单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,1,08:46,材料科学基础,Fundamentals of Materials Science,0,绪论,第,1,章 原子结构与结合键,Atomic Structure and binding bond,第,2,章 晶体学基础,Basis of Crystallography,第,3,章,晶体结构,Crystal Structure,第,4,章 晶体缺陷,Crystal defects,第,5,章 非晶体与准晶结构,Amorphous and Quasicrystal Structure,第,6,章 相图,Phase Diagram,第,7,章 固体扩散,Solid Diffusion,第,8,章 凝固与结晶,Solidification and Crystallization,第,9,章 烧结与聚合,Sintering and Polymerization,第,10,章,固态,相变,Solid Phase Transformation,第,4,章 晶体缺陷,Crystal Defect,4.1,点缺陷（,Point defect,）,4.1.1,点缺陷的类型,4.1.2,点缺陷的浓度,4.1.3,点缺陷对材料性能的影响,4.2,线缺陷（,Line defects,）,4.2.1,位错的类型,4.2.2,柏氏矢量,4.2.3,位错的运动,4.2.4,位错的应力场,4.2.5,位错与晶体缺陷间的交互作用,4.2.6,位错的增殖与塞积,4.2.7,实际晶体中的位错,4.3,面缺陷,(Surface defects),4.3.1,晶体表面,4.3.2,晶界结构与能量,4.3.3,单相多晶体中的晶粒形貌,4.3.4,晶界偏析与晶界迁移,4.3.5,相界,实际晶体,-,由于原子的,热运动,并存在,能量起伏，,原子,排列不完整,，偏离理想结构；,晶体中一些微小区域原子排列的,周期性,受到,破坏,-,晶体缺陷,defects(Imperfections),晶体的形成条件；,原子（离子、分子）的热运动；,冷热加工过程；,辐射、杂质等。
晶体缺陷,：,crystal defect,晶体缺陷的产生原因：,5,08:46,1.,晶体缺陷与,扩散,、,相变,、塑性,变形,、再结晶、,氧化、烧结等（,工艺过程,）有着密切关系晶体,缺陷,对晶体,性能,的影响,2.,对,强度,/,塑性,/,韧性,等,力学性能,，,电,磁,热,光,等结构敏感的,物理性能,，有很大的影响缺陷,defects(Imperfections),在材料中的重要地位：,材料性质（能）,propertyperformance,的决定性因素,6,08:46,It is the,defects,that makes materials so interesting,just like the human being.,Defects,are at the,heart of,material science,.,按照缺陷区,尺寸,相对晶体的大小，,晶体缺陷分为三类:,点缺陷,Point defect,线缺陷,line defect,面缺陷,Planar defect,体缺陷：三维尺寸较大，,如,-,空洞，气泡，沉淀相,等空间三维方向上的尺寸都很小，,约为,几个原子间距,，又称,零维缺陷,。
点缺陷,Point defect,包括：,空位,:,vacancy,间隙原子,:interstitial atom,置换原子,:,Displaced atom,“,尺寸很小,”,？：一般与,原子间距,同一数量级1）某,一方向,上尺寸与,晶体或晶粒的线度,相当，,而在其它方向上的尺寸可以忽略线缺陷,line defect,（,位错,dislocation,）,（2）线缺陷就是各种类型的,位错,(dislocation),10,08:46,位错的高分辨图像,11,08:46,（1）在,共面,的各方向上尺寸可与,晶体或晶粒的线度,相比拟，在穿过该面的任何方向上缺陷区的尺寸都远小于晶体或晶粒的线度面缺陷,Planar defect,表面,surface,、,晶界,grain boundary,、,亚晶界,sub-grain boundary,、,孪晶界,twin boundary,、,层错,stacking fault,相界,phase boundary,等非化学计量,:TiO,2-x,13,08:46,第,4,章 晶体缺陷,Chapter 4 Crystal Defect,4.1,点缺陷（,Point defect,）,4.1.1,点缺陷的类型,4.1.2,点缺陷的浓度,4.1.3,点缺陷对材料性能的影响,4.2,线缺陷（,Line