第一节晶体中的点缺陷PPT讲稿.ppt

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1、第一节晶体中的点缺陷第1页，共23页，编辑于2022年，星期一虽然晶体中存在缺陷，但从虽然晶体中存在缺陷，但从总体上总体上看，看，还是还是较完整较完整的。的。偏离平衡位置的原子，排列并不是杂乱偏离平衡位置的原子，排列并不是杂乱无章的，仍按无章的，仍按一定的规律一定的规律产生、发展、运动产生、发展、运动和交互作用。和交互作用。晶体缺陷晶体缺陷对晶体的许多性能有很大的影对晶体的许多性能有很大的影响，特别是对响，特别是对塑性塑性、强度强度、扩散扩散等有着决定等有着决定作用。作用。第2页，共23页，编辑于2022年，星期一第一节第一节点缺陷点缺陷一、点缺陷的形成、分类一、点缺陷的形成、分类形成原因形成

2、原因：原子热振动的：原子热振动的能量起伏能量起伏，使少，使少数原子的振动数原子的振动能量在某瞬间很大能量在某瞬间很大，大到可以，大到可以克克服周围原子对它的束缚服周围原子对它的束缚，该原子就可，该原子就可离开其平离开其平衡位置衡位置，形成点缺陷。，形成点缺陷。第3页，共23页，编辑于2022年，星期一分类分类：空位空位：晶体内部的原子离开其平衡位置后：晶体内部的原子离开其平衡位置后,留下的留下的原子尺度的空洞原子尺度的空洞。间隙原子间隙原子：进入晶体：进入晶体点阵间隙点阵间隙的原子。的原子。自间隙原子自间隙原子：由：由同类同类原子形成的间隙原子。原子形成的间隙原子。异类间隙原子异类间隙原子：由

3、：由外来杂质外来杂质原子形成的间隙原子形成的间隙原子。原子。置换原子置换原子：占据原来基体原子平衡位置的：占据原来基体原子平衡位置的异异类原子类原子。置换原子与基体原子半径总有差异，也是一置换原子与基体原子半径总有差异，也是一类点缺陷。类点缺陷。第4页，共23页，编辑于2022年，星期一第5页，共23页，编辑于2022年，星期一肖脱基缺陷肖脱基缺陷：离位原子迁移到晶体的：离位原子迁移到晶体的外表面或外表面或内界面内界面，而形成的，而形成的空位空位。肖脱基缺陷肖脱基缺陷第6页，共23页，编辑于2022年，星期一 弗兰克缺陷弗兰克缺陷弗兰克缺陷弗兰克缺陷：离位原子：离位原子跳入晶体点阵间隙跳入晶体

4、点阵间隙中中，形成一个，形成一个空位空位的同时，还形成了一个的同时，还形成了一个间隙间隙原子原子。第7页，共23页，编辑于2022年，星期一点缺陷存在的点缺陷存在的结果结果：使周围原子间的作用：使周围原子间的作用力失去平衡，力失去平衡，原子将重新调整位置，点阵产生原子将重新调整位置，点阵产生局部的弹性畸变局部的弹性畸变，形成应力场形成应力场。如：空位周围的原子向空位处偏移，间隙如：空位周围的原子向空位处偏移，间隙原子周围的原子则向外偏移。原子周围的原子则向外偏移。空位引起的畸变较间隙原子小。空位引起的畸变较间隙原子小。第8页，共23页，编辑于2022年，星期一第9页，共23页，编辑于2022年

5、，星期一二、点缺陷的形成能二、点缺陷的形成能点阵畸变点阵畸变，意味着原子离开了平衡位置，故，意味着原子离开了平衡位置，故晶体晶体内能必然升高内能必然升高。通常把这部分增加的能量称为点缺。通常把这部分增加的能量称为点缺陷形成能。即：陷形成能。即：点缺陷形成能点缺陷形成能：形成点缺陷所引起的晶体：形成点缺陷所引起的晶体能量的能量的增量增量。它包括它包括畸变能畸变能和和电子能电子能（缺陷对晶体中电子状态（缺陷对晶体中电子状态有影响）。有影响）。空位形成能空位形成能中，中，电子能为主电子能为主，畸变能只占很小，畸变能只占很小比例。比例。间隙原子形成能间隙原子形成能中，中，弹性畸变能为主弹性畸变能为主。

6、第10页，共23页，编辑于2022年，星期一实测的一些金属的空位形成能实测的一些金属的空位形成能Ev。金属金属 Au Ag Cu Pt Al W Pb Ev(ev)0.94 1.06 1.06 1.50 0.75 3.50 0.50间隙原子引起的畸变较空位大的多间隙原子引起的畸变较空位大的多，间隙，间隙原子的形成能较空位形成能大几倍。原子的形成能较空位形成能大几倍。Cu晶体的间隙原子形成能约晶体的间隙原子形成能约3.00ev，是其是其空位形成能的空位形成能的2.83倍。倍。第11页，共23页，编辑于2022年，星期一三、点缺陷的平衡浓度三、点缺陷的平衡浓度点缺陷是点缺陷是热力学稳定的缺陷热力学

7、稳定的缺陷，可以在热力，可以在热力学平衡的晶体中存在。学平衡的晶体中存在。在一定温度下，晶体中总有一定在一定温度下，晶体中总有一定平衡浓度平衡浓度的空位和间隙原子存在的空位和间隙原子存在。第12页，共23页，编辑于2022年，星期一在在T温度下，空位和间隙原子的平衡浓度分别为：温度下，空位和间隙原子的平衡浓度分别为：（2-1）（2-2）ne、ne 平衡空位和平衡间隙原子的数目；平衡空位和平衡间隙原子的数目；N 阵点总数；阵点总数；k 玻尔兹曼常数。玻尔兹曼常数。EV、EV 空位形成能和间隙原子形成能；空位形成能和间隙原子形成能；Sv、Sv 相应的振动熵变化。相应的振动熵变化。A、A 由振动熵决

