第二章晶體結(jié)構(gòu)缺陷

1、課后課后32、MgO具有具有NaCl結(jié)構(gòu)。晶體中結(jié)構(gòu)。晶體中Mg2+半徑為半徑為0.072nm，O2-半徑為半徑為0.140nm，求，求（1）MgO晶體的堆積系數(shù)；晶體的堆積系數(shù)；（2）計(jì)算）計(jì)算MgO的密度。的密度。解：（解：（1）MgO每個(gè)晶胞中有每個(gè)晶胞中有4個(gè)鎂離子和個(gè)鎂離子和4個(gè)氧離子，個(gè)氧離子，故故MgO所占的體積為：所占的體積為： )(0522. 0)140. 0072. 0(3443443333322nmRRVoMg）（nmRRaOMg424. 0)140. 0072. 0(2)(222所以：堆積系數(shù)= %5 .68685. 0424. 00522. 033aVCaF33723

2、30/51. 3)10424. 0(1002. 6163 .244cmgaNMn）（2）為什么堆積系數(shù)小于為什么堆積系數(shù)小于74.05%/?密堆積中球數(shù)和兩種空隙間的關(guān)系密堆積中球數(shù)和兩種空隙間的關(guān)系 322OALTiO 2ThOCaO MgOOY32 232ZrOOAl2、3、4、1、試寫出下列缺陷方程試寫出下列缺陷方程n掌握缺陷的基本概念、分類方法；掌握缺陷的基本概念、分類方法；n掌握缺陷的類型、含義及其特點(diǎn)；掌握缺陷的類型、含義及其特點(diǎn)；n熟練書寫點(diǎn)缺陷的缺陷反應(yīng)方程式、熟練書寫點(diǎn)缺陷的缺陷反應(yīng)方程式、化學(xué)平衡方化學(xué)平衡方法計(jì)算熱缺陷的濃度法計(jì)算熱缺陷的濃度；n了解缺陷在材料性能的改善、

3、新型材料的設(shè)計(jì)、了解缺陷在材料性能的改善、新型材料的設(shè)計(jì)、研究與開發(fā)中的意義。研究與開發(fā)中的意義。要求掌握的主要內(nèi)容：要求掌握的主要內(nèi)容：第二章第二章 晶體結(jié)構(gòu)缺陷晶體結(jié)構(gòu)缺陷1、晶體的缺陷：、晶體的缺陷：理想晶體：理想晶體：質(zhì)點(diǎn)嚴(yán)格按照空間點(diǎn)陣排列。質(zhì)點(diǎn)嚴(yán)格按照空間點(diǎn)陣排列。實(shí)際晶體：實(shí)際晶體：存在著各種各樣的結(jié)構(gòu)的不完整性。存在著各種各樣的結(jié)構(gòu)的不完整性。晶體缺陷晶體缺陷 : :實(shí)際晶體對(duì)理想晶體的各種偏離實(shí)際晶體對(duì)理想晶體的各種偏離 。概述概述理想晶體理想晶體真實(shí)晶體真實(shí)晶體晶體缺陷晶體缺陷2 2、缺陷的分類、缺陷的分類 分類方式：分類方式：幾何形態(tài)：幾何形態(tài)：點(diǎn)缺陷（零維）、線缺陷（一

4、維）點(diǎn)缺陷（零維）、線缺陷（一維） 面缺陷等（二維）、體缺陷（三維）面缺陷等（二維）、體缺陷（三維）形成原因（過(guò)程）：形成原因（過(guò)程）：熱缺陷、雜質(zhì)缺陷、非化學(xué)計(jì)量熱缺陷、雜質(zhì)缺陷、非化學(xué)計(jì)量 缺陷等缺陷等3 3、研究缺陷的意義、研究缺陷的意義 由于缺陷的存在，才使晶體表現(xiàn)出各種各樣由于缺陷的存在，才使晶體表現(xiàn)出各種各樣的性質(zhì)，使材料加工、使用過(guò)程中的各種性能得的性質(zhì)，使材料加工、使用過(guò)程中的各種性能得以有效控制和改變，使材料性能的改善和復(fù)合材以有效控制和改變，使材料性能的改善和復(fù)合材料的制備得以實(shí)現(xiàn)。因此，了解缺陷的形成及其料的制備得以實(shí)現(xiàn)。因此，了解缺陷的形成及其運(yùn)動(dòng)規(guī)律，對(duì)材料工藝過(guò)程的

5、控制，對(duì)材料性能運(yùn)動(dòng)規(guī)律，對(duì)材料工藝過(guò)程的控制，對(duì)材料性能的改善，對(duì)于新型材料的設(shè)計(jì)、研究與開發(fā)具有的改善，對(duì)于新型材料的設(shè)計(jì)、研究與開發(fā)具有重要意義。重要意義。 第一節(jié)第一節(jié) 點(diǎn)缺陷點(diǎn)缺陷一、點(diǎn)缺陷類型一、點(diǎn)缺陷類型 1 1、對(duì)理想晶格偏離的幾何位置及成分劃分為三種：、對(duì)理想晶格偏離的幾何位置及成分劃分為三種：（1 1）填隙原子：）填隙原子：原子進(jìn)入晶體中正常結(jié)點(diǎn)間的間隙位置。原子進(jìn)入晶體中正常結(jié)點(diǎn)間的間隙位置。（2 ）空）空 位：位：正常結(jié)點(diǎn)沒有被原子或離子占據(jù)。正常結(jié)點(diǎn)沒有被原子或離子占據(jù)。（3 ）雜質(zhì)（取代）原子：雜質(zhì)（取代）原子：晶體格點(diǎn)上占據(jù)的是另一晶體格點(diǎn)上占據(jù)的是另一 種原子；

6、或外來(lái)原子進(jìn)入晶格。種原子；或外來(lái)原子進(jìn)入晶格。點(diǎn)缺陷示意圖點(diǎn)缺陷示意圖2、 產(chǎn)生原因（過(guò)程）產(chǎn)生原因（過(guò)程）產(chǎn)生原因（過(guò)程）產(chǎn)生原因（過(guò)程）熱缺陷熱缺陷非化學(xué)計(jì)量結(jié)構(gòu)缺陷非化學(xué)計(jì)量結(jié)構(gòu)缺陷雜質(zhì)缺陷雜質(zhì)缺陷弗侖克爾缺陷弗侖克爾缺陷肖特基缺陷肖特基缺陷（1） 熱缺陷熱缺陷b. 特點(diǎn)：特點(diǎn)：由原子熱振動(dòng)引起，缺陷濃度與溫度有關(guān)。由原子熱振動(dòng)引起，缺陷濃度與溫度有關(guān)。a. 定義：定義：當(dāng)晶體溫度高于絕對(duì)當(dāng)晶體溫度高于絕對(duì)0K時(shí)，由于晶格內(nèi)原時(shí)，由于晶格內(nèi)原 子熱振動(dòng)，使一部分能量較大的原子偏離子熱振動(dòng)，使一部分能量較大的原子偏離 平衡位置造成缺陷。平衡位置造成缺陷。 熱缺陷：熱缺陷：“弗侖克爾缺陷弗

