材料科学基础课件第三章 晶体缺陷
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《晶体缺陷》课件
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热稳定性
晶体缺陷可能影响材料在高温下的稳 定性,降低其使用温度范围。
比热容
晶体缺陷可能影响比热容,改变材料 吸收和释放热量的能力。
光学性能的影响
折射率与双折射
光吸收与散射
晶体缺陷可能导致折射率变化和双折射现 象,影响光学性能。
晶体缺陷可能导致光吸收增强或光散射增 加,改变光学透射和反射特性。
荧光与磷光
热电效应
某些晶体缺陷可能导致热电效应增强,影响 热电转换效率。
介电常数
晶体缺陷可能影响介电常数,改变电场分布 和电容。
电阻温度系数
晶体缺陷可能影响电阻温度系数,改变温度 对电阻的影响。
热学性能的影响
热导率变化
晶体缺陷可能降低材料的热导率,影 响热量传递和散热性能。
热膨胀系数
晶体缺陷可能影响热膨胀系数,影响 材料在温度变化下的尺寸稳定性。
。
韧性下降
晶体缺陷可能导致材料韧性下 降,使其在受到外力时更容易
脆裂。
疲劳性能
晶体缺陷可能影响材料的疲劳 性能,降低其循环载荷承受能
力。
强度与延展性
晶体缺陷可能影响材料的强度 和延展性,从而影响其承载能
力和塑性变形能力。
电学性能的影响
导电性变化
晶体缺陷可能改变材料的导电性,影响其在 电子设备中的应用。
传感器
基于晶体缺陷的原理,可以设计新型传感器,如压力传感 器、温度传感器和气体传感器等,以提高传感器的灵敏度 和稳定性。
在新能源领域中的应用
太阳能电池
在太阳能电池中,可以利用晶体 缺陷来提高光吸收效率和载流子 的收集效率,从而提高太阳能电
池的光电转换效率。
燃料电池
在燃料电池中,可以利用晶体缺陷 来改善电极的催化活性和耐久性, 从而提高燃料电池的性能和稳定性 。
上海交通大学 材料科学基础第三章 晶体缺陷ppt课件
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ppt课件 23
混合位错
混合位错:滑移矢量既不平行业不垂直于位错线, 而是与位 错线相交成任意角度。 一般混合位错为曲线形式, 故每一点的滑移矢量 式相同的, 但其与位错线的交角却不同。 ppt课件
24
各种位错的柏氏矢量
ppt课件
25
柏氏矢量的物理意义
1。反映位错周围点阵畸变的总积累(包括强度 和取向) 2。 该矢量的方向表示位错运动导致晶体滑移 的方向, 而该矢量的模表示畸变的程度称为位 错的强度。 (strength of dislocation)
ppt课件
G tm 0.1G 2
13
t m 0.01 0.1G
计算中的假设
• 1。完整晶体,没有缺陷 • 2。整体滑动 • 3。正弦曲线(0.01-0.1G)
问题出在假设1和2上!应是局部滑移!
日常生活和大自然的启示=〉
ppt课件 14
有缺陷晶体的局部滑动
小宝移大毯!
毛毛虫的蠕动
面缺陷 (plane defect) 在一个方向上尺寸很小
ppt课件 二维缺陷 (two-dimensional defect) 3
课程安排
点缺陷 课 程 安 排 (第1周)
位错几何 (第1、2周)
位错力学
(第2周)
位错运动、实际晶体中的位错(第3、4周) 表面与界面 (第4、5周) 课堂讨论 (第5周)
Ee e W
Ees
m e
R
r
x z dr t dx
0 r r
b
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b
0
Gx Gb 2 R zdr x dx ln 2 1 4 1 r0
Gb R ln 4 r0
e e s e
混合位错
混合位错:滑移矢量既不平行业不垂直于位错线, 而是与位 错线相交成任意角度。 一般混合位错为曲线形式, 故每一点的滑移矢量 式相同的, 但其与位错线的交角却不同。 ppt课件
24
各种位错的柏氏矢量
ppt课件
25
柏氏矢量的物理意义
1。反映位错周围点阵畸变的总积累(包括强度 和取向) 2。 该矢量的方向表示位错运动导致晶体滑移 的方向, 而该矢量的模表示畸变的程度称为位 错的强度。 (strength of dislocation)
ppt课件
G tm 0.1G 2
13
t m 0.01 0.1G
计算中的假设
• 1。完整晶体,没有缺陷 • 2。整体滑动 • 3。正弦曲线(0.01-0.1G)
问题出在假设1和2上!应是局部滑移!
