04-1 FH4-1节 晶体缺陷-点缺陷.pptx

第1页：晶体缺陷

第4章晶体缺陷Crystal defects

• 0绪论
• 第1章原子结构与结合键Atomic Structure and binding bond
• 第2章晶体学基础Basis of Crystallography
• 第3章晶体结构Crystal Structure
• 第5章非晶体与准晶结构Amorphous andQuasicrystalStructure
• 第6章相图Phase Diagram
• 第7章固体扩散Solid Diffusion
• 第8章凝固与结晶Solidification and Crystallization
• 第9章烧结与聚合Sintering and Polymerization
• 第10章固态相变Solid Phase Transformation

第2页：晶体缺陷

第4章晶体缺陷Crystal Defect4.1点缺陷（Point defect）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（Line defects）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

第3页：晶体缺陷·晶体中一些微小区域原

• 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：crystal defect晶体缺陷的产生原因：

第4页：晶体中一些微小区域原

.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。

第5页：晶体中一些微小区域原

• It is thedefectsthat makesmaterials so interesting , just likethe human being .
• Defectsare at theheart ofmaterial science.

第6页：晶体中一些微小区域原

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Point defect线缺陷line defect面缺陷Planar defect体缺陷：三维尺寸较大，如--空洞，气泡，沉淀相等。无法显示该图片。

第7页：点缺陷

点缺陷Pointdefect⑵包括：空位:vacancy间隙原子: interstitial atom置换原子:Displaced atom“尺寸很小”？：一般与原子间距同一数量级。

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。

第8页：线缺陷

（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line defect（位错dislocation）（2）线缺陷就是各种类型的位错(dislocation)。

第9页：线缺陷·位错的高分辨图像

位错的高分辨图像

第10页：

第11页：位错的高分辨图像·面缺陷

（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grain boundary、亚晶界sub-grain boundary、孪晶界twin boundary、层错stacking fault相界phase boundary等。

第12页：面缺陷·非化学计量

非化学计量: TiO2-x

第13页：晶体缺陷

第4章晶体缺陷Chapter 4 Crystal Defect4.1点缺陷（Point defect）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（Line defects）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

第14页：点缺陷形成与种类

一、点缺陷形成与种类：

• .1点缺陷
• 空位、间隙原子、置换原子原子热震动能量起伏动态

第15页：点缺陷

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

第16页：点缺陷·空位的类型动态

（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Yakov Frenkel（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。

第17页：动态

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

第18页：离子晶体中的点缺陷

（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

第19页：离子晶体中的点缺陷

（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。

第20页：离子晶体中的点缺陷

离子晶体中的点缺陷：间隙和置换原子不同价位离子置换？

第21页：离子晶体中的点缺陷·为保持电中性

• 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）

第22页：为保持电中性

• 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）

第23页：为保持电中性·MgO晶体内常含有

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

第24页：MgO晶体内常含有

小结：点缺陷类型

第25页：点缺陷的平衡浓度平衡浓度

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。

第26页：点缺陷的平衡浓度平衡浓度

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。1)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。

第27页：点缺陷的平衡浓度平衡浓度

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。

第28页：点缺陷的平衡浓度平衡浓度

• ）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.

第29页：点缺陷的平衡浓度平衡浓度

四、过饱和点缺陷晶体中点缺陷数大大超过平衡值。

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。

过饱和空位的存在是一非平衡状态，

第30页：空位

• 空位:vacancy间隙原子: interstitial atom置换原子:Displaced atom小结：
• 点缺陷的种类及对材料性能的影响。

第31页：空位·空位的类型

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（Franker)：同时形成等量空位和间隙。动态Franker空位Schottky空位

第32页：空位的类型·离子晶体中的点缺陷

离子晶体中的点缺陷：空位--保持电中性：Franker空位：等量的正离子空位/间隙。Schottky空位：等量的正/负离子空位。

第33页：离子晶体中的点缺陷·FeO中

FeO中：Fe3+置换Fe2+；→引发Fe2+空位缺陷方程离子晶体中的点缺陷：间隙和置换原子--保持电中性

第34页：结束页

谢谢!