第二章晶体缺陷.

第二章 晶体缺陷
晶体结构的特点是长程有序。结构基元或者构成物体的粒
子(原子、离子或分子等)完全按照空间点阵规则排列的晶体 叫理想晶体。
在实际晶体中，粒子的排列不可能这样规则和完整，而是
或多或少地存在着偏离理想结构的区域，出现了不完整性。
把实际晶体中偏离理想点阵结构的区域称为晶体缺陷。 实际晶体中虽然有晶体缺陷存在，但偏离平衡位置很大的
粒子数目是很少的，从总的来看，其结构仍可以认为是接近
完整的。
晶体缺陷对晶体的性能，特别是对那些结构敏感的性能，
如屈服强度、断裂强度、塑性、电阻率、磁导率等有很大
的影响。另外晶体缺陷还与扩散偶、相变、塑性变形、再
结晶、氧化、烧结等有着密切关系。因此，研究晶体缺陷
具有重要的理论与实际意义。
根据几何形态特征，可以把晶体缺陷分为三类：点缺陷、
图
空位-体系能量曲线
n C A exp(Ev / KT ) N n 平衡空位数 N 阵点总数 Ev 每增加一个空位的能量 变化 K 玻尔兹曼常数 A 与振动熵有关的常数
材料中空位的实际意义
• 空位迁移是许多材料加工工艺的基础。 晶体中原子的扩散就是依靠空位迁移而实现的。 在常温下空位迁移所引起的原子热振动动能显著提高，再加上高温 下空位浓度的增多，因此高温下原子的扩散速度十分迅速。 材料加工工艺中有不少过程都是以扩散作为基础的 化学热处理
高能粒子辐照
离子注入 这是用高能离子轰击材料将其嵌入近表面区域的一种工 艺。离子注入晶体中可以产生大量点缺陷：注入组分离子， 产生空位和填隙离子；注入杂质原子则产生代位或填隙杂 质。在半导体器件工艺中，离于注入是引入掺杂层的有效 途径。在制备某些合金材料时，不溶的合金元素只有借助 离子注入技术才能实现合金化。此外，高能离子注入还能 产生位错环和各种类型的面缺陷，甚至非晶层。
迅速冷却，即进行淬火处理，那么高温下形成的高浓度点
缺陷将被“冻结”在晶内，形成过饱和点缺陷。
大量的冷变形 塑性形变的物理本质是晶体中位错的大量滑移。位错滑 移运动中的交截过程和其它位错的非保守运动，都可能产 生大量空位和填隙原子。如果温度巳够低，不能发生明显 的固态扩散过程的话，这些点缺陷则处于非热平衡态
中。 空位周围的原子，由于热振动能量的起伏，有可能获得足 够的能量而跳入空位，并占据这个平衡位置，这时在这个原 子的原来位置上，就形成一个空位。这一过程可以看作是空 位向邻近结点的迁移。 在运动过程中，当间隙原子与一个空位相遇时，它将落入 这个空位，而使两者都消失，这一过程称为复合，或湮没。
（a）原来位置；
均匀化处理
退火与正火 时效 这些过程均与原子的扩散相联系。如果晶体中没有空位，这些工艺根 本无法进行。提高这些工艺处理温度可大幅度提高的过程的速率，也 正是基于空位浓度及空位迁移速度随温度的上升呈指数上升的规律。
点缺陷的存在使晶体体积膨胀，密度减小。 点缺陷引起电阻的增加，这是由于晶体中存在点缺陷时， 对传导电子产生了附加的电子散射，使电阻增大。 空位对金属的许多过程有着影响，特别是对高温下进行的 过程起着重要的作用。 金属的扩散、高温塑性变形的断裂、退火、沉淀、表面化 学热处理、表面氧化、烧结等过程都与空位的存在和运动有 着密切的联系。 过饱和点缺陷（如淬火空位、辐照缺陷）还提高了金属的 屈服强度。
（b）中间位置；
（c）迁移后位置
图 空位从位置A迁移到B
2.点缺陷的平衡浓度 晶体中点缺陷的存在，一方面造成点阵畸变，使晶体的内
能升高，增大了晶体的热力学不稳定性；另一方面，由于增 大了原子排列的混乱程度，并改变了其周围原子的振动频率， 又使晶体的熵值增大。熵值越大，晶体便越稳定。 由于存在着这两个互为矛盾的因素，晶体中的点缺陷在一 定温度下有一定的平衡数目，这时点缺陷的浓度就称为它们 在该温度下的热力学平衡浓度。 在一定温度下有一定的热力学平衡浓度，这是点缺陷区别 于其它类型晶体缺陷的重要特点。
§2.1.3 点缺陷对性能的影响
产生过饱和点缺陷的方法
高温激冷 晶体中点缺陷的热平衡浓度随温度下降而指数式地减小。 如果极缓慢地冷却晶体．则高温下平衡而低温下过量的点
缺陷将可能通过合并湮灭 ( 如空位与填隙原子的复合或消
失于晶内其他缺陷 (如位错、晶界等)和晶体表面处等过程 而减少，始终保持相应温度下的热平衡浓度。如果使晶体
图 晶体中的缺陷(a) 肖脱基空位
空位的两种类型：点
(b) 弗兰克尔空位
离位原子迁移到晶体的表面上，这样形成的空位通常称为
肖脱基缺陷；可迁移到晶体点阵的间隙中，这样的空位称弗 兰克尔缺陷。
§2.1.2 点缺陷的运动及平衡浓度
1.点缺陷的运动 点பைடு நூலகம்陷并非固定不动，而是处在不断改变位置的运动过程
关于空位的总结
空位是热力学上稳定的点缺陷，一定的温度对应一定的平 衡浓度，偏高或偏低都不稳定。 不同金属的空位形成能是不同的，一般高熔点金属的形成 能大于低熔点金属的形成能。 空位浓度、空位形成能和加热温度之间的关系密切。在相 同的条件下，空位形成能越大，则空位浓度越低；加热温 度越高，则空位浓度越大。 空位对晶体的物理性能和力学性能有明显的影响。 空位对金属材料的高温蠕变、沉淀析出、回复、表面氧化、 烧结等都产生了重要的影响。
置换原子：位于晶体点阵位置的异类原子。
2.点缺陷的形成 原子相互作用的两种作用力：(1)原子间的吸引力；(2)
原子间的斥力 点缺陷形成最重要的环节是原子的振动 原子的热振动 （以一定的频率和振幅作振动） 原子被束缚在它的平衡位置上，但原子却在做着挣脱 束缚的努力 点缺陷形成的驱动力：温度、离子轰击、冷加工 在外界驱动力作用下，哪个原子能够挣脱束缚，脱离 平衡位置是不确定的，宏观上说这是一种几率分布
线缺陷和面缺陷。
第一节 点缺陷
§2.1.1 点缺陷的类型及形成
点缺陷的定义 点缺陷：在三维方向上尺寸都很小（远小于晶体或晶粒
的线度）的缺陷。 1.点缺陷的类型 金属中常见的基本点缺陷有空位、间隙原子和置换原子。 空位：空位就是未被占据的原子位置； 间隙原子：间隙原子可以是晶体中正常原子离位产生， 也可以是外来杂质原子；