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材料科学基础之《晶体缺陷》讲解

作者：曹梅青谢鲲夏鹏成岳丽杰

来源：《科技视界》2014年第28期

曹梅青谢鲲夏鹏成岳丽杰

（山东科技大学材料科学与工程学院，山东青岛266590）

【摘要】材料科学基础课程中的《晶体缺陷》内容是学生较难理解的内容，学好本章内

容对学生掌握材料科学基础课程具有十分重要的作用。文章详细介绍了如何讲解点缺陷、线缺

陷和面缺陷，通过举例式教学配合播放动画视频，提高了学生学习兴趣，增强了学习效果。

【关键词】晶体缺陷；点缺陷；位错；面缺陷

0前言

材料科学基础是金属材料专业一门重要的专业基础课，也是该专业学生接触到的第一门专

业课，它对构建金属材料专业知识体系和后续专业课的学习具有非常重要的作用。“晶体缺陷”

在《材料科学基础》课程中占据非常重要的地位，它与晶体结构紧密相连，又是“材料的形变

与再结晶”章节学习的基础，起到承上启下的作用。该部分内容涉及到的为抽象的晶体内部微

观内容，学生理解起来非常困难，是历届学生反映最难理解掌握的章节，清楚讲解晶体缺陷内

容对学生掌握材料科学基础课程具有非常重要的作用。

1点缺陷讲解

点缺陷是指在结点上或邻近的微观区域内偏离晶体结构的正常排列的一种缺陷[2]。包括空

位、间隙原子和置换原子等。点缺陷的存在提高了材料的电阻，加速原子扩散，改变材料的力

学性能，还会形成其它的缺陷。点缺陷内容较易理解，在讲解点缺陷时配合播放FLASH动画视

频，使学生能够理解几种点缺陷的形成、分类。点缺陷的存在会产生晶格畸变，使体系能量升

高，称为晶格畸变能，当有空位存在时其周围为拉应力场，这时候可以给学生举排方队的例子，

假如所有学生都排好了队列，突然有一个学生跑到了方队之外，这就是肖脱基空位，这时候缺

位的同学周围就显得松散，方队队形破坏；假如该同学挤到其他同学中间就是弗兰克尔空位。

讲解置换原子时也可以举学生排方队的例子，尺寸比溶剂原子大的置换原子产生的是压应力场，

就好像本来方队同学的身材都差不多，这时候有一个大胖子替换了其中一名同学，这时候他周

围的同学的间距就会缩小，产生一压应力场，队列破坏，反之，如果是尺寸小的置换原子就像

一名小朋友替换了其中的同学，周围间距会变大，产生拉应力场，队列也会破坏。用这种举例

子的方法来讲解点缺陷学生听起来津津有味，而且通俗易懂，有助于学生更好的掌握点缺陷的

内容。

2线缺陷讲解

线缺陷是指在三维空间的一个方向上的尺寸很大(晶粒数量级)，另外两个方向上的尺寸很

小(原子尺寸大小)的晶体缺陷，线缺陷主要是位错。位错是本章讲解的重点，它与材料的许多

行为息息相关，对材料的力学行为如塑性变形、强度、断裂等起着决定性的作用，对材料的扩

散、相变过程有较大影响。位错部分内容较多，讲解时一定要突出重点和难点，引导学生掌握

主要内容。

位错主要有刃型位错、螺型位错和混合型位错，讲解位错类型时给学生播放corncob玉米

的视频，有助于学生理解各种位错。图1为刃型位错和螺型位错的直观玉米示意图。

由图1的玉米模型学生们很容易区分刃型位错和螺型位错，刃型位错在滑移面上方多出一

个半原子面，螺型位错的位错线附近为螺旋形扭曲。引导学生利用柏氏矢量和位错线关系来判

断位错类型，如果柏氏矢量与位错线垂直为刃型位错，柏氏矢量与位错线平行则为螺型位错，

柏氏矢量与位错线有0°~90°夹角则为混合型位错。让学生自己总结刃型位错和螺型位错位错

线、位错线运动方向、切应力方向、柏氏矢量方向及晶体滑移方向之间的关系，有助于学生掌

握位错的运动。讲位错增殖机制之前先问学生“随着塑性变形的进行位错线移出晶体内部，那

么变形程度越大是不是晶体内部的位错线会越来越少呢？”，授课中学生的回答不一，部分同

学认为随着塑性变形进行晶体内部的位错会越来越少，最终消失，其他同学持相反意见，认为

位错线不会减少。这时候教师会告诉大家，随着塑性变形进行，晶体内部的位错密度不会减小

反而越来越大，这时学生就会产生疑问，让学生带着疑问来学习位错的增殖提升他们的学习兴

趣。

图1刃型位错和螺型位错示意图

实际晶体中的位错比较抽象，学生反应理解较困难，讲解中借助动画视频帮助学生理解什

么是肖克莱（Shockley）不全位错、弗兰克（Frank）不全位错，并引导学生从柏氏矢量、位错

类型、位错线形状及位错的可能运动方式角度总结全位错、肖克莱不全位错、弗兰克不全位错

的异同点。位错反应是位错一节需要重点掌握的知识，历年都有部分学生在判断位错反应时出

现错误，应跟学生重点强调判断位错反应应该从几何条件和能量条件两个角度进行判断，二者

缺一不可。

位错一节是本章的重中之重，要让学生尽可能的掌握重点内容，为了提升学生的学习兴趣，

在授课过程中给学生布置了任务，让学生就“晶体中位错多了好还是少了好”为题目举行辩论

赛，学生自己组队，分出正方和反方，利用课余时间查资料找论据从而支撑各自的论点，其他

不参赛的同学当评委，评出最佳团队，最佳辩手等，获奖的选手和团队都有奖励。通过这种活

动调动学生的学习积极性，参赛的学生能够自主的进行学习，带着疑问听讲会更加集中注意力，

学习效果较好。

3面缺陷讲解

面缺陷是指在三维空间的两个方向上的尺寸很大(晶粒数量级)，另外一个方向上的尺寸很

小(原子尺寸大小)的晶体缺陷，包括外表面和内界面。面缺陷一节为了解性内容，学生理解起

来较容易。在讲解面缺陷时配合动画演示，同时在授课过程中把教师科研过程中有关晶界、相

界的扫描电镜图片及金相图片给学生展示，培养学生的科研意识。面缺陷一节引导学生掌握晶

界、相界、孪晶界等内容，了解无论哪种面缺陷形成时均会导致体系的能量升高，从而使体系

处于不稳定状态，同时可以告诉学生扩散时晶体的不同部位原子扩散速度会有所不同，让学生

带着疑问来开展关于原子扩散内容的学习。

本文针对“材料科学基础”课程中的教学难点《晶体缺陷》环节，详细介绍了如何讲解点

缺陷、线缺陷及面缺陷，通过这种举例式讲解配合动画及视频教学，提升了学生的学习兴趣，

增强了教学效果。

【参考文献】

［１］周细应,李培耀,童建华.《材料科学基础》教学改革的实践探讨[J].上海工程技术大

学教育研究,2005(2):1-3.

［２］胡赓祥,蔡珣,戎咏华.材料科学基础[M].3版.上海:上海交通大学出版社,2010:83-

129.

［责任编辑：汤静］