晶體中的點(diǎn)缺陷

1、晶體中的點(diǎn)缺陷第1頁(yè)，共25頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)15分，星期三 緒 論現(xiàn)象1. 對(duì)簡(jiǎn)單立方晶體進(jìn)行剪切強(qiáng)度的理論計(jì)算并與實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)比發(fā)現(xiàn)：理想晶體的強(qiáng)度比實(shí)際晶體高24個(gè)數(shù)量級(jí) 比較一些金屬材料的理論屈服強(qiáng)度與實(shí)際屈服強(qiáng)度發(fā)現(xiàn)：相差23個(gè)數(shù)量級(jí) 這表明：實(shí)際晶體的結(jié)構(gòu)不同于理想晶體 實(shí)際晶體的結(jié)構(gòu)為：理想晶體+晶體缺陷 理想晶體：7大晶系，14種空間點(diǎn)陣的晶體 第2頁(yè)，共25頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)15分，星期三第3頁(yè)，共25頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)15分，星期三 晶體缺陷： 點(diǎn)缺陷（零維缺陷）：空位與間隙原子 線缺陷（一維缺陷）：位錯(cuò) 面缺陷（二維缺陷）

2、：晶界、相界 現(xiàn)象2. 陶瓷材料塑性較金屬差 ，脆性大 金屬材料中，不同材料性能不同 這表明：材料的結(jié)構(gòu)決定性能 第4頁(yè)，共25頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)15分，星期三現(xiàn)象3. 鋼鐵材料淬火后硬度會(huì)明顯升高 金屬材料有明顯的加工硬化現(xiàn)象這表明：在結(jié)構(gòu)相同的前提下，晶體缺陷的狀態(tài)決定 材料的性能 缺陷的狀態(tài)（類型及分布）： 點(diǎn)缺陷的類型 類型 線缺陷的類型 面缺陷的類型 分布狀態(tài) ：多少、分布形式第5頁(yè)，共25頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)15分，星期三 晶體的結(jié)構(gòu)-缺陷-性能間有著密切關(guān)系 性能的改變可通過(guò)改變結(jié)構(gòu)及缺陷的狀 態(tài)而實(shí)現(xiàn)本課程主要研究實(shí)際晶體結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系第6頁(yè)，共

3、25頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)15分，星期三 1.1 點(diǎn)缺陷的類型空位和間隙原子一.原子晶體 （一）空位（vacancy)：1.類型 ：肖脫基空位：空位在晶體中單獨(dú)存在。 弗蘭克爾空位：空位與間隙原子共存。 第一章 點(diǎn)缺陷 金屬中空位的存在形式：?jiǎn)慰瘴缓涂瘴蝗旱?頁(yè)，共25頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)15分，星期三第8頁(yè)，共25頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)15分，星期三 （二）間隙原子（interstitial)1.類型 自間隙原子 異類原子（晶體本身固有的原子）（外來(lái)的雜質(zhì)原子）2.間隙位置(interstitial set) 結(jié)構(gòu) 八面體個(gè)數(shù) 四面體個(gè)數(shù)最大間隙 實(shí)際

4、A1 及等 同處 4 及等 同處 8八面體 八面體 A2 及等 同處 6 及等 同處 12四面體八面體 A3 及等 同處 2 及等 同處 4八面體八面體第9頁(yè)，共25頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)15分，星期三注：晶體結(jié)構(gòu)符號(hào)：(structure symbol) 晶體結(jié)構(gòu)有兩種符號(hào) 硅酸鹽 SAmBn型化合物 D 有機(jī)化合物 O AB2型化合物 C 合金 L AB型化合物 B 更復(fù)雜的化合物 E-K 主要是純組元 A 晶體類型 符號(hào) 晶體類型 符號(hào)1.結(jié)構(gòu)符號(hào)大寫英文字母一個(gè)數(shù)字第10頁(yè)，共25頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)15分，星期三2.pearson符號(hào)用一個(gè)小寫字母大字母表示

5、，如c 、F。 c晶系第一個(gè)英文字母的字頭 三斜：Triclinic , 單斜：Monoclinc， 正交（斜方）：Orthogonal， 四方（正方）：Tetragonal， 立方：Cubic， 六方：Hexagonal， 菱形：Rhombohedral）F 表示布拉非點(diǎn)陣類型 P簡(jiǎn)單，C底心，I體心， F面心， R棱方 第11頁(yè)，共25頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)15分，星期三3）間隙原子組態(tài) 自間隙原子 對(duì)分組態(tài)： 連珠組態(tài)： 異間隙原子位于八面體間隙位置。對(duì)分組態(tài)連珠組態(tài)第12頁(yè)，共25頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)15分，星期三二. 離子晶體中的點(diǎn)缺陷 離子晶體組成質(zhì)點(diǎn)是離

6、子，故晶體內(nèi)點(diǎn)缺陷 的存在受到晶體內(nèi)必須保持電中性的約束。 （一）離子晶體內(nèi)的點(diǎn)缺陷 1. F心-一個(gè)負(fù)離子空位俘獲一電子即形成F心 （負(fù)離子獲得能量而釋放出電子，同 時(shí)產(chǎn)生空位，而電子被附近的6個(gè)正離 子共用， ）。F心第13頁(yè)，共25頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)15分，星期三2.V心晶體中的正離子空位，浮獲帶正電 荷的空穴（正離子失去正電荷跑掉，留 下帶正電荷的空穴）。V心H心3.H心浮獲一帶正電荷空穴的負(fù)間隙離子。第14頁(yè)，共25頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)15分，星期三 1.2 點(diǎn)缺陷的熱平衡濃度一.單位空位濃度 C= 空位數(shù)(n)與原子總數(shù)(N)之比（體濃度）. uf.

