材料科学基础结构缺陷详解
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3_《材料科学基础》第三章_晶体结构缺陷((上)
点缺陷（零维缺陷）--原子尺度的偏离.
按 缺
例：空位、间隙原子、杂质原子等
陷 线缺陷（一维缺陷）--原子行列的偏离.
的
例：位错等
几 何
面缺陷（二维缺陷）--表面、界面处原子排列混乱.
形
例：表面、晶界、堆积层错、镶嵌结构等
态 体缺陷（三维缺陷）--局部的三维空间偏离理想晶体的周期性
例：异相夹杂物、孔洞、亚结构等
1、 固溶体的分类
(1) 按杂质原子的位置分： 置换型固溶体—杂质原子进入晶格中正常结点位置而取代基
质中的原子。例MgO-CoO形成Mg1-xCoxO固溶体。 间隙型固溶体—杂质原子进入晶格中的间隙位置。
有时俩
(2)按杂质原子的固溶度x分： 无限（连续）固溶体—溶质和溶剂任意比例固溶(x=0~1)。
多相系统
均一单相系统
Compounds AmBn
原子间相互反应生成
均一单相系统
结构
各自有各自的结构
A structure
structure
+ B structure
结构与基质相同 A structure
结构既不同于A也不同于B New structure
化学计量 A/B
不定
固溶比例不定
m:n 整数比或接近整数比的一定范围内
四、固溶体Solid solution（杂质缺陷）
1、固溶体的分类 2、置换型固溶体 3、间隙型固溶体 4、形成固溶体后对晶体性质的影响 5、固溶体的研究方法
①固溶体：含有外来杂质原子的单一均匀的晶态固体。 例：MgO晶体中含有FeO杂质 → Mg1-xFexO
基质 溶剂 主晶相
杂质 溶质 掺杂剂
萤石CaF2(F-空位)
材料化学-晶体结构缺陷详解
V (V V ) VNa
Cl Na Cl
2 书写点缺陷反应式的规则
（1）位置关系（溶剂）： 对于计量化合物（如NaCl、Al2O3），在缺陷反应式中 作为溶剂的晶体所提供的位置比例应保持不变，但每类位置 总数可以改变。
2ClCl CaCl2 ( s) Ca VK
（3）溶质原子（杂质原子）：
LM 表示溶质L占据了M的位置。如：CaNa SX 表示S溶质占据了X位置。
（4）自由电子及电子空穴：
有些情况下，价电子并不一定属于某个特定位置的原子，在 光、电、热的作用下可以在晶体中运动，这样电子和空穴称 为自由电子（符号e/ ）和电子空穴（符号h. )。
(5)带电缺陷 不同价离子之间取代如Ca2+取代Na+——Ca · Na Ca2+取代Zr4+——Ca”Zr 把离子化合物看作完全由离子构成（这里不考虑化学 键性质），则在 NaCl晶体中，如果取走一个Na+与取走Na 原子相比较，相当于少取走一个电子e ， 晶格中多了一个e, 因此VNa 必然和这个e/相联系，形成带电的空位——
Schottky缺陷的产生
2 组成缺陷
概念——杂质原子进入晶体，或者外界气氛等因素引起基质产生空位的缺陷。 原子进入晶体的数量一般小于0.1%。 种类——间隙杂质 置换杂质空位
特点——杂质缺陷的浓度与温度无关，只决定于溶解度。
存在原因——本身存在，有目的加入(改善晶体的某种性能)
3 电荷缺陷
晶体内原子或离子的外层电子由于受到外界激发，有少部 分电子脱离原子核对它束缚，而成为自由电子，对应留下空穴。
VCl NaCl VNa
形成——正常格点的原子由于热运动跃迁到晶体表面， 在晶体内正常格点留下空位。 从形成缺陷的能量来分析—— Schttky缺陷形成的能量小Frankel 缺陷形成的能量 因此对于大多数晶体来说，Schttky 缺陷是主要的。 热缺陷浓度表示 ：
材料科学基础--第2章晶体缺陷PPT课件
辐照：在高能粒子的辐射下，金属晶体点阵上的原子 可能被击出，发生原子离位。由于离位原子的能量高， 在进入稳定间隙之前还会击出其他原子，从而形成大量 的间隙原子和空位（即弗兰克尔缺陷）。在高能粒子辐 照的情况下，由于形成大量的点缺陷，而会引起金属显 著硬化和脆化，该现象称为辐照硬化。
12
2.1.5点缺陷与材料行为
Or, there should be 2.00 – 1.9971 = 0.0029 vacancies per unit cell. The number of vacancies per cm3 is:
17
Other Point Defects
Interstitialcy - A point defect caused when a ‘‘normal’’ atom occupies an interstitial site in the crystal.
