基础科学金属的晶体结构范例.ppt

点阵结点上的原子热振动 ——起伏涨落 ——跳离其原来的位置 —— 点阵中形成空结点 —— 空位 空位的形成： 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。 （a） 肖脱基（Schottky）缺陷: 离位原子进入其它空位或迁移至晶界或表面（只形成空位而不形成等量的间隙原子。 （b）弗兰克尔（Frenkel）缺陷:离位原子进入晶体间隙（形成等量的间隙原子）。 对于空位来说：根据离开平衡位置原子的去处，又可以分为以下两种： Schottky 缺陷（空位缺陷） Frenkel 缺陷（空位-间隙缺陷） 注意 形成填隙原子时，原子挤入间隙位置所需要的能量比产生肖特基空位所需能量大，因此当温度不太高时，肖特基缺陷的数目要比弗仑克尔缺陷的数目大得多。 肖特基缺陷是最表面的原子位移到一个新的位置，晶体内不伴随填隙原子产生。因此产生肖特基缺陷时，伴随表面原子的增多，晶体的质量密度会有所减小。 空位的移动 有序合金中的错位 化学缺陷　 置换式 填隙式 晶体中的各种点缺陷： 1-大的置换原子； 2-肖脱基空位； 3-异类间隙原子； 4-复合空位； 5－弗兰克尔空位； 6-小的置换原子 空位和间隙原子作为缺陷，引起点阵对称性的破坏，必然造成其在附近一个区域内的弹性畸变；空位产生后，其周围原子间的相互作用力失去平衡，因而它们都要朝着空位中心作一定程度的松弛（调整），使空位周围出现弹性畸变区，使晶体内能升高；点缺陷形成与温度有关，随温度升高，空位和间隙原子的数量增多，所以也称为热缺陷。 2. 点缺陷的平衡浓度 点缺陷是热力学平衡缺陷: 在一定温度下总是存在一定数量的点缺陷，点缺陷的平衡数量与原子数的比值。 原因：点缺陷的存在一方面造成点阵畸变，使晶体的内能升高，降低热力学稳定性，另一方面增大了原子排列的混乱程度，并改变了其周围原子的振动频率，引起组态熵和振动熵的改变，使晶体熵值增大，增加了晶体的热力学稳定性。 这两个相互矛盾的因素使得晶体中的点缺陷在一定的温度下有一定的平衡浓度。 F=U－TS ΔF=n·EV-T·ΔS ΔS=ΔSC+n·ΔSf 恒温下，系统自由能： 设晶体中共有N个原子和n个空位，一个空位的形成能为EV： 熵包括排列熵和振动熵： 排列熵： 根据斯特令近似公式： 式中A=exp(ΔSf/k)，由振动熵决定，约为1～10。 上式表示的是空位平衡浓度和空位形成能以及温度之间的关系，由于间隙原子的形成能较大，在相同温度下，间隙原子浓度比空位浓度小的多，通常可以忽略不计，所以一般情况下，金属晶体的点缺陷主要是指空位。 令： 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 10-5.7 10-6.3 10-8.1 10-11 10-19 10-57 CV 1000K 900K 700K 500K 300K 100K T 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 － 23 J/K，计算：（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）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： 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。 3. 点缺陷对金属性能的影响 点缺陷主要影响金属的物理性能： 比体积：形成肖脱基空位时，原子迁移到晶体表面上的新位置，导致晶体体积增加，密度减小。 比热容：形成缺陷要向晶体提供附加能量，引起比热容增强。 电阻率：有缺陷的晶体中，晶格周期性被破坏，对电子产生强烈散射，导致晶体电阻率增加。 点缺陷对金属力学性能影响较小，它会与位错产生交互作用，阻碍位错运动而使晶体强化和脆化。空位对金属加工工艺有影响，比如表面热处理、均匀化退火、烧结等，显然这与高温的时候空位平衡浓度较高有关，增大了原子迁移概率、加快原子扩散速度等。 二、线缺陷——位错 位错（dislocation）：是一种线缺陷,它是晶体中某处一列或若干列原子发生了有规律错排现象；错排区是细长的管状畸