晶體中的點缺陷

1、晶體中的點缺陷第1頁，共25頁，2022年，5月20日，18點15分，星期三 緒 論現(xiàn)象1. 對簡單立方晶體進行剪切強度的理論計算并與實際測量數(shù)據(jù)對比發(fā)現(xiàn)：理想晶體的強度比實際晶體高24個數(shù)量級 比較一些金屬材料的理論屈服強度與實際屈服強度發(fā)現(xiàn)：相差23個數(shù)量級 這表明：實際晶體的結構不同于理想晶體 實際晶體的結構為：理想晶體+晶體缺陷 理想晶體：7大晶系，14種空間點陣的晶體 第2頁，共25頁，2022年，5月20日，18點15分，星期三第3頁，共25頁，2022年，5月20日，18點15分，星期三 晶體缺陷： 點缺陷（零維缺陷）：空位與間隙原子 線缺陷（一維缺陷）：位錯 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：材料的結構決定性能 第4頁，共25頁，2022年，5月20日，18點15分，星期三現(xiàn)象3. 鋼鐵材料淬火后硬度會明顯升高 金屬材料有明顯的加工硬化現(xiàn)象這表明：在結構相同的前提下，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，共25頁，2022年，5月20日，18點15分，星期三 晶體的結構-缺陷-性能間有著密切關系 性能的改變可通過改變結構及缺陷的狀 態(tài)而實現(xiàn)本課程主要研究實際晶體結構與性能的關系第6頁，共

3、25頁，2022年，5月20日，18點15分，星期三 1.1 點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：空位在晶體中單獨存在。 弗蘭克爾空位：空位與間隙原子共存。 第一章 點缺陷 金屬中空位的存在形式：單空位和空位群第7頁，共25頁，2022年，5月20日，18點15分，星期三第8頁，共25頁，2022年，5月20日，18點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）（外來的雜質(zhì)原子）2.間隙位置(interstitial set) 結構 八面體個數(shù) 四面體個數(shù)最大間隙 實際

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，共25頁，2022年，5月20日，18點15分，星期三注：晶體結構符號：(structure symbol) 晶體結構有兩種符號 硅酸鹽 SAmBn型化合物 D 有機化合物 O AB2型化合物 C 合金 L AB型化合物 B 更復雜的化合物 E-K 主要是純組元 A 晶體類型 符號 晶體類型 符號1.結構符號大寫英文字母一個數(shù)字第10頁，共25頁，2022年，5月20日，18點15分，星期三2.pearson符號用一個小寫字母大字母表示

5、，如c 、F。 c晶系第一個英文字母的字頭 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 表示布拉非點陣類型 P簡單，C底心，I體心， F面心， R棱方 第11頁，共25頁，2022年，5月20日，18點15分，星期三3）間隙原子組態(tài) 自間隙原子 對分組態(tài)： 連珠組態(tài)： 異間隙原子位于八面體間隙位置。對分組態(tài)連珠組態(tài)第12頁，共25頁，2022年，5月20日，18點15分，星期三二. 離子晶體中的點缺陷 離子晶體組成質(zhì)點是離

6、子，故晶體內(nèi)點缺陷 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)的點缺陷 1. F心-一個負離子空位俘獲一電子即形成F心 （負離子獲得能量而釋放出電子，同 時產(chǎn)生空位，而電子被附近的6個正離 子共用， ）。F心第13頁，共25頁，2022年，5月20日，18點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間隙離子。第14頁，共25頁，2022年，5月20日，18點15分，星期三 1.2 點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絕對溫度() A. Sf _空位及間隙原子形成熵 推導: 設在N個結點上形成n個空位（或間隙原子） 空位或間隙原子形成會引起系統(tǒng)自由能的改變第15頁，共25頁，2022年，5月20日，18點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)-單個空位形成熵 n個空位在N個結點上分布的概率由stirling(斯特林)公式，當x很大時，則：第16頁，共25頁，2022年，5月20日，18點15分，星期三在熱力學穩(wěn)定條件下：則：則：令則：第17頁，共25頁，2022年，5月20日，18點15分，星期三1.點缺陷

8、是一種熱力學上穩(wěn)定地缺陷，一定溫度下對 應一定的平衡濃度。2.點缺陷是熱缺陷，T升高，平衡濃度增加。3.平衡點缺陷的濃度與點缺陷的形成能呈指數(shù)關系。 4.因為u間隙 u空位，所以在一定溫度下晶體中的空位濃度遠遠大于間隙原子的平衡濃度，故在晶體內(nèi)點缺陷主要是肖氏空位。討論：第18頁，共25頁，2022年，5月20日，18點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個空位的結合能第19頁，共25頁，2022年，5月20日，18點15分，星期三一.自由電子能量的變化 1.勢能的變化：點缺陷的形成能包括：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 點缺陷的形成能弗米能:在絕對零度時，處于基態(tài)的費米子系統(tǒng)的化學勢， 或上述系統(tǒng)中處于基態(tài)的單個費米子的最高能量。 h普朗克常數(shù) ，m 粒子質(zhì)量，N費米子系統(tǒng)中的費米子個數(shù)V-費米子系統(tǒng)的體積第20頁，共25頁，2022年，5月20日，18點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。二.不同點缺陷的形成能對大多數(shù)簡單晶體,單空位形成能2.動能的變化：第21頁，共25頁，2022年，5月20日，18點15分，星期三空位遷移能(擴散激活能，獲得鞍點狀 態(tài)原子的能量 ) 1.4 點

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