7、侖克爾缺陷”與與“肖特基缺陷肖特基缺陷” 弗侖克爾缺陷弗侖克爾缺陷定義：定義：正常結(jié)點(diǎn)上的原子（離子）跳入正常結(jié)點(diǎn)上的原子（離子）跳入間隙間隙，形成間隙，形成間隙 原子，原來(lái)位置上形成空位。原子，原來(lái)位置上形成空位。特點(diǎn)：特點(diǎn)：空位與間隙原子成對(duì)出現(xiàn)，體積不發(fā)生變化?？瘴慌c間隙原子成對(duì)出現(xiàn)，體積不發(fā)生變化。以蘇聯(lián)物理學(xué)家雅科夫以蘇聯(lián)物理學(xué)家雅科夫弗侖克爾弗侖克爾（ ）名字命名名字命名 定義：定義：正常結(jié)點(diǎn)上的原子離開平衡位置遷移到晶正常結(jié)點(diǎn)上的原子離開平衡位置遷移到晶 體表面，在原來(lái)位置形成空位。體表面，在原來(lái)位置形成空位。 特點(diǎn)：特點(diǎn)：對(duì)于離子晶體，正、負(fù)離子空位數(shù)相等，對(duì)于離子晶體，正、負(fù)

8、離子空位數(shù)相等， 并伴隨著晶體體積增加（新表面）。并伴隨著晶體體積增加（新表面）。 肖特基缺陷肖特基缺陷以德國(guó)物理學(xué)家沃爾特以德國(guó)物理學(xué)家沃爾特肖特基（肖特基（Walter Schottky）的名字命名）的名字命名 熱缺陷示意圖熱缺陷示意圖（2 2） 雜質(zhì)缺陷雜質(zhì)缺陷b. 特點(diǎn)：特點(diǎn)：缺陷濃度與雜質(zhì)含量有關(guān)，而與溫度無(wú)關(guān)。缺陷濃度與雜質(zhì)含量有關(guān)，而與溫度無(wú)關(guān)。a. 定義：定義：外來(lái)原子進(jìn)入晶體而產(chǎn)生的缺陷。外來(lái)原子進(jìn)入晶體而產(chǎn)生的缺陷。（3 3） 非化學(xué)計(jì)量結(jié)構(gòu)缺陷非化學(xué)計(jì)量結(jié)構(gòu)缺陷b. 特點(diǎn)：特點(diǎn)：由氣氛或壓力變化引起，缺陷濃度與氣氛性質(zhì)、由氣氛或壓力變化引起，缺陷濃度與氣氛性質(zhì)、 壓力有關(guān)

9、。壓力有關(guān)。 定義：定義：某些化合物的化學(xué)組成隨周圍環(huán)境變化而某些化合物的化學(xué)組成隨周圍環(huán)境變化而 發(fā)生組成偏離化學(xué)計(jì)量的現(xiàn)象。發(fā)生組成偏離化學(xué)計(jì)量的現(xiàn)象。二、缺陷化學(xué)反應(yīng)表示法二、缺陷化學(xué)反應(yīng)表示法 缺陷化學(xué)：缺陷化學(xué)：理論上定性定量地把材料中的點(diǎn)缺理論上定性定量地把材料中的點(diǎn)缺 陷看作化學(xué)實(shí)物，并用化學(xué)熱力學(xué)原陷看作化學(xué)實(shí)物，并用化學(xué)熱力學(xué)原理理 來(lái)研究缺陷的產(chǎn)生、平衡及其濃度等來(lái)研究缺陷的產(chǎn)生、平衡及其濃度等問(wèn)問(wèn) 題的一門學(xué)科。題的一門學(xué)科。2. 適用范圍：適用范圍：研究對(duì)象是晶體缺陷中的點(diǎn)缺陷研究對(duì)象是晶體缺陷中的點(diǎn)缺陷3. 克羅格克羅格-明克（明克（ Kroger-Vink）缺陷符號(hào)

10、）缺陷符號(hào)組成：組成：主體主體缺陷種類缺陷種類 下標(biāo)下標(biāo)缺陷位置缺陷位置 上標(biāo)上標(biāo)有效電荷（正，負(fù)，零）有效電荷（正，負(fù)，零） 區(qū)區(qū)寫缺陷種類區(qū)寫缺陷種類右上角寫缺陷所帶的有效電荷右上角寫缺陷所帶的有效電荷右下角寫缺陷在晶體中的位置右下角寫缺陷在晶體中的位置以離子晶體以離子晶體MX為例，說(shuō)明缺陷化學(xué)符號(hào)的表示方法為例，說(shuō)明缺陷化學(xué)符號(hào)的表示方法1 1）離子空位：離子空位：正常結(jié)點(diǎn)位沒有質(zhì)點(diǎn)，正常結(jié)點(diǎn)位沒有質(zhì)點(diǎn)，VM 和和 VX2 2）間隙離子間隙離子Mi和和 Xi 3 3）錯(cuò)位（反結(jié)構(gòu)）錯(cuò)位（反結(jié)構(gòu)）： MX和XM 4 4）溶質(zhì)原子：溶質(zhì)原子：外來(lái)雜質(zhì)外來(lái)雜質(zhì)Ca進(jìn)入進(jìn)入MgO晶格中取代晶格中

11、取代Mg，則，則CaMg 外來(lái)雜質(zhì)外來(lái)雜質(zhì)Ca進(jìn)入進(jìn)入MgO晶格的間隙，則晶格的間隙，則Cai5）電荷缺陷）電荷缺陷：自由電子自由電子 e表示有效負(fù)電荷（無(wú)特定位置）表示有效負(fù)電荷（無(wú)特定位置） 電子空穴電子空穴 h表示有效正電荷（無(wú)特定位置）表示有效正電荷（無(wú)特定位置）7）締合中心：）締合中心：空位對(duì)，間隙對(duì)空位對(duì)，間隙對(duì) 6）帶電缺陷：）帶電缺陷：不同價(jià)離子間的取代不同價(jià)離子間的取代Ca進(jìn)入進(jìn)入NaCl晶格晶格 中取代中取代Na，則，則CaNa 4 4、缺陷反應(yīng)方程式、缺陷反應(yīng)方程式基本原則：基本原則：3）位置平衡：）位置平衡：晶體中各種格點(diǎn)數(shù)的固有比例關(guān)系晶體中各種格點(diǎn)數(shù)的固有比例關(guān)系必

12、須保持不變。強(qiáng)調(diào)基質(zhì)中正負(fù)離子格點(diǎn)數(shù)之比保必須保持不變。強(qiáng)調(diào)基質(zhì)中正負(fù)離子格點(diǎn)數(shù)之比保持不變，并非原子個(gè)數(shù)比保持不變。如持不變，并非原子個(gè)數(shù)比保持不變。如MaXb中中M的格點(diǎn)數(shù)與的格點(diǎn)數(shù)與X的格點(diǎn)數(shù)之比為的格點(diǎn)數(shù)之比為a：b1）質(zhì)量平衡：）質(zhì)量平衡：反應(yīng)式左邊出現(xiàn)的原子、離子，也必須反應(yīng)式左邊出現(xiàn)的原子、離子，也必須 以同樣數(shù)量出現(xiàn)在反應(yīng)式右邊以同樣數(shù)量出現(xiàn)在反應(yīng)式右邊2）電荷平衡：）電荷平衡：兩邊有效電荷相同兩邊有效電荷相同缺陷反應(yīng)舉例缺陷反應(yīng)舉例（1） 熱缺陷熱缺陷 OMgVV01） 寫出寫出MgO形成形成肖特基肖特基缺陷的反應(yīng)方程式缺陷的反應(yīng)方程式p652） 寫出寫出AgBr形成形成Ag

