郑大材料科学基础ch3晶体缺陷.pptx
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1、第三章第三章第三章第三章 晶体缺陷晶体缺陷晶体缺陷晶体缺陷授课 朱世杰2024/3/24 周日1本章内容本章内容概述概述点缺陷点缺陷线缺陷线缺陷面缺陷面缺陷第三章第三章第三章第三章 晶体缺陷晶体缺陷晶体缺陷晶体缺陷授课 朱世杰2024/3/24 周日2本章要求掌握的主要内容本章要求掌握的主要内容一一.需掌握的概念和术语需掌握的概念和术语1 1、点点缺缺陷陷、SchottkySchottky空空位位、FrankelFrankel空空位位、间间隙隙原原子子、置置换换原子原子2 2、线线缺缺陷陷、刃刃型型位位错错、螺螺型型位位错错、混混合合型型位位错错、柏柏氏氏矢矢量量、位位错错运运动动、滑滑移移、
2、(双双)交交滑滑移移、多多滑滑移移、攀攀移移、交交割割、割割价价、扭扭折折、塞塞积积;位位错错应应力力场场、应应变变能能、线线张张力力、作作用用在在位位错错上上的的力力、位位错错密密度度、位位错错源源、位位错错生生成成、位位错错增增殖殖、位位错错分分解解与合成、位错反应、全位错、不全位错、堆垛层错与合成、位错反应、全位错、不全位错、堆垛层错3 3、面缺陷、表面、界面、界面能、晶界、相界、面缺陷、表面、界面、界面能、晶界、相界4 4、关关于于位位错错的的应应力力场场、位位错错的的应应变变能能、线线张张力力等等可可作作为为一一般了解般了解5 5、晶界的特性、晶界的特性(大、小角度晶界大、小角度晶界
3、)、孪晶界、相界的类型、孪晶界、相界的类型第三章第三章第三章第三章 晶体缺陷晶体缺陷晶体缺陷晶体缺陷授课 朱世杰2024/3/24 周日3二二二二.本章重点及难点本章重点及难点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点缺陷的平衡浓度公式点缺陷的平衡浓度公式 2 2 2 2、位错类型的判断及其特征、柏氏矢量、位错类型的判断及其特征、柏氏矢量、位错类型的判断及其特征、柏氏矢量、位错类型的判断及其特征、柏氏矢量 的特征,的特征,的特征,的特征,3 3 3 3、位位位位错错错错源源源源、位位位位错错错错的的的的增增增增殖殖殖殖(F-RF-RF-RF-R源源源源、双双
4、双双交交交交滑滑滑滑移移移移机机机机制制制制等等等等)和和和和运运运运动、交割动、交割动、交割动、交割 4 4 4 4、关关关关于于于于位位位位错错错错的的的的应应应应力力力力场场场场、位位位位错错错错的的的的应应应应变变变变能能能能、线线线线张张张张力力力力等等等等可可可可作作作作为为为为一般了解一般了解一般了解一般了解 5 5 5 5、晶界的特性、晶界的特性、晶界的特性、晶界的特性(大、小角度晶界大、小角度晶界大、小角度晶界大、小角度晶界)、孪晶界、相界的类型、孪晶界、相界的类型、孪晶界、相界的类型、孪晶界、相界的类型第三章第三章第三章第三章 晶体缺陷晶体缺陷晶体缺陷晶体缺陷授课 朱世杰2
5、024/3/24 周日4概概 述述前前面面章章节节都都是是就就理理想想状状态态的的完完整整晶晶体体而而言言,即即晶晶体体中中所所有有的的原原子子都都在在各各自自的的平平衡衡位位置置,处处于于能能量量最最低低状状态态。然然而而在在实实际际晶晶体体中中原原子子的的排排列列不不可可能能这这样样规规则则和和完完整整,而而是是或或多多或或少少地地存存在在离离开开理理想想的的区区域域,出出现现不不完完整整性性。正正如如我我们们日日常常生生活活中中见见到到玉玉米米棒棒上上玉玉米米粒粒的的分分布布。通通常常把把这这种种偏偏离离完完整整性性的的区区域域称称为为晶晶体体缺缺陷陷(crystaldefect,cry
