《晶体缺陷》课件

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1、晶体中的界面位错的基本概念位错的能量与交互作用点缺陷概述第3章晶体缺陷引言：在介绍晶体结构时，为了说明晶体的周期性和方向性，把晶体处理为完全理想状态，实际上晶体中存在着偏离理想的结构，晶体缺陷就是指实际晶体中与理想的点阵结构发生偏差的区域。这些区域的存在，并不影响晶体结构的基本特性，仅是晶体中少数原子的排列特征发生了改变。缺陷分类（1）点缺陷（零维缺陷）：空位、间隙原子、杂质等（2）线缺陷（一维缺陷）：位错等（3）面缺陷（二维缺陷）：晶界、表面、相界、层错（4）体缺陷（三维缺陷）：沉淀相、孔洞、亚结构等概述晶体缺陷点缺陷线缺陷:位错面缺陷空位间隙原子与杂质原

2、子刃型:螺型:混合型:界面表面堆垛层错晶界亚晶界孪晶界相界3．1．1点缺陷的类型4图3.1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3．1点缺陷晶格正常结点位置出现空位后，其周围原子由于失去了一个近邻原子而使相互间的作用力失去平衡，因此它们会朝空位方向作一定程度的弛豫，并使空位周围出现一个波及一定范围的弹性畸变区。空位形成除引起点阵畸变外，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。6图3.2空位的移动原子作热振动，一定温度下原子热振动能量一定，呈统计

3、分布，在瞬间一些能量大的原子克服周围原子对它的束缚，迁移至别处，形成空位。3．1．2点缺陷的平衡浓度热力学分析表明：在高于0K的任何温度下，晶体最稳定的状态是含有一定浓度点缺陷的状态。在某一温度下，晶体自由焓最低时对应的点缺陷浓度为点缺陷的平衡浓度，用CV表示。在一定温度下，晶体中有一定平衡数量的空位和间隙原子，其数量可近似算出。设自由能F=U－TSU为内能，S为系统熵（包括振动熵Sf和排列熵SC）空位的引入，一方面由于弹性畸变使晶体内能增加；另一方面又使晶体中混乱度增加，使熵增加。而熵的变化包括两部分：①空位改变它周围原子的振动引起振动熵Sf；②空位在晶体

4、点阵中的排列可有许多不同的几何组态，使排列熵SC增加。设在温度T时，含有N个结点的晶体中形成n个空位，与无空位晶体相比ΔF=n·ΔEV-T·ΔSΔS=ΔSC+n·ΔSfn个空位引入，可能的原子排列方式利用玻尔兹曼关系，化简可得：当N和n很大时，可用斯特令近似公式将上式改写为平衡时，自由能最小，即而已知令：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。若已知EV

5、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C2）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=1.44×10-19J/atom，A取为1，则T100K300K500K700K900K1000KCV10-5710-1910-1110-8.110-6.310-5.7例题Cu晶体的空位形成能Ev为0.9ev/atom，或1.44×10－19J/atom，材料常数A取作1，玻尔兹曼常数k＝1.38×10－23J/K，计算：1）在500℃下，每立方

6、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（已知Cu的摩尔质量为MCu＝63.54g/mol，500℃下Cu的密度ρCu＝8.96×106g/m31）将N代入空位平衡浓度公式，计算空位数目nv2）计算空位浓度即在500℃时，每106个原子中才有1.4个空位。空位在晶体中的分布是一个动态平衡，其不断地与周围原子交换位置，使空位移动所必需的能量，叫空位移动能Em。图3-3所示为空位移动。14图3.3空位的移动3．1．3点缺陷的运动和作用在点缺陷运动中，当间隙原子与一个空位相遇时，将落入该空位，使两者都消失，称为复合。

7、点缺陷运动的作用在于：由于空位和间隙原子不断的产生与复合，使得晶体中的原子不停地向别处作不规则地布朗运动，这就是晶体的自扩散，是固态相变、表面化学热处理、蠕变、烧结等过程的基础。3．1．4过饱和点缺陷给定温度下，晶体中存在一平衡的点缺陷浓度，通过一些方法，晶体中的点缺陷浓度超过平衡浓度。1）高温淬火把空位保留到室温：加热后，使缺陷浓度较高，然后快速冷却，使点缺陷来不及复合过程。2）辐照：高能粒子辐照晶体，形成数量相等的空位和间隙原子（原子不断离位而产生）。3）塑性变形：位错滑移并交割后留下大量的点缺陷。另外，点缺陷还会聚集成空位片，过多的空位片造成材料区域崩

8、塌而破坏，形成孔洞。3．1．5点缺陷对晶体性质的影响