日常生活和大自然的启示=〉
ppt课件 14
有缺陷晶体的局部滑动
小宝移大毯!
毛毛虫的蠕动
面缺陷 (plane defect) 在一个方向上尺寸很小
ppt课件 二维缺陷 (two-dimensional defect) 3
课程安排
点缺陷 课 程 安 排 (第1周)
位错几何 (第1、2周)
位错力学
(第2周)
位错运动、实际晶体中的位错(第3、4周) 表面与界面 (第4、5周) 课堂讨论 (第5周)
Ee e W
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《材料科学基础》 第03章 晶体缺陷
![《材料科学基础》 第03章 晶体缺陷](https://img.taocdn.com/s3/m/479ea6faaef8941ea76e059e.png)
第三节 位错的基本概念
三、位错的运动
刃位错的攀移运动:刃型位错在垂直于滑移面方向上的运动。 刃位错发生攀移运动时相当于半原子面的伸长或缩短,通常把 半原子面缩短称为正攀移,反之为负攀移。 滑移时不涉及单个原子迁移,即扩散。刃型位错发生正攀 移将有原子多余,大部分是由于晶体中空位运动到位错线上的 结果,从而会造成空位的消失;而负攀移则需要外来原子,无 外来原子将在晶体中产生新的空位。空位的迁移速度随温度的 升高而加快,因此刃型位错的攀移一般发生在温度较高时;另 外,温度的变化将引起晶体的平衡空位浓度的变化,这种空位 的变化往往和刃位错的攀移相关。切应力对刃位错的攀移是无 效的,正应力的存在有助于攀移(压应力有助正攀移,拉应力 有助负攀移),但对攀移的总体作用甚小。
第一节 材料的实际晶体结构
二、晶体中的缺陷概论
晶体缺陷按范围分类:
1. 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。
2. 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 。
说明:这是一个并不十分准确的定义方法。柏氏矢量的方向与位错线方向的定义有关,应该首 先定义位错线的方向,再依据位错线的方向来定柏氏回路的方向,再确定柏氏矢量的方 向。在专门的位错理论中还会纠正。
第三节 位错的基本概念
二、柏氏矢量
柏氏矢量与位错类型的关系:
刃型位错 柏氏矢量与位错线相互垂直。(依方向关系可 分正刃和负刃型位错) 螺型位错 柏氏矢量与位错线相互平行。(依方向关系可 分左螺和右螺型位错) 混合位错 柏氏矢量与位错线的夹角非0或90度。
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。
无机材料科学基础 第三章晶体结构缺陷
![无机材料科学基础 第三章晶体结构缺陷](https://img.taocdn.com/s3/m/439eaa652e3f5727a5e962d7.png)
2、造成晶体结构缺陷的原因:
实际晶体温度总是高于绝对零度(热缺陷) 实际晶体总是有限大小(表面/界面缺陷) 实际晶体总是含有或多或少的杂质(外来缺陷)
缺陷就是对于理想晶体结构的偏离
第三章晶体结构缺陷一
3、缺陷对于晶体的影响
影响晶体的电学以及力学性能 影响晶体内部质点的扩散 影响晶体的烧结和化学反应活性 形成非化学计量物质,改变材料的物理化学性能
杂质原子(掺杂原子)其量一般小于0.1%,进入主晶格后,因杂 质原子和原有的原子性质不伺,故它不仅破坏了原子有规则的 排列,而且在杂质原子周围的周期势场引起改变,因此形成一 种缺陷。