6、stallineimperfection)。位错实验观测位错实验观测(dislocation.mpg)图图为为透透射射电电子子显显微微镜镜下下观观察察到到不不 锈锈 钢钢 316L(00Cr17Ni14Mo2)316L(00Cr17Ni14Mo2)的位错线与位错缠结的位错线与位错缠结第三章第三章第三章第三章 晶体缺陷晶体缺陷晶体缺陷晶体缺陷授课 朱世杰2024/3/24 周日5完美晶体完美晶体:即组成晶体的所有原子或离子都排列在晶格:即组成晶体的所有原子或离子都排列在晶格中它们自己的位置上,没有晶格空位,也没有间隙原子或离中它们自己的位置上,没有晶格空位,也没有间隙原子或离子。晶格中的原子或离
7、子都是化学分子式中的原子或离子,子。晶格中的原子或离子都是化学分子式中的原子或离子,没有外来的杂质;晶体的原子之比符合化学计量比。没有外来的杂质;晶体的原子之比符合化学计量比。实际晶体实际晶体:与理想晶体有一些差异。如:处于晶体表面:与理想晶体有一些差异。如:处于晶体表面的原子或离子与体内的差异;晶体在形成时,常常是许多部的原子或离子与体内的差异;晶体在形成时,常常是许多部位同时成核生长,结果形成的不是单晶而是许多细小晶粒按位同时成核生长,结果形成的不是单晶而是许多细小晶粒按不规则排列组合起来的多晶体;在外界因素的作用下,原子不规则排列组合起来的多晶体;在外界因素的作用下,原子或离子脱离平衡位
8、置和杂质原子的引入等。或离子脱离平衡位置和杂质原子的引入等。晶体缺陷的存在,破坏了完美晶体的有序性,引起晶体晶体缺陷的存在,破坏了完美晶体的有序性,引起晶体内能内能U和熵和熵S增加。增加。第三章第三章第三章第三章 晶体缺陷晶体缺陷晶体缺陷晶体缺陷授课 朱世杰2024/3/24 周日6完整不一定精彩完整不一定精彩 缺憾也是一种美缺憾也是一种美!第三章第三章第三章第三章 晶体缺陷晶体缺陷晶体缺陷晶体缺陷授课 朱世杰2024/3/24 周日7晶晶晶晶体体体体缺缺缺缺陷陷陷陷(CrystalCrystaldefectdefect)通通常常把把晶晶体体点点阵阵结构中周期性势场的畸变称为晶体的结构缺陷。结
9、构中周期性势场的畸变称为晶体的结构缺陷。晶晶体体缺缺陷陷对对于于晶晶体体结结构构来来说说规规则则完完整整排排列列是是主主要要的的,而非完整性是次要的。而非完整性是次要的。对对一一些些对对结结构构敏敏感感性性能能来来说说,起起主主要要作作用用的的是是晶晶体的不完整性体的不完整性,而完整性是次要的;而完整性是次要的;一些相变、扩散变形等都与晶体缺陷有关。一些相变、扩散变形等都与晶体缺陷有关。第三章第三章第三章第三章 晶体缺陷晶体缺陷晶体缺陷晶体缺陷授课 朱世杰2024/3/24 周日8晶体结构缺陷的类型及特征晶体结构缺陷的类型及特征缺陷的缺陷的类型类型点缺陷点缺陷(pointdefect)(poi
10、ntdefect)线缺陷线缺陷(linedefect)(linedefect)面缺陷面缺陷(planardefect)(planardefect)其特点是在三维方向上的尺寸都很小,缺陷的尺寸处在一或几个原子大小的级别,又称零维缺陷,例如空位,间隙原子和杂质原子等。其特点是仅在一维方向上的尺寸较大,而另外二维方向上的尺寸都很小,也称一维缺陷,通常是指各类位错。其特点是仅在二维方向上的尺寸较大,而另外一维方向上的尺寸很小,故也称二维缺陷,例如晶体表面、晶界、亚晶界、孪晶界、亚晶界、孪晶界和相界面等。第三章第三章第三章第三章 晶体缺陷晶体缺陷晶体缺陷晶体缺陷授课 朱世杰2024/3/24 周日93.