7、單個(gè)空位（間隙原子）的形成能K.波爾茲曼常數(shù) 1.3810-23J/mol.KT絕對(duì)溫度() A. Sf _空位及間隙原子形成熵 推導(dǎo): 設(shè)在N個(gè)結(jié)點(diǎn)上形成n個(gè)空位（或間隙原子） 空位或間隙原子形成會(huì)引起系統(tǒng)自由能的改變第15頁(yè)，共25頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)15分，星期三-體系內(nèi)能的改變-體系的熵值-配置熵(組態(tài)熵)-單個(gè)空位形成熵 n個(gè)空位在N個(gè)結(jié)點(diǎn)上分布的概率由stirling(斯特林)公式，當(dāng)x很大時(shí)，則：第16頁(yè)，共25頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)15分，星期三在熱力學(xué)穩(wěn)定條件下：則：則：令則：第17頁(yè)，共25頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)15分，星期三1.點(diǎn)缺陷

8、是一種熱力學(xué)上穩(wěn)定地缺陷，一定溫度下對(duì) 應(yīng)一定的平衡濃度。2.點(diǎn)缺陷是熱缺陷，T升高，平衡濃度增加。3.平衡點(diǎn)缺陷的濃度與點(diǎn)缺陷的形成能呈指數(shù)關(guān)系。 4.因?yàn)閡間隙 u空位，所以在一定溫度下晶體中的空位濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于間隙原子的平衡濃度，故在晶體內(nèi)點(diǎn)缺陷主要是肖氏空位。討論：第18頁(yè)，共25頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)15分，星期三二.雙空位濃度Z 空位的配位數(shù)C雙/ C單空位濃度之比隨T而 雙空位的形成能 2個(gè)空位的結(jié)合能第19頁(yè)，共25頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)15分，星期三一.自由電子能量的變化 1.勢(shì)能的變化：點(diǎn)缺陷的形成能包括：自由電子能量的變化 畸變能的變化 空位的形成能

9、中，電子能量是主要的； 間隙原子形成能中，畸變能是主要的 系統(tǒng)的弗米能 1.3 點(diǎn)缺陷的形成能弗米能:在絕對(duì)零度時(shí)，處于基態(tài)的費(fèi)米子系統(tǒng)的化學(xué)勢(shì)， 或上述系統(tǒng)中處于基態(tài)的單個(gè)費(fèi)米子的最高能量。 h普朗克常數(shù) ，m 粒子質(zhì)量，N費(fèi)米子系統(tǒng)中的費(fèi)米子個(gè)數(shù)V-費(fèi)米子系統(tǒng)的體積第20頁(yè)，共25頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)15分，星期三 在Tm附近,熱平衡空位和間隙原子最大濃度分布為 104108數(shù)量級(jí)。二.不同點(diǎn)缺陷的形成能對(duì)大多數(shù)簡(jiǎn)單晶體,單空位形成能2.動(dòng)能的變化：第21頁(yè)，共25頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)15分，星期三空位遷移能(擴(kuò)散激活能，獲得鞍點(diǎn)狀 態(tài)原子的能量 ) 1.4 點(diǎn)

10、缺陷的運(yùn)動(dòng)空位遷移熵Z 空位周圍原子個(gè)數(shù) 空位周圍原子震動(dòng)頻率（一）空位的遷移 空位及間隙原子遷移能-原子擴(kuò)散激活能 空位遷移的幾率:普通金屬的Em較??；具有密堆結(jié)構(gòu)的金屬Cu、Au、Ag的Em較大,共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)晶體Em較大。第22頁(yè)，共25頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)15分，星期三（二）間隙原子的遷移 三種機(jī)構(gòu): 直接換位由A位置到B位置 (a)圖 間接運(yùn)動(dòng)ABC ，A間隙到C (b)圖 對(duì)分間隙原子運(yùn)動(dòng)(兩原子均處于半間隙位置) 如(c)圖。ABACB第23頁(yè)，共25頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)15分，星期三 1.5 空位對(duì)晶體的作用（熱平衡空位點(diǎn)缺陷）一.點(diǎn)缺陷對(duì)晶體結(jié)構(gòu)的影響破壞點(diǎn)陣的周期排列；引起點(diǎn)陣的畸變；在熔點(diǎn)附近形成松弛群(類似局部熔化的非晶區(qū))；使晶體增加半個(gè)原子的體積膨脹。二.熱平衡點(diǎn)缺陷對(duì)晶體物理性能的影響 空位將使晶