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材料科学基础（武汉理工大学出版）之晶体结构缺陷
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三、晶体结构缺陷
通常把晶体点阵结构中周期性势场的畸变称为晶体的结构缺陷
点缺陷
一、点缺陷的符号表征：Kroger-Vink符号

空位V
间隙原子i
错位原子
概要
自由电子e与电子空穴 h
带电缺陷
二、缺陷反应方程式的写法
位置关系
在化合物MaXb中，无论是否存在缺陷，其正负离子位置数（即格点数）的之比始终是一个常数a/b，即：M的格点数/X的格点数=a/b。如NaCl结构中，正负离子格点数之比为1/1，Al2O3中则为2/3。
质量平衡
与化学反应方程式相同，缺陷反应方程式两边的质量应该相等。 注意：缺陷符号的右下标表示缺陷所在的位置，对质量平衡无影响；空位质量为零。
电中性
电中性要求缺陷反应方程式两边的有效电荷数必须相等，晶体必须保持电中性
三、热缺陷的平衡浓度
在一定温度下，热缺陷是处在不断地产生和消失的过程中，当单位时间产生和复合而消失的数目相等时，系统达到平衡，热缺陷的数目保持不变。
肖脱基缺陷的平衡浓度
 ΔGs为形成一对正负离子空位时系统自由焓的变化
弗伦克尔缺陷的平衡浓度
 ΔGF为形成一个弗伦克尔缺陷时系统自由焓的变化
四、热缺陷在外力作用下的运动
间隙质点在外力作用下的运动
空位在外力作用下的运动
间隙质点的运动方向与外力方向相同。 空位的运动方向与外力方向相反。
五、热缺陷与晶体的离子导电性
线缺陷
滑移的定义：在外力作用下，一部分相对另一部分（晶面、晶向）的平移。 滑移的结果：塑性变形，表面形成台阶。 晶体滑移的临界分切应力（tc） ：开动晶体滑移系统所需的最小分切应力。 滑移的可能性（滑移系统）：在最密排晶面（称为滑移面）的最密排晶向（称为滑移方向）上进行。
位错的类型
刃位错
 
几何特征
1）位错线与原子滑移方向相垂直
2）滑移面上部位错线周围原子受压应力作用，原子间距小于正常晶格间距
3）滑移面下部位错线周围原子受张应力作用，原子间距大于正常晶格间距。
分类
正刃位错
“”
负刃位错
“T”
水平线代表滑移面，垂直线代表半个原子面
螺位错
1）位错线与原子滑移方向相平行
2）位错线周围原子的配置是螺旋状的
左旋
右旋
中小圆点代表与该点垂直的位错，旋转箭头表示螺旋的旋转方向。它们之间符合左手、右手螺旋定则(拇指：前进方向，其余四指：旋转方向)。
混合位错
在外力t作用下，两部分之间发生相对滑移，在晶体内部已滑移和未滑移部分的交线既不垂直也不平行滑移方向 位错线上任意一点，经矢量分解后，可分解为刃位错和螺位错分量。
位错的伯格斯矢量及位错的性质
伯格斯矢量：晶体中有位错存在时，滑移面一侧质点相对于另一侧质点的相对位移或畸变。 性质：大小表征了位错的单位滑移距离，方向与滑移方向一致。
伯格斯矢量的确定及表示
 