特点: A 杂质原子又可分为间隙杂质原子及置换杂质原子两种。前者
是杂质原子进入固有原子点阵的间隙中;后者是杂质原子替代 了固有原子。杂质原子在晶格中随机分布,不形成特定的结构。 B 晶体中杂质原子含量在未超过其固溶度时,杂质缺陷的浓度 与温度无关,这与热缺陷是不同的。
点缺陷的名称→
□←点缺陷所带的 有效电荷
× 中性 ● 正电荷
' 负电荷
○←点缺陷在晶体中占的位置
第三章晶体结构缺陷二
( X原1)子空空位位:。用VM和Vx分别表示M原子空位和
(2)填隙原子:用Mi和Xi表示。 (3)错放位置:Mx表示M原子错放在X位置。 (4)溶质原子: LM表示L溶质处在M位置。 (5)自由电子及电子空穴:有些电子不一定
(1)弗伦克尔缺陷: 弗伦克尔缺陷可以看作是正常格点 离子和间隙位置反应生成间隙离子和空位的过程。
正常格点离子+未被占据的间隙位置〓间隙离子+空位
第三章晶体结构缺陷二
•例如在AgBr中,弗伦克尔缺陷的生成可写成:AgAg+Vi=Agi´+VAg · •由质量作用定律,
实际晶体温度总是高于绝对零度(热缺陷) 实际晶体总是有限大小(表面/界面缺陷) 实际晶体总是含有或多或少的杂质(外来缺陷)
缺陷就是对于理想晶体结构的偏离
第三章晶体结构缺陷一
3、缺陷对于晶体的影响
影响晶体的电学以及力学性能 影响晶体内部质点的扩散 影响晶体的烧结和化学反应活性 形成非化学计量物质,改变材料的物理化学性能
杂质原子(掺杂原子)其量一般小于0.1%,进入主晶格后,因杂 质原子和原有的原子性质不伺,故它不仅破坏了原子有规则的 排列,而且在杂质原子周围的周期势场引起改变,因此形成一 种缺陷。
特点: A 杂质原子又可分为间隙杂质原子及置换杂质原子两种。前者
是杂质原子进入固有原子点阵的间隙中;后者是杂质原子替代 了固有原子。杂质原子在晶格中随机分布,不形成特定的结构。 B 晶体中杂质原子含量在未超过其固溶度时,杂质缺陷的浓度 与温度无关,这与热缺陷是不同的。
点缺陷的名称→
□←点缺陷所带的 有效电荷
× 中性 ● 正电荷
' 负电荷
○←点缺陷在晶体中占的位置
第三章晶体结构缺陷二
( X原1)子空空位位:。用VM和Vx分别表示M原子空位和
(2)填隙原子:用Mi和Xi表示。 (3)错放位置:Mx表示M原子错放在X位置。 (4)溶质原子: LM表示L溶质处在M位置。 (5)自由电子及电子空穴:有些电子不一定
(1)弗伦克尔缺陷: 弗伦克尔缺陷可以看作是正常格点 离子和间隙位置反应生成间隙离子和空位的过程。
正常格点离子+未被占据的间隙位置〓间隙离子+空位
第三章晶体结构缺陷二
•例如在AgBr中,弗伦克尔缺陷的生成可写成:AgAg+Vi=Agi´+VAg · •由质量作用定律,
3.1晶体结构缺陷的类型——材料科学基础课件PPT
![3.1晶体结构缺陷的类型——材料科学基础课件PPT](https://img.taocdn.com/s3/m/ba7f0e5b856a561253d36f0e.png)
对高分子聚合物的影响:可改变高分子聚合物的结构,链会断 裂,聚合度降低,导致高分子聚合物强度降低。
五、辐照缺陷:材料在辐照下所产生的结构不完整性,如:色 心、位错环等;
对金属的影响:高能辐照可把原子从正常格点位置撞击出来, 产生间隙原子和空位; 降低金属的导电性并使材料由韧变硬变脆,退火可排除损失。
