材料科学基础 第三章 晶体缺陷课件.ppt

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1、第三章晶体缺陷主讲：赵建果本章要求掌握的主要内容一.需掌握的概念和术语1、点缺陷、Schottky空位、Frankel空位、间隙原子、置换原子2、线缺陷、刃型位错、螺型位错、混合型位错、伯氏矢量、位错运动、滑移、(双)交滑移、多滑移、攀移、交割、割阶、扭折、塞积；位错应力场、应变能、线张力、作用在位错上的力、位错密度、位错源、位错生成、位错增殖、位错分解与合成、位错反应、全位错、不全位错、堆垛层错3、面缺陷、表面、界面、界面能、晶界、相界4、关于位错的应力场、位错的应变能、线张力等可作为一般了解5、晶界的特性(大、小角度晶界

2、)、孪晶界、相界的类型二.本章重点及难点1、点缺陷的形成与平衡浓度2、位错类型的判断及其特征、伯氏矢量的特征和物理意义3、位错源、位错的增殖(F-R源、双交滑移机制等)和运动、交割4、关于位错的应力场可作为一般了解5、晶界的特性(大、小角度晶界)、孪晶界、相界的类型4维纳斯“无臂”之美更深入人心处处留心皆学问晶体结构的特点是长程有序。结构基元或者构成物体的粒子(原子、离子或分子等)完全按照空间点阵规则排列的晶体叫理想晶体。在实际晶体中，粒子的排列不可能这样规则和完整，而是或多或少地存在着偏离理想结构的区域，出现了不完整性。把

3、实际晶体中偏离理想点阵结构的区域称为晶体缺陷。实际晶体中虽然有晶体缺陷存在，但偏离平衡位置很大的粒子数目是很少的，从总的来看，其结构仍可以认为是接近完整的。根据几何形态特征，可以把晶体缺陷分为三类：点缺陷、线缺陷和面缺陷。点缺陷（pointdefect）：特征是三维空间的各个方面上尺寸都很小，尺寸范围约为一个或几个原子尺度，又称零维缺陷，包括空位、间隙原子、杂质和溶质原子。线缺陷（linedefect）：特征是在两个方向上尺寸很小，另外一个方向上很大，又称一维缺陷，如各类位错。面缺陷（planardefect）：特征是在一

4、个方面上尺寸很小，另外两个方面上很大，又称二维缺陷，包括表面、晶界、亚晶界、相界、孪晶界等。点缺陷的定义点缺陷：在三维方向上尺寸都很小（远小于晶体或晶粒的线度）的缺陷。1.点缺陷的类型常见的基本点缺陷有空位、间隙原子和置换（杂质）原子。1.空位：正常结点位置出现的原子或离子的空缺；§3.1.1点缺陷的类型及形成第一节点缺陷3.置换原子：位于晶体点阵位置的异类原子。2.间隙原子：指原子进入正常格点位置之间的空隙位置；点缺陷形成最重要的环节是原子的振动原子的热振动（以一定的频率和振幅作振动）原子被束缚在它的平衡位置上，但原子却在

5、做着挣脱束缚的努力点缺陷形成的驱动力：温度、离子轰击、冷加工在外界驱动力作用下，哪个原子能够挣脱束缚，脱离平衡位置是不确定的，宏观上说这是一种几率分布2.点缺陷的形成（本征缺陷的形成）空位的两种类型：离位原子迁移到晶体的表面上，这样形成的空位通常称为肖特基缺陷；可迁移到晶体点阵的间隙中，这样的空位称弗仑克尔缺陷。图晶体中的点缺陷(a)肖特基空位(b)弗仑克尔空位1.点缺陷的平衡浓度§3.1.2点缺陷的运动及平衡浓度晶体中点缺陷的存在，一方面造成点阵畸变，使晶体的内能升高，增大了晶体的热力学不稳定性；另一方面，由于增大了原

6、子排列的混乱程度，并改变了其周围原子的振动频率，又使晶体的熵值增大。熵值越大，晶体便越稳定。b.由于存在着这两个互为矛盾的因素，晶体中的点缺陷在一定温度下有一定的平衡数目，这时点缺陷的浓度就称为它们在该温度下的热力学平衡浓度。c.在一定温度下有一定的热力学平衡浓度，这是点缺陷区别于其它类型晶体缺陷的重要特点。图　空位-体系能量曲线1.形成缺陷带来晶格应变，内能U增加，一个缺陷带来的内能增加为u，所以内能增加，故内能增加是线性的。2.缺陷存在使体系的混乱度增加，引起熵值增加，缺陷存在使体系排列方式增加，即熵值显著增加。和缺陷数

7、量变化呈非线性的。点缺陷并非固定不动，而是处在不断改变位置的运动过程中。空位周围的原子，由于热振动能量的起伏，有可能获得足够的能量而跳入空位，并占据这个平衡位置，这时在这个原子的原来位置上，就形成一个空位。这一过程可以看作是空位向邻近结点的迁移。在运动过程中，当间隙原子与一个空位相遇时，它将落入这个空位，而使两者都消失，这一过程称为复合，或湮没。2.点缺陷的运动（a）原来位置；（b）中间位置；（c）迁移后位置图空位从位置A迁移到B点缺陷从一个平衡位置到另一个平衡位置的移动，必须获得足够的能量来克服周围势垒的障碍，故称这一增大

8、的能量为点缺陷的迁移能。为点缺陷周围原子的振动频率为点缺陷周围原子的配位数为点缺陷的迁移熵§3.1.3点缺陷对性能的影响点缺陷的存在使晶体体积膨胀，密度减小。点缺陷引起电阻的增加，这是由于晶体中存在点缺陷时，对传导电子产生了附加的电子散射，使电阻增大。空位对金属的许多过程有着影响，特别是对