《晶体缺陷》课件.pptx

晶体缺陷晶体缺陷是材料科学的核心知识，影响着材料的物理、化学和机械性能。本课程将深入探讨各类缺陷的形成、特性与影响。作者：

课程目标和学习要求掌握晶体缺陷的基本概念理解点缺陷、线缺陷、面缺陷和体缺陷的形成机理和基本特性学习缺陷表征方法熟悉各种现代表征技术及其在缺陷分析中的应用了解缺陷工程应用理解如何通过控制缺陷来调控材料性能

晶体结构回顾晶体的基本特征晶体是原子按照三维周期性排列形成的固体。具有长程有序性，在宏观上表现为各向异性。晶格与晶胞晶格是描述原子排列的数学模型。晶胞是晶格中能代表整个结构特征的最小单元。主要晶体结构面心立方(FCC)、体心立方(BCC)、六方密堆积(HCP)等是常见的金属晶体结构类型。

缺陷的定义和分类1理想晶体与实际晶体实际晶体中原子排列偏离理想位置形成缺陷2按尺寸分类点缺陷、线缺陷、面缺陷和体缺陷3按形成原因分类热力学缺陷、辐照缺陷、机械变形缺陷等

点缺陷概述零维缺陷点缺陷是晶体中最小的缺陷，涉及单个或少数原子位置的局部扰动。热平衡缺陷在热平衡状态下，点缺陷以一定浓度存在，浓度随温度升高而增加。非平衡缺陷通过辐照、快速冷却等方法可引入高于平衡浓度的点缺陷。

空位缺陷定义空位是晶格中原本应有原子的位置出现空缺。是最常见的点缺陷类型。形成主要通过热激活形成。原子获得足够能量离开平衡位置，留下空位。影响促进原子扩散，影响电导率，是材料蠕变和再结晶的关键因素。

间隙原子缺陷定义原子占据晶格间隙位置形成的缺陷1形成原因辐照损伤、快速冷却或杂质引入2局部扭曲引起周围晶格的压应变3影响改变材料强度和电学性能4

替代原子缺陷杂质替代外来原子替代晶格中的正常原子位置尺寸效应原子尺寸差异导致局部晶格畸变电荷效应价电子差异影响局部电子结构

Frenkel缺陷和Schottky缺陷Frenkel缺陷原子从正常晶格位置移动到间隙位置，形成空位-间隙对。常见于离子晶体和金属间化合物。Schottky缺陷在离子晶体中，正负离子成对缺失，保持电中性。常见于碱金属卤化物中。

点缺陷的热力学△G自由能变化缺陷形成的驱动力基于体系自由能最小化△H形成焓创建缺陷所需的能量，通常为正值△S形成熵缺陷增加晶体的构型熵，促进缺陷形成

点缺陷浓度计算空位浓度计算公式：n/N=exp(-Ef/kT)，其中Ef是空位形成能，k是玻尔兹曼常数，T是绝对温度。

点缺陷的扩散活化能原子跃迁所需能量障碍跃迁频率原子成功跃迁的频率扩散机制空位机制、间隙机制等扩散系数D=D0exp(-Q/RT)

点缺陷对材料性能的影响机械性能影响材料强度、硬度和塑性电学性能改变电阻率和半导体特性光学性能形成色心，影响透明度磁学性能影响磁畴壁移动和磁各向异性

线缺陷概述一维缺陷线缺陷沿一个方向延伸，最典型的线缺陷是位错。发现历史位错概念最初由Taylor、Orowan和Polanyi于1934年提出，解释了金属塑性变形。重要性位错是理解材料力学性能的关键，也影响电学、光学和磁学性能。

刃型位错结构特征刃型位错是由一个额外的半原子面插入完整晶格而形成。位错线垂直于滑移方向。应力场位错周围形成复杂应力场。上方区域压应力，下方区域拉应力。运动方式在应力作用下，刃型位错沿滑移面移动。移动过程就是塑性变形的基础。

螺型位错螺型位错的形成当部分原子相对于其他原子发生平行于位错线的剪切位移时形成螺型位错。想象成绕着位错线的螺旋台阶，沿位错线方向移动时会不断绕着位错线旋转。特点位错线平行于滑移方向。应力场呈轴对称分布。不限于特定滑移面，可以交叉滑移。

混合型位错复合性质实际位错通常具有刃型和螺型的混合特性位错线弯曲位错线在晶体中通常不是直线，而是弯曲的曲线特性变化沿位错线不同位置，刃型和螺型特性的比例不同

位错的Burgers矢量Burgers矢量b是表征位错的基本参量，通过在位错周围做Burgers回路确定。对刃型位错，b垂直于位错线；对螺型位错，b平行于位错线。

位错的应力场和应变能1/r应力衰减位错应力场强度与距离成反比Gb2应变能位错能量与剪切模量G和Burgers矢量平方成正比ln(R/r?)能量分布位错能量从位错核心r?到有效半径R呈对数分布

位错的运动：滑移和攀移滑移位错在滑移面内平行移动，不需要原子扩散。是低温下的主要变形机制。滑移系：特定晶面和晶向的组合，通常在最密堆积面和最密排方向上发生。攀移位错垂直于滑移面移动，需要原子扩散。是高温下的重要机制。攀移过程涉及空位的吸收或排放，使位错能够克服障碍继续运动。

位错源与位错增殖外部应力引起位错源激活当外部应力超过临界值，位错源开始运作位错线弯曲并扩展在持续应力作用下，位错线形成环状结构位错环形成并释放环状位错完全形成后，一部分继续扩展循环产生多个位错过程可以重复进行，形成大量位错

Frank-Read源1初始构型位错线两端