5.1简介5.2金属中的点缺陷5.3陶瓷中的点缺陷5.4固体中的.ppt

5.1 簡介 5.2 金屬中的點缺陷　 5.3 陶瓷中的點缺陷　 5.4 固體中的雜質 5.5 高分子中的點缺陷 5.6 成分表示法 學習目標 描述空位與自格隙兩種晶體缺陷。 在給定相關常數的情況，計算某指定溫度下一材料內部之平衡空位數目。 說出兩種型態的固溶體名稱，且對兩者各提供一簡短定義和／或概略圖示。 說出名稱並描述被發現存在於陶瓷材料中之八種不同的離子點缺陷。 在給定金屬合金中兩種或更多元素之質量和原子量的情況下，計算每一種元素的重量百分比和原子百分比。 針對刃差排、螺旋差排和混合差排的每一種： (a)描述並畫出該差排； (b)標註差排線的位置；且 (c)指出差排線擴展所因循的方向。 描述在 (a)晶界和 (b)雙晶界附近的原子結構。 5.1 簡介 理想化的固體並不存在，所有的固體都含有大量之各式各樣缺陷或瑕疵（imperfection）。 「結晶性的缺陷」意指晶格具有一個原子直徑等級之一維或更多維的不規則性。結晶性缺陷的分類通常是根據缺陷的幾何形狀或維數而定。 5.2 金屬中的點缺陷 最簡單的點缺陷為空位（vacancy）或空的晶格位置，即在原本應該填入原子的位置上遺失一個原子（圖 5.1）。所有結晶性固體皆含有空位，且事實上不可能創造一種完全沒有這些缺陷的固體。 在這個表示式中，N是原子位置的總數，Qv是形成一個空位所需的能量，T為以 K為單位之絕對溫度，且 k是氣體或波茲曼常數，為1.38×10-23J/原子或8.62×10-5eV/原子。 圖5.1 5.4 固體中的雜質 金屬中的雜質 Impurities in Metals 僅由一種原子所組成之純金屬是不可能存在的。 大部分熟悉的金屬都不是高純度的，而是合金（alloy），雜質原子被刻意摻入其中以給予材料某些特性。 添加雜質原子到金屬中將導致固溶體（solid solution）和∕或新的第二相（second phase）形成，此固溶體將依雜質的種類、濃度及合金的溫度而定。 固溶體 Solid Solutions 當溶質原子被添加至母材中，母材晶體結構維持不變且無新結構形成時，一個固溶體便形成了。 固溶體中可以發現雜質點缺陷，有兩種形式： 置換式（substitutional） 插入式（interstitial）。 5.6 成分表示法 以合金的組成元素來表示其成分（composition）或濃度。兩種最常用來載明成分的方法是重量（或質量）百分比和原子百分比。 重量百分比（weight percent；wt%）為某特定元素之重量相對於總合金重量的百分比。 原子百分比（atom percent；at%）計算的基礎是一種元素之莫耳數相對於合金中元素總莫耳數之比。 5.7 差排－線缺陷 差排是一維之晶體缺陷，其存在兩種純的形式：刃差排（edge dislocation）和螺旋差排（screw dislocation）。一個刃差排可以視為沿著一個額外原子半平面末端的晶格扭曲；螺旋差排則為螺旋狀平面斜坡。對混合差排而言，純刃差排和純螺旋差排兩種分量均可被發現。 伴隨差排之晶格扭曲的大小與方向可以利用其柏格向量來說明。柏格向量（Burgers vector）和差排線（dislocation line）的相對方位為 (1)垂直的，對刃差排而言； (2)平行的，對螺旋差排而言； (3)既不平行也不垂直，對混合差排而言。 5.8 界面缺陷 界面缺陷為二維，且通常會分隔具有不同晶體結構和／或結晶方向材料區域的邊界。 這些瑕疵包括外表面、晶界、雙晶界、疊差和相界。 雙晶可以經由機械剪力造成原子移動而形成，稱為機械雙晶，常被發現存在於BCC與HCP的晶體結構中。 雙晶亦可以經由加工後的熱處理過程形成，稱為退火雙晶，常被發現存在於FCC的晶體結構中。 疊差發現於FCC晶體結構最密堆積平面的堆積順序產生中斷或錯誤時，請參閱習題5.19題。 體缺陷則包括孔洞、裂縫、及夾雜物等等。 5.11 微觀檢視一般原理 某些結構元素具巨觀（ macroscopic）的尺寸；即其大到用肉眼就可觀察。而大部分材料的組成晶粒具有微觀尺寸，直徑大約在微米 6等級，細部必須利用某些形式的顯微鏡才能觀察到。晶粒尺寸和形狀只是稱為微結構（microstructure）者當中的兩個特徵。 光學、電子和掃描式探針顯微鏡普遍地使用於顯微鏡術（microscopy）。 5.13 晶粒尺寸之決定 多晶材料的晶粒尺寸（grain size）經常利用光顯微照相的技術來決定。兩種方法被普遍地使用：交截法和標準比較圖表。 指定晶粒尺寸號碼予各種圖表的支持理論為如下。令 n 表示晶粒尺寸號碼，而 N 為放大 100 倍下每平方英寸所含之晶粒數目平均值。 例題5.6 放