第三章 材料的结构课件.ppt

第三章 晶体结构缺陷 引言：在介绍晶体结构时，为了说明晶体的周期性和方向性，把晶体处理为完全理想状态，实际上晶体中存在着偏离理想的结构，晶体缺陷就是指实际晶体中与理想的点阵结构发生偏差的区域。这些区域的存在，并不影响晶体结构的基本特性，仅是晶体中少数原子的排列特征发生了改变。 缺陷分类（1）点缺陷（零维缺陷）：空位、间隙原子、杂质等 （2）线缺陷（一维缺陷）：位错等 （3）面缺陷（二维缺陷）：晶界、表面、相界、层错 （4）体缺陷（三维缺陷）：沉淀相、孔洞、亚结构等 第三章 晶体结构缺陷 引言 3.1 点缺陷 3.2 位错的结构 3.3 位错的运动 3.4 位错的应力场 3.5 位错与晶体缺陷间的交互作用 3.6 位错的增殖、塞积与交割 3.7 实际晶体中的位错 3．1 点缺陷 晶体中的点缺陷除了包括空位、间隙原子、置换原子外，还包括由这些基本缺陷组成的三维方向上尺寸都很小的复杂缺陷。 3．1．1 点缺陷的类型 本节讨论的主要是空位和间隙原子。 空位的类型 原子作热振动，一定温度下原子热振动能量一定，呈统计分布，在瞬间一些能量大的原子克服周围原子对它的束缚，迁移至别处，形成空位。 空位形成引起点阵畸变，亦会割断键力，故空位形成需能量，空位形成能（ΔEV）为形成一个空位所需能量。 3．1．2 点缺陷的平衡浓度 热力学分析表明：在高于0K的任何温度下，晶体最稳定的状态是含有一定浓度点缺陷的状态。在某一温度下，晶体自由焓最低时随对应的点缺陷浓度为点缺陷的平衡浓度，用CV表示。 在一定温度下，晶体中有一定平衡数量的空位和间隙原子，其数量可近似算出。 设自由能F=U－TS U为内能，S为系统熵（包括振动熵Sf和排列熵SC） 空位的引入，一方面由于弹性畸变使晶体内能增加；另一方面又使晶体中混乱度增加，使熵增加。而熵的变化包括两部分： ① 空位改变它周围原子的振动引起振动熵Sf ； ② 空位在晶体点阵中的排列可有许多不同的几何组态，使排列熵SC增加。 设在温度T时，含有N个结点的晶体中形成n个空位，与无空位晶体相比 ΔF=n·ΔEV-T·ΔS ΔS=ΔSC+n·ΔSf n个空位引入，可能的原子排列方式 利用玻尔兹曼关系， 化简可得： 当N和n很大时，可用斯特令近似公式 将上式改写为 若已知EV和ΔSf，则可由上式计算出任一温度T下的浓度C. 由上式可得： 1）晶体中空位在热力学上是稳定的，一定温度T对应一平衡浓度C 2）C与T呈指数关系，温度升高，空位浓度增大 3）空位形成能EV大，空位浓度小 例如：已知铜中EV=1.7×10-19J，A取为1，则 例题 Cu晶体的空位形成能Ev为0.9ev/atom，或1.44×10－19 J/atom，材料常数A取作1，玻尔兹曼常数k＝1.38×10 － 23J/K，计算： 1）在500℃下，每立方米Cu中的空位数目。 2） 500℃下的平衡空位浓度。 解：首先确定1m3体积内Cu原子的总数（已知Cu的摩尔质量为MCu＝63.54g/mol， 500℃下Cu的密度ρCu＝8.96 ×106 g/m3 1）将N代入空位平衡浓度公式，计算空位数目nv 2）计算空位浓度 即在500℃时，每106个原子中才有1.4个空位。 空位在晶体中的分布是一个动态平衡，其不断地与周围原子交换位置，使空位移动所必需的能量，叫空位移动能Em。图3-5所示为空位移动 。   点缺陷运动的作用在于：由于空位和间隙原子不断的产生与复合，使得晶体中的原子不停地向别处作不规则地布朗运动，这就是晶体地自扩散，是固态相变、表面化学热处理、蠕变、烧结等过程地基础。 3．1．4 过饱和点缺陷 给定温度下，晶体中存在一平衡的点缺陷浓度，通过一些方法，晶体中的点缺陷浓度超过平衡浓度。 1）高温淬火把 空位保留到室温：加热后，使缺陷浓度较高，然后快速冷却，使点缺陷来不及复合过程。 2）辐照：高能粒子辐照晶体，形成数量相等的空位和间隙原子（原子不断离位而产生）。 3）塑性变形：位错滑移并交割后留下大量的点缺陷。 另外，点缺陷还会聚集成空位片，过多的空位片造成材料区域崩塌而破坏，形成孔洞。 3．1．5 点缺陷对晶体性质的影响 1．对电阻的影响 空位引起点阵畸变，使传导电子受到散射，产生附加电阻 2