内容发布更新时间 : 2025/11/15 11:18:49星期一 下面是文章的全部内容请认真阅读。
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。