对非金属晶体的影响:在非金属晶体中,由于电子激发态可以 局域化且能保持很长的时间,所以电离辐照会使晶体严重损伤, 产生大量的点缺陷。 不改变力学性质,但导热性和光学性质可能变坏。
如:空位、间隙质点、杂质质点。除此以外,还有空位,间 隙质点以及这几类缺陷的复合体等均属于这一类。
点缺陷与材料的电学性质、光学性质、材料的高温动力学过 程有关。
二、线缺陷: 其特征是缺陷在两个方向上尺寸很小(与点 缺陷相似),而第三方向上的尺寸却很大,甚者可以贯穿 整个晶体,也称之为一维缺陷
属于这一类的主要是位错。
三、非化学计量缺陷:指组成上偏离化学中的定比定律所形 成的缺陷。 由基质晶体与介质中的某些组分发生交换而产生。 特征:其化学组成随周围气氛的性质及其分压大小而改变。 如:Fe1-xO、Zn1+xO,半导体材料
四、电荷缺陷:指质点排列的周期性未受到破坏,但因电子 或孔穴的产生使周期性势场发生畸变而产生缺陷。 包括:导带电子和价带空穴
(b)单质中肖特基缺陷的 形成 离子晶体特点:正负离子空 位成对出现
二、杂质缺陷:组成缺陷,由外来杂质的引入而产生的缺陷 特征:当杂质的浓度在固溶体的溶解度范围之内时,杂志缺 陷的浓度与温度无关。 如:红宝石激光器,含Cr的Al2O3 微量杂质缺陷的存在,将极大地改善基质晶体的物理性质。
取代式
间隙式
本章目录:
3.1 晶体结构缺陷的类型 3.2 点缺陷 3.3 线缺陷 3.4 面缺陷 3.5 固溶体 3.6 非化学计量化合物
五、辐照缺陷:材料在辐照下所产生的结构不完整性,如:色 心、位错环等;
对金属的影响:高能辐照可把原子从正常格点位置撞击出来, 产生间隙原子和空位; 降低金属的导电性并使材料由韧变硬变脆,退火可排除损失。
对非金属晶体的影响:在非金属晶体中,由于电子激发态可以 局域化且能保持很长的时间,所以电离辐照会使晶体严重损伤, 产生大量的点缺陷。 不改变力学性质,但导热性和光学性质可能变坏。
如:空位、间隙质点、杂质质点。除此以外,还有空位,间 隙质点以及这几类缺陷的复合体等均属于这一类。
点缺陷与材料的电学性质、光学性质、材料的高温动力学过 程有关。
二、线缺陷: 其特征是缺陷在两个方向上尺寸很小(与点 缺陷相似),而第三方向上的尺寸却很大,甚者可以贯穿 整个晶体,也称之为一维缺陷
属于这一类的主要是位错。
三、非化学计量缺陷:指组成上偏离化学中的定比定律所形 成的缺陷。 由基质晶体与介质中的某些组分发生交换而产生。 特征:其化学组成随周围气氛的性质及其分压大小而改变。 如:Fe1-xO、Zn1+xO,半导体材料
四、电荷缺陷:指质点排列的周期性未受到破坏,但因电子 或孔穴的产生使周期性势场发生畸变而产生缺陷。 包括:导带电子和价带空穴
(b)单质中肖特基缺陷的 形成 离子晶体特点:正负离子空 位成对出现
二、杂质缺陷:组成缺陷,由外来杂质的引入而产生的缺陷 特征:当杂质的浓度在固溶体的溶解度范围之内时,杂志缺 陷的浓度与温度无关。 如:红宝石激光器,含Cr的Al2O3 微量杂质缺陷的存在,将极大地改善基质晶体的物理性质。
取代式
间隙式
本章目录:
3.1 晶体结构缺陷的类型 3.2 点缺陷 3.3 线缺陷 3.4 面缺陷 3.5 固溶体 3.6 非化学计量化合物
材料科学基础课件-ch3 晶体缺陷
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式中Qf=NAEv为形成1摩尔空位所需作的功,单位为J/mol;R=kNA为气体常数
(8.31J/mol·K)
