《晶体中的点缺陷》PPT课件

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1、第六章晶体缺陷晶体缺陷：晶体中原子偏离平衡位置而出现的不完整性区域。按几何特征可分为三类：点缺陷：不完整区域在三个空间方向上的尺寸均很小（原子尺度），如空位、间隙原子；线缺陷：不完整区域在二个空间方向上的尺寸很小，在另一个方向上的尺寸很大，如位错；面缺陷：不完整区域在一个空间方向上的尺寸很小，在另二个方向上的尺寸很大，如晶界、相界；虽然晶体中存在缺陷，但从总体上看，还是较完整的。偏离平衡位置的原子，排列并不是杂乱无章的，仍按一定的规律产生、发展、运动和交互作用。晶体缺陷对晶体的许多性能有很大的影响，特别是对塑性、强度、扩散等有着决定作用。第一节点缺陷一、点缺陷的形成、分类形成原因：

2、原子热振动的能量起伏，使少数原子的振动能量在某瞬间很大，大到可以克服周围原子对它的束缚，该原子就可离开其平衡位置，形成点缺陷。分类：空位：晶体内部的原子离开其平衡位置后,留下的原子尺度的空洞。间隙原子：进入晶体点阵间隙的原子。自间隙原子：由同类原子形成的间隙原子。异类间隙原子：由外来杂质原子形成的间隙原子。置换原子：占据原来基体原子平衡位置的异类原子。置换原子与基体原子半径总有差异，也是一类点缺陷。肖脱基缺陷：离位原子迁移到晶体的外表面或内界面，而形成的空位。肖脱基缺陷弗兰克缺陷弗兰克缺陷：离位原子跳入晶体点阵间隙中，形成一个空位的同时，还形成了一个间隙原子。点缺陷存在的结果：使周

3、围原子间的作用力失去平衡，原子将重新调整位置，点阵产生局部的弹性畸变，形成应力场。如：空位周围的原子向空位处偏移，间隙原子周围的原子则向外偏移。空位引起的畸变较间隙原子小。二、点缺陷的形成能点阵畸变，意味着原子离开了平衡位置，故晶体内能必然升高。通常把这部分增加的能量称为点缺陷形成能。即：点缺陷形成能：形成点缺陷所引起的晶体能量的增量。它包括畸变能和电子能（缺陷对晶体中电子状态有影响）。空位形成能中，电子能为主，畸变能只占很小比例。间隙原子形成能中，弹性畸变能为主。实测的一些金属的空位形成能△Ev。金属AuAgCuPtAlWPb△Ev(ev)0.941.061.061.500.75

4、3.500.50间隙原子引起的畸变较空位大的多，间隙原子的形成能较空位形成能大几倍。Cu晶体的间隙原子形成能约3.00ev，是其空位形成能的2.83倍。三、点缺陷的平衡浓度点缺陷是热力学稳定的缺陷，可以在热力学平衡的晶体中存在。在一定温度下，晶体中总有一定平衡浓度的空位和间隙原子存在。在T温度下，空位和间隙原子的平衡浓度分别为：（2-1）（2-2）ne、ne′—平衡空位和平衡间隙原子的数目；N—阵点总数；k—玻尔兹曼常数。△EV、△EV′—空位形成能和间隙原子形成能；△Sv、△Sv′—相应的振动熵变化。A、A′—由振动熵决定的系数，其值约在1~10之间，方便计算时可取A=1；空位和

5、间隙原子的平衡浓度随温度升高呈指数关系急剧增加。例：Cu在22℃时，C=2×109个/m3，1000℃时，C=5×1024个/m3，相差15个数量级。1eV=1.602×10-19J(2d)2=a2+a22a2=4d2a=√2d晶胞体积a3，晶胞内的原子数4体积L3中的空位数=1/8×8=1，单位体积内的空位数为1/L3=nv，L3=1/nvfcc四、过饱和空位过饱和空位：晶体中数量超过了其平衡浓度的空位。过饱和空位将对晶体的性能产生影响。产生过饱和空位的方法：高温淬火冷加工辐照五、点缺陷的运动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。例如：空位周围的原子，由于

6、热振动的能量起伏，而获得足够的能量跳入空位，并占据这个平衡位置，在这个原子原来的位置上，就形成一个空位。这一过程可看成是空位向邻近阵点位置的迁移。空位的移动空位迁移能：空位迁移必须获得的能量△Em。可通过实验方法测定。例如：金属AuAgCuAlPtW△Em(ev)0.870.810.940.620.751.87空位的迁移频率：j=νZexp(Sm/k)exp(-Em/kT)ν－原子振动频率，Z－空位周围原子配位数，Sm－空位迁移熵，△Em－空位迁移能。同理，由于热振动，晶体中的间隙原子也可以由一个间隙位置迁移到另一个间隙位置。六、点缺陷对晶体性能的影响1、点缺陷引起电阻的增加。点缺

7、陷区对传导电子产生强烈的散射，使电阻增大。如铜中每增加1%(原子)的空位，电阻率增加约为1.5μΩm。2、点缺陷的存在使晶体体积膨胀，密度减小。形成一个肖脱基缺陷，体积膨胀约0.5个原子体积。形成一个弗兰克缺陷，体积膨胀约1~2个原子体积。3、过饱和点缺陷提高金属的屈服强度。4、空位对高温下进行的过程起重要作用。如金属的扩散、高温塑性变形和断裂、退火、沉淀、表面化学热处理等过程，都与空位的存在和运动有着密切的联系。5、点缺陷还对内耗、介电常数等有影响。小结1、空位是热