第5章固体中的缺陷 《材料科学与工程基础》.pdfVIP

第5章固体中的缺陷

为什么要学习固体中的缺陷

某些材料的性质受到存在于材料中的缺陷的极大影响。因此、知道存在于材料中缺陷的类型，以及它们在影响材料性质中的作用是很重要的。例如、纯金属

的力学性质经过合金化以后（即加入杂质原子）会发生很大变化——例如、标准银合金（含银92.5％，含铜7.5％）比纯银更硬更强（8.10节）。

而且，在我们的计算机、计算器和家用功能的集成微电子设备是通过在半导体材料上引入高度可控的杂质浓度和定域化掺杂获得的（12.11节）。

学过这一章后，你应当掌握以下内容：

1.描述空位和自间隙晶体缺陷。

2.已知相关常数，计算某特定温度下材料中的平衡空位数。

3.两种类型的固溶体的书面定义和图示表达。

4.陶瓷化合物中几种不同的点缺陷。

5.已知合金中组元的质量和原子量，计算每种元素的质量百分浓度和原子百分浓度。

6.对于刃型、螺型和混合型位错中的每一种：

（a）描述和画出位错；

（b）注意位错线的位置；

（c）指出位错线延伸的方向。

7.描述（a）晶界和（b）孪生晶界附近的原子结构

5.1引言

对于晶体固体材料，我们默认在材料内部原子级水平上排列完全有序。然而这种理想固体是不存在的；所有固体都存在大量的各种缺陷。事实上材料的

许多性质都很深地受到材料中缺陷程度的影响；这种影响不总是有害的，人们常常通过有意识的引入缺陷和控制缺陷的量来获得特殊性质的材料，详细情况

在下面的章节中要介绍。

“晶体缺陷”意味着在原子大小范围晶格不规则。晶体缺陷的分类通常按照缺陷区的几何形状和大小。这一章要讨论几种不同的缺陷，包括点缺陷（尺寸与

一两个原子大小相近），线缺陷（一维缺陷），以及面缺陷，即界面，是二维缺陷。也要讨论如果在某一方向上缺陷区的尺寸可以与晶体或晶粒的线度相比

拟，而在其它方向上的尺寸相对于晶体或晶粒线度可以忽略不计，那么这种缺陷就称为线缺陷或位错，这是本章要着重讨论的缺陷…

(3)面缺陷如果在共面的各方向上缺陷区的尺寸可与晶体或晶粒的线度相比固体中的杂质，因为杂质原子也可能以点缺陷的形式存在。{最后，简要叙述显微

测量缺陷的技术和材料的结构。}

点缺陷

5.2金属中的点缺陷

最简单的点缺陷是空位,即空的晶格位。通常在一个原子原来占据的地方变成了空位（图5.1）。所有晶体固体都含有空位，事实上，不可能阻止材料中

没有空位这种缺陷。空位存在的必然性可以用热力学原理来解释；实质上、空位的存在增加了晶体中的熵（无序性）。

一定量的材料中的平衡空位数Nv随温度而增加，具有如下关系：

（5.1）

式中，N是总的原子数，是形成空位所需要的能量，T是绝对温度，k是气体常数或波尔兹曼常数，取值取决于的单位。的单位为焦耳时，k为

1.38*10-23J/atom-K,当的单位为电子伏特时，k为8.62*10-5eV/atom-K。因此，空位数随温度成指数增加。对大多数金属，空位分数在略低于熔

-4

点的时候是10数量级，也就是说，在10000个位置中有一个是空的。正如以上讨论指出的，其他材料的空位数也有类似于公式5.1的关系。

自间隙是晶体中的一个原子挤入到原来并没有原子占据的很小的间隙位置中去的情况。这种情况也表示在图5.1中。对于金属材料，自间隙会引起周围

晶格的较大变形，因为原子比间隙的空间要大得多。因此这种情况并不多见，它仅仅以很小的浓度，即远低于空位的浓度出现。例5.1

5.3陶瓷中的点缺陷

原子点缺陷

陶瓷化合物也存在点缺陷。象金属一样，空位和间隙都是可能的；可是由于陶瓷材料至少含有两类离子，每种离子都可能形成缺陷，例如在NaCl中，Na

离子间隙和空位以及Cl离子间隙和空位都可能存在。知道阴离子间隙的精确浓度不太可能。阴离子相对较大，要填入到较小的间隙中需要额外的应力排开周

围的离子。图5.2画出了阴离子和阳离子空位，以及阳离子间隙。

陶瓷中缺陷的表示通常通过指定原子的类型和点缺陷浓度。由于原子以带电的离子出现，当考虑缺陷结构的时候，必须考虑电中性的要求。电中性是材

料中离子所带的正负电荷总数相等。因此、陶瓷中的缺陷不会单独发生。一种缺陷类型是阳离子空位和阴离子间隙对。这种缺陷叫做弗兰克尔缺陷（图

5.3）。可以认为是阳离子离开它的晶格位置进入间隙位置形成的。电荷没有发生变化，因为阳离子在间隙中仍然带正电。

另一种类型的点缺陷是AX型化合物中发现的