点缺陷
间隙原子的平衡浓度为:
C′
=
n′ N′
=
A exp( − E ′v
/ kT )
式中N′为晶体中间隙位置总数;n' 为间隙原子数;E′v为形成一个间隙原子
所需的能量
在一般的晶体中间隙原子的形成能E′v较大(约为空位形成能Ev的3~4 倍)。因此,在同一温度下,晶体中间隙原子的平衡浓度C′ 要比空位的平衡 浓度C低得多。因此,在通常情况下,相对于空位,间隙原子可以忽略不计;但
1956年Menter 直接在电镜观察了铂钛花青晶体中位错的存在,Hirsch等应 用相衬法在电镜观察到位错的运动,位错理论就在更坚实的基础上发展了。
近几十年,随着实验设备和计算机的发展,研究位错核心的组态以及在复 杂结构中的位错方面取得很多很有成效的结果。
位错
位错的基本类型和特征
从位错的几何结构来看,可将它们分为两种基本类型,即刃型位错和螺型 位错。 1.刃型位错 刃型位错结构的特点:
Taylor注意到这种实验现象,根据设想的位错排列形状,计算了位错运动所产生 的晶体硬化曲线。
1939 年Burgers 提出描述位错的一个重要特征量提出描述位错的一个重要特征 量-柏氏矢量,同时引入了螺位错。
1940 年Peierls提出后来在1947年由Nabarro修正的位错点阵模型,它突破了一 般弹性力学范围,提出了位错宽度的概念,估算了位错开动的应力,这一应力正 是和实际晶体屈服应力的同一数量级
刃位错 螺位错
垂直 平行
混合位错
一定角度
畸变应力场
主要是正应力 纯剪应力 复杂
(8.31J/mol·K)
点缺陷
间隙原子的平衡浓度为:
C′
=
n′ N′
=
A exp( − E ′v
/ kT )
式中N′为晶体中间隙位置总数;n' 为间隙原子数;E′v为形成一个间隙原子
所需的能量
在一般的晶体中间隙原子的形成能E′v较大(约为空位形成能Ev的3~4 倍)。因此,在同一温度下,晶体中间隙原子的平衡浓度C′ 要比空位的平衡 浓度C低得多。因此,在通常情况下,相对于空位,间隙原子可以忽略不计;但
1956年Menter 直接在电镜观察了铂钛花青晶体中位错的存在,Hirsch等应 用相衬法在电镜观察到位错的运动,位错理论就在更坚实的基础上发展了。
近几十年,随着实验设备和计算机的发展,研究位错核心的组态以及在复 杂结构中的位错方面取得很多很有成效的结果。
位错
位错的基本类型和特征
从位错的几何结构来看,可将它们分为两种基本类型,即刃型位错和螺型 位错。 1.刃型位错 刃型位错结构的特点:
Taylor注意到这种实验现象,根据设想的位错排列形状,计算了位错运动所产生 的晶体硬化曲线。
1939 年Burgers 提出描述位错的一个重要特征量提出描述位错的一个重要特征 量-柏氏矢量,同时引入了螺位错。
1940 年Peierls提出后来在1947年由Nabarro修正的位错点阵模型,它突破了一 般弹性力学范围,提出了位错宽度的概念,估算了位错开动的应力,这一应力正 是和实际晶体屈服应力的同一数量级
刃位错 螺位错
垂直 平行
混合位错
一定角度
畸变应力场
主要是正应力 纯剪应力 复杂
材料科学基础课件第三章晶体缺陷
![材料科学基础课件第三章晶体缺陷](https://img.taocdn.com/s3/m/81cabffd64ce0508763231126edb6f1aff0071ac.png)
虽然从几何图象上,我们已经认识了诸 如空位、间隙原子等点缺陷。那么,你能 回答下面的问题吗?