11
2.1.4 过饱和点缺陷
晶体中的点缺陷浓度可能高于平衡浓度，称为过饱和点 缺陷，或非平衡点缺陷。获得的方法：
高温淬火：将晶体加热到高温，然后迅速冷却（淬火 ），则高温时形成的空位来不及扩散消失，使晶体在低 温状态仍然保留高温状态的空位浓度，即过饱和空位。
冷加工：金属在室温下进行冷加工塑性变形也会产生 大量的过饱和空位，其原因是由于位错交割所形成的割 阶发生攀移。
6
2.1.1 分类
3.置换原子（Substitutional atom） 异类原子代换了原有晶体中的原子，而处于晶体点阵的结 点位置，称为置换原子，亦称代位原子。 各种点缺陷，都破坏了原有晶体的完整性。它们从电学
和力学这两个方面，使近邻原子失去了平衡。空位和直 径较小的置换原子，使周围原子向点缺陷的方向松弛， 间隙原子及直径较大的置换原子，把周围原子挤开一定 位置。因而在点缺陷的周围，就出现了一定范围的点阵 畸变区，或称弹性应变区。距点缺陷越远，其影响越小 。因而在每个点缺陷的周围，都会产生一个弹性应力场 。
12
2.1.5点缺陷与材料行为
Or, there should be 2.00 – 1.9971 = 0.0029 vacancies per unit cell. The number of vacancies per cm3 is:
17
Other Point Defects
Interstitialcy - A point defect caused when a ‘‘normal’’ atom occupies an interstitial site in the crystal.
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2.1.4 过饱和点缺陷
晶体中的点缺陷浓度可能高于平衡浓度，称为过饱和点 缺陷，或非平衡点缺陷。获得的方法：
高温淬火：将晶体加热到高温，然后迅速冷却（淬火 ），则高温时形成的空位来不及扩散消失，使晶体在低 温状态仍然保留高温状态的空位浓度，即过饱和空位。
冷加工：金属在室温下进行冷加工塑性变形也会产生 大量的过饱和空位，其原因是由于位错交割所形成的割 阶发生攀移。
6
2.1.1 分类
3.置换原子（Substitutional atom） 异类原子代换了原有晶体中的原子，而处于晶体点阵的结 点位置，称为置换原子，亦称代位原子。 各种点缺陷，都破坏了原有晶体的完整性。它们从电学
和力学这两个方面，使近邻原子失去了平衡。空位和直 径较小的置换原子，使周围原子向点缺陷的方向松弛， 间隙原子及直径较大的置换原子，把周围原子挤开一定 位置。因而在点缺陷的周围，就出现了一定范围的点阵 畸变区，或称弹性应变区。距点缺陷越远，其影响越小 。因而在每个点缺陷的周围，都会产生一个弹性应力场 。
无机材料科学基础 第三章晶体结构缺陷
2、造成晶体结构缺陷的原因:
实际晶体温度总是高于绝对零度(热缺陷) 实际晶体总是有限大小(表面/界面缺陷) 实际晶体总是含有或多或少的杂质(外来缺陷)
缺陷就是对于理想晶体结构的偏离
第三章晶体结构缺陷一
3、缺陷对于晶体的影响
影响晶体的电学以及力学性能 影响晶体内部质点的扩散 影响晶体的烧结和化学反应活性 形成非化学计量物质,改变材料的物理化学性能
杂质原子(掺杂原子)其量一般小于0.1%，进入主晶格后，因杂 质原子和原有的原子性质不伺，故它不仅破坏了原子有规则的 排列，而且在杂质原子周围的周期势场引起改变，因此形成一 种缺陷。
特点： A 杂质原子又可分为间隙杂质原子及置换杂质原子两种。前者
