材料科学基础晶体结构缺陷课件.ppt

第2章材料科学基础晶体结构缺陷 二二.本章重点及难点本章重点及难点 1 1、点缺陷的平衡浓度公式、点缺陷的平衡浓度公式.2 2、位位错错类类型型的的判判断断及及其其特特征征、柏柏氏氏矢矢量的特征量的特征.3 3、晶晶界界的的特特性性(大大、小小角角度度晶晶界界)、孪孪晶界、相界的类型晶界、相界的类型.缺陷的含义缺陷的含义：通常把晶体点阵结构中周期性势场的畸变称为：通常把晶体点阵结构中周期性势场的畸变称为晶体的晶体的结构缺陷结构缺陷理想晶体理想晶体：质点严格按照空间点阵排列质点严格按照空间点阵排列实际晶体实际晶体：存在着各种各样的结构的不完整性存在着各种各样的结构的不完整性研究缺陷的意义：研究缺陷的意义：由于缺陷的存在，才使晶体表现出各种由于缺陷的存在，才使晶体表现出各种各样的性质，使材料加工、使用过程中的各种性能得以有各样的性质，使材料加工、使用过程中的各种性能得以有效控制和改变，使材料性能的改善和复合材料的制备得以效控制和改变，使材料性能的改善和复合材料的制备得以实现因此，了解缺陷的形成及其运动规律，对材料工艺实现因此，了解缺陷的形成及其运动规律，对材料工艺过程的控制，对材料性能的改善，对于新型材料的设计、过程的控制，对材料性能的改善，对于新型材料的设计、研究与开发具有重要意义。

研究与开发具有重要意义缺陷对材料性能的影响举例缺陷对材料性能的影响举例:材料的强化，如钢材料的强化，如钢是铁中渗碳是铁中渗碳陶瓷材料的增韧陶瓷材料的增韧半导体掺杂半导体掺杂第第2章章晶体缺陷晶体缺陷分类方式：分类方式：1、根据缺陷的作用范围把真实晶体缺陷分四类：、根据缺陷的作用范围把真实晶体缺陷分四类：点缺陷点缺陷（point defect）：特征是三维空间的）：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、杂质和溶质原子隙原子、杂质和溶质原子线缺陷线缺陷（line defect）：特征是在两个方向上）：特征是在两个方向上尺寸很小尺寸很小,另外一个方向上很大，又称一维缺另外一个方向上很大，又称一维缺陷，如各类位错陷，如各类位错面缺陷（planar defect）：特征是在一个方面上尺寸很小,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、孪晶界等体缺陷:在三维方向上缺陷尺寸都较大如镶嵌块、空洞等2、根据缺陷的形成原因热缺陷杂质缺陷非化学计量缺陷等。

2.1 2.1 点缺陷点缺陷原子热振动部分原子获得足够高的能量 克服约束,迁移到新的位置空位,间隙原子形成形成引起局部点阵畸变 引起引起点缺陷的形成原因点缺陷的形成原因点缺陷与材料点缺陷与材料的电学性质、的电学性质、光学性质、材光学性质、材料的高温动力料的高温动力学过程等有关学过程等有关一、点缺陷的类型一、点缺陷的类型n1.金属晶体中的点缺陷金属晶体中的点缺陷金属晶体中常见的点缺陷有金属晶体中常见的点缺陷有空位空位(vacancy)间隙原子间隙原子(interstitial atom)置换原子置换原子(substitutional atom)a、空位、空位空位是一种热平衡缺陷空位是一种热平衡缺陷,即在一定温度下即在一定温度下,空位有一定的平空位有一定的平衡浓度空位在晶体中的位置不是固定不变的衡浓度空位在晶体中的位置不是固定不变的,而是不断运动而是不断运动变化的空位是由原子脱离其平衡位置而形成的，脱离平衡变化的空位是由原子脱离其平衡位置而形成的，脱离平衡位置的原子大致有三个去处：位置的原子大致有三个去处：!(1)迁移到晶格的间隙中迁移到晶格的间隙中,这样所形成的空位叫弗仑克尔空位；这样所形成的空位叫弗仑克尔空位；!(2)迁移到晶体表面上迁移到晶体表面上,这样所产生的空位叫肖特基空位；这样所产生的空位叫肖特基空位；!(3)迁移到其他空位处迁移到其他空位处,这样虽然不产生新的空位这样虽然不产生新的空位,但可以使空但可以使空位变换位置。