确定伯格斯矢量的步骤
（1）在实际晶体中，从一原子出发，围绕位错以一定的步数做一闭合回路。
（2） 用右手螺旋定则确定伯格斯回路方向
（3）在完整晶体中，按照同样的方向和部署做相同的回路，最后封闭回路的矢量即要求的伯氏矢量
伯氏矢量的表示方法
b=ka[uvw]
伯氏矢量的特性
守恒性
对一条位错线而言，其伯氏矢量是固定不变的
唯一性
一条位错线只有一个伯氏矢量
连续性
位错线不可能中断于晶体内部。在晶体内部，位错线要么自成环状回路，要么与其它位错相交于节点，要么穿过晶体终止于晶界或晶体表面
合成与分解
如果几条位错线在晶体内部相交（交点称为节点），则其中任一位错的伯氏矢量等于其他各位错的伯氏矢量之和；或者说指向节点的各位错的伯氏矢量之和，必然等于离开节点的各位错的伯氏矢量之和
位错的运动
位错滑移的机理
正刃位错滑移方向与外力方向相同
负刃位错滑移方向与外力方向相反
位错的滑移特点
（1）刃位错滑移方向与外力t及伯氏矢量b平行，正、负刃位错滑移方向相反。
（2）螺位错滑移方向与外力t及伯氏矢量b垂直，左、右螺型位错滑移方向相反。
（3）混合位错滑移方向与外力t及伯氏矢量b成一定角度（即沿位错线法线方向滑移）。
（4）晶体的滑移方向与外力t及位错的伯氏矢量b相一致，但并不一定与位错的滑移方向相同。
刃位错和螺位错滑移的比较
晶体的滑移方向与外力及位错的伯氏矢量相一致，但并不一定与位错的滑移方向相同。
位错的攀移
指在热缺陷或外力作用下，位错线在垂直其滑移面方向上的运动，结果导致晶体中空位或间隙质点的增殖或减少
正攀移
半原子面缩短
负攀移
半原子面伸长
位错的攀移是靠原子或空位的转移来实现的。 位错的攀移只能在高温下进行。
面缺陷
一、晶界（位错界面）
（一）小角度晶界
晶界的结构和性质与相邻晶粒的取向差有关，当取向差θ小于10o时，称为小角度晶界。
倾斜晶界
对称倾斜晶界
形成
两侧晶体的位向差为θ，相当于相邻晶粒反向各自旋转θ/2而成。
相邻两晶粒相对于晶界作旋转，转轴在晶界内并与位错线平行。
结构特点
一系列平行等距离排列的同号刃位错
不对称倾斜晶界
扭转晶界
晶粒在某晶面上发生扭转后，为了降低原子错排引起的能量增加，晶面内的原子会适当位移以确保尽可能多的原子恢复到平衡位置，不能回到平衡位置的，最后形成两组相互垂直分布的螺位错。
晶界是由两组相互垂直的螺位错构成的网络 。
（二）大角度晶界
晶界对材料性能的影响
多晶强化
现象
1）金属材料绝大多是多晶材料
2）多晶体的屈服强度明显地高于同样组成的单晶体
解释
多晶材料不同晶粒之间存在着晶界，晶界及晶界两侧的晶粒的位向差都会增加位错运动的阻力。 位错运动的阻力来自两个方面：其一，晶粒位向不一致造成的阻力；其二，晶界本身的阻力。 与晶粒内部相比，晶界上原子排列紊乱、不规则，伯氏矢量大，使滑移的临界分切应力增加；同时杂质原子在晶界的偏聚或形成第二相颗粒沉积在晶界上，都会阻碍位错运动。
细晶强化
同一种多晶体材料中，晶粒越细，屈服强度越高。
晶体强化机制的实质就是阻止晶体中位错的运动。在变形晶体的滑移面上的位错，往往成列地塞积在晶界处，形成位错塞积群。晶粒越小，塞积的位错越多。
二、堆积层错
抽出型
插入型
三、反映孪晶界面
面心立方结构的晶体中的正常堆垛方式是六方密排面作……△△△△△△△△……的完全顺顺序堆垛（或与此等价，作……▽▽▽▽▽……完全逆顺序堆垛）。如果从某一层起全部变为逆时针堆垛，例如……△△△△▽▽▽▽……，则这一原子面成为一个反映面，两侧晶体以此面成镜面对称。这两部分晶体成孪晶关系，由于两者具有反映关系，称反映孪晶，该晶面称孪晶界面。
固溶体
将外来组元引入晶体结构，占据主晶相质点位置或间隙位置的一部分，仍保持一个晶相，这种晶体称为固溶体(即溶质溶解在溶剂中形成固溶体），也称为固体溶液。
固溶体的分类
根据外来组元在主晶相中所处位置不同
置换固溶体
间隙固溶体
根据外来组元在主晶相中的固溶度不同
连续型固溶体
有限型固溶体
置换型固溶体
1. 原子或离子尺寸的影响Hume-Rothery经验规则
连续固溶体
中间相或化合物
2、晶体结构类型的影响
若溶质与溶剂晶体结构类型相同，能形成连续固溶体，这也是形成连续固溶体的必要条件，而不是充分必要条件。
3、离子类型和键性
化学键性质相近，即取代前后离子周围离子间键性相近，容易形成固溶体。
4、电价因素
形成固溶体时，离子间可以等价置换也可以不等价置换。
形成置换固溶体的影响因素
间隙型固溶体
间隙式固溶体的生成，一般都使晶格常数增大，增加到一定的程度，使固溶体变成不稳定而离解，所以填隙型固溶体不可能是连续的固溶体。晶体中间隙是有限的，容纳杂质质点的能力≤10%。
1. 杂质质点大小
添加的原子愈小，易形成固溶体
2. 晶体（基质）结构
晶体中空隙愈大，结构愈疏松，易形成固溶体
3 . 电价因素
形成固溶体后对晶体性质的影响
1、稳定晶格，阻止某些晶型转变的发生
2、活化晶格
3、固溶强化
4、形成固溶体后对材料物理性质的影响
晶体结构缺陷的类型
按缺陷的几何形态分类
空位
正常结点没有被质点占据，成为空结点
间隙原子
质点进入正常晶格的间隙位置，成为间隙质点
杂质质点
外来质点进入正常结点位置或晶格间隙，形成杂质缺陷
点缺陷与材料的电学性质、光学性质、材料的高温动力学过程等有关
线缺陷（位错）
在一维方向上偏离理想晶体中的周期性、规则性排列所产生的缺陷，即缺陷尺寸在一维方向较长，另外二维方向上很短

线缺陷的产生及运动与材料的韧性、脆性密切相关。
刃位错和螺位错
面缺陷又称为二维缺陷，是指在二维方向上偏离理想晶体中的周期性、规则性排列而产生的缺陷，即缺陷尺寸在二维方向上延伸，在第三维方向上很小。如晶界、表面、堆积层错、镶嵌结构等。
抽出型层错
插入型层错
面缺陷的取向及分布与材料的断裂韧性有关
体缺陷
按缺陷产生的原因分类
热缺陷
热缺陷亦称为本征缺陷，是指由热起伏的原因所产生的空位或间隙质点（原子或离子）
弗仑克尔缺陷
肖特基缺陷
温度升高时，热缺陷浓度增加
杂质缺陷
亦称为组成缺陷，是由外加杂质的引入所产生的缺陷
取代式
间隙式
特征:如果杂质的含量在固溶体的溶解度范围内，则杂质缺陷的浓度与温度无关
非化学计量缺陷
指组成上偏离化学中的定比定律所形成的缺陷。 它是由基质晶体与介质中的某些组分发生交换而产生。
特点: 其化学组成随周围气氛的性质及其分压大小而变化
其它原因
电荷缺陷
质点排列的周期性未受到破坏，但因电子或空穴的产生，使周期性势场发生畸变而产生的缺陷
辐照缺陷
材料在辐照下所产生的结构不完整性