是杂质原子进入固有原子点阵的间隙中；后者是杂质原子替代 了固有原子。杂质原子在晶格中随机分布，不形成特定的结构。 B 晶体中杂质原子含量在未超过其固溶度时，杂质缺陷的浓度 与温度无关，这与热缺陷是不同的。
点缺陷的名称→
□←点缺陷所带的 有效电荷
× 中性 ● 正电荷
' 负电荷
○←点缺陷在晶体中占的位置
第三章晶体结构缺陷二
（ X原1）子空空位位：。用VM和Vx分别表示M原子空位和
（2）填隙原子：用Mi和Xi表示。 （3）错放位置：Mx表示M原子错放在X位置。 （4）溶质原子： LM表示L溶质处在M位置。 （5）自由电子及电子空穴：有些电子不一定
(1)弗伦克尔缺陷： 弗伦克尔缺陷可以看作是正常格点 离子和间隙位置反应生成间隙离子和空位的过程。
正常格点离子+未被占据的间隙位置〓间隙离子+空位
第三章晶体结构缺陷二
•例如在AgBr中，弗伦克尔缺陷的生成可写成：AgAg+Vi=Agi´+VAg · •由质量作用定律，
实际晶体温度总是高于绝对零度(热缺陷) 实际晶体总是有限大小(表面/界面缺陷) 实际晶体总是含有或多或少的杂质(外来缺陷)
缺陷就是对于理想晶体结构的偏离
第三章晶体结构缺陷一
3、缺陷对于晶体的影响
影响晶体的电学以及力学性能 影响晶体内部质点的扩散 影响晶体的烧结和化学反应活性 形成非化学计量物质,改变材料的物理化学性能
杂质原子(掺杂原子)其量一般小于0.1%，进入主晶格后，因杂 质原子和原有的原子性质不伺，故它不仅破坏了原子有规则的 排列，而且在杂质原子周围的周期势场引起改变，因此形成一 种缺陷。
特点： A 杂质原子又可分为间隙杂质原子及置换杂质原子两种。前者
是杂质原子进入固有原子点阵的间隙中；后者是杂质原子替代 了固有原子。杂质原子在晶格中随机分布，不形成特定的结构。 B 晶体中杂质原子含量在未超过其固溶度时，杂质缺陷的浓度 与温度无关，这与热缺陷是不同的。
点缺陷的名称→
□←点缺陷所带的 有效电荷
× 中性 ● 正电荷
' 负电荷
○←点缺陷在晶体中占的位置
第三章晶体结构缺陷二
（ X原1）子空空位位：。用VM和Vx分别表示M原子空位和
（2）填隙原子：用Mi和Xi表示。 （3）错放位置：Mx表示M原子错放在X位置。 （4）溶质原子： LM表示L溶质处在M位置。 （5）自由电子及电子空穴：有些电子不一定
(1)弗伦克尔缺陷： 弗伦克尔缺陷可以看作是正常格点 离子和间隙位置反应生成间隙离子和空位的过程。
正常格点离子+未被占据的间隙位置〓间隙离子+空位
第三章晶体结构缺陷二
•例如在AgBr中，弗伦克尔缺陷的生成可写成：AgAg+Vi=Agi´+VAg · •由质量作用定律，
06材料科学基础点缺陷
点缺陷平衡浓度：在一定温度下，晶体中存在 一定平衡数量的点缺陷(空位、间隙原子等) 一定平衡数量的点缺陷(空位、间隙原子等)， 此时点缺陷的浓度称为该温度下的点缺陷的平 衡浓度。 影响平衡浓度的因素：点缺陷的平衡浓度随温 度变化．下面以空位为例，用统计热力学的方 法计算点缺陷的平衡浓度．
二、点缺陷的平衡浓度
间隙原子的形成能较大，在相同温度下间隙原子比空位平衡 浓度小得多，通常可以忽略不计。 所以一般情况下，金属晶 体的点缺陷主要是指空位。
三、点缺陷的运动和作用
点缺陷的运动：（产生、迁移和消亡） 点缺陷的运动：（产生、迁移和消亡） 空位运动：空位周围原子的热振动给空位的运 动创造了条件，空位就是通过与周围原子不断 地换位来实现其运动的。 迁移能：空位运动时，必然会引起点阵畸变， 因而必须克服能垒，为此所需要的额外的能量 称为迁移能。 点缺陷运动的实质：点缺陷的运动实际上是原 子迁移的结果，而这种点缺陷的运动所造成的 原子迁移正是扩散现象的基础。
点缺陷对性能的影响
1. 2. 3.
4.