(1)点缺陷形成的物理本质是什么? (2)点缺陷形成的驱动力来自何处? 下面将对这些内容进行阐述。
点缺陷形成最重要的环节是原子的振动。
在第二章的学习中我们已经知道:晶体中 的原子在其所处的原子相互作用环境中受 到两种作用力:
第一节 概 述
一、缺陷(Defect)的概念 大多数固体是晶体,晶体正是以其特殊的构
型被人们最早认识。因此目前(至少在20世纪80年 代以前)人们理解的“固体物理”主要是指晶体。 当然这也是因为客观上晶体的理论相对成熟。在 晶体理论发展中,空间点阵的概念非常重要。
空间点阵中,用几何上规则的点来描述晶体 中的原子排列,并连成格子,这些点被称为格点, 格子被称为点阵,这就是空间点阵的基本思想, 它是对晶体原子排列的抽象。空间点阵在晶体学 理论的发展中起到了重要作用。可以说,它是晶 体学理论的基础。现代的晶体理论基于晶体具有 宏观平移对称性,并因此发展了空间点阵学说。
考虑一具有 N 个点阵位置的晶体,形成 n 个 空位后,系统的自由能的变化为:
F = nEv-TS S = Sc + nSv
(3-201) (3-202)
下面考虑组态熵的计算。热力学上有:
Sc = klnΩ
(3-203)
其中,k 为玻尔兹曼常数,k = 1.38 ×1023J/K;Ω为系统的微观状态数目。对于我们考虑 的体系,n 个空位形成后,整个晶体将包含 N+n 个点阵位置。N 个原子和 n 个点阵位置上的排列 方式为(N +n)! ,但由于N 个原子的等同性和 n 个 空位的等同性,最后可以识别的微观状态数为:
当这对矛盾达到统一时,系统就达到平衡。 因为系统都具有最小自由能的倾向,由此确定的 点缺陷浓度即为该温度下的平衡浓度。
(1)点缺陷形成的物理本质是什么? (2)点缺陷形成的驱动力来自何处? 下面将对这些内容进行阐述。
点缺陷形成最重要的环节是原子的振动。
在第二章的学习中我们已经知道:晶体中 的原子在其所处的原子相互作用环境中受 到两种作用力:
第一节 概 述
一、缺陷(Defect)的概念 大多数固体是晶体,晶体正是以其特殊的构
型被人们最早认识。因此目前(至少在20世纪80年 代以前)人们理解的“固体物理”主要是指晶体。 当然这也是因为客观上晶体的理论相对成熟。在 晶体理论发展中,空间点阵的概念非常重要。
空间点阵中,用几何上规则的点来描述晶体 中的原子排列,并连成格子,这些点被称为格点, 格子被称为点阵,这就是空间点阵的基本思想, 它是对晶体原子排列的抽象。空间点阵在晶体学 理论的发展中起到了重要作用。可以说,它是晶 体学理论的基础。现代的晶体理论基于晶体具有 宏观平移对称性,并因此发展了空间点阵学说。
考虑一具有 N 个点阵位置的晶体,形成 n 个 空位后,系统的自由能的变化为:
F = nEv-TS S = Sc + nSv
(3-201) (3-202)
下面考虑组态熵的计算。热力学上有:
Sc = klnΩ
(3-203)
其中,k 为玻尔兹曼常数,k = 1.38 ×1023J/K;Ω为系统的微观状态数目。对于我们考虑 的体系,n 个空位形成后,整个晶体将包含 N+n 个点阵位置。N 个原子和 n 个点阵位置上的排列 方式为(N +n)! ,但由于N 个原子的等同性和 n 个 空位的等同性,最后可以识别的微观状态数为:
当这对矛盾达到统一时,系统就达到平衡。 因为系统都具有最小自由能的倾向,由此确定的 点缺陷浓度即为该温度下的平衡浓度。
苏州大学-材料科学基础-3:晶体结构缺陷PPT课件
![苏州大学-材料科学基础-3:晶体结构缺陷PPT课件](https://img.taocdn.com/s3/m/c68615f7af45b307e97197c0.png)
3.2 点缺陷的符号表征、反应方程式
1. 常用缺陷表示方法:
Az b
用一个主要符号表明缺陷的种类 用一个下标表示缺陷位置 用一个上标表示缺陷的有效电荷
如“ . ”表示有效正电荷; “ / ”表示有效负电荷;
“×”表示有效零电荷。
用MX离子晶体为例( M2+ ;X2-): (1)空位: VM 表示M原子占有的位置,在M原子移走后出现的空位; VX 表示X原子占有的位置,在X原子移走后出现的空位。
CaCl2
NaCl
Ca
• Na
Cli'
ClCl
⑶ NaCl形成肖特基缺陷;
0 VN•a VC•l
⑷ AgI形成弗伦克尔缺陷( Ag 进入间隙)。
0
Ag
• i
VA' g
3.2.3 热缺陷浓度的计算
在离子晶体中,可以把每种缺陷看作化学物质来处理,这 样,材料中的缺陷及其浓度就可以和一般的化学反应一样,用 热力学数据来描述,质量作用定律也适用于缺陷反应。
2. 高价正离子占据低价正离子位置时,该位置带有正电荷, 为了保持电中性,会产生正离子空位或间隙负离子。
练习 写出下列缺陷反应式:
(1) MgCl2固溶在LiCl晶体中(产生正离子空位,生成置换型SS)
MgCl2 (S)
LiCl
Mg
•. Li
VLi
2ClCl
(2) SrO固溶在Li2O晶体中(产生正离子空位,生成置换型SS)
Sr O(S ) Li2O Sr •. V O
Li
