材料科學基礎--晶體缺陷課件

1、材料科學基礎材料科學基礎Chapter 2 晶體缺陷晶體缺陷Chapter Outline o2.1 Point Defectso2.2 Dislocationso2.3 Surface Defects晶體結(jié)構(gòu)中原子組合的不完整性，稱為晶體缺陷。晶體缺陷。o 點缺陷在三維方向都很小的（不超過幾個原子間距）缺陷，或者說是零維缺陷零維缺陷。包括空位、間隙原子、置換原子等。o 線缺陷線缺陷在兩個方向上尺寸很小，而另一個方向尺寸很長的缺陷，即一維缺陷一維缺陷。也就是“位錯”這是本章要重點討論的。o 面缺陷在一個方向尺寸很小，而另兩個方向尺寸很大的缺陷，即二維缺陷二維缺陷。如相界面、晶界、亞晶界，還有孿

2、晶界、堆垛層錯等。oPoint defects - Imperfections, such as vacancies, that are located typically at one (in some cases a few) sites in the crystal.oExtended defects - Defects that involve several atoms/ions and thus occur over a finite volume of the crystalline material (e.g., dislocations, stacking faults, e

3、tc.).oVacancy - An atom or an ion missing from its regular crystallographic site.oInterstitial defect - A point defect produced when an atom is placed into the crystal at a site that is normally not a lattice point.oSubstitutional defect - A point defect produced when an atom is removed from a regul

4、ar lattice point and replaced with a different atom, usually of a different size.Section 2.1 Point Defects 點缺陷點缺陷圖圖2-1 2-1 點缺陷：點缺陷：(a) (a) 空位空位 (b)(b)間隙原子間隙原子 (c)(c)小置換原子小置換原子 (d)(d)大置換原子大置換原子 (e) (e) 弗蘭克空位弗蘭克空位 (f) (f) 肖脫基空位肖脫基空位Figure 2-1 Point defects: (a) vacancy, (b) interstitial atom, (c) smal

5、l substitutional atom, (d) large substitutional atom, (e) Frenkel defect, (f) Schottky defect. All of these defects disrupt the perfect arrangement of the surrounding atoms.1空位(Vacancy)晶體中的原子克服周圍原子的約束力，跳到別的位置而在原有位置留下的空結(jié)點，稱為空位空位。它包括以下兩類：o弗蘭克（弗蘭克（Frank）空位）空位晶體中的原子遷移到晶體點陣的間隙位置，在原位置形成的空位。o肖脫基肖脫基(Schottk

6、y)空位空位晶體中的原子離開平衡位置，遷移到表面或其它界面而在原位置形成的空位。2間隙原子(interstitial atom)晶體點陣的間隙位置出現(xiàn)的原子稱為間隙原子間隙原子。間隙原子又分為同類間隙原子和異類間隙原子。顯然，同類間隙原子可與弗蘭克空位同時產(chǎn)生。異類間隙原子，多由半徑很小的異類原子形成。2.1.1 分類分類3.置換原子（Substitutional atom）異類原子代換了原有晶體中的原子，而處于晶體點陣的結(jié)點位置，稱為置換原子，亦稱代位原子代位原子。o 各種點缺陷，都破壞了原有晶體的完整性。它們從電學和力學這兩個方面，使近鄰原子失去了平衡?？瘴缓椭睆捷^小的置換原子，使周圍原子

7、向點缺陷的方向松弛，間隙原子及直徑較大的置換原子，把周圍原子擠開一定位置。因而在點缺陷的周圍，就出現(xiàn)了一定范圍的點陣畸變區(qū)，或稱彈性應變區(qū)彈性應變區(qū)。距點缺陷越遠，其影響越小。因而在每個點缺陷的周圍，都會產(chǎn)生一個彈性應力場。2.1.1 分類分類1.空位形成能和間隙原子形成能o形成一個空位（或間隙原子）所需要的能量，稱為空位空位形成能形成能（或間隙原子形成能間隙原子形成能）。它包括電子能（缺陷對晶體中電子狀態(tài)的影響）和畸變能?？瘴灰郧罢邽橹?，間隙原子以后者為主。o間隙原子形成能比空位形成能高出幾倍。所以，空位形成比較容易，數(shù)量比較多。2.空位引起的熵變n個空位在N個位置上的組合方式的數(shù)目，若用即