点缺陷能使金属的电阻增加； 体积膨胀，密度减小； 能加速与扩散有关的相变、化学热处理及 高温下的塑性变形和断裂等； 过饱和点缺陷还可以提高金属的屈服强度。
四、过饱和点缺陷
概念：在某些特殊情况下，晶体也可以具有超 过平衡浓度的点缺陷，称之为过饱和点缺陷。 几种获得过饱和点缺陷的方法． (1)淬火法 (1)淬火法 (2)辐照法 (2)辐照法 (3)塑性变形 (3)塑性变形 过饱和点缺陷的特性：这些过饱和点缺陷是非 平衡点缺陷，是不稳定的，在加热过程中它们 将通过运动而消失，最后又趋子平衡浓度。
点缺陷示意图
点缺陷对晶体结构的影响
空位和间隙原子都将使周围原子间作用力 失去平衡，点阵产生弹性畸变，形成应力场，
3.1晶体结构缺陷的类型——材料科学基础课件PPT
对高分子聚合物的影响：可改变高分子聚合物的结构，链会断 裂，聚合度降低，导致高分子聚合物强度降低。
五、辐照缺陷：材料在辐照下所产生的结构不完整性，如：色 心、位错环等；
对金属的影响：高能辐照可把原子从正常格点位置撞击出来， 产生间隙原子和空位； 降低金属的导电性并使材料由韧变硬变脆，退火可排除损失。
对非金属晶体的影响：在非金属晶体中，由于电子激发态可以 局域化且能保持很长的时间，所以电离辐照会使晶体严重损伤， 产生大量的点缺陷。 不改变力学性质，但导热性和光学性质可能变坏。
如：空位、间隙质点、杂质质点。除此以外，还有空位，间 隙质点以及这几类缺陷的复合体等均属于这一类。
点缺陷与材料的电学性质、光学性质、材料的高温动力学过 程有关。
二、线缺陷: 其特征是缺陷在两个方向上尺寸很小（与点 缺陷相似），而第三方向上的尺寸却很大，甚者可以贯穿 整个晶体，也称之为一维缺陷
属于这一类的主要是位错。
三、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。 由基质晶体与介质中的某些组分发生交换而产生。 特征：其化学组成随周围气氛的性质及其分压大小而改变。 如：Fe1-xO、Zn1+xO，半导体材料
四、电荷缺陷：指质点排列的周期性未受到破坏，但因电子 或孔穴的产生使周期性势场发生畸变而产生缺陷。 包括：导带电子和价带空穴
（b）单质中肖特基缺陷的 形成 离子晶体特点：正负离子空 位成对出现
二、杂质缺陷：组成缺陷，由外来杂质的引入而产生的缺陷 特征：当杂质的浓度在固溶体的溶解度范围之内时，杂志缺 陷的浓度与温度无关。 如：红宝石激光器，含Cr的Al2O3 微量杂质缺陷的存在，将极大地改善基质晶体的物理性质。
取代式
间隙式
本章目录：
3.1 晶体结构缺陷的类型 3.2 点缺陷 3.3 线缺陷 3.4 面缺陷 3.5 固溶体 3.6 非化学计量化合物
五、辐照缺陷：材料在辐照下所产生的结构不完整性，如：色 心、位错环等；
对金属的影响：高能辐照可把原子从正常格点位置撞击出来， 产生间隙原子和空位； 降低金属的导电性并使材料由韧变硬变脆，退火可排除损失。
对非金属晶体的影响：在非金属晶体中，由于电子激发态可以 局域化且能保持很长的时间，所以电离辐照会使晶体严重损伤， 产生大量的点缺陷。 不改变力学性质，但导热性和光学性质可能变坏。
如：空位、间隙质点、杂质质点。除此以外，还有空位，间 隙质点以及这几类缺陷的复合体等均属于这一类。
点缺陷与材料的电学性质、光学性质、材料的高温动力学过 程有关。
二、线缺陷: 其特征是缺陷在两个方向上尺寸很小（与点 缺陷相似），而第三方向上的尺寸却很大，甚者可以贯穿 整个晶体，也称之为一维缺陷
属于这一类的主要是位错。
三、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。 由基质晶体与介质中的某些组分发生交换而产生。 特征：其化学组成随周围气氛的性质及其分压大小而改变。 如：Fe1-xO、Zn1+xO，半导体材料
四、电荷缺陷：指质点排列的周期性未受到破坏，但因电子 或孔穴的产生使周期性势场发生畸变而产生缺陷。 包括：导带电子和价带空穴
（b）单质中肖特基缺陷的 形成 离子晶体特点：正负离子空 位成对出现