Li
O
(3) Al2O3固溶在MgO晶体中(产生正离子空位,生成置换型SS)
Al
O2 3
(
S
材料科学基础 第三章_晶体缺陷资料
![材料科学基础 第三章_晶体缺陷资料](https://img.taocdn.com/s3/m/34a26ee0aa00b52acfc7ca90.png)
特征:
1)有一额外原子面, 刃口处的原子列称为位错线。半原 子面在上,正刃型位错 ┻ ; 下为负刃型位错 ┳ 2)刃位错的位错线不一定是直线, 可以是折线, 也可以 是曲线, 但位错线必与滑移矢量垂直。 3)位错线垂直于滑移矢量,位错线与滑移矢量构成的面是 滑移面, 刃位错的滑移面是唯一的。 4)刃型位错周围的晶体产生畸变,上压, 下拉, 半原子 面是对称的, 位错线附近畸变大, 远处畸变小。 5)位错周围的畸变区一般只有几个原子宽(一般点阵畸变 程度大于其正常原子间距的1/4的区域宽度, 定义为位错 宽度, 约2~5个原子间距。) * 畸变区是狭长的管道, 故位错可看成是线缺陷。
线缺陷 (line defect) 在二个方向尺寸均很小
一维缺陷 (one-dimensional defect) 面缺陷 (plane defect) 在一个方向上尺寸很小 二维缺陷 (two-dimensional defect)
《材料科学基础》CAI课件-李克 3
3.1 点缺陷
• 点缺陷:空位、间隙原子、溶质原子、和杂质原子、 +复合体(如:空位对、空位-溶质原子对)
2019/3/7 《材料科学基础》CAI课件-李克 12
混合位错
滑移矢量既不平行也 不垂直于位错线, 而 是与位错线相交成任 意角度,一般混合位 错为曲线形式, 故每 一点的滑移矢量与位 错线的交角不同。 位错线不能终止于晶体内 部,只能露头于晶体表面
《材料科学基础》CAI课件-李克
2019/3/7
2019/3/7 《材料科学基础》CAI课件-李克 14
各种位错的柏氏矢量
2019/3/7
《材料科学基础》CAI课件-李克
15
2、柏氏矢量的物理意义
1、反映位错周围点阵畸变的总积累(包括强度和方向)
1)有一额外原子面, 刃口处的原子列称为位错线。半原 子面在上,正刃型位错 ┻ ; 下为负刃型位错 ┳ 2)刃位错的位错线不一定是直线, 可以是折线, 也可以 是曲线, 但位错线必与滑移矢量垂直。 3)位错线垂直于滑移矢量,位错线与滑移矢量构成的面是 滑移面, 刃位错的滑移面是唯一的。 4)刃型位错周围的晶体产生畸变,上压, 下拉, 半原子 面是对称的, 位错线附近畸变大, 远处畸变小。 5)位错周围的畸变区一般只有几个原子宽(一般点阵畸变 程度大于其正常原子间距的1/4的区域宽度, 定义为位错 宽度, 约2~5个原子间距。) * 畸变区是狭长的管道, 故位错可看成是线缺陷。
线缺陷 (line defect) 在二个方向尺寸均很小
一维缺陷 (one-dimensional defect) 面缺陷 (plane defect) 在一个方向上尺寸很小 二维缺陷 (two-dimensional defect)
《材料科学基础》CAI课件-李克 3
3.1 点缺陷
• 点缺陷:空位、间隙原子、溶质原子、和杂质原子、 +复合体(如:空位对、空位-溶质原子对)
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混合位错
滑移矢量既不平行也 不垂直于位错线, 而 是与位错线相交成任 意角度,一般混合位 错为曲线形式, 故每 一点的滑移矢量与位 错线的交角不同。 位错线不能终止于晶体内 部,只能露头于晶体表面
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2019/3/7
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各种位错的柏氏矢量
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15
2、柏氏矢量的物理意义
1、反映位错周围点阵畸变的总积累(包括强度和方向)
材料科学基础课件第三章 晶体结构缺陷第一节第二节第三节第四节第五节第六节第七节
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为中心的管道。 正刃型位错“┴”,负刃型位错“┬”。
位错:宏观看是线状,从微观看是管状 Figure 5.7
1) 棱位错(刃位错 Edge Dislocation) 位错线与滑移方向(柏格斯矢量)垂直
EF ⊥ BB’
压力、拉力
位错的结构
2、螺型位错 位错线与滑移方向平行,右螺旋位错(右手法
则),左螺旋位错(左手法则)
刃位错攀移示意图
(c)负攀移(半 原子面伸长)
位错的运动
例:如图,求(1)位错环的各边分别是什么位错? (2)如何局部滑移才能得到
这个位错环?(3)在足够大的切 应力τ作用下,位错将如何运动? 晶体如何变形?(4)在足 够大拉应力σ作用下, 位错环将如何运动?它 将变成什么形状?晶体 将如何变化?