13、離子的離子的弗侖克爾弗侖克爾缺陷的反應(yīng)方程式缺陷的反應(yīng)方程式AgiAgVAgAg熱缺陷反應(yīng)規(guī)律熱缺陷反應(yīng)規(guī)律 當(dāng)晶體中剩余空隙比較小時(shí)，如當(dāng)晶體中剩余空隙比較小時(shí)，如NaCl型結(jié)構(gòu)，型結(jié)構(gòu)，容易形成肖特基缺陷；當(dāng)剩余空隙比較大時(shí)，如容易形成肖特基缺陷；當(dāng)剩余空隙比較大時(shí)，如 CaF2型結(jié)構(gòu)，易形成弗侖克爾缺陷。型結(jié)構(gòu)，易形成弗侖克爾缺陷。（2） 雜質(zhì)缺陷雜質(zhì)缺陷 FFYYFV2FaNNaF3一般反應(yīng)式：一般反應(yīng)式：雜質(zhì)雜質(zhì)產(chǎn)生的各種缺陷產(chǎn)生的各種缺陷基質(zhì)基質(zhì)1）寫出）寫出NaF加入加入YF3中的缺陷反應(yīng)方程中的缺陷反應(yīng)方程 以正離子為準(zhǔn)，以正離子為準(zhǔn)，Na+占據(jù)占據(jù)Y3+位置，帶有兩個(gè)單位負(fù)電

14、荷，位置，帶有兩個(gè)單位負(fù)電荷， 同時(shí)一個(gè)同時(shí)一個(gè)F-占據(jù)基質(zhì)晶體中占據(jù)基質(zhì)晶體中F-位置，按照位置關(guān)系，基質(zhì)位置，按照位置關(guān)系，基質(zhì) 中正負(fù)離子格點(diǎn)數(shù)之比為中正負(fù)離子格點(diǎn)數(shù)之比為1：3，現(xiàn)在只引入一個(gè)，現(xiàn)在只引入一個(gè)F-。 以負(fù)離子為準(zhǔn)，假設(shè)三個(gè)以負(fù)離子為準(zhǔn)，假設(shè)三個(gè)F-位于基質(zhì)中的位于基質(zhì)中的F-位置上，與此位置上，與此 時(shí)引入三個(gè)時(shí)引入三個(gè)Na+，但只有一個(gè)，但只有一個(gè)Na+占據(jù)占據(jù)Y3+位置，其余兩個(gè)位置，其余兩個(gè) Na+只能位于晶格間隙。只能位于晶格間隙。iClkKCl2lCClCaCaCl iFYYFNa2F3aN3NaF32）寫出）寫出CaCl2加入加入KCl中的缺陷反應(yīng)方程中的缺

15、陷反應(yīng)方程a. 以正離子為準(zhǔn)：以正離子為準(zhǔn)：KClKKCl2VCl2CaCaClb. 以負(fù)離子為準(zhǔn)：以負(fù)離子為準(zhǔn)：1）低價(jià)正離子占據(jù)高價(jià)正離子位置時(shí)，該位置帶有負(fù)電荷，）低價(jià)正離子占據(jù)高價(jià)正離子位置時(shí)，該位置帶有負(fù)電荷， 為了保持電中性，會(huì)產(chǎn)生為了保持電中性，會(huì)產(chǎn)生負(fù)離子空位或間隙正離子負(fù)離子空位或間隙正離子。2） 高價(jià)正離子占據(jù)低價(jià)正離子位置時(shí)，該位置帶有正電荷，高價(jià)正離子占據(jù)低價(jià)正離子位置時(shí)，該位置帶有正電荷， 為了保持電中性，會(huì)產(chǎn)生為了保持電中性，會(huì)產(chǎn)生正離子空位或間隙負(fù)離子正離子空位或間隙負(fù)離子。雜質(zhì)缺陷反應(yīng)規(guī)律雜質(zhì)缺陷反應(yīng)規(guī)律三、熱缺陷濃度三、熱缺陷濃度計(jì)算計(jì)算熱缺陷的特點(diǎn)熱缺陷的特

16、點(diǎn)：熱平衡條件下，缺陷濃度僅與晶體的：熱平衡條件下，缺陷濃度僅與晶體的 溫度有關(guān)。溫度有關(guān)。所以，熱缺陷的濃度可由所以，熱缺陷的濃度可由自由能最小原理自由能最小原理來(lái)進(jìn)行計(jì)算來(lái)進(jìn)行計(jì)算假設(shè)假設(shè)： 設(shè)完整單質(zhì)晶體的原子數(shù)為設(shè)完整單質(zhì)晶體的原子數(shù)為N，在，在T 溫度時(shí)形成溫度時(shí)形成 n個(gè)孤立空位，每個(gè)空位形成能是個(gè)孤立空位，每個(gè)空位形成能是h，相應(yīng)的自，相應(yīng)的自 由能變化為由能變化為G，熱焓變化為，熱焓變化為H，熵變?yōu)椋刈優(yōu)镾。單質(zhì)晶體的肖特基缺陷濃度單質(zhì)晶體的肖特基缺陷濃度由熱力學(xué)可知由熱力學(xué)可知：SThnST-HG說(shuō)明：說(shuō)明：熵變熵變S組態(tài)熵組態(tài)熵SC：由微觀狀態(tài)數(shù)的增加造成：由微觀狀態(tài)數(shù)的

17、增加造成振動(dòng)熵振動(dòng)熵SV：由原子振動(dòng)狀態(tài)的改變?cè)斐桑河稍诱駝?dòng)狀態(tài)的改變?cè)斐?a)組態(tài)熵組態(tài)熵SC在統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)中，WlnSCk式中，k 波爾茲曼常數(shù)W 熱力學(xué)幾率n個(gè)空位在n+N個(gè)晶格位置不同分布時(shí)排列總數(shù)目n!N!n)!N(CWnnN式（a）可寫為：）SnST(hnGC(b)!)!(lnvSnnNnNkThndnnNnNdkTSThnG!)!(ln/v!ln!ln)!ln(vdnnddnNddnnNdkTSThnNnkTSThnnNkTSThnnNkTSThdnnddnNdnNdnNdkTSThnGln ln)ln()ln(!ln!ln)()!ln(/vvvvxxxxln!ln當(dāng)x1時(shí)，斯特

18、令公式 xdxxdln!ln0ln/vnNnkTSThnG平衡時(shí)，)exp()(exp)(exp)(lnfvvvkTGNnkTSThNnkTSThnNnSThnNnkT移項(xiàng)得：（c）Gf稱為缺陷自由能單質(zhì)晶體的肖特基缺陷濃度單質(zhì)晶體的肖特基缺陷濃度同理可得：同理可得：MX型離子晶體的肖特基缺陷濃度型離子晶體的肖特基缺陷濃度)2exp(kTGNnsMX型離子晶體弗侖克爾缺陷濃度型離子晶體弗侖克爾缺陷濃度)2exp(fkTGNn（d）（e）四、點(diǎn)缺陷的化學(xué)平衡四、點(diǎn)缺陷的化學(xué)平衡 在一定溫度下，熱缺陷是在不斷地產(chǎn)生和消失過(guò)程中，在一定溫度下，熱缺陷是在不斷地產(chǎn)生和消失過(guò)程中，當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到平衡時(shí)，即缺

19、陷數(shù)目保持不變。當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到平衡時(shí)，即缺陷數(shù)目保持不變。可以根據(jù)可以根據(jù)質(zhì)量作用定律質(zhì)量作用定律，通過(guò)化學(xué)平衡方法計(jì)算熱缺陷濃度，通過(guò)化學(xué)平衡方法計(jì)算熱缺陷濃度 1、弗侖克爾、弗侖克爾缺陷濃度缺陷濃度以以AgBr晶體為例：晶體為例：根據(jù)質(zhì)量作用定律，平衡常數(shù)：根據(jù)質(zhì)量作用定律，平衡常數(shù)： 正常格點(diǎn)的位置正常格點(diǎn)的位置+未被占據(jù)的間隙位置未被占據(jù)的間隙位置=間隙離子間隙離子+空位空位2iiAgAgifAgVAgVAgKAgiiAgVAgVAg由阿累尼烏斯公式：由阿累尼烏斯公式：)kTGexp(Kff)2kTGexp(Agfi2、MX型離子晶體的肖特基缺陷濃度型離子晶體的肖特基缺陷濃度 OMgVV0