二、杂质缺陷：组成缺陷，由外来杂质的引入而产生的缺陷 特征：当杂质的浓度在固溶体的溶解度范围之内时，杂志缺 陷的浓度与温度无关。 如：红宝石激光器，含Cr的Al2O3 微量杂质缺陷的存在，将极大地改善基质晶体的物理性质。
取代式
间隙式
本章目录：
3.1 晶体结构缺陷的类型 3.2 点缺陷 3.3 线缺陷 3.4 面缺陷 3.5 固溶体 3.6 非化学计量化合物
第2章 材料科学基础晶体结构缺陷
六、点缺陷的符号表征
以MX型化合物为例： 1.空位（vacancy）用V来表示，符号中的右下标表示缺陷所在
位置，VM含义即M原子位置是空的。 2.间隙原子（interstitial）亦称为填隙原子，用Mi、Xi来表示，
其含义为M、X原子位于晶格间隙位置。 3. 错位原子 错位原子用MX、XM等表示，MX的含义是M原子
七、缺陷反应表示法
对于杂质缺陷而言Biblioteka 缺陷反应方程式的一般式：杂质基 质产生的各种缺陷
1.写缺陷反应方程式应遵循的原则
与一般的化学反应相类似，书写缺陷反应方程 式时，应该遵循下列基本原则： （1）位置平衡 （2）质量平衡 （3）电荷平衡
（1）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）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。
子空位带一个单位负电荷。同理，Cl-离子空位记为 V C l •
带一个单位正电荷。
6、其它带电缺陷：
1)CaCl2加入NaCl晶体时，若Ca2+离子位于Na+离 子位置上，其缺陷符号C a N为a • ，此符号含义为Ca2+离 子占据Na+离子位置，带有一个单位正电荷。
2) C表aZr示Ca2+离子占据Zr4+离子位置，此缺陷带有 二个单位负电荷。
（a）单质中弗仑克尔缺陷的形成 （空位与间隙质点成对出现）
（b）单质中肖特基缺陷的 形成
图2-1 热缺陷产生示意图
V
空位的运动
图2-2 点缺陷的类型 1-大的置换原子 4-复合空位 2-肖特基空位 5-弗兰克尔空位 3-异类间隙原子 6-小的置换原子
材料科学基础晶体结构缺陷
由于间隙正离子，使金属离子过剩
Zn1+x与Cdl+xO属于这种类型。过剩的金属离子进入间 隙位置，带正电，为了保持电中性，等价的电子被束缚在 间隙位置金属离子的周围加深，就是形成这种缺陷的缘 故。
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晶体结构缺陷的定义
➢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。
➢理想晶体：质点严格按照空间点阵排列。 ➢实际晶体：存在着各种各样的结构的不完整性。
缺陷对材料性能的影响
晶体结构缺陷的类型
分类方式：
几何形态：点缺陷、线缺陷、面缺陷等 形成原因：热缺陷、杂质缺陷、非化学计量缺陷等
点缺陷（零维缺陷）
由于间隙正离子，使金属离子过剩型结构
e
（b）单质中的肖特基缺陷的 形成
杂质缺陷
定义:亦称为组成缺陷，是由外加杂质的引入所产生的缺 陷。
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
定义: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。 如Fe1-xO、Zn1+xO等晶体中的缺陷。
➢ 缺陷尺寸处于原子大小的数量级上，即三维方向上缺陷 的尺寸都很小。
➢ 包 括 ： 空 位 （ vacancy ） 、 间 隙 质 点 （ interstitial particle）、杂质质点（foreign particle）。
空位
杂质质点
间隙质点
线缺陷（一维缺陷）
指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。如各种位错（dislocation）。
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远大于Sckottky 空位形成能（约为1ev）。
