第四章_点缺陷和扩散(1.1).ppt

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1、第四章点缺陷和扩散(1)《材料科学基础》1第一节前言晶体缺陷的产生在实际晶体中，由于原子(或离子、分子)的热运动，以及晶体的形成条件、冷热加工过程和其它辐射、杂质等因素的影响，实际晶体中原子的排列不可能那样规则、完整，常存在各种偏离理想结构的情况，即晶体缺陷。2晶体缺陷的作用晶体缺陷对晶体的性能，特别是对那些结构敏感的性能，如屈服强度、断裂强度、塑性、电阻率、磁导率等有很大的影响。另外晶体缺陷还与扩散偶、相变、塑性变形、再结晶、氧化、烧结等有着密切关系。因此，研究晶体缺陷具有重要的理论与实际意义。3分类①点

2、缺陷：是零维缺陷，包括空位、间隙原子、置换原子等；②线缺陷：是一维缺陷，即位错；③面缺陷：是二维缺陷，包括晶界、相界、孪晶界、堆垛层错等；④体缺陷：在任意方向上的缺陷区尺寸都可以与晶体或晶粒的线度相比拟，那么这种缺陷就是体缺陷，包括沉淀相、空洞、气泡、层错四面体等缺陷。4第二节点缺陷一.晶体中的空位和间隙原子1.点缺陷的热力学分析2.空位的形成3.间隙原子的平衡浓度4.聚合物晶体中的空位5.点缺陷的运动6.材料中空位的实际意义7.点缺陷对材料性能的影响8.产生过饱和点缺陷的方法二.离子晶体中的空位及间隙原子

3、三.聚合物晶体中的空位5第二节点缺陷一、晶体中的空位和间隙原子间隙原子和空位均会引起晶格畸变，导致体系能量升高。61.点缺陷的热力学分析点缺陷可以导致：点阵畸变使晶体的内能升高，降低了晶体的热力学稳定性。增大了原于排列的混乱程度，并改变了其周围原子的振动频率，引起组态熵和振动熵的改变，使晶体熵值增大，增加了晶体的热力学稳定性。这两个相互矛盾的因素使得晶体中的点缺陷在一定的温度下有一定的平衡浓度。它可根据热力学理论求得。7点缺陷平衡浓度的求解(以空位为例)89101112结论：空位是一种热力学平衡的缺陷，即在

4、一定的温度下，晶体中总是会存在着一定数量的空位，这时体系的能量处于最低的状态，也就是说，具有平衡空位浓度的晶体比理想晶体在热力学上更为稳定。空位-体系能量曲线13“金无足赤”每“k”含金量为4.166%，18k=18×4.166%=74.998%,24k=24×4.166%=99.984%142.空位的形成在晶体中位于点阵结点上的原于并非静止的，而是以其平衡位置为中心作热振动，原子振动能按几率分布，有起伏涨落期。当某一原子具有足够大的振动能而使振幅增大到一定限度时，就可能克服周围原于对它的制约作用，跳离其原

5、来的位置，使点阵中形成空结点，称为空位。15离开平衡位置的原子有三个去处：迁移到晶体表面或内表面的正常结点位置上，而使晶体内部留下空位，称为肖脱基(Schottky)空位；挤入点阵的间隙位置，而在晶体中同时形成数目相等的空位和间隙原子，则称为弗兰克尔(Frankel)缺陷；跑到其它空位中，使空位消失或使空位移位。另外，在一定条件下，晶体表面上的原子也可能跑到晶体内部的间隙位置形成间隙原子。以苏联物理学家雅科夫·弗仑克尔（ЯковФренкель）名字命名以德国物理学家沃尔特·肖特基（WalterSchott

6、ky）的名字命名16(a)Schottky空位形成示意图(b)Frankel空位形成示意图17由于热起伏促使原于脱离点阵位置而形成的点缺陷称为热平衡缺陷。晶体中的点缺陷还列以通过高温淬火、冷变形加工和高能粒子(如中子、质子、粒子等)的辐照效应等形成。这时，往往晶体中的点缺陷数量超过了其平衡浓度，通常称为过饱和的点缺陷。183.间隙原子的平衡浓度C平＝C0exp(－Qfi/kT)式中的Qfi为间隙原子形成能，由于一般间隙原子形成能比空位形成能Qfv要大出约3倍，因此间隙原于的浓度比空位要小很多数量级。1920

7、214.点缺陷的运动在一定温度下，晶体中达到统计平衡的空位和间隙原子数目是一定的。晶体中的点缺陷并不是固定不动的，可以借助热激活而不断做无规则运动过程中。在运动过程中，当间隙原子与一个空位相遇时，它将落入该空位，而使两者都消失，这一过程称为复合。22例如，空位周围的原子，由于热激活，某个原子有可能获得足够的能量而跳人空位中，并占据这个平衡位量；这时，在该原子的原来位置上，就形成一个空位。这一过程可以看作空位向邻近阵点位置的迁移。同理，出于热运动，晶体中的间隙原子也可由一个间隙位置迁移到另一个间隙位置。与此同

8、时，由于能量起伏，在其它地方可能又会出现新的空位和间隙原子，以保持在该温度下的平衡浓度不变。23空位迁移也要克服一定的“势垒”，也即空位迁移能Qfv。迁移速率为:j=zexp(Sc/k)exp(-Qfv/kT)金属熔点越高，空位形成能和迁移能越大。所以，在相同条件下，高熔点金属形成的空位数比低熔点金属少。245.材料中空位的实际意义空位迁移是许多材料加工工艺的基础。晶体中原子的扩散就是依靠空位迁移而实现的。在常