8、產(chǎn)生n個空位的幾率表示，則玻爾茲曼研究出熵的統(tǒng)計學表達式為2.1.2 點缺陷對體系熱力學能和熵的影響點缺陷對體系熱力學能和熵的影響!nnNnNnNnNnPCPl nSKn個空位造成系統(tǒng)排列熵的改變?yōu)閛 若N不變，當 n0 。因nN ，故空位空位的增加總是引起熵的增加。的增加總是引起熵的增加。o 由于原子振幅的變化，也可引起熵變，稱為振動熵。空位增加，振動熵也增加。進而提高了系統(tǒng)的熵變。F=U-TSF-自由能，U-熱力學能，S-熵值空位的形成，既可因其增加熱力學能而升高系統(tǒng)自由能，又可因其增加熵值而降低系統(tǒng)自由能。因此，在一定溫度下，可能存在著一個使系統(tǒng)自由能最低的空位數(shù)量?？瘴灰鹣到y(tǒng)自由能的

9、變化為:2.1.2 點缺陷對體系熱力學能和熵的影響點缺陷對體系熱力學能和熵的影響!ln!NSKnNn!ln!VNFUT SnUKTnNn 可得自由能最低時的空位濃度為A為材料常數(shù)，常取作1。K為Boltzman常數(shù)，約為1.3810-23J/K或者8.6210-5ev/K。Uv 為產(chǎn)生每摩爾空位的形成能，單位為卡/mol或者J/mol 。R為氣體常數(shù)，1.978卡/mol或者8.31J/mol 。o 間隙原子的平衡濃度比空位低很多，可忽略不計。o 無論空位和間隙原子，都是一種熱平衡缺陷。2.1.3 空位與間隙原子的平衡濃度空位與間隙原子的平衡濃度expVUnCANKTo 式(27)與阿累尼烏斯

10、的表達很接近，兩種過程的本質(zhì)是相同的，都是由原子熱運動引起的熱激活過程。對于化學反應過程而言，只有當原子(或分子)的能量比平均能量高出的能量足以克服反應激活能的那部分原子才能參與反應；對于點缺陷形成而言，只有比平均能量高出缺陷形成能的那部分原子才能形成點缺陷。所以點缺陷的平衡濃度點缺陷的平衡濃度與化學反應速率一樣，隨溫度升高呈指數(shù)關系增加與化學反應速率一樣，隨溫度升高呈指數(shù)關系增加。o 在一定溫度下，存在一個使系統(tǒng)自由能最低的空位濃度，稱為該溫度下的空位平衡濃度空位平衡濃度?？瘴恍纬赡躑V愈小，空位平衡濃度愈大；溫度愈高，空位平衡濃度也愈大。例如純Cu在接近熔點1000時，空位濃度為10-4

11、，而在常溫下(20)空位濃度卻只有10-19 。2.1.3 空位與間隙原子的平衡濃度空位與間隙原子的平衡濃度晶體中的點缺陷濃度可能高于平衡濃度，稱為過飽和點過飽和點缺陷缺陷，或非平衡點缺陷非平衡點缺陷。獲得的方法：o高溫淬火：將晶體加熱到高溫，然后迅速冷卻（淬火），則高溫時形成的空位來不及擴散消失，使晶體在低溫狀態(tài)仍然保留高溫狀態(tài)的空位濃度，即過飽和空位。o冷加工：金屬在室溫下進行冷加工塑性變形也會產(chǎn)生大量的過飽和空位，其原因是由于位錯交割所形成的割階發(fā)生攀移。o輻照：在高能粒子的輻射下，金屬晶體點陣上的原子可能被擊出，發(fā)生原子離位。由于離位原子的能量高，在進入穩(wěn)定間隙之前還會擊出其他原子，從