第一节 点缺陷
1-2 点缺陷的平均浓度
Material
以空位平均浓度为例：
C Aexp( Ev kT)
式中：C —— 空位的平均浓度； A —— 缺陷形成的自由能； k —— 波尔兹曼常数； T —— 温度；
上式说明：点缺陷的平均浓度与温度密切相关，温度越高，C以指数 规律急剧增大。
b
a
uvw，其
n
中n是与点阵类型有关的常数。柏氏矢量的模
a b
u2 v2 w2
。
n
四、位错的柏氏矢量( b )
7. 位错密度
Material
位错的密度包括以下两种： •体密度（ρv ) •面密度（ ρs )
第一节 点缺陷
1-1 点缺陷的类型及形成(续）
Material
有动 画哦
(a)Schottky空位形成示意图
(b)Frankel空位形成示意图
第一节 点缺陷
1-1 点缺陷的类型及形成(续）
Material
④点缺陷形成能： 点缺陷形成能＝电子能＋畸变能
（空位形成能中，电子能是主要的；间隙原子形成能，畸变能是主 要的。） 间隙原子形成能 > 空位形成能 Frankel 空位形成能＝空位形成能 ＋ 间隙原子形成能（约为4ev），
材料科学基础
第一讲 晶体中的结构缺陷
缺陷在空间的分布情况
缺陷在空间的分布有如下三种情况：
Guidelines
①点缺陷： 是零维缺陷，包括空位、间隙原子、置换原子等；
②线缺陷： 是一维缺陷，即位错；
③面缺陷： 是二维缺陷，包括晶界、相界、孪晶界、堆垛层错等；
缺陷在空间的分布情况
①点缺陷：
Material
相交成一定角度（0<φ<π/2)。
Definition
可以将bm 分解成垂直合平行于位错线的两个分矢量：
♆ 垂直分量：即刃型分量，be bm sin ♆ 平行分量：即螺型分量，bs bm cos
四、位错的柏氏矢量( b )
4. 柏氏矢量的特性
Material
PROPERTIES
① 柏氏矢量的守恒性；
四、位错的柏氏矢量( b )
5. 柏氏矢量的物理意义
Material
柏氏矢量既表示位错的性质，又表示了位错区域点阵畸变总量
的大小和方向。
柏氏矢量的模 b ：表示了畸变总量的大小，即位错强度。
b
的方向：
代表了畸变的方向；
四、位错的柏氏矢量( b )
6. 柏氏矢量的表示方法
Material
对于立方晶系，用与 b同方向的晶向指数表示，即
四、位错的柏氏矢量( b )
1. 刃型位错的柏氏矢量
Material
③刃型位错的形成
晶体中刃型位错形成示意动画
刃型位错中包含的半原子面动画
四、位错的柏氏矢量( b )
2. 螺型位错的柏氏矢量
Material
①螺型位错柏氏矢量的确定
利用柏氏回路确定刃型位错的柏氏矢量 b ；与确定刃型位错的方
法相同。
—— 点缺陷的存在导致金属的电阻率增大； • 密度：
—— 点缺陷的存在导致金属的密度下降；
第二节 线缺陷
①定义：
线缺陷是指各种类型的位错，它是在晶体中有一列或若干 原子发生有规律的错排后形成的线形畸变区。
Definition
②线缺陷的分类： 一、刃型为错（Edge Dislocation)
类型：正刃型位错、负刃型为错； 刃型位错的位错线与晶体滑移方向垂直；
是零维缺陷，包括空位、间隙原子、置换原子等；
点 缺 陷 示 意 图
缺陷在空间的分布情况
②线缺陷：
Material
是一维缺陷，即位错，位错包括刃型位错和螺型位错两种；
如图即是 一种位错 （刃型位 错）的示 意图
缺陷在空间的分布情况
③面缺陷：
Material
是二维缺陷，包括晶界、相界、孪晶界、堆垛层错等；
(a) 孪晶的几何模型示意图
(b) 孪晶的显微结构示意图
第一节 点缺陷
1-1 点缺陷的类型及形成
Material
①类型： 点缺陷包括空位、间隙原子和置换原子等三类，其中间隙原子又
可分为同类间隙原子和异类间隙原子。
②空位的形成： 原子由于热激活而离开其平衡位置。
③空位的种类： 肖特基（Schottky)空位： 原子迁移到晶体表面所形成的空位。 弗兰克尔（Frankel）空位：原子迁移到晶体点阵的间隙中所形成 的空位。
第一节 点缺陷