20、0VVKOMgs 則平衡常數(shù)：則平衡常數(shù)：以以MgO為例：為例：由阿累尼烏斯公式：由阿累尼烏斯公式：2O2MgVV )2kTGexp(VVfOMg )kTGexp(VKf2Os五、固溶體五、固溶體1 1、定義：、定義：凡在固態(tài)條件下，一種組分（溶劑）內(nèi)凡在固態(tài)條件下，一種組分（溶劑）內(nèi) “溶解溶解”了其它組分（溶質(zhì)）而形成的單一、了其它組分（溶質(zhì)）而形成的單一、 均勻的晶態(tài)固體稱為固溶體。均勻的晶態(tài)固體稱為固溶體。（一）概述（一）概述2 2、固溶體特征、固溶體特征1）在原子尺度上相互混合。）在原子尺度上相互混合。2）這種混合并不破壞原有晶體結(jié)構(gòu)。）這種混合并不破壞原有晶體結(jié)構(gòu)。3）存在固溶度，

21、部分體系可任意互溶。）存在固溶度，部分體系可任意互溶。4）在固溶度范圍之內(nèi)，雜質(zhì)含量可以改變。）在固溶度范圍之內(nèi)，雜質(zhì)含量可以改變。 3、固溶體生成、固溶體生成1）晶體生長(zhǎng)過(guò)程中）晶體生長(zhǎng)過(guò)程中2）溶液或熔體析晶）溶液或熔體析晶3）燒結(jié)）燒結(jié)4、固溶體、機(jī)械混合物與化合物、固溶體、機(jī)械混合物與化合物固溶體固溶體AxB1-x：A和和B以原子尺度混合，形成單相均勻以原子尺度混合，形成單相均勻 晶態(tài)物質(zhì)，晶態(tài)物質(zhì)， A和和B可按任意比例混合?？砂慈我獗壤旌?。機(jī)械混合物機(jī)械混合物AB：A和和B以顆粒態(tài)混合，以顆粒態(tài)混合，A和和B分別保持分別保持 各自原有的結(jié)構(gòu)和性能。各自原有的結(jié)構(gòu)和性能?；衔锘?/p>

22、物AmBn：其結(jié)構(gòu)不同于其結(jié)構(gòu)不同于A或或B，A和和B有固定比例，有固定比例， 即即 。nmBA（二）固溶體分類（二）固溶體分類（1）按溶質(zhì)原子在溶劑晶格中的位置）按溶質(zhì)原子在溶劑晶格中的位置 置換型固溶體置換型固溶體 溶質(zhì)原子進(jìn)入晶格中正常結(jié)點(diǎn)溶質(zhì)原子進(jìn)入晶格中正常結(jié)點(diǎn)位位 置而取代基質(zhì)中的原子。置而取代基質(zhì)中的原子。特點(diǎn)特點(diǎn)：在金屬氧化物中，主要發(fā)：在金屬氧化物中，主要發(fā) 生在金屬離子位置上的置換生在金屬離子位置上的置換 舉例舉例：MgO-CoO、MgO-CaO、PbTiO3-PbZrO3、Al2O3-Cr2O3b. b. 間隙型固溶體間隙型固溶體 溶質(zhì)原子進(jìn)入晶格中的間隙位置。溶質(zhì)原子進(jìn)

23、入晶格中的間隙位置。特點(diǎn)：特點(diǎn)：在無(wú)機(jī)固體材料中主要發(fā)生在無(wú)機(jī)固體材料中主要發(fā)生在陰離子或陰離子團(tuán)所形成的間隙，在陰離子或陰離子團(tuán)所形成的間隙，而且間隙比較大，而溶質(zhì)原子較小。而且間隙比較大，而溶質(zhì)原子較小。（2）按溶質(zhì)原子在溶劑晶體中的溶解度）按溶質(zhì)原子在溶劑晶體中的溶解度 連續(xù)固溶體連續(xù)固溶體溶質(zhì)和溶劑可以按任溶質(zhì)和溶劑可以按任 意比例相互固溶。意比例相互固溶。 b. 有限固溶體有限固溶體溶質(zhì)只能以一定的溶解溶質(zhì)只能以一定的溶解限度（固溶度）溶入溶劑限度（固溶度）溶入溶劑中，低于固溶度條件下生中，低于固溶度條件下生成的固溶體是單相的，一成的固溶體是單相的，一旦溶質(zhì)超出這一限度即出旦溶質(zhì)超出

24、這一限度即出現(xiàn)第現(xiàn)第 二二 相。相。 （三）置換固溶體（三）置換固溶體可分為連續(xù)置換固溶體和有限置換固溶體可分為連續(xù)置換固溶體和有限置換固溶體a. NiO或或FeO置換置換MgO生成連續(xù)固溶體：生成連續(xù)固溶體：Mg1-xNixO，其，其 中中x = 01。 b.b.很多二元體系是有限置換型固溶體，其中有些體系的很多二元體系是有限置換型固溶體，其中有些體系的 固溶量非常低。固溶量非常低。？影響因素：影響因素：（1） 離子尺寸離子尺寸（決定性因素）（決定性因素） 從晶體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定觀點(diǎn)來(lái)看，相互替代的質(zhì)點(diǎn)尺寸從晶體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定觀點(diǎn)來(lái)看，相互替代的質(zhì)點(diǎn)尺寸愈接近，則固溶體愈穩(wěn)定，其固溶量將愈大。愈接近，

25、則固溶體愈穩(wěn)定，其固溶量將愈大。121rrr 令令這里這里r1和和r2分別為溶劑和溶質(zhì)離子半徑。分別為溶劑和溶質(zhì)離子半徑。當(dāng)當(dāng) 30%時(shí)，溶質(zhì)和溶劑之間不生成固溶體，時(shí)，溶質(zhì)和溶劑之間不生成固溶體， 僅在高溫下有少量固溶。僅在高溫下有少量固溶。例如：例如：CaO-MgO中，中， rCa2+=0.100nm ，rMg2+=0.072nm， =28%，所以不易形成固溶體（僅在高溫時(shí)有，所以不易形成固溶體（僅在高溫時(shí)有 少量固溶體）少量固溶體）（2） 晶體結(jié)構(gòu)類型晶體結(jié)構(gòu)類型滿足尺寸條件前提下，但晶體結(jié)構(gòu)不同，最多只能滿足尺寸條件前提下，但晶體結(jié)構(gòu)不同，最多只能 形成有限型固溶體。形成有限型固溶體。

26、晶體結(jié)構(gòu)相同且晶體結(jié)構(gòu)相同且 15%可形成可形成連續(xù)固溶體。連續(xù)固溶體。一般規(guī)律：一般規(guī)律： 單一離子：離子價(jià)相同，可以形成連續(xù)固溶體。單一離子：離子價(jià)相同，可以形成連續(xù)固溶體。 （3） 離子的電價(jià)離子的電價(jià)復(fù)合離子：離子價(jià)不同，組合后滿足電中性置換條復(fù)合離子：離子價(jià)不同，組合后滿足電中性置換條 件下也可形成連續(xù)固溶體。件下也可形成連續(xù)固溶體。例如：鈣長(zhǎng)石例如：鈣長(zhǎng)石CaAlCaAl2 2SiSi2 2O O8 8 和鈉長(zhǎng)石和鈉長(zhǎng)石NaAlSiNaAlSi3 3O O8 8 。例如：例如：MgO-NiO,AlMgO-NiO,Al2 2O O3 3-Cr-Cr2 2O O3 3432SiNaAl