11、1点缺陷点缺陷第三章第三章第三章第三章 晶体缺陷晶体缺陷晶体缺陷晶体缺陷授课 朱世杰2024/3/24 周日103.1.13.1.1点缺陷的形成及类型点缺陷的形成及类型点缺陷的形成及类型点缺陷的形成及类型 点缺陷点缺陷点缺陷点缺陷(pointdefect)(pointdefect)是在晶体晶格结点上或邻是在晶体晶格结点上或邻近区域偏离其正常结构的近区域偏离其正常结构的一种缺陷,它是最简单的一种缺陷,它是最简单的晶体缺陷,晶体缺陷,在三维空间各在三维空间各个方向上尺寸都很小,范个方向上尺寸都很小,范围约为一个或几个原子尺围约为一个或几个原子尺度度。第三章第三章第三章第三章 晶体缺陷晶体缺陷晶体缺
12、陷晶体缺陷授课 朱世杰2024/3/24 周日11 离开平衡位置的原子有三个去处离开平衡位置的原子有三个去处:(1)(1)形成形成形成形成SchottkySchottky空位:空位:空位:空位:迁移到表面或内表面留下的空位。迁移到表面或内表面留下的空位。(2)(2)形成形成形成形成FrankelyFrankely缺陷:缺陷:缺陷:缺陷:挤入点阵间隙而形成的空位,并出挤入点阵间隙而形成的空位,并出现间隙原子。现间隙原子。(3)(3)跑到其它空位上使空位消失或移位。跑到其它空位上使空位消失或移位。跑到其它空位上使空位消失或移位。跑到其它空位上使空位消失或移位。点缺陷的类型有哪些?点缺陷的类型有哪些
13、?点缺陷的类型有哪些?点缺陷的类型有哪些?第三章第三章第三章第三章 晶体缺陷晶体缺陷晶体缺陷晶体缺陷授课 朱世杰2024/3/24 周日12FrankelyFrankely缺陷缺陷缺陷缺陷:在晶格内原子或离子热在晶格内原子或离子热振动时,一些能量足够大的原子离开平振动时,一些能量足够大的原子离开平衡位置后,衡位置后,进入晶格点的间隙进入晶格点的间隙位置,变位置,变成间隙原子,而在原来的位置上成间隙原子,而在原来的位置上形成一形成一个空位个空位。那么晶体中将存在等浓度的晶。那么晶体中将存在等浓度的晶格空位和填隙原子,这种空位格空位和填隙原子,这种空位-间隙原间隙原子对称为子对称为Frankely
14、缺陷缺陷。SchottkySchottky空位空位空位空位:如果正常格点上的原子:如果正常格点上的原子或离子,热起伏过程中获得能量离开平或离子,热起伏过程中获得能量离开平衡位置,跳跃到晶体的表面,在原正常衡位置,跳跃到晶体的表面,在原正常格点上留下空位。格点上留下空位。Frankely缺陷缺陷Schottky空位空位第三章第三章第三章第三章 晶体缺陷晶体缺陷晶体缺陷晶体缺陷授课 朱世杰2024/3/24 周日13点缺陷的类型点缺陷的类型点缺陷的类型点缺陷的类型:(1)置换原子置换原子(substitutional atom):占据在原来基体原子平衡位置上的异:占据在原来基体原子平衡位置上的异类
15、原子类原子。(2)空位空位(vacancy):在晶格结点位置:在晶格结点位置未被占据的原子位置未被占据的原子位置。(3)间隙原子间隙原子(interstital atom)晶格晶格正常节点的的间隙中多余的原子。它们正常节点的的间隙中多余的原子。它们可能是同类原子,也可能是异类原子。可能是同类原子,也可能是异类原子。(4)杂质杂质原子原子:外来原子进入晶格,就:外来原子进入晶格,就成为晶体中的杂质。成为晶体中的杂质。异类间隙原子异类间隙原子:原子半径很小的外来原子,外来杂质原子。:原子半径很小的外来原子,外来杂质原子。自间隙原子自间隙原子(self-interstital atom)(同类同类)