1-3 过饱和点缺陷
Material
①定义： 在某些情况下，点缺陷的浓度显著超过其平衡浓度，称其为过饱 和点缺陷。
②产生原因： 主要有以下3中情况导致过饱和点缺陷： •高温淬火； •塑性变形； •辐照；
第一节 点缺陷
1-4 点缺陷对金属性能的影响
Material
点缺陷的存在主要对金属的下列性质产生影响： • 电阻率：
② 一条位错线只有唯一的一个柏氏矢量；
③ 当柏 氏回路中包含有几条位错线时，回路所确定b 的是各位
错b 的总和；
④ 若数条位错线相交于一点，则 指向结点的所有位错b 的之和
等于离开结点的所有位错的b 之和；
⑤ 若所有位错线均指向或离开一个结点,它们的b 之和等于0；
⑥ 位错线只能终止在晶体表面或晶界上，不能中断于晶体内 部在晶体内部，它只能形成封闭的环或与其他位错相遇于 结点处。
为位错的理论发展奠定了坚实的基础。
Definition
单击放映
四、位错的柏氏矢量( b )
1. 刃型位错的柏氏矢量
Material
①刃型位错柏氏矢量的确定
利用柏氏回路确定刃型位错的柏氏矢量 b ；
有动画讲解， 请单击图片观察， 仔细体会，不妨 联系一下！
②利用 b 定义 刃型位错
位错线与 b 相互垂直的位错，即l b ；
②利用 b 定义 螺型位错
位错线与 b 相互平行的位错，即 l // b ；
四、位错的柏氏矢量( b )
2. 螺型位错的柏氏矢量
Material
③螺型位错的形成示意动画
④螺位错的组态及螺旋特征
四、位错的柏氏矢量( b )
பைடு நூலகம்
3. 混合位错的柏氏矢量
Material
混合位错的柏氏矢量 bm与位错线既不平行也不垂直，而是
二、螺型为错（Screw Dislocation) 类型：左螺型位错、右螺型为错； 螺型位错的位错线与晶体滑移方向垂直；
三、混合型为错 混合位错可视为刃型位错与螺型位错两种位错的合成。混合位 错的位错线与晶体滑移方向成任意角度。
第二节 线缺陷
③位错的电子显微镜观察： 在电子显微镜下直接观察到的位错直接证实了位错的存在，
第一节 点缺陷
1-2 点缺陷的平均浓度
Material
以空位平均浓度为例：
C Aexp( Ev kT)
式中：C —— 空位的平均浓度； A —— 缺陷形成的自由能； k —— 波尔兹曼常数； T —— 温度；
上式说明：点缺陷的平均浓度与温度密切相关，温度越高，C以指数 规律急剧增大。
b
a
uvw，其
n
中n是与点阵类型有关的常数。柏氏矢量的模
a b
u2 v2 w2
。
n
四、位错的柏氏矢量( b )
7. 位错密度
Material
位错的密度包括以下两种： •体密度（ρv ) •面密度（ ρs )
第一节 点缺陷
1-1 点缺陷的类型及形成(续）
Material
有动 画哦
(a)Schottky空位形成示意图
(b)Frankel空位形成示意图
第一节 点缺陷
1-1 点缺陷的类型及形成(续）
Material
④点缺陷形成能： 点缺陷形成能＝电子能＋畸变能
（空位形成能中，电子能是主要的；间隙原子形成能，畸变能是主 要的。） 间隙原子形成能 > 空位形成能 Frankel 空位形成能＝空位形成能 ＋ 间隙原子形成能（约为4ev），
材料科学基础
第一讲 晶体中的结构缺陷
缺陷在空间的分布情况
缺陷在空间的分布有如下三种情况：
Guidelines
①点缺陷： 是零维缺陷，包括空位、间隙原子、置换原子等；
②线缺陷： 是一维缺陷，即位错；
③面缺陷： 是二维缺陷，包括晶界、相界、孪晶界、堆垛层错等；
缺陷在空间的分布情况
①点缺陷：
Material
相交成一定角度（0<φ<π/2)。
Definition
可以将bm 分解成垂直合平行于位错线的两个分矢量：
♆ 垂直分量：即刃型分量，be bm sin ♆ 平行分量：即螺型分量，bs bm cos
四、位错的柏氏矢量( b )
4. 柏氏矢量的特性
Material
PROPERTIES
① 柏氏矢量的守恒性；
四、位错的柏氏矢量( b )
5. 柏氏矢量的物理意义
Material
柏氏矢量既表示位错的性质，又表示了位错区域点阵畸变总量
