材料科学基础课件第一章晶体缺陷.ppt

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1、材料科学基础Ⅱ非理想晶体结构与性能之间的关系金属物理篇实际晶体中常存在各种偏离理想结构的区域，即晶体缺陷。晶体缺陷对晶体的性质起着重要作用。存在于晶体结构中的缺陷，按几何特征可分为：第一章晶体缺陷零维—点缺陷空位、间隙原子、置换原子、复杂离子一维—线缺陷各类位错二维—面缺陷各类晶界，表面及层错等三维—体缺陷第二相粒子、空位团等1.1点缺陷一、点缺陷的形式与分类金属晶体中，点缺陷的存在形式有：空位、间隙原子，置换原子。半金属Si、Ge中掺入三价和五价杂质元素，晶体中产生载流子，得到P型（空穴）和N型（电子）半导体材料。离子晶体中，单一点缺陷的出现，晶体将失去电平衡。为了保持电中性，将以复合点缺陷

2、形式出现，形成能较高。Frank复合型空位＋间隙离子Shockley复合型一对带电空位FrankShockleyNaCl晶体Ca+2取代Na+Ca+2Na+Cl-空位按形成原因分为三类：热缺陷由原子的热振动，形变加工，高能粒子轰击等，此类点缺陷浓度受热力学控制，平衡浓度与温度有关。Cv＝f（T）杂质缺陷如掺杂、氧化或其他原因引入的外来原子或分子。非化学计量离子晶体的陶瓷、金属间化合物，通常以化合物为基形成固溶体。成分在分子式AxBy左右变化，此类点缺陷称为非化学计量点缺陷。电子陶瓷中的这类点缺陷浓度，会随周围环境发生变化，是制造检测元件（传感器）的基础。例：SnO2在缺氧气氛中，将放出氧（O2

3、↑）电学性能变化，据此原理可测量周围气氛氧含量。带负电荷的点缺陷带正电荷的氧空位性能指标：灵敏度响应时间线性度二、点缺陷的平衡浓度与线缺陷、面缺陷不同，点缺陷在热力学上是稳定的，其平衡浓度随温度升高而增加。设晶体中原子的正常位置数N，空位数目为n；形成一个空位所需的能量为Ev；n个空位的组态熵为Sc；振动熵为nSv；则体系自由能改变：ΔG=nEv－T(nSv+Sc)Cv＝f（T）其中组态熵：ΔG=nEv－T(nSv+Sc)nΔG0平衡时：其中ΔGv—空位形成能★结论：T℃↗、ΔGv↘Cv↗说明：其它点缺陷也有类似的表达式，不同的只是形成能的高低、浓度大小不同而以。同类间隙原子形成能太大，平衡浓

4、度很低，可以忽略。异类原子中，只有小半径的H、O、N、C、B以间隙式存在。其它原子因半径大,以置换式存在于晶格中,形成能较小。各种点缺陷的存在形式复合点缺陷的形成能一般较高，浓度较低。—各点缺陷单元形成能之和例：Frank缺陷形成能由空位形成能与间隙缺陷形成能之和。注：P202.（5-26）式错误=D-==)2exp(kTGNnCff1.2线缺陷—位错←ττ→滑移面一、位错理论的提出早期认为晶体在切应力作用下，原子沿滑移面同步刚性地平移，滑移面上下两部分晶体相对错动。按此模型推算，晶体开始滑移所必须的力：切应变：切应力：∵G=104～105N/mm2∴τm=103～104N/mm2而τ实=10

5、0N/mm2按经典模型严密推导，也比实测值高出103～104倍。←ττ→临界点a晶体的理论切应力与实验值的比较（单位：N/mm2）金 属理论切应力实验值切变模量Al38300.78624400Ag39800.37225000Cu64800.49040700α-Fe110002.7568950Mg26300.39316400启示与设想：实际晶体结构是非理想完整的，存在偏离正常排列的原子结构—某种缺陷，并能在较小的应力下运动。实际晶体的滑移是非同步刚性的，滑移首先从缺陷处开始，滑移的继续靠缺陷的逐步传递而实现。这种特殊的原子排列组态称为位错。二、位错模型1、刃型位错刃型位错形成过程刃型位错原子结构

6、ABCD—滑移面—多余半原子面—已滑移区—未滑移区⊥τ→bEF滑移面←τDABC滑移矢量⊥位错核心区域的原子排列晶体中由已滑移区与未滑移区的交界处，原子严重错排而造成的晶体缺陷称为位错。E-F线称为位错线。由于它像刀刃，所以称为刃型位错。正、负刃位错分别用“⊥”、“”表示。核心区域FE⊥⊥特点:位错线垂直于滑移矢量b，位错线与滑移矢量构成的面称为滑移面。刃型位错周围的晶体产生畸变，使位错线周围产生弹性应变，造成应力场。在位错线周围的畸变区原子有较高的能量，该区只有几个原子宽，所以该区称线缺陷。2、螺位错单晶受切应力τ作用，上下两部分晶体沿滑移面发生了部分滑移。滑移区与未滑移区交线为EF，EF线

7、周围的原子失去了正常排列。它们围绕着EF构成了一个以EF为轴的螺旋面，这种晶体缺陷称为螺位错。τ螺型位错模型上层原子下层原子EFABCDτbEFτDABC按旋进方向，螺位错分左旋与右旋两类。表示方法:结构特点：①螺位错线与滑移矢量平行，因此由位错线与滑移矢量构成的滑移面不是唯一的。②螺位错不引起体积膨胀和收缩，但产生剪切畸变，从而在位错线附近产生应力场。③螺位错是包含几个原子宽度的线缺陷。右螺左螺