第三章 晶体缺陷1综述.doc

第三章 晶体缺陷 第一节 点缺陷 引言 完整晶体：原子规则地存在于应在的位置上。 晶体结构缺陷：实际晶体中偏离理想结构的区域。 晶体缺陷分类： （按几何特征分） 1、点缺陷（零维缺陷） （Point defect） 在各个方向上尺寸都很小的缺陷。如：空位、间隙原子、溶质原子等。 2、线缺陷（一维缺陷）（Line defects） 在一个方向上尺寸较大，另两个方向上尺寸较小。如：位错。 3、面缺陷（二维缺陷）（Surface defects） 在两个方向上尺寸较大，在另一个方向上尺寸较小。如：晶体表面、晶界、相界、孪晶界等。 4、体缺陷（三维缺陷）（Body defects） 在任意方向上尺寸较大。如：沉淀相、空洞、气泡等 研究缺陷的产生、运动、交互作用及转化，具有重要的理论和实际意义。 点缺陷 一、晶体中点缺陷的结构及形成 二、点缺陷的平衡浓度 三、点缺陷的移动 四、点缺陷对金属性能的影响 1、点缺陷的形成 2、点缺陷的分类（离位原子的去处） 肖脱基(Schottky)缺陷——原子迁移到表面——仅形成空位 弗兰克(Franke)缺陷——原子迁移到间隙中—形成空位-间隙对 杂质或溶质原子——间隙式（小原子）或置换式（大原子） 迁移其它空位中，使空位发生移位，不增加空位数目。 3、点缺陷的弹性畸变和能量 点缺陷导致一定范围内的弹性畸变和能量增加 4、点缺陷与温度的关系 空位和间隙原子的形成与温度密切相关 随温度升高，点缺陷数目增加，称为热缺陷。 5、点缺陷的产生 原因：热运动 工艺：高温淬火、冷变形加工、高能粒子轰击也可产生点缺陷。(点缺陷并非都通过原子的热振动产生)。 辐照对于材料性能所引起的一些特殊效应 电离 蜕变 离位（金属中最主要的辐照效应） 二、点缺陷的平衡浓度 点缺陷形成对晶体的影响： (1)点阵畸变，晶体内能增加，晶体不稳定； (2)原子排列混乱程度增加，改变周围原子振动频率，晶体熵增加，晶体稳定。 由于存在这两个互为矛盾的因素，所以，晶体中的点缺陷在一定温度下有一定的平衡数目，这个平衡浓度可以借热力学求得 热力学平衡 当晶体中空位处于系统热力学平衡状态时，T 温度下系统的自由能 F为： F=U–TS 式中： U为内能； S为总熵，包括组态熵Sc和振动熵Sf 。 设由N个原子组成的晶体中，含有n个空位。形成一个空位所需要的能量为△Ev，则n个空位使内能增加为△U=n△Ev。 n个空位将引起的总熵变为 △S=n△Sf+ △Sc。 自由能变化： △F= n△Ev－T(n△Sf+ △Sc) 根据统计热力学，组态熵可以表示为：  Sc＝klnW 式中： k为玻尔滋曼常数（＝1.38×10－23J/K）； W为微观状态的数目，即晶体中存在n个空位时可能出现的不同排列方式数目： 晶体的组态熵的增值为： 利用x1时的斯特令(Stirling)近似式lnx!≈xlnx－x，上式可以简化为： △Sc＝k[(N+n)ln(N+n)-N lnN -n lnn] 带入自由能式，则： △F=n(△Ev－T△Sf )-kT [(N+n)ln(N+n)-NlnN-nlnn] 由于T温度平衡条件下的自由能极小（ne处出现极小值，代表平衡态，即空位平衡浓度），上式对n求一次偏导，令其等于零： 空位在T温度的平衡浓度为： 式中： ，是由振动熵决定的系数，一般在1～10之间。 间隙原子平衡浓度为： 式中：N’ ：间隙位置总数；n’ ：间隙原子数；△Ev’ ：间隙原子形成能； △Sf’ ：间隙原子引起的振动熵变。 推论： （1）晶体中的空位是热力学上的稳定缺陷，对应于一定温度，有一定的空位平衡浓度，过高或过低均不稳定。 （2）空位浓度与温度之间呈指数关系，随温度的升高，空位浓度急剧增大。 （3）空位形成能越大，空位浓度越小。 三、点缺陷的移动 点缺陷在热激活的帮助下，不断地作无规则的运动。 (1) 空位运动。 (2) 间隙原子迁移。 (3) 空位和间隙原子相遇，两缺陷同时消失。 (4) 逸出晶体到表面，或移到晶界，点缺陷消失。 金属晶体的自扩散过程中，原子通过其点阵空位而实现的跃迁，相当于空位的迁移。 空位迁移过程示意图： 四、点缺陷对金属性能的影响 1、扩散：空位对扩散中原子迁移起了很大作用。 2、电阻：点缺陷所引起的点阵畸变，会使晶体内运动的电子发生散射，使电阻增大。 3、密度：空位浓度增加，密度下降，晶体的体积增加。 4、机械性能：点缺陷以及过饱和空位和位错交互作用使金属强化。 过饱和空位 过饱和空位： 温度升高，空位平衡浓度增大 激冷，空位来不及扩