晶体缺陷-贵大09级

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1、第二章晶体缺陷材料的实际晶体结构点缺陷位错面缺陷2.1材料的实际晶体结构一、多晶体结构一块晶体材料，其内部的晶体位向完全一致时，即整个材料是一个晶体，这块晶体就称之为“单晶体”，实用材料中如半导体集成电路用的单晶硅、专门制造的晶须和其他一些供研究用的材料。单晶体:多晶体:由许多小晶体组成，每个小晶体的内部，晶格位向是均匀一致的，而各个小晶体之间，彼此的位向却不相同。这种由多个小晶体组成的晶体结构称之为“多晶体”。实际应用的绝大多数工程材料都是多晶体。晶粒：构成多晶体材料的每个小晶体，其外形多为不规则的颗粒

2、状。晶界：晶粒与晶粒之间的分界面叫“晶粒间界”，简称“晶界”。为了适应两晶粒间不同晶格位向的过渡，在晶界处的原子排列总是不规则的。二、多晶体的组织与性能伪各向同性：多晶体材料中，每个晶粒内部象单晶体一样呈现各向异性，但由于每个晶粒在空间取向是随机分布，大量晶粒的综合作用，使整个材料宏观上不出现各向异性的现象。组织：性能：组织敏感的性能，如强度。组织不敏感的性能，如弹性模量。三、晶体中的缺陷概论晶体缺陷：在每个晶粒的内部，并不完全象晶体学中论述的(理想晶体)那样，原子完全呈现周期性的规则重复的排列。把实际晶

3、体中原子排列与理想晶体的差别称为晶体缺陷。晶体中的缺陷的数量相当大，但因原子的数量很多，在晶体中占有的比例还是很少的。材料总体上具有晶体的相关性能特点，但缺陷的数量将给材料的性能带来巨大的影响。晶体缺陷的分类（按范围）：1.点缺陷：在三维空间各方向上尺寸都很小，尺寸范围在原子尺寸大小的晶体缺陷。空位、间隙原子等。3.面缺陷：在三维空间的两个方向上的尺寸很大(晶粒数量级)，另外一个方向上的尺寸很小(原子尺寸大小)的晶体缺陷。晶界等。2.线缺陷：在三维空间的一个方向上的尺寸很大(晶粒数量级)，另外两个方向上的

4、尺寸很小(原子尺寸大小)的晶体缺陷。其具体形式就是晶体中的位错。包括空位、间隙原子等。2.2点缺陷分类：弗兰克尔空位间隙原子晶体中点阵结点上的原子以其平衡位置为中心作热振动，当振动能足够大时，将克服周围原子的制约，跳离原来的位置，形成点缺陷，造成点阵畸变。肖脱基空位：产生空位的原子迁移到晶体的表面形成的空位。一、点缺陷的形成1.热平衡缺陷：2.空位：弗兰克尔空位：产生空位的原子迁移到晶体的点阵间隙中，同时产生一个间隙原子。二、点缺陷的平衡浓度N：组成晶体的原子个数；n：空位数；△Ev：空位形成能；k：波尔

5、兹曼常数；A=exp(△Sf/k)：与振动熵有关的常数，一般约为1~10之间。空位的位置在晶体中不是固定不变的，而是处于运动、消失和形成的不断变化中。一方面，周围原子可以与空位换位，使空位移动一个原子间距，当这种换位不断进行时，就造成空位的运动；另一方面，空位迁移至晶体表面或与间隙原子相遇而消失，但在其它地方又会有新的空位形成。空位在温度T时的平衡浓度C为：或：Qf=NAEv：形成1摩尔空位所需作的功，单位为J/mol；R：气体常数，8.31J/mol。同理，间隙原子的平衡浓度C’为：N’：晶体中间隙位置

6、的总数；N’：间隙原子数；△E’v：形成一个间隙原子所需的能量。在一定温度下，原子热振动的平均能量是一定的，但各原子的能量是不同的，并且同一原子在不同时刻能量也不同，这种现象称为能量起伏。对于点缺陷形成而言，只有比平均能量高出缺陷形成能的那部分原子才可能形成点缺陷。（3）高能粒子辐射法：高能粒子穿过晶体时与点阵中很多原子发生碰撞，使原子离位。离位原子能量高，可形成间隙原子和空位对。三、过饱和点缺陷过饱和空位的形成：（1）高温淬火法：高温下的空位浓度很高，快冷可将空位有效地保留在室温；（2）冷加工法：塑性变

7、形产生大量过饱和空位；反应堆中材料发生钢板脆化就是因过量的间隙原子所造成，因此反应堆用材料应特别注意过饱和空位的影响。四、点缺陷的运动与材料行为无论那种点缺陷的存在，都会使其附近的原子稍微偏离原来的结点位置才能平衡，即造成小区域的晶格畸变。如空位和尺寸小的置换原子均造成其周围原子间的键被拉长，产生拉应力；而间隙原子和尺寸大的置换原子将造成其周围原子被推开，产生压应力。效果：提高材料的电阻定向流动的电子在点缺陷处受到非平衡力(陷阱)，增加了阻力，加速运动提高局部温度(发热)。加快原子的扩散迁移空位可作为原子

8、运动的周转站。形成其他晶体缺陷过饱和的空位可集中形成内部的空位片，产生塌陷形成位错。改变材料的力学性能空位移动到位错处可造成刃位错的攀移，间隙原子和异类原子的存在会增加位错的运动阻力。会使强度提高，塑性下降。原因：练习51.Nb的晶体结构为体心立方，其晶格常数为0.3294nm，密度为8.57g/cm3，试求每106个Nb中所含的空位数目，Nb的原子量为92.91。2.若面心立方的Cu中每500个原子会失去1个，其晶格常数为0