晶體中的點(diǎn)缺陷

晶體中的點(diǎn)缺陷第一頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期日緒論現(xiàn)象1.對(duì)簡單立方晶體進(jìn)行剪切強(qiáng)度的理論計(jì)算并與實(shí)際測量數(shù)據(jù)對(duì)比發(fā)現(xiàn)：理想晶體的強(qiáng)度比實(shí)際晶體高2~4個(gè)數(shù)量級(jí)比較一些金屬材料的理論屈服強(qiáng)度與實(shí)際屈服強(qiáng)度發(fā)現(xiàn)：相差2~3個(gè)數(shù)量級(jí)

這表明：實(shí)際晶體的結(jié)構(gòu)不同于理想晶體實(shí)際晶體的結(jié)構(gòu)為：理想晶體+晶體缺陷理想晶體：7大晶系，14種空間點(diǎn)陣的晶體第二頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期日第三頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期日晶體缺陷：點(diǎn)缺陷（零維缺陷）：空位與間隙原子線缺陷（一維缺陷）：位錯(cuò)面缺陷（二維缺陷）：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(jié)構(gòu)決定性能

第四頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期日現(xiàn)象3.鋼鐵材料淬火后硬度會(huì)明顯升高金屬材料有明顯的加工硬化現(xiàn)象這表明：在結(jié)構(gòu)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(diǎn)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、分布形式第五頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期日?晶體的結(jié)構(gòu)-缺陷-性能間有著密切關(guān)系?性能的改變可通過改變結(jié)構(gòu)及缺陷的狀態(tài)而實(shí)現(xiàn)本課程主要研究實(shí)際晶體結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系第六頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期日§1.1點(diǎn)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(dú)存在。

弗蘭克爾空位：空位與間隙原子共存。

第一章點(diǎn)缺陷金屬中空位的存在形式：單空位和空位群第七頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期日第八頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期日

（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(interstitialset)結(jié)構(gòu)

八面體個(gè)數(shù)

四面體個(gè)數(shù)最大間隙實(shí)際

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4八面體八面體第九頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期日注：晶體結(jié)構(gòu)符號(hào)：(structuresymbol)晶體結(jié)構(gòu)有兩種符號(hào)－硅酸鹽SAmBn型化合物D有機(jī)化合物

OAB2型化合物

C合金

LAB型化合物

B更復(fù)雜的化合物

E-K主要是純組元

A晶體類型符號(hào)晶體類型符號(hào)1.結(jié)構(gòu)符號(hào)—大寫英文字母＋一個(gè)數(shù)字第十頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期日2.pearson符號(hào)用一個(gè)小寫字母＋大字母表示，如c、F。

c－晶系第一個(gè)英文字母的字頭三斜：Triclinic<Anorthic>,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(diǎn)陣類型

P—簡單，C—底心，I—體心，

F—面心，R—棱方第十一頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期日3）間隙原子組態(tài)

●自間隙原子對(duì)分組態(tài)：連珠組態(tài)：●異間隙原子位于八面體間隙位置。對(duì)分組態(tài)連珠組態(tài)第十二頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期日二.離子晶體中的點(diǎn)缺陷離子晶體組成質(zhì)點(diǎn)是離子，故晶體內(nèi)點(diǎn)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(diǎn)缺陷1.F心--一個(gè)負(fù)離子空位俘獲一電子即形成F心（負(fù)離子獲得能量而釋放出電子，同時(shí)產(chǎn)生空位，而電子被附近的6個(gè)正離子共用，）。F心第十三頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期日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(fù)間隙離子。第十四頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期日

§1.2點(diǎn)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…….單個(gè)空位（間隙原子）的形成能K……..波爾茲曼常數(shù)1.38×10-23J/mol.KT………絕對(duì)溫度(℃)A…….

Sf_空位及間隙原子形成熵

推導(dǎo):①設(shè)在N個(gè)結(jié)點(diǎn)上形成n個(gè)空位（或間隙原子）②空位或間隙原子形成會(huì)引起系統(tǒng)自由能的改變第十五頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期日-體系內(nèi)能的改變-體系的熵值--配置熵(組態(tài)熵)--單個(gè)空位形成熵—n個(gè)空位在N個(gè)結(jié)點(diǎn)上分布的概率由stirling(斯特林)公式，當(dāng)x很大時(shí)，則：第十六頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期日在熱力學(xué)穩(wěn)定條件下：則：則：令則：第十七頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期日1.點(diǎn)缺陷是一種熱力學(xué)上穩(wěn)定地缺陷，一定溫度下對(duì)應(yīng)一定的平衡濃度。2.點(diǎn)缺陷是熱缺陷，T升高，平衡濃度增加。3.平衡點(diǎn)缺陷的濃度與點(diǎn)缺陷的形成能呈指數(shù)關(guān)系。

4.因?yàn)閡間隙u空位，所以在一定溫度下晶體中的空位濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于間隙原子的平衡濃度，故在晶體內(nèi)點(diǎn)缺陷主要是肖氏空位。討論：第十八頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期日二.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(gè)空位的結(jié)合能第十九頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期日一.自由電子能量的變化1.勢能的變化：點(diǎn)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(diǎn)缺陷的形成能弗米能:在絕對(duì)零度時(shí)，處于基態(tài)的費(fèi)米子系統(tǒng)的化學(xué)勢，或上述系統(tǒng)中處于基態(tài)的單個(gè)費(fèi)米子的最高能量。h—普朗克常數(shù)，m–粒子質(zhì)量，N—費(fèi)米子系統(tǒng)中的費(fèi)米子個(gè)數(shù)V--費(fèi)米子系統(tǒng)的體積第二十頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期日

在Tm附近,熱平衡空位和間隙原子最大濃度分布為10－4～10－8數(shù)量級(jí)。二.不同點(diǎn)缺陷的形成能對(duì)大多數(shù)簡單晶體,單空位形成能●●2.動(dòng)能的變化：第二十一頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期日—空位遷移能(擴(kuò)散激活能，獲得鞍點(diǎn)狀態(tài)原子的能量)

§1.4點(diǎn)缺陷的運(yùn)動(dòng)—空位遷移熵Z—空位周圍原子個(gè)數(shù)—空位周圍原子震動(dòng)頻率（一）空位的遷移空位及間隙原子遷移能-----原子擴(kuò)散激活能空位遷移的幾率:普通金屬的Em較?。痪哂忻芏呀Y(jié)構(gòu)的金屬Cu、Au、Ag的Em較大,共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)晶體Em較大。第二十二頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期日（二）間隙原子的遷移三種機(jī)構(gòu):

①直接換位—由A位置到B位置(a)圖②間接運(yùn)動(dòng)—A→B→C，A間隙到C(b)圖③對(duì)分間隙原子運(yùn)動(dòng)(兩原子均處于半間隙位置)如(c)圖。ABACB第二十三頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期日

§1.5空位對(duì)晶體的作用（熱平衡空位—點(diǎn)缺陷）一.點(diǎn)缺陷對(duì)晶體結(jié)構(gòu)的影響破壞點(diǎn)陣的周期排列；引起點(diǎn)陣的畸變；在熔點(diǎn)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(gè)原