晶体中的点缺陷

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,*,材料结构与性能原理,主讲教师,阎殿然,同学们好！,第一章 晶体中的点缺陷,绪 论,以简单立方晶体进行,剪切强度,的理论计算和实际测量发现：,理想晶体的强度比实际晶体高24个数量级,比较一些金属材料的理论屈服强度与实际屈服强度发现：,相差23个数量级,这说明：1）材料的结构决定性能,2）实际晶体的结构不同于理想晶体,实际晶体的结构为：理想晶体+晶体缺陷,理想晶体：7大晶系，14种空间点阵的晶体,晶体缺陷：点、线、面缺陷,1.1 点缺陷的类型,空位和间隙原子,一.原子晶体,（一）空位（vacancy),：,1.类型 ：肖脱基空位：空位在晶体中单独存在。,弗兰克尔空位：空位与间隙原子共存。,第一章 点缺陷,晶体缺陷：点缺陷（零维缺陷）：空位与间隙原子,线缺陷（一维缺陷）：位错,面缺陷（二维缺陷）：晶界、相界,金属中空位的存在形式：单空位和空位群,（二）间隙原子（interstitial),1.类型 自间隙原子,异类原子,（晶体本身固有的原子）,（外来的杂质原子）,2.间隙位置(interstitial set),结构,八面体,个数,四面体,个数,最大间隙,实际,A,1,及等,同处,4,及等,同处,8,八面体,八面体,A,2,及等,同处,6,及等,同处,12,四面体,八面体,A,3,及等,同处,2,及等,同处,4,八面体,八面体,注：晶体结构符号：(structure symbol),晶体结构有两种符号,硅酸盐,S,A,m,B,n,型化合物,D,有机化合物,O,AB,2,型化合物,C,合金,L,AB型化合物,B,更复杂的化合物,E-K,主要是纯组元,A,晶体类型,符号,晶体类型,符号,1.结构符号,大写英文字母,一个数字,2.pearson符号,cF,用一个小写字母大字母表示。,c晶系第一个英文字母的字头,三斜：Triclinic ,单斜：Monoclinc，,正交（斜方）：Orthogonal,，,四方（正方）：Tetragonal，,立方：Cubic，,六方：Hexagonal，,菱形：Rhombohedral,）,F,表示布拉非点阵类型,P简单，C底心，I体心，,F面心， R棱方,3）间隙原子组态,自,间隙原子,对分组态：,连珠组态：,异,间隙原子位于八面体间隙位置。,对分组态,连珠组态,二. 离子晶体中的点缺陷,离子晶体组成质点是离子，故晶体内点缺陷,的存在受到晶体内,必须保持电中性,的约束。,（一）离子晶体内的点缺陷,F心,-,一个负离子空位浮获一电子即形成,F心,（,负离子获得能量而释放出电子，同,时产生空位，而电子被附近的6个正离,子共用， ）。,F心,2.V心,晶体中的正离子空位，浮获带正电,荷的空穴（,电子被驱掉而留下带正电,荷的孔洞,）。,V心,H心,3.H心,浮获一带正电荷空穴的负间隙离子。,1.2 点缺陷的平衡浓度,一.单位空位浓度,C,= ,空位数(n)与原子总数(N)之比（体浓度）.,u,f,.,单个空位（间隙原子）的形成能,K.波尔茲曼常数 1.3810,-23,J/mole.K,T绝对温度(),A.,S,f _,空位及间隙原子形成熵,推导: 设在N个结点上形成n个空位（或间隙原子）,空位或间隙原子形成会引起系统自由能的改变,-体系内能的改变,-体系的熵值,-,配置熵(组态熵),-,单个空位形成熵,-,n个空位在N个结点上分布的概率,由stirling(斯特林)公式，当x很大时，,则：,在热力学稳定条件下：,则：,则：,令,则：,1.点缺陷是一种热力学上稳定地缺陷，一定温度下对,应一定的平衡浓度。,2.点缺陷是热缺陷，T升高，平衡浓度增加。,3.平衡点缺陷的浓度与点缺陷的形成能呈 指数关系。,因为u,间隙,u,空位,，所以在一定温度下晶体中的空位浓度远远大于间隙原子的平衡浓度，故在晶体内点缺陷主要是肖氏空位。,讨论：,二.双空位浓度,Z,空位的配位数,C,双,/ C,单,空位浓度之比随T而, 双空位的形成能, 2个空位的结合能,1.3 点缺陷的形成能,点缺陷的形成能包括：自由电子能量的变化,畸变能的变化,空位的形成能中,，,电子能量,是主要的；,间隙原子形成能中,，,畸变能,是主要的,一.自由电子能量的变化,1.势能的变化：, 系统的弗米能,弗米能:,在T时，能量为E的质点出现几率为 的能量 。,反映系统的总能量在组成质点之间的分配情况。,在T,m,附近,热平衡空位和间隙原子最大浓度分布为,10,4,10,8,数量级。,二.不同点缺陷的形成能,对大多数简单晶体,单空位形成能,2.动能的变化,：,空位迁移熵,空位迁移能(扩散激活能)获得鞍点状态,原子的能量,Z,空位原子周围配位数,空位周围原子震动频率,（一）空位的迁移,空位的迁移、间隙原子迁移能,原子扩散激活能,空位迁移的几率:,1.4 点缺陷的运动,普通金属的E,m,较小；,具有密堆结构的金属Cu、Au、Ag的E,m,较大,共价键结构晶体E,m,较大。,（二）间隙原子的迁移,三种机构:,直接换位由A位置到B位置 (a)图,间接运动ABC ，A,间隙,到C (b)图,对分间隙原子运动(两原子均处于半间隙位置),如(c)图。,A,B,A,C,B,三.缺陷的迁移率,在小的外应力作用下，缺陷的平均位移速度为：,(运动方向与F相反),D,d,缺陷的扩散系数,F 作用在缺陷上的力,而,从而得出缺陷流的Fick定律：,1.5 空位对晶体的作用,（热平衡空位点缺陷）,一.点缺陷对晶体结构的影响,破坏点阵的周期排列；,引起点阵的畸变；,在熔点附近形成松弛群(类似局部熔化的非晶区)；,使晶体增加半个原子的体积膨胀。,二.热平衡点缺陷对晶体物理性能的影响,空位将使晶体电阻增加(空位使晶体内电子浓度发生,散射)。,D-原子的扩散系数,U-空位形成能能（即Q ),注：由此式可以求出空位的形成能。,则 与 呈直线关系,其斜率为u。,(用试验法测出 与 关系,则可以求出u ),