位变换位置图图2-1热缺陷产生示意图热缺陷产生示意图（a）单质中弗仑克尔缺陷的形成）单质中弗仑克尔缺陷的形成（空位与间隙质点成对出现）（空位与间隙质点成对出现）（b）单质中肖特基缺陷的）单质中肖特基缺陷的形成形成V空位的运动空位的运动 图图2-2点缺陷的类型点缺陷的类型1-大的置换原子大的置换原子4-复合空位复合空位2-肖特基空位肖特基空位5-弗兰克尔空位弗兰克尔空位3-异类间隙原子异类间隙原子6-小的置换原子小的置换原子图图图图2-32-3点缺陷类型点缺陷类型点缺陷类型点缺陷类型1 1图图图图2-4 2-4 2-4 2-4 点缺陷类型点缺陷类型点缺陷类型点缺陷类型2 2 2 2 nb、间隙原子、间隙原子处于晶格间隙中的原子即为间隙原子在处于晶格间隙中的原子即为间隙原子在形成弗仑克尔空位的同时形成弗仑克尔空位的同时,也形成一个间隙原也形成一个间隙原子，另外溶质原子挤入溶剂的晶格间隙中后，子，另外溶质原子挤入溶剂的晶格间隙中后，也称为间隙原子也称为间隙原子,他们都会造成严重的晶体畸他们都会造成严重的晶体畸变间隙原子也是一种热平衡缺陷，在一定温变间隙原子也是一种热平衡缺陷，在一定温度下有一平衡浓度，对于异类间隙原子来说，度下有一平衡浓度，对于异类间隙原子来说，常将这一平衡浓度称为固溶度或溶解度。

常将这一平衡浓度称为固溶度或溶解度nc、置换原子、置换原子占据在原来基体原子平衡位置上的异类原子称为置换占据在原来基体原子平衡位置上的异类原子称为置换原子由于原子大小的区别也会造成晶格畸变，置换原子原子由于原子大小的区别也会造成晶格畸变，置换原子在一定温度下也有一个平衡浓度值，一般称之为固溶度或在一定温度下也有一个平衡浓度值，一般称之为固溶度或溶解度，溶解度，通常它比间隙原子的固溶度要大的多通常它比间隙原子的固溶度要大的多2.离子晶体中点缺陷离子晶体中点缺陷肖特基缺陷：肖特基缺陷：在离子晶体中，由于要维持电价平在离子晶体中，由于要维持电价平衡，因此一个正离子产生空位，则邻近必有一个衡，因此一个正离子产生空位，则邻近必有一个负离子空位，这样的一个正负离子空位对；负离子空位，这样的一个正负离子空位对；弗仑克尔缺陷：弗仑克尔缺陷：一个正离子跳入离子晶体的间隙一个正离子跳入离子晶体的间隙位置，则出现了一个正离子空位，这种空位间位置，则出现了一个正离子空位，这种空位间隙离子对隙离子对图图2-5 2-5 离子晶体中的点缺陷离子晶体中的点缺陷（a）离子晶体中的弗仑克尔缺陷的形）离子晶体中的弗仑克尔缺陷的形成（空位与间隙质点成对出现）成（空位与间隙质点成对出现）（b）离子晶体中的肖特基缺陷）离子晶体中的肖特基缺陷的形成（正负离子空位对成对出现）的形成（正负离子空位对成对出现）VV+V-二、点缺陷的浓度二、点缺陷的浓度1、平衡点缺陷、平衡点缺陷(equilibrium point defect）及其浓度及其浓度ne 平衡空位数平衡空位数 n 原子总数原子总数 Ev 每增加一个空位能量的变化每增加一个空位能量的变化 k 玻尔兹曼常数玻尔兹曼常数,约为约为8.6210-5ev/K或或1.3810-23J/K T 绝对温度绝对温度其中：其中：A由振动熵决定的系数，取由振动熵决定的系数，取110，通常取，通常取1。