27、Ca（4） 電負(fù)性因素電負(fù)性因素電負(fù)性相近，有利于固溶體的生成。電負(fù)性相近，有利于固溶體的生成。電負(fù)性：元素的原子在化合物中把電子引向自己的能力叫電負(fù)性：元素的原子在化合物中把電子引向自己的能力叫 做元素的電負(fù)性。做元素的電負(fù)性。一般說(shuō)來(lái)，非金屬元素的電一般說(shuō)來(lái)，非金屬元素的電負(fù)性大于負(fù)性大于2.0，金屬元素電負(fù)，金屬元素電負(fù)性小于性小于2.0。 電負(fù)性差別大，傾向于生成化合物。電負(fù)性差別大，傾向于生成化合物。以電負(fù)性之差以電負(fù)性之差 0.4為邊界條件，大于為邊界條件，大于0.4時(shí)很難形成時(shí)很難形成 固溶體。固溶體。一般規(guī)律：一般規(guī)律：（四）置換固溶體中的（四）置換固溶體中的“組分缺陷組分缺陷

28、” 1）產(chǎn)生：）產(chǎn)生： 在在不等價(jià)置換中，為了保持晶體的電中性，必然不等價(jià)置換中，為了保持晶體的電中性，必然 會(huì)在晶體結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生會(huì)在晶體結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生“組分缺陷組分缺陷”即空位或填隙即空位或填隙 原子。原子。2）與熱缺陷異同比較：）與熱缺陷異同比較： 形式上形式上 ：二者十分相似：二者十分相似 本質(zhì)上本質(zhì)上熱缺陷：在晶體中具有普遍意義，其缺陷濃度熱缺陷：在晶體中具有普遍意義，其缺陷濃度 是溫度函數(shù)。是溫度函數(shù)。組分缺陷：只發(fā)生在不等價(jià)置換固溶體中，其組分缺陷：只發(fā)生在不等價(jià)置換固溶體中，其 缺陷濃度取決于摻雜量和固溶度。缺陷濃度取決于摻雜量和固溶度。3）四種）四種“組分缺陷組分缺陷” 高價(jià)置換低價(jià)

29、高價(jià)置換低價(jià)低價(jià)置換高價(jià)低價(jià)置換高價(jià)陽(yáng)離子出現(xiàn)空位（陽(yáng)離子出現(xiàn)空位（1）陰離子進(jìn)入間隙（陰離子進(jìn)入間隙（2）陰離子出現(xiàn)空位（陰離子出現(xiàn)空位（3）陽(yáng)離子進(jìn)入間隙（陽(yáng)離子進(jìn)入間隙（4）舉舉 例例OOZrZrOOVaCCaO2 OMgMgMgO32O3V2AlOAl OiMgMgO32O2O2AlOAl OiZrZrOO2CaaC2CaO2 （1 1）陽(yáng)離子空位型）陽(yáng)離子空位型 O MgMgMgO323OV2AlOAl OAlMg23-1xx2x2xx固溶體化學(xué)式固溶體化學(xué)式:4）固溶體化學(xué)式的確定（以）固溶體化學(xué)式的確定（以1mol基質(zhì)為基準(zhǔn)）基質(zhì)為基準(zhǔn)）（2 2）陰離子間隙型）陰離子間隙型 O

30、iMgMgO322OO2AlOAl xxx122- 1OAlMg2x2xx固溶體化學(xué)式固溶體化學(xué)式:（3 3）陰離子空位型）陰離子空位型 OO ZrZrOOVCaCaO2 xxx-2- 1OCaZrxxx固溶體化學(xué)式固溶體化學(xué)式:（4 4）陽(yáng)離子間隙型）陽(yáng)離子間隙型 Oi ZrZrO2OCaCa2CaO2 22- 1OCaZrxx2x xx固溶體化學(xué)式固溶體化學(xué)式:（五）填隙固溶體（五）填隙固溶體1、影響因素、影響因素（1） 溶質(zhì)原子越小，溶劑晶格結(jié)構(gòu)空隙越大，越易形成固溶質(zhì)原子越小，溶劑晶格結(jié)構(gòu)空隙越大，越易形成固 溶體。溶體。MgOTiO2CaF2片沸石片沸石NaCl型型金金紅紅石石型型熒

31、熒石石型型架架狀狀硅硅酸酸鹽鹽 2、分類、分類（1） 原子填隙：原子填隙：（2） 陽(yáng)離子填隙陽(yáng)離子填隙（3） 陰離子填隙陰離子填隙Oi ZrZrO2OCaCa2CaO2 FiCaCaF32FFYYF2 固溶式：固溶式：xxxFYCa 21)(（2） 電價(jià)電價(jià)因素：必須保持結(jié)構(gòu)的電中性。因素：必須保持結(jié)構(gòu)的電中性。六、固溶體的研究方法六、固溶體的研究方法1、最本質(zhì)方法：最本質(zhì)方法：X-ray衍射分析方法。衍射分析方法。2、維加（維加（Vegard）定律：）定律： 二元等價(jià)置換固溶體二元等價(jià)置換固溶體 的晶胞參數(shù)的晶胞參數(shù)a與外加溶與外加溶 質(zhì)的濃度質(zhì)的濃度c成線性關(guān)系：成線性關(guān)系： ABB的摩爾

32、分?jǐn)?shù)/%0100Vegard定律3、理論密度計(jì)算、理論密度計(jì)算計(jì)算方法與步驟計(jì)算方法與步驟1）先寫出可能的缺陷反應(yīng)方程式）先寫出可能的缺陷反應(yīng)方程式2）根據(jù)缺陷反應(yīng)方程式寫出固溶體可能的化學(xué)式）根據(jù)缺陷反應(yīng)方程式寫出固溶體可能的化學(xué)式VgDnii/10ig表示單位晶胞內(nèi)，第表示單位晶胞內(nèi)，第i種原子（離子）的質(zhì)量種原子（離子）的質(zhì)量阿佛加德羅常數(shù)(原子質(zhì)量)(占有因子)(原子數(shù)目)iiiig3）由化學(xué)式可知晶胞中有幾種原子質(zhì)點(diǎn)，計(jì)算出晶胞中）由化學(xué)式可知晶胞中有幾種原子質(zhì)點(diǎn)，計(jì)算出晶胞中 第第i種質(zhì)點(diǎn)的質(zhì)量：種質(zhì)點(diǎn)的質(zhì)量：據(jù)此，計(jì)算出晶胞質(zhì)量據(jù)此，計(jì)算出晶胞質(zhì)量Wn1iigg，這里這里n為晶胞

33、中原子質(zhì)點(diǎn)的種類為晶胞中原子質(zhì)點(diǎn)的種類0Niiigii阿佛加德羅常數(shù)的原子量實(shí)際所占分?jǐn)?shù)的晶胞分子數(shù)質(zhì)點(diǎn)質(zhì)量4）求出晶胞體積）求出晶胞體積V：根據(jù)晶胞參數(shù)計(jì)算各晶系的晶胞體：根據(jù)晶胞參數(shù)計(jì)算各晶系的晶胞體 積積V5）求出理論密度）求出理論密度D理理：VgDnii/10D理理計(jì)算舉例計(jì)算舉例計(jì)算物質(zhì)的量組成為計(jì)算物質(zhì)的量組成為0.15CaO-0.85ZrO2固溶體的理論密度固溶體的理論密度D理理1）先寫出可能的缺陷反應(yīng)方程式）先寫出可能的缺陷反應(yīng)方程式OOZrZrOOVaCCaO2 OiZrZrOO2CaaC2CaO2 陰離子空位型：陰離子空位型：陽(yáng)離子間隙型：陽(yáng)離子間隙型：陰離子空位型固溶體：

