材料科学基础_晶体缺陷

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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的基本概念位错的弹性特征晶体中的界面第一节材料的实际晶体结构一、多晶体结构单晶体: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、专门制造的金须和其他一些供研究用的材料。一、多晶体结构第一节材料的实际晶体结构多晶体:实际应用的工程材料中，那怕是一块尺寸很小材料，绝大多数包含着许许多多的小晶体，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。称这种由多个小晶体组成的晶体结构称之为“多晶

2、体”。一、多晶体结构第一节材料的实际晶体结构晶粒：多晶体材料中每个小晶体的外形多为不规则的颗粒状，通常把它们叫做“晶粒”。晶界：晶粒与晶粒之间的分界面叫“晶粒间界”，或简称“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：第一节材料的实际晶体结构伪各向同性：多晶体材料中，尽管每个晶粒内部象单晶体那样呈现各向异性，每个晶粒在空间取向是随机分布，大量晶粒的综合作用，整个材料宏观上不出现各向异性，这个现象称为多晶体的伪各向同性。组织：性能：组织敏感的性能组织不敏感的性能三、晶体中的缺陷概论

3、第一节材料的实际晶体结构晶体缺陷：即使在每个晶粒的内部，也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，材料总体具有晶体的相关性能特点，而缺陷的数量将给材料的性能带来巨大的影响。三、晶体中的缺陷概论第一节材料的实际晶体结构晶体缺陷按范围分类：点缺陷在三维空间各方向上尺寸都很小，在原子尺寸大小的晶体缺陷。线缺陷在三维空间的一个方向上的尺寸很大(晶粒数量级)，另外两个方向上的尺寸很小(

4、原子尺寸大小)的晶体缺陷。其具体形式就是晶体中的位错Dislocation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。第二节点缺陷点缺陷：在三维空间各方向上尺寸都很小，在原子尺寸大小的晶体缺陷。一、点缺陷的类型：空位在晶格结点位置应有原子的地方空缺，这种缺陷称为“空位”。间隙原子在晶格非结点位置，往往是晶格的间隙，出现了多余的原子。它们可能是同类原子，也可能是异类原子。异类原子在一种类型的原子组成的晶格中，不同种类的原子替换原有的原子占有其应有的位置。二、点缺陷对材料性能的

5、影响第二节点缺陷原因：无论那种点缺陷的存在，都会使其附近的原子稍微偏离原结点位置才能平衡，即造成小区域的晶格畸变。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洞，集中一片的塌陷形成位错。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、三、空位的平衡浓度第二节点缺陷空位形成能空位的出现破坏了其周围的结合状态，因

6、而造成局部能量的升高，由空位的出现而高于没有空位时的那一部分能量称为“空位形成能”。空位的出现提高了体系的熵值在一摩尔的晶体中如存在n个空位，晶体中有N=6.023X1023个晶格位置，这是空位的浓度为x=n/N，系统熵值为：三、空位的平衡浓度第二节点缺陷平衡空位浓度体系的自由能最低时，晶体处于平衡稳定状态，晶体中存在的空位浓度。设每个空位的形成能为u，空位浓度为x时自由能的变化为：三、空位的平衡浓度第二节点缺陷例如：Cu晶体得空位形成能为0.9ev/atom=1.44X10-19J/atom，在500℃时计算可得出平衡空位的浓度为1

7、.4X10-6(很低)，而在每立方米的铜晶体存在1.2X1023个空位(数量很多)。过饱和空位晶体中含点缺陷的数目明显超过平衡值。如高温下停留平衡时晶体中存在一平衡空位，快速冷却到一较低的温度，晶体中的空位来不及移出晶体，就会造成晶体中的空位浓度超过这时的平衡值。过饱和空位的存在是一非平衡状态，有恢复到平衡态的热力学趋势，在动力学上要到达平衡态还要一时间过程。第三节位错的基本概念线缺陷：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Dislocation一

8、、位错的原子模型将晶体的上半部分向左移动一个原子间距，再按原子的结合方式连接起来(b)。除分界线附近的一管形区域例外，其他部分基本都是完好的晶体。在分界线的上方将多出半个原子面，这就是刃型位错。一、位错的原子模型第三节位