T-cT-c 三、过饱和点缺陷三、过饱和点缺陷(supersaturated point defect)的产生的产生 在点缺陷的平衡浓度下晶体的自由能最低，在点缺陷的平衡浓度下晶体的自由能最低，系统最稳定系统最稳定当在一定的温度下，晶体中点缺当在一定的温度下，晶体中点缺陷的数目明显超过其平衡浓度时，这些点缺陷陷的数目明显超过其平衡浓度时，这些点缺陷称为过饱和点缺陷称为过饱和点缺陷，通常它的产生方式有三种，通常它的产生方式有三种:n1.1.淬火淬火 高温时晶体中的空位浓度很高，经过淬火后，空高温时晶体中的空位浓度很高，经过淬火后，空位来不及通过扩散达到平衡浓度，在低温下仍保持了较位来不及通过扩散达到平衡浓度，在低温下仍保持了较高的空位浓度高的空位浓度n2.2.冷加工冷加工 金属在室温下进行压力加工时，由于位错交割金属在室温下进行压力加工时，由于位错交割所形成的割阶发生攀移，从而使金属晶体内空位浓度增所形成的割阶发生攀移，从而使金属晶体内空位浓度增加n3.3.辐照辐照 当金属受到高能粒子（中子、质子、当金属受到高能粒子（中子、质子、粒子、电粒子、电子等）辐照时，晶体中的原子将被击出，挤入晶格间隙子等）辐照时，晶体中的原子将被击出，挤入晶格间隙中，由于被击出的原子具有很高的能量，因此还有可能中，由于被击出的原子具有很高的能量，因此还有可能发生连锁作用，在晶体中形成大量的空位和间隙原子。

发生连锁作用，在晶体中形成大量的空位和间隙原子四、点缺陷的运动四、点缺陷的运动 晶体中的点缺陷并不是固定不动的，而是处于不断的运动过晶体中的点缺陷并不是固定不动的，而是处于不断的运动过程中三种运动形式：三种运动形式：a空位周围的原子，由于热激活，某个原子有可能获得足够空位周围的原子，由于热激活，某个原子有可能获得足够的能量而跳入空位中，并占据这个平衡位置这时，在该原的能量而跳入空位中，并占据这个平衡位置这时，在该原子的原来位置上，就形成了一个空位这一过程可以看作空子的原来位置上，就形成了一个空位这一过程可以看作空位向邻近阵点位置的迁移位向邻近阵点位置的迁移(空位的运动）空位的运动）a由于热运动，晶体中的间隙原子也可由一个间隙位置迁移由于热运动，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到另一个间隙位置（间隙原子的运动）（间隙原子的运动）a在运动过程中，当间隙原子与一个空位相遇时，它将落入在运动过程中，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，这一过程称为复合该空位，而使两者都消失，这一过程称为复合图图2-7 2-7 点缺陷运动示意图点缺陷运动示意图五、点缺陷对晶体材料性能的影响五、点缺陷对晶体材料性能的影响 一般情形下，点缺陷主要影响晶体的物理一般情形下，点缺陷主要影响晶体的物理性质，如比容性质，如比容(specific volume)、比热容、比热容(specific heat volume)、电阻率电阻率(resistivity)、扩散系数、介电常数等。

扩散系数、介电常数等n1.比容比容形成肖特基空位时，原子迁移到晶体表形成肖特基空位时，原子迁移到晶体表面上的新位置，导致晶体体积增加面上的新位置，导致晶体体积增加n单位质量的物质所占有的单位质量的物质所占有的容积容积称为比容，用符称为比容，用符号号V表示其数值是表示其数值是密度密度的倒数的倒数 n2.2.比热容比热容 形成点缺陷需向晶体提供附加的能量形成点缺陷需向晶体提供附加的能量(空位生成焓空位生成焓)，因而，因而引起附加比热容引起附加比热容比热容又称比热容量，简称比热，是单位质量物质的热容量，即比热容又称比热容量，简称比热，是单位质量物质的热容量，即使单位质量物体改变单位温度时的吸收或释放的内能使单位质量物体改变单位温度时的吸收或释放的内能n3.3.电阻率电阻率 金属的电阻主要来源于离子对传导电子的散射正常情况金属的电阻主要来源于离子对传导电子的散射正常情况下，电子基本上在均匀电场中运动，在有缺陷的晶体中，晶格的周期下，电子基本上在均匀电场中运动，在有缺陷的晶体中，晶格的周期性被破坏，电场急剧变化，因而对电子产生强烈散射，导致晶体的电性被破坏，电场急剧变化，因而对电子产生强烈散射，导致晶体的电阻率增大。

阻率增大点缺陷对金属力学性能的影响较小，它只通过与位错的交互作用，阻点缺陷对金属力学性能的影响较小，它只通过与位错的交互作用，阻碍位错运动而使晶体强化但在高能粒子辐照的情形下，由于形成大碍位错运动而使晶体强化但在高能粒子辐照的情形下，由于形成大量的点缺。