34、陰離子空位型固溶體：2）根據(jù)缺陷反應(yīng)方程式寫出固溶體可能的化學(xué)式）根據(jù)缺陷反應(yīng)方程式寫出固溶體可能的化學(xué)式陽(yáng)離子間隙型固溶體：陽(yáng)離子間隙型固溶體：Zrl-xCaxO2-xZrl-xCa2xO2分析：分析：ZrO2屬立方晶系，螢石結(jié)構(gòu)，每個(gè)晶胞中有屬立方晶系，螢石結(jié)構(gòu)，每個(gè)晶胞中有4個(gè)分子。個(gè)分子。3）計(jì)算晶胞質(zhì)量）計(jì)算晶胞質(zhì)量g)(1018.75106.022M85. 14M85. 04M15. 04gg2323OZrCai242g對(duì)于氧離子空位固溶體對(duì)于氧離子空位固溶體Ca0.15Zr0.85O1.854）求出晶胞體積）求出晶胞體積VV=a3=(0.51310-7)3=1.35110-22c

35、m35）求出理論密度）求出理論密度D03g/cmVWD564. 5101 .1351018.752423 0實(shí)際值為實(shí)際值為5.447g/cm3如果形成填隙固溶體，求得理論密度為如果形成填隙固溶體，求得理論密度為6.019g/cm3七、非化學(xué)計(jì)量化合物七、非化學(xué)計(jì)量化合物1、定義：、定義：實(shí)際的化合物中，有一些化合物不符合實(shí)際的化合物中，有一些化合物不符合定比定律定比定律， 正負(fù)離子的比例并不是一個(gè)簡(jiǎn)單的固定比例關(guān)系，正負(fù)離子的比例并不是一個(gè)簡(jiǎn)單的固定比例關(guān)系， 這些化合物稱為這些化合物稱為非化學(xué)計(jì)量化合物非化學(xué)計(jì)量化合物。實(shí)際上是一實(shí)際上是一種晶體缺陷種晶體缺陷2）可以看作是高價(jià)化合物與低價(jià)

36、化合物的固溶體。）可以看作是高價(jià)化合物與低價(jià)化合物的固溶體。2、特點(diǎn)：、特點(diǎn)：1）缺陷濃度大小與氣氛性質(zhì)、壓力有關(guān)。）缺陷濃度大小與氣氛性質(zhì)、壓力有關(guān)。3）缺陷濃度與溫度有關(guān)，這點(diǎn)可從平衡常數(shù)看出。）缺陷濃度與溫度有關(guān)，這點(diǎn)可從平衡常數(shù)看出。 （壓力一定）。（壓力一定）。3、分類、分類:分為四類分為四類1）陰離子缺位型（陽(yáng)離子過(guò)剩）陰離子缺位型（陽(yáng)離子過(guò)剩）TiO2、ZrO2會(huì)產(chǎn)生這種缺陷，分子式可寫為會(huì)產(chǎn)生這種缺陷，分子式可寫為TiO2-x， ZrO2-x，產(chǎn)生原因是環(huán)境中缺氧，晶格中的氧逸出到大氣中，產(chǎn)生原因是環(huán)境中缺氧，晶格中的氧逸出到大氣中，使晶體中出現(xiàn)了氧空位。使晶體中出現(xiàn)了氧空位。

37、 缺陷反應(yīng)方程式應(yīng)如下：缺陷反應(yīng)方程式應(yīng)如下： 2OTiOTiO21V22TiO2Tie2OOO21V2eO2OTiOTiO213OoV2Ti4O2TiOOTi223OV2TiO21-2TiO又又 TiTi+e= TiTi等價(jià)于等價(jià)于 )6/1(OO2PV 根據(jù)質(zhì)量作用定律，平衡時(shí)根據(jù)質(zhì)量作用定律，平衡時(shí)假設(shè)晶體中氧離子濃度不變，且假設(shè)晶體中氧離子濃度不變，且Oe PVKO21/2OO2e 2VO1）TiO2的非化學(xué)計(jì)量對(duì)氧壓力敏感，在還原氣氛中才能形的非化學(xué)計(jì)量對(duì)氧壓力敏感，在還原氣氛中才能形成成TiO2-x。燒結(jié)時(shí)，氧分壓不足會(huì)導(dǎo)致。燒結(jié)時(shí)，氧分壓不足會(huì)導(dǎo)致 升高，得到灰黑升高，得到灰黑色

38、的色的TiO2-x，而不是金黃色的，而不是金黃色的TiO2。2） 電導(dǎo)率隨氧分壓升高而降低。電導(dǎo)率隨氧分壓升高而降低。3）若）若PO2不變，則不變，則OV6/123/13/142 OPKe3exp RTGKe612OPe電導(dǎo)率隨溫度的升高而呈指數(shù)規(guī)律增加，反映了缺陷電導(dǎo)率隨溫度的升高而呈指數(shù)規(guī)律增加，反映了缺陷濃度與溫度的關(guān)系。濃度與溫度的關(guān)系。 F色心：自由電子陷落在陰離子缺位中而形成的色心：自由電子陷落在陰離子缺位中而形成的 一種缺陷。一種缺陷。它是由一個(gè)負(fù)離子空位和一個(gè)在此位置上的電子組它是由一個(gè)負(fù)離子空位和一個(gè)在此位置上的電子組 成的，由于陷落電子能吸收一定波長(zhǎng)的光，使晶成的，由于陷落

39、電子能吸收一定波長(zhǎng)的光，使晶體著色而得名。體著色而得名。TiO2-x結(jié)構(gòu)缺陷示意圖結(jié)構(gòu)缺陷示意圖 在氧空位上捕獲兩在氧空位上捕獲兩個(gè)電子，成為個(gè)電子，成為一種一種F-色心。色心。2）陽(yáng)離子間隙型）陽(yáng)離子間隙型 ZnZn1+x1+xO O和和CdCdl+xl+xO O屬于這種類型。過(guò)剩的金屬離子屬于這種類型。過(guò)剩的金屬離子進(jìn)入間隙位置，帶正電，為了保持電中性，等價(jià)的進(jìn)入間隙位置，帶正電，為了保持電中性，等價(jià)的電子被束縛在間隙位置金屬離子的周圍，這也是一電子被束縛在間隙位置金屬離子的周圍，這也是一種種色心色心。例如。例如ZnOZnO在在鋅蒸汽鋅蒸汽中加熱，顏色會(huì)逐漸加中加熱，顏色會(huì)逐漸加深，就是形

40、成這種缺陷的緣故。深，就是形成這種缺陷的緣故。由于間隙正離子，使金屬離子過(guò)剩型結(jié)構(gòu)由于間隙正離子，使金屬離子過(guò)剩型結(jié)構(gòu)e缺陷反應(yīng)可以表示如下：缺陷反應(yīng)可以表示如下：或或 按質(zhì)量作用定律按質(zhì)量作用定律間隙鋅離子的濃度與鋅蒸汽壓的關(guān)系為（此為一種模型）間隙鋅離子的濃度與鋅蒸汽壓的關(guān)系為（此為一種模型） )(2122gOeZnZnOieZngZni2)(ZniPeZnK23/1ZniPZn612OPe3）陰離子間隙型）陰離子間隙型目前只發(fā)現(xiàn)目前只發(fā)現(xiàn)UOUO2+x2+x，可以看作，可以看作UOUO3 3在在UOUO2 2中的中的固溶體，具有這樣的缺陷。當(dāng)在晶格中存在間固溶體，具有這樣的缺陷。當(dāng)在晶格