的大小和方向。
柏氏矢量的模 b ：表示了畸变总量的大小，即位错强度。
b
的方向：
代表了畸变的方向；
四、位错的柏氏矢量( b )
6. 柏氏矢量的表示方法
Material
对于立方晶系，用与 b同方向的晶向指数表示，即
四、位错的柏氏矢量( b )
1. 刃型位错的柏氏矢量
Material
③刃型位错的形成
晶体中刃型位错形成示意动画
刃型位错中包含的半原子面动画
四、位错的柏氏矢量( b )
2. 螺型位错的柏氏矢量
Material
①螺型位错柏氏矢量的确定
利用柏氏回路确定刃型位错的柏氏矢量 b ；与确定刃型位错的方
法相同。
—— 点缺陷的存在导致金属的电阻率增大； • 密度：
—— 点缺陷的存在导致金属的密度下降；
第二节 线缺陷
①定义：
线缺陷是指各种类型的位错，它是在晶体中有一列或若干 原子发生有规律的错排后形成的线形畸变区。
Definition
②线缺陷的分类： 一、刃型为错（Edge Dislocation)
类型：正刃型位错、负刃型为错； 刃型位错的位错线与晶体滑移方向垂直；
是零维缺陷，包括空位、间隙原子、置换原子等；
点 缺 陷 示 意 图
缺陷在空间的分布情况
②线缺陷：
Material
是一维缺陷，即位错，位错包括刃型位错和螺型位错两种；
如图即是 一种位错 （刃型位 错）的示 意图
缺陷在空间的分布情况
③面缺陷：
Material
是二维缺陷，包括晶界、相界、孪晶界、堆垛层错等；
(a) 孪晶的几何模型示意图
(b) 孪晶的显微结构示意图
第一节 点缺陷
1-1 点缺陷的类型及形成
Material
①类型： 点缺陷包括空位、间隙原子和置换原子等三类，其中间隙原子又
可分为同类间隙原子和异类间隙原子。
②空位的形成： 原子由于热激活而离开其平衡位置。
③空位的种类： 肖特基（Schottky)空位： 原子迁移到晶体表面所形成的空位。 弗兰克尔（Frankel）空位：原子迁移到晶体点阵的间隙中所形成 的空位。
第一节 点缺陷
1-3 过饱和点缺陷
Material
①定义： 在某些情况下，点缺陷的浓度显著超过其平衡浓度，称其为过饱 和点缺陷。
②产生原因： 主要有以下3中情况导致过饱和点缺陷： •高温淬火； •塑性变形； •辐照；
第一节 点缺陷
1-4 点缺陷对金属性能的影响
Material
点缺陷的存在主要对金属的下列性质产生影响： • 电阻率：
② 一条位错线只有唯一的一个柏氏矢量；
③ 当柏 氏回路中包含有几条位错线时，回路所确定b 的是各位
错b 的总和；
④ 若数条位错线相交于一点，则 指向结点的所有位错b 的之和
等于离开结点的所有位错的b 之和；
⑤ 若所有位错线均指向或离开一个结点,它们的b 之和等于0；
⑥ 位错线只能终止在晶体表面或晶界上，不能中断于晶体内 部在晶体内部，它只能形成封闭的环或与其他位错相遇于 结点处。
为位错的理论发展奠定了坚实的基础。
Definition
单击放映
四、位错的柏氏矢量( b )
1. 刃型位错的柏氏矢量
Material
①刃型位错柏氏矢量的确定
利用柏氏回路确定刃型位错的柏氏矢量 b ；
有动画讲解， 请单击图片观察， 仔细体会，不妨 联系一下！
②利用 b 定义 刃型位错
位错线与 b 相互垂直的位错，即l b ；
②利用 b 定义 螺型位错
位错线与 b 相互平行的位错，即 l // b ；
四、位错的柏氏矢量( b )
2. 螺型位错的柏氏矢量
Material
③螺型位错的形成示意动画
④螺位错的组态及螺旋特征
四、位错的柏氏矢量( b )
பைடு நூலகம்
3. 混合位错的柏氏矢量
Material
混合位错的柏氏矢量 bm与位错线既不平行也不垂直，而是
二、螺型为错（Screw Dislocation) 类型：左螺型位错、右螺型为错； 螺型位错的位错线与晶体滑移方向垂直；
三、混合型为错 混合位错可视为刃型位错与螺型位错两种位错的合成。混合位 错的位错线与晶体滑移方向成任意角度。
第二节 线缺陷
③位错的电子显微镜观察： 在电子显微镜下直接观察到的位错直接证实了位错的存在，