16、:形成弗兰克尔空位时:形成弗兰克尔空位时出现的间隙原子出现的间隙原子。第三章第三章第三章第三章 晶体缺陷晶体缺陷晶体缺陷晶体缺陷授课 朱世杰2024/3/24 周日14高分子晶体中的点缺陷高分子晶体中的点缺陷:(:(1)分子链上的异常键结合;)分子链上的异常键结合;(2)分子链位置发生交换;()分子链位置发生交换;(3)分子链向相对方向折叠。)分子链向相对方向折叠。离子晶体中的点缺陷离子晶体中的点缺陷:(1)Schottky缺陷:一个正负离子缺陷:一个正负离子空位对。(空位对。(2)Frenkel缺陷:一个空位间隙离子对。缺陷:一个空位间隙离子对。离子晶体点缺陷类型离子晶体点缺陷类型离子晶体点
17、缺陷类型离子晶体点缺陷类型第三章第三章第三章第三章 晶体缺陷晶体缺陷晶体缺陷晶体缺陷授课 朱世杰2024/3/24 周日153.1.23.1.2点缺陷的平衡浓度点缺陷的平衡浓度点缺陷的平衡浓度点缺陷的平衡浓度点点缺缺陷陷是是热热力力学学稳稳定定的的缺缺陷陷:点点缺缺陷陷与与线线、面面缺缺陷陷的的区区别别之之一一是是后后者者为为热热力力学学不不稳稳定定的的缺缺陷陷而而在在一一定定温温度度下下,晶晶体体中有一定平衡数量的空位和间隙原子,其数量可近似算出。中有一定平衡数量的空位和间隙原子,其数量可近似算出。空位形成空位形成时系统自由能的变化:时系统自由能的变化:F=U-TS U为内能,为内能,S为系
18、统熵(包括振动熵为系统熵(包括振动熵SV和排列熵和排列熵SC)空空位位的的引引入入,一一方方面面由由于于弹弹性性畸畸变变使使晶晶体体内内能能增增加加;另另一一方方面面又又使使晶晶体体中中混混乱乱度度增增加加,使使熵熵增增加加。而而熵熵的的变变化化包包括括两部分两部分:空位改变它周围原子的振动引起振动熵,空位改变它周围原子的振动引起振动熵,SV.空空位位在在晶晶体体点点阵阵中中的的排排列列可可有有许许多多不不同同的的几几何何组组态态,使排列熵使排列熵SC增加。增加。第三章第三章第三章第三章 晶体缺陷晶体缺陷晶体缺陷晶体缺陷授课 朱世杰2024/3/24 周日16空位-体系能量曲线第三章第三章第三
19、章第三章 晶体缺陷晶体缺陷晶体缺陷晶体缺陷授课 朱世杰2024/3/24 周日17内内能能(Internalenergy)变变化化U。n个个内内能能为为u的的点点缺缺陷陷使使系系统内能增加总量为统内能增加总量为:UnEv空空位位形形成成能能(vacancyformationenergy):形形成成一一个个空空位位时时引起系统能量的增加,记为引起系统能量的增加,记为Ev TS与与组组态态熵熵变变化化有有关关:点点缺缺陷陷的的存存在在使使体体系系混混乱乱程程度度增大,大大增加了系统的熵值。增大,大大增加了系统的熵值。通通过过热热力力学学分分析析,在在绝绝对对零零度度以以上上的的任任何何温温度度,晶
20、晶体体中中最最稳稳定定的的状状态态是是含含有有一一定定浓浓度度的的点点缺缺陷陷的的状状态态,这这个个浓浓度度称称为为 该该 温温 度度 下下 晶晶 体体 中中 点点点点 缺缺缺缺 陷陷陷陷 的的的的 平平平平 衡衡衡衡 浓浓浓浓 度度度度(equilibriumconsistence)。经热力学推导:经热力学推导:C=n/N=exp(SC=n/N=exp(Sf f/k)exp(/k)exp(Ev/kT)Ev/kT)=Aexp(=Aexp(Ev/kT)Ev/kT)C与与T、Ev之间呈指数关系之间呈指数关系(下页表)。下页表)。T上升、上升、C升高升高。第三章第三章第三章第三章 晶体缺陷晶体缺陷晶