8、定的系数，其值约在由振动熵决定的系数，其值约在110之间，之间，方便计算时可取方便计算时可取A=1；第13页，共23页，编辑于2022年，星期一空位和间隙原子的空位和间隙原子的平衡浓度随温度升高呈平衡浓度随温度升高呈指数关系急剧增加指数关系急剧增加。例：例：Cu在在22时，时，C=2109个个/m3，1000时，时，C=51024个个/m3，相差，相差15个数个数量级。量级。第14页，共23页，编辑于2022年，星期一1 eV=1.602 10-19J第15页，共23页，编辑于2022年，星期一(2d)2=a2+a2 2a2=4d2a=2d 晶胞体积晶胞体积a3，晶胞内的原子数，晶胞内的原子数

9、4体积体积L3中的空位数中的空位数=1/88=1，单位体积内的空位数为，单位体积内的空位数为 1/L3=nv，L3=1/nvfcc第16页，共23页，编辑于2022年，星期一四、过饱和空位四、过饱和空位过饱和空位过饱和空位：晶体中数量：晶体中数量超过了其平超过了其平衡浓度的空位衡浓度的空位。过饱和空位将对晶体的性能产生影响。过饱和空位将对晶体的性能产生影响。产生过饱和空位的方法：产生过饱和空位的方法：v高温淬火高温淬火v冷加工冷加工v辐照辐照第17页，共23页，编辑于2022年，星期一五、点缺陷的运动五、点缺陷的运动空位在晶体中的分布是一个动态平衡，其不断地与周围空位在晶体中的分布是一个动态平

10、衡，其不断地与周围原子交换位置。原子交换位置。例如：例如：空位周围的原子空位周围的原子，由于热振动的能量起伏，而获，由于热振动的能量起伏，而获得足够的能量得足够的能量跳入空位跳入空位，并占据这个平衡位置，在这个原子原，并占据这个平衡位置，在这个原子原来的位置上，就形成一个空位。来的位置上，就形成一个空位。这一过程可看成是这一过程可看成是空位向邻近阵点位置的迁移空位向邻近阵点位置的迁移。空位的移动空位的移动第18页，共23页，编辑于2022年，星期一空位迁移能空位迁移能：空位迁移必须获得的能量：空位迁移必须获得的能量Em。可通过实验方法测定。例如：可通过实验方法测定。例如：金属金属 Au AgC

11、uAlPtW Em(ev)0.870.810.940.620.751.87空位的迁移频率：空位的迁移频率：j=Zexp(Sm/k)exp(-Em/kT)原子振动频率，原子振动频率，Z空位周围原子配位数，空位周围原子配位数，Sm空位空位 迁移熵，迁移熵，Em空位迁移能。空位迁移能。同理，由于热振动，晶体中的间隙原子也可以由一个同理，由于热振动，晶体中的间隙原子也可以由一个间隙位置迁移到另一个间隙位置。间隙位置迁移到另一个间隙位置。第19页，共23页，编辑于2022年，星期一六、点缺陷对晶体性能的影响六、点缺陷对晶体性能的影响1、点缺陷、点缺陷引起电阻的增加引起电阻的增加。点缺陷区对传导电子产生强

12、烈的散射，使电阻增大。点缺陷区对传导电子产生强烈的散射，使电阻增大。如铜中每增加如铜中每增加1%(原子原子)的空位，电阻率增加约为的空位，电阻率增加约为1.5m。2、点缺陷的存在、点缺陷的存在使晶体体积膨胀，密度减小使晶体体积膨胀，密度减小。形成一个肖脱基缺陷，体积膨胀约形成一个肖脱基缺陷，体积膨胀约0.5个原子体积。个原子体积。形成一个弗兰克缺陷，体积膨胀约形成一个弗兰克缺陷，体积膨胀约12个原子体积。个原子体积。第20页，共23页，编辑于2022年，星期一3、过饱和过饱和点缺陷点缺陷提高金属的屈服强度提高金属的屈服强度。4、空位、空位对高温下进行的过程起重要作用对高温下进行的过程起重要作用

13、。如金属的扩散、高温塑性变形和断裂、退火、如金属的扩散、高温塑性变形和断裂、退火、沉淀、表面化学热处理等过程，都与空位的存沉淀、表面化学热处理等过程，都与空位的存在和运动有着密切的联系。在和运动有着密切的联系。5、点缺陷还对内耗、介电常数等有影响。、点缺陷还对内耗、介电常数等有影响。第21页，共23页，编辑于2022年，星期一小结小结1、空位是热力学稳定的缺陷。空位是热力学稳定的缺陷。2 2、不同金属空位形成能不同。、不同金属空位形成能不同。3 3、空位浓度与空位形成能、温度密切相关、空位浓度与空位形成能、温度密切相关4 4、空位对金属的物理及力学性能有明显影响、空位对金属的物理及力学性能有明显影响5 5、空位对材料的高温蠕变、沉淀、回复、表面氧化、空位对材料的高温蠕变、沉淀、回复、表面氧化、烧结有重要影响烧结有重要影响第22页，共23页，编辑于2022年，星期一面心立方面心立方晶胞晶胞晶格常数：晶格常数：a=b=ca=b=c；=90=90 晶胞原子数：晶胞原子数：原子半径：原子半径：配位数配位数：1212致密度：致密度：0.740.74XYZabc密排方向第23页，共23页，编辑于2022年，星期一