41、中存在間隙負(fù)離子時(shí)，為了保持電中性，結(jié)構(gòu)中引入電隙負(fù)離子時(shí)，為了保持電中性，結(jié)構(gòu)中引入電子空穴。這種材料為子空穴。這種材料為P P型半導(dǎo)體。型半導(dǎo)體。由于存在間隙負(fù)離子，使負(fù)離子過(guò)剩型的結(jié)構(gòu)由于存在間隙負(fù)離子，使負(fù)離子過(guò)剩型的結(jié)構(gòu)hh h2OO21i2缺陷反應(yīng)：缺陷反應(yīng)：根據(jù)質(zhì)量作用定律根據(jù)質(zhì)量作用定律:)6/1(Oi2PO 1/2OiPh OK2OiUUO3O4OUUO2 Cu2O、FeO屬于這種類型的缺陷。當(dāng)在晶格中存在陽(yáng)屬于這種類型的缺陷。當(dāng)在晶格中存在陽(yáng)離子空位時(shí)，為了保持電中性，在正離子空位周圍捕獲電離子空位時(shí)，為了保持電中性，在正離子空位周圍捕獲電子空穴。子空穴。4）陽(yáng)離子空位型（

42、負(fù)離子過(guò)剩）陽(yáng)離子空位型（負(fù)離子過(guò)剩）以以Fe1-xO為例：可看作為例：可看作Fe2O3在在FeO中的固溶體。中的固溶體。 FeOFeFeO2FeV3O2Fe(g)O232Fe FeO2V2hO(g)O21等價(jià)于：等價(jià)于： 由此可見，鐵離子空位本身帶負(fù)電，為了保持電中由此可見，鐵離子空位本身帶負(fù)電，為了保持電中性，兩個(gè)電子空穴被吸引到這空位的周圍，形成一種性，兩個(gè)電子空穴被吸引到這空位的周圍，形成一種V-色心。色心。缺陷反應(yīng)：缺陷反應(yīng)：小結(jié)：小結(jié)： 以非化學(xué)計(jì)量的觀點(diǎn)來(lái)看問(wèn)題，世界上所有的以非化學(xué)計(jì)量的觀點(diǎn)來(lái)看問(wèn)題，世界上所有的化合物，都是非化學(xué)計(jì)量的，只是非化學(xué)計(jì)量的程化合物，都是非化學(xué)計(jì)量

43、的，只是非化學(xué)計(jì)量的程度不同而已。度不同而已。 1、位錯(cuò)模型的提出：、位錯(cuò)模型的提出： 位錯(cuò)概念是人們根據(jù)塑位錯(cuò)概念是人們根據(jù)塑性變形的理論推斷出來(lái)的。性變形的理論推斷出來(lái)的。 在在1920年前后，在研究晶體的塑性變形時(shí)，年前后，在研究晶體的塑性變形時(shí)，建立了建立了完整晶體塑性變形完整晶體塑性變形滑移的模型）滑移的模型），并根，并根據(jù)這個(gè)模型計(jì)算出據(jù)這個(gè)模型計(jì)算出金屬晶體的理論強(qiáng)度比實(shí)測(cè)強(qiáng)金屬晶體的理論強(qiáng)度比實(shí)測(cè)強(qiáng)度高出幾個(gè)數(shù)量級(jí)。度高出幾個(gè)數(shù)量級(jí)。 一、位錯(cuò)的基本概念一、位錯(cuò)的基本概念（一）位錯(cuò)學(xué)說(shuō)的產(chǎn)生（一）位錯(cuò)學(xué)說(shuō)的產(chǎn)生第二節(jié)第二節(jié) 線缺陷線缺陷 19341934年，人們根據(jù)這種理論和實(shí)

44、際的強(qiáng)度的差異，年，人們根據(jù)這種理論和實(shí)際的強(qiáng)度的差異，提出了晶體缺陷的設(shè)想，并提出晶體線缺陷（位錯(cuò)）模提出了晶體缺陷的設(shè)想，并提出晶體線缺陷（位錯(cuò)）模型，認(rèn)為晶體是通過(guò)位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行滑移的，以位錯(cuò)滑型，認(rèn)為晶體是通過(guò)位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行滑移的，以位錯(cuò)滑移模型計(jì)算出的晶體強(qiáng)度，與實(shí)測(cè)值基本相符。移模型計(jì)算出的晶體強(qiáng)度，與實(shí)測(cè)值基本相符。 位錯(cuò)的來(lái)源與增殖，也從具體模型本身得到闡明。位錯(cuò)的來(lái)源與增殖，也從具體模型本身得到闡明。于是人們開始把位錯(cuò)模型引入金屬晶體變形及力學(xué)性質(zhì)于是人們開始把位錯(cuò)模型引入金屬晶體變形及力學(xué)性質(zhì)的研究領(lǐng)域，初步形成了位錯(cuò)理論。的研究領(lǐng)域，初步形成了位錯(cuò)理論。 19561956

45、年，在電子顯微鏡下觀察到位錯(cuò)的形態(tài)及運(yùn)動(dòng)，年，在電子顯微鏡下觀察到位錯(cuò)的形態(tài)及運(yùn)動(dòng)，位錯(cuò)理論越來(lái)越多地被實(shí)驗(yàn)證明后被廣泛接受和應(yīng)用，位錯(cuò)理論越來(lái)越多地被實(shí)驗(yàn)證明后被廣泛接受和應(yīng)用，并快速發(fā)展。并快速發(fā)展。 應(yīng)用應(yīng)用：位錯(cuò)理論已經(jīng)成為研究晶體力學(xué)性質(zhì)：位錯(cuò)理論已經(jīng)成為研究晶體力學(xué)性質(zhì)和塑性變形的理論基礎(chǔ)，比較成功、有系統(tǒng)地解和塑性變形的理論基礎(chǔ)，比較成功、有系統(tǒng)地解釋了晶體釋了晶體屈服強(qiáng)度、加工硬化、合金強(qiáng)化、相變屈服強(qiáng)度、加工硬化、合金強(qiáng)化、相變強(qiáng)化、脆性斷裂、蠕變強(qiáng)化、脆性斷裂、蠕變等晶體強(qiáng)度理論中的重要等晶體強(qiáng)度理論中的重要問(wèn)題。問(wèn)題。滑移的結(jié)果：塑性變滑移的結(jié)果：塑性變形，表面形成臺(tái)階。

46、形，表面形成臺(tái)階。外力作用下晶體滑移示意圖（微觀）外力作用下晶體滑移示意圖（微觀）滑移的定義：在外力作用滑移的定義：在外力作用下，一部分相對(duì)另一部分下，一部分相對(duì)另一部分（晶面、晶向）的平移。（晶面、晶向）的平移。2、位錯(cuò)的產(chǎn)生、位錯(cuò)的產(chǎn)生 實(shí)際晶體在結(jié)晶時(shí)，受到雜質(zhì)、溫度變化或振動(dòng)產(chǎn)實(shí)際晶體在結(jié)晶時(shí)，受到雜質(zhì)、溫度變化或振動(dòng)產(chǎn)生的應(yīng)力作用或晶體由于受到打擊，切割等機(jī)械應(yīng)力生的應(yīng)力作用或晶體由于受到打擊，切割等機(jī)械應(yīng)力作用，使晶體內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)排列變形，原子行列間距相互作用，使晶體內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)排列變形，原子行列間距相互滑移，不再符合理想晶體的有序排列，形成線狀缺陷?；?，不再符合理想晶體的有序排列，形成