12、而形成大量的間隙原子和空位（即弗蘭克爾缺陷）。在高能粒子輻照的情況下，由于形成大量的點缺陷，而會引起金屬顯著硬化和脆化，該現(xiàn)象稱為輻照硬化輻照硬化。2.1.4 過飽和點缺陷過飽和點缺陷o 原子(或分子)的擴散擴散就是依靠點缺陷的運動而實現(xiàn)的。o 點缺陷引起電阻的增加電阻的增加，晶體中存在點缺陷時破壞了原子排列的規(guī)律性，使電子在傳導時的散射增加，從而增加了電阻?？瘴坏拇嬖谶€使晶體的密度下降密度下降，體積膨脹。利用電阻或密度的變化可以測量晶體中的空位濃度及其變化的規(guī)律。o 空位的存在及其運動是晶體高溫下發(fā)生蠕變?nèi)渥兊闹匾蛑?。o 晶體在室溫下也可能有大量非平衡空位（如從高溫快速冷卻時保留的空位

13、，或者經(jīng)輻照處理后的空位），這些過量空位往往沿一些晶面聚集，形成空位片空位片，或者它們與其他晶體缺陷發(fā)生交互作用，從而使材料強度有所提高強度有所提高，但同時也引起顯著的脆性顯著的脆性。o 點缺陷的形貌可以用電鏡直接觀測。點缺陷的其它性質(zhì)如生成焓、生成熵、擴散激活能（或遷移率）、以及它引起的晶體體積變化等，都可以通過各種物理實驗測定。常見的實驗有：比熱容實驗；熱膨脹實驗；淬火實驗；淬火退火實驗；正電子湮沒實驗等。2.1.5點缺陷與材料行為點缺陷與材料行為計算銅在室溫（25）下的)空位數(shù)目。假定銅空位形成能Qv,為20,000卡/mol，銅的晶格常數(shù)為0.36151nm。若要使空位濃度增加到室溫下

14、空位濃度的1000倍，需要什么樣溫度下的熱處理？材料常數(shù)A為1。例題 2-1 解答The lattice parameter of FCC copper is 0.36151 nm. The basis is 1, therefore, the number of copper atoms, or lattice points, per cm3 is:例題 2-1 The Effect of Temperature on Vacancy Concentrations3 2238atoms/cmcopper 1047. 8)cm106151. 3(atoms/cell 4nExample 2-1

15、 SOLUTION (Continued)在室溫, T = 25 + 273 = 298 K:38322/cm vacancies10815. 1298KKmolcal1.987molcal20,000exp . cmatoms1047. 8expRTnnQWe could do this by heating the copper to a temperature at which this number of vacancies forms:C102 ),987. 1/(000,20exp()1047. 8(exp10815. 1o2211TTRTQnn計算密度為7.87g/cm3的體心立

16、方鐵中的空位數(shù)目。該鐵晶體的晶格常數(shù)為2.866 10-8 cm，原子量為55.847g/mol。Example 2-2 SOLUTIONThe expected theoretical density of iron can be calculated from the lattice parameter and the atomic mass.Example 2-2 Vacancy Concentrations in IronExample 2-2 SOLUTION (Continued)Lets calculate the number of iron atoms and vacanci

17、es that would be present in each unit cell for the required density of 7.87 g/cm3:Or, there should be 2.00 1.9971 = 0.0029 vacancies per unit cell. The number of vacancies per cm3 is:oInterstitialcy - A point defect caused when a normal atom occupies an interstitial site in the crystal.oFrenkel defe

18、ct - A pair of point defects produced when an ion moves to create an interstitial site, leaving behind a vacancy.oSchottky defect - A point defect in ionically bonded materials. In order to maintain a neutral charge, a stoichiometric number of cation and anion vacancies must form.oKrger-Vink notation -