。依据缺陷尺寸特征分为三类：点缺陷、线缺陷和面缺陷。
①点缺陷（point Defect）:空位和间隙原子。 ②线缺陷（Line Defect）：位错。
③面缺陷（Place Defect）：晶界、相界、表面和堆垛层错。 §3.1 点缺陷
点缺陷包括空位（vacancy）和间隙原子(Self-interstitial)。 一. 空位和间隙原子 (一)．点缺陷的形成
由于原子的热运动和能量起伏是某些原子具有较高的能量从而脱离了平衡位置，从而迁移到其它位置而形成“空位”或“间隙原子”。 能量起伏：对金属进行加热、变形、结晶及高能离 子轰击等使微小体积偏离体系平均能量的现象。 （二）．点缺陷的类型
依据原子的去向将空位分为： 1.肖脱基空位（简称肖氏空位）
肖氏空位：离位原子迁移到外表面或内界面 （如晶界等）处这种空位成为肖氏空位。肖氏 空位在晶内只留下空位。 2.弗兰克尔空位（简称弗氏空位） 弗氏空位：离位原子迁移到晶体点阵 的间隙中，空位和间隙原子同时存在 的空位。
1 异类
动作：首先做一个完美晶体，然后分别出现图中所示的图形（空位处的原子作一个虚线原子，大小与白圈原子相同）并且分别闪烁，以示区别。 图3－1 空位和间隙原子 图3－2肖脱基空位和弗兰克尔空位 （a）肖脱基空位（b）弗兰克尔空位 动作：两图分别作出a)图先做完美晶体，然后将空位处原子一次照图中拉出晶体外面。b）图同样作完美晶体，再照图中将空位处原子拉进间隙中。 3.间隙原子
间隙原子可以是晶体同类原子（称自间隙原子），也可以是外来的异类间隙原子（包括间隙溶质原子和置换溶质原子），如图3－1所示。 二. 点缺陷的平衡浓度
由于能量起伏和原子热振动，点缺陷将不断产生、运动和消亡。点缺陷是热力学稳定的缺陷－即在一定温度下及有一定数量的空位浓度（C）。 C ＝
n ＝Aexp?uvKT 由此式可知: T 越高, C也越大. Nn……空位数(n)与原子总数(N)之比. N UV…….一个空位的形成能
K……..波尔茲曼常数 1.38×10－23J/mole.K T………绝对温度(℃) A为常数 推导如下:
设想有N个结点的晶体,在T温度时理想晶体的自有能为 G = U-TS
（无空位时，TS-束缚能，U-内能，S－熵，T－绝对温度） 设有N个空位形成， △G＝△U－T△S
空位地形成导致内能的增加， △U ＝ n UV ( UV –一个空位形成能 ) 空位地形成导致熵值的增加，△S ＝ n Sf + Sc
Sf –原子振动熵即一个原子形成时引起原子振动造成原子混乱度变化. Sc –晶体排列熵即晶体中不同排列组态引起原子混乱度变化. △G＝△U－T△S ＝n UV – T(n Sf + Sc) ……………………① 依据统计力学可知: S = K Lnω ω＝
(N?n)! N!n!(N?n)! ……………………② N!n!ω-微观组态数 ∴ SC = K Lnω= K Ln当N和n很大时可用斯特林近似公式:
Ln x! = x Ln x – x
2
∴②式可以写成: SC = K [(N+n)Ln(N+n)-NLnN-NLnn] ……………………③ 将③式代入①式得 △G = n UV – T (n Sf+ Sc) △G = n UV – T n Sf+TK [(N+n)Ln(N+n)-NLnN-NLnn] 在T温度时含有n各空位的晶体的自由能取得最小值得条件是: ∴ UV – TSf －KT Ln
N?n ＝0 n??G＝0 ?n∵UV ，Sf不是n的函数∴与n无关，只取决于温度与结构。 ∴ Ln
U?TSfN= V
KTnU?TSfNN?nN ≈ V （∵ ≈ ）
KTnnn ∴当n< -1 SfU(V?)UVTSf-1 ∴Ln C ＝ - ∴ C = eKTK KTKT所以 C = Aexp(?UVKT) UV-一个空位形成能 K－波尔慈曼常数 由此可知：T↑ C↑ ,因此空位浓度为热力学平衡缺陷。 三. 点缺陷的特性以及对性能的影响 1．点缺陷是热力学平衡缺陷，T↑C↑。 2．C↑电阻↑导电性能↓体积↑。 3．空位和间隙原子的运动可以导致原子的扩散。 4．点缺陷和其它缺陷交互作用可以使材料的бS↑。 5．空位聚集可以形成新的缺陷－位错。 §3.2 位 错 （liong defect） 位错－晶体中原子沿一定晶面发生有规律的错排现象。 一. 位错的形成与塑性变形 由于对金属进行塑性变形、拉伸等所测取材料的实际抗拉强度与理论抗拉强度的差别引起了人们对位错的认识，塑性变形是晶体在外力作用下进行的永久变形，当单晶体在拉伸时发现塑性变形后表面形成很多台阶，意味着晶体的一部分沿着一 3
材料科学基础多媒体第二章晶体缺陷