47、線狀缺陷。 位錯(cuò)在三維空間兩個(gè)方向上尺寸很小，另外一個(gè)位錯(cuò)在三維空間兩個(gè)方向上尺寸很小，另外一個(gè)方向上延伸較長(zhǎng)。方向上延伸較長(zhǎng)。3、定義：、定義：指在一維方向上偏離理想晶體中的周期性、指在一維方向上偏離理想晶體中的周期性、 規(guī)則性排列所產(chǎn)生的缺陷。規(guī)則性排列所產(chǎn)生的缺陷。（二）（二） 位錯(cuò)的基本類型位錯(cuò)的基本類型 晶體在不同的應(yīng)力狀態(tài)下，其滑移方式不同。根晶體在不同的應(yīng)力狀態(tài)下，其滑移方式不同。根據(jù)原子的滑移方向和位錯(cuò)線取向的幾何特征不同，位據(jù)原子的滑移方向和位錯(cuò)線取向的幾何特征不同，位錯(cuò)分為錯(cuò)分為刃型位錯(cuò)、螺型位錯(cuò)、混合位錯(cuò)刃型位錯(cuò)、螺型位錯(cuò)、混合位錯(cuò)。 （1）刃型位錯(cuò)：柏格斯矢量與位錯(cuò)線垂

48、直的位錯(cuò)）刃型位錯(cuò)：柏格斯矢量與位錯(cuò)線垂直的位錯(cuò)分類：分類：正刃位錯(cuò)，正刃位錯(cuò)， “” ；負(fù)刃位錯(cuò)，；負(fù)刃位錯(cuò)， “ 。符號(hào)中水符號(hào)中水平線代表滑移面，垂直線代表半個(gè)原子面。平線代表滑移面，垂直線代表半個(gè)原子面。形成及定義：形成及定義：晶體在大于屈服值的切應(yīng)力晶體在大于屈服值的切應(yīng)力 作用下，以作用下，以ABCD面為滑移面發(fā)生滑移。面為滑移面發(fā)生滑移。EF是晶體已滑移部分和未滑移部是晶體已滑移部分和未滑移部分的交線，猶如砍入晶體的一把刀的刀刃，即刃型位錯(cuò)分的交線，猶如砍入晶體的一把刀的刀刃，即刃型位錯(cuò)（或棱位錯(cuò)）。（或棱位錯(cuò)）。幾何特征：幾何特征：位錯(cuò)線與原子滑移方向相垂直；滑移面上部位錯(cuò)位錯(cuò)

49、線與原子滑移方向相垂直；滑移面上部位錯(cuò)線周圍原子受壓應(yīng)力作用，原子間距小于正常晶格間距；線周圍原子受壓應(yīng)力作用，原子間距小于正常晶格間距；滑移面下部位錯(cuò)線周圍原子受張應(yīng)力作用，原子間距大于滑移面下部位錯(cuò)線周圍原子受張應(yīng)力作用，原子間距大于正常晶格間距。正常晶格間距。刃位錯(cuò)形成示意圖刃位錯(cuò)形成示意圖位錯(cuò)線位錯(cuò)線(EF)半原子面半原子面(EFGH)（2 2）螺旋位錯(cuò)：）螺旋位錯(cuò)：位錯(cuò)線與滑移方向相互平行，位錯(cuò)線周圍位錯(cuò)線與滑移方向相互平行，位錯(cuò)線周圍 的一組原子面形成了一個(gè)連續(xù)的螺旋形坡面，故稱為的一組原子面形成了一個(gè)連續(xù)的螺旋形坡面，故稱為 螺位錯(cuò)。螺位錯(cuò)。幾何特征：幾何特征：位錯(cuò)線與原子滑移方

50、向相平行；位錯(cuò)線周圍位錯(cuò)線與原子滑移方向相平行；位錯(cuò)線周圍原子的配置是螺旋狀的。原子的配置是螺旋狀的。分類分類：有左、右旋之分，分別以符號(hào)：有左、右旋之分，分別以符號(hào)“ ”和和“ ”表示。表示。螺旋位錯(cuò)形成示意圖螺旋位錯(cuò)形成示意圖（b）螺位錯(cuò)滑移面兩側(cè)晶面）螺位錯(cuò)滑移面兩側(cè)晶面上原子的滑移情況上原子的滑移情況（a）與螺位錯(cuò)垂直的）與螺位錯(cuò)垂直的晶面的形狀晶面的形狀螺型位錯(cuò)示意圖螺型位錯(cuò)示意圖混合位錯(cuò)形成示意圖混合位錯(cuò)形成示意圖（3 3）混合位錯(cuò)）混合位錯(cuò)：位錯(cuò)線與滑移方向既不垂直也不平行，這位錯(cuò)線與滑移方向既不垂直也不平行，這 樣的位錯(cuò)稱為混合位錯(cuò)。樣的位錯(cuò)稱為混合位錯(cuò)。（三）（三） 柏格斯矢

51、量（柏氏矢量）柏格斯矢量（柏氏矢量）柏格斯矢量：柏格斯矢量：晶體中有位錯(cuò)存在時(shí)，滑移面一側(cè)晶體中有位錯(cuò)存在時(shí)，滑移面一側(cè) 質(zhì)點(diǎn)相對(duì)于另一側(cè)質(zhì)點(diǎn)的相對(duì)位移質(zhì)點(diǎn)相對(duì)于另一側(cè)質(zhì)點(diǎn)的相對(duì)位移 或畸變。或畸變。性質(zhì)：大小表征了位錯(cuò)的單位滑移距離，方向與性質(zhì)：大小表征了位錯(cuò)的單位滑移距離，方向與 滑移方向一致?；品较蛞恢隆?1、確定柏格斯矢量的步驟、確定柏格斯矢量的步驟n（1）對(duì)于給定點(diǎn)的位錯(cuò)，人為規(guī)定位錯(cuò)）對(duì)于給定點(diǎn)的位錯(cuò)，人為規(guī)定位錯(cuò) 線的線的方向，如下圖所示。方向，如下圖所示。n（2） 用右手螺旋定則確定柏格斯回路方向。用右手螺旋定則確定柏格斯回路方向。n（3）按照?qǐng)D所示的規(guī)律走回路，最后封閉回）

52、按照?qǐng)D所示的規(guī)律走回路，最后封閉回路的矢量即要求的柏氏矢量路的矢量即要求的柏氏矢量。 柏格斯矢量是用所謂的柏格斯回路來(lái)確定的，柏格斯矢量是用所謂的柏格斯回路來(lái)確定的，是由弗蘭克是由弗蘭克(Frank)(Frank)于于19511951年首先提出的。在完整年首先提出的。在完整晶格【下圖晶格【下圖(a) (a) 】中，從】中，從A A點(diǎn)開始，向右位移點(diǎn)開始，向右位移4 4步布步布拉維晶格矢量拉維晶格矢量(Bravais lattice vectors)(Bravais lattice vectors)，然后，然后向下移向下移5 5步，再向左步，再向左4 4步，向上步，向上5 5步，剛好回到步，剛好回到A A點(diǎn)。點(diǎn)。 在含有刃位錯(cuò)的實(shí)際晶格下圖在含有刃位錯(cuò)的實(shí)際晶格下圖 (b)(b