defects,）,4.2.1,位错的类型,4.2.2,柏氏矢量,4.2.3,位错的运动,4.2.4,位错的应力场,4.2.5,位错与晶体缺陷间的交互作用,4.2.6,位错的增殖与塞,4.2.7,实际晶体中的位错,4.3,面缺陷,(Surface defects),4.3.1,晶体表面,4.3.2,晶界结构与能量,4.3.3,单相多晶体中的晶粒形貌,4.3.4,晶界偏析与晶界迁移,4.3.5,相界,15,08:46,4.1,点缺陷,一、点缺陷形成与种类：,空位、间隙原子,、,置换原子,原子热震动,能量起伏,动态,4.1,点缺陷,一、点缺陷形成与种类：,空位、间隙原子,、,置换原子,晶体中的点缺陷,空位,；,间隙原子；,置换原子,（一）空位的类型,动态,Frankel,空位,Schottky,空位,德国物理学家,Walter H.Schottky,苏联物理学家,Yakov Frenkel,（1）,肖脱基缺陷（,Schottky)：,原子迁移到外,表面,/,晶界,，,（2）,弗兰克空位（,Frankel),：,原子挤入点阵间隙,。
动态,Franker,空位,形成,等量空位和间隙,Schottky,空位,只形成空位,（一）空位的类型,（二）离子晶体,中的点缺陷,保持电中性,：,（1）,Schottky,空位,：,等量的,正,/,负离子,空位,2）,Franker,空位,：,等量的正离子,空位,/,间隙,Cl,-,Cl,-,Cl,-,Cl,-,Cl,-,Cl,-,Cl,-,Cl,-,Cl,-,Cl,-,Cl,-,Cl,-,Cl,-,Cl,-,Cl,-,Cl,-,Cl,-,Na,+,Na,+,Na,+,Na,+,Na,+,Na,+,Na,+,Na,+,Na,+,Na,+,Na,+,Na,+,Na,+,Na,+,Na,+,Na,+,V,Cl,V,Na,Schottky,空位,（二）离子晶体,中的点缺陷：,Frankel,空位,：,等量的正离子,空位,/,间隙,Schottky,空位,：,等量的,正,/,负离子,空位,离子晶体,中的点缺陷：,间隙和置换原子,不同价位,离子置换？,22,08:46,FeO,中：,Fe,3+,置换,Fe,2+,；,引发,Fe,2+,空位,高价,正离子占据,低价,正离子,（,A,3+,B,2+,):,该位置带正电荷,；,为保持电中性，产生,间隙负离子,或,正离子空位,。
三）缺陷方程 （了解）,23,08:46,低价,正离子占据,高价,正离子,（,A,+,B,2+,):,该位置带负电荷,；,为保持电中性，产生,间隙正离子,或,负离子空位,缺陷方程：（,了解）,24,08:46,MgO,晶体内常含有,FeO，Fe,2+,离子,置换,了,Mg,2+,：,缺陷方程：,1,个正电荷,1,个,空位,2,个负电荷,2,个负电荷,间隙,Ca,2+,，,2,个正电荷,25,08:46,小 结：点缺陷类型,二、点缺陷的平衡浓度,平衡浓度,Ce,:,Ce=Aexp（E,V,/kT）,E,V,：,空位形成能E,i,：,间隙原子形成能,空位和间隙,哪个容易形成？,空位,平衡浓度远,大于,间隙原子的,平衡浓度主要点缺陷为,空位,三、点缺陷对材料性能的影响,原因：,点缺陷使附近的原子稍微偏离原结点位置才能,平衡，造成小区域的,晶格畸变,点缺陷不断运动，加快原子的,扩散,迁移空位可作为原子运动的周转站2）形成其他晶体缺陷过饱和空位集中形成空洞，集中,塌陷形成位错,29,08:46,3）改变材料的,力学性能,使,强度提高，塑性下降,一般情况下，点缺陷对金属力学性能影响较小，,通过和,位错,交互作用，阻碍位错运动使晶体强化。
在高能粒子,辐射,下，形成,大量点缺陷,，,引起晶体显著,硬化和脆化,4）提高材料的,电阻,电子在点缺陷处受到非平衡力，增加运动阻力,.,四、过饱和点缺陷,晶体中点缺陷数大大超过平衡值过饱和空位,的存在是一,非平衡状态,，,热力学上：有恢复到,平衡态,的趋势；,动力学上：需要一,时间,过程2）辐照法,（3）塑性变形,（1）淬火法：,高温下快冷到低温，空位来不及移出晶体31,08:46,空位,:,vacancy,间隙原子,:interstitial atom,置换原子,:,Displaced atom,小结：,点缺陷,的种类及对材料性能的影响32,08:46,空位的类型：（1）,肖脱基缺陷（,Schottky)：,原子迁移到外,表面,/,晶界,，只形成空位而不形成等量的间隙原子,2）,弗兰克空位（,Franker),：,同时形成,等量空位和间隙,动态,Franker,空位,Schottky,空位,33,08:46,离子晶体,中的点缺陷：,空位,-,保持电中性,：,Franker,空位,：,等量的正离子,空位,/,间隙,Schottky,空位,：,等量的,正,/,负离子,空位,34,08:46,FeO,中：,Fe,3+,置换,Fe,2+,；,引发,Fe,2+,空位,缺陷方程,离子晶体,中的点缺陷：,间隙和置换原子,-,保持电中性,。