21、体缺陷晶体缺陷授课 朱世杰2024/3/24 周日18EvEvEvEv对对对对C C C C的影响的影响的影响的影响金属种类金属种类PbAlMgAuCuPtWEv10-8J0.080.120.140.150.170.240.56C9.210-62.810-81.510-93.610-102.010-117.810-165.710-36由公式可得由公式可得:晶晶体体中中空空位位在在热热力力学学上上是是稳稳定定的的,一一定定温温度度T对对应应一一平平衡衡浓度浓度C。C与与T呈指数关系,温度升高,空位浓度增大。呈指数关系,温度升高,空位浓度增大。空位形成能空位形成能EV大,空位浓度小。大,空位浓度小
22、。第三章第三章第三章第三章 晶体缺陷晶体缺陷晶体缺陷晶体缺陷授课 朱世杰2024/3/24 周日193.1.3 3.1.3 点缺陷的运动点缺陷的运动 点缺陷的运动方式点缺陷的运动方式:(1)(1)空位运动空位运动;空空位位缺缺陷陷的的运运动动实实质质上上是是原原子子的的迁迁移移过过程程,它它构构成成了了晶晶体体中原子传输的基础。中原子传输的基础。(2)(2)间隙原子迁移间隙原子迁移;(3)(3)空空位位和和间间隙隙原原子子相相遇遇,两两缺缺陷陷同同时时消消失失,称称为为点点点点缺缺缺缺陷陷陷陷的复合的复合的复合的复合 ;(4)(4)逸出晶体到表面,或移到晶界,点缺陷消失逸出晶体到表面,或移到晶
23、界,点缺陷消失。第三章第三章第三章第三章 晶体缺陷晶体缺陷晶体缺陷晶体缺陷授课 朱世杰2024/3/24 周日203.1.4点缺陷对结构和性能的影响点缺陷对结构和性能的影响 无无论论那那种种点点缺缺陷陷的的存存在在,都都会会使使其其附附近近的的原原子子稍稍微微偏偏离离原原结结 点点 位位 置置 才才 能能 平平 衡衡,即即 引引 起起 晶晶晶晶 格格格格 畸畸畸畸 变变变变(distortion(distortion of of lattice),lattice),能量升高,结构不稳定,易发生转变。能量升高,结构不稳定,易发生转变。点缺陷的存在会引起性能的变化:点缺陷的存在会引起性能的变化:(
24、1)(1)物理性质、如物理性质、如R R、V V、等;等;(2)(2)力力学学性性能能:采采用用高高温温急急冷冷(如如淬淬火火 quenching),quenching),大大量量的的冷冷变变形形(cold(cold working),working),高高能能粒粒子子辐辐照照(radiation)(radiation)等等方方法法可可获获得得过饱和点缺陷,如使过饱和点缺陷,如使S S提高;提高;(3)(3)影响固态相变影响固态相变,化学热处理化学热处理(chemical heattreatment)(chemical heattreatment)等等第三章第三章第三章第三章 晶体缺陷晶体缺陷
25、晶体缺陷晶体缺陷授课 朱世杰2024/3/24 周日21本节小节空位的类型空位的类型空位的平衡浓度及其公式空位的平衡浓度及其公式第三章第三章第三章第三章 晶体缺陷晶体缺陷晶体缺陷晶体缺陷授课 朱世杰2024/3/24 周日223.2 位位 错错 第三章第三章第三章第三章 晶体缺陷晶体缺陷晶体缺陷晶体缺陷授课 朱世杰2024/3/24 周日23 位位位位 错错错错(dislocationdislocation)是是一一种种线线缺缺陷陷,它它是是晶晶体体中中某某处处一一列列或或若若干干列列原原子子发发生生了了有有规规律律错错排排现现象象;错错排排区区是是细细长长的的管管状状畸畸变变区区,长长度度可
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