1010~1012cm-2
第三章 晶体结构缺陷
第三节 位错的运动
位错的运动
位错运动产生晶体的范性变形,运动的难 易程度关系到晶体的强度。 运动形式:滑移和攀移 一、作用在位错上的力 位错的运动方向总是垂直于位错线。 由虚功原理导出作用在位错的假想作用力。 W1=(τLds)b,W1=Fds 由上两式推出:F=τLb,Fd=τb=F/L
第三章 晶体结构缺陷
理想晶体:绝对规则排列 实际晶体:某些区域不规则排列——晶体缺陷 缺陷类型:
(1)点缺陷:1个或几个原子间距——零维缺 陷,空位、间隙原子、置换原子等。
(2)线缺陷:一维方向上尺寸较大——一维缺 陷,位错。
(3)面缺陷:两维方向性上尺寸较大——二维 缺陷,晶体表面、晶界、相界和堆垛层错等。
错、晶界及外表面等晶体缺陷处而消失。 点缺陷运动造成的原子迁移正是扩散现象
的基础。 2、作用:
点缺陷
位错:宏观看是线状,从微观看是管状 Figure 5.7
1) 棱位错(刃位错 Edge Dislocation) 位错线与滑移方向(柏格斯矢量)垂直
EF ⊥ BB’
压力、拉力
位错的结构
2、螺型位错 位错线与滑移方向平行,右螺旋位错(右手法
则),左螺旋位错(左手法则)
刃位错攀移示意图
(c)负攀移(半 原子面伸长)
位错的运动
例:如图,求(1)位错环的各边分别是什么位错? (2)如何局部滑移才能得到
这个位错环?(3)在足够大的切 应力τ作用下,位错将如何运动? 晶体如何变形?(4)在足 够大拉应力σ作用下, 位错环将如何运动?它 将变成什么形状?晶体 将如何变化?
1010~1012cm-2
第三章 晶体结构缺陷
第三节 位错的运动
位错的运动
位错运动产生晶体的范性变形,运动的难 易程度关系到晶体的强度。 运动形式:滑移和攀移 一、作用在位错上的力 位错的运动方向总是垂直于位错线。 由虚功原理导出作用在位错的假想作用力。 W1=(τLds)b,W1=Fds 由上两式推出:F=τLb,Fd=τb=F/L
第三章 晶体结构缺陷
理想晶体:绝对规则排列 实际晶体:某些区域不规则排列——晶体缺陷 缺陷类型:
(1)点缺陷:1个或几个原子间距——零维缺 陷,空位、间隙原子、置换原子等。
(2)线缺陷:一维方向上尺寸较大——一维缺 陷,位错。
(3)面缺陷:两维方向性上尺寸较大——二维 缺陷,晶体表面、晶界、相界和堆垛层错等。
错、晶界及外表面等晶体缺陷处而消失。 点缺陷运动造成的原子迁移正是扩散现象
的基础。 2、作用:
点缺陷
材料科学基础-第三章
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其中:A由振动熵决定的系数,取1-10,通常取1。T↑--C↑ 一般晶体中,间隙原子的形成能E`v较大(约为空位形成能的 3-4倍),因此,在同一温度下,晶体中间隙原子的平衡浓度C’ 比空位的平衡浓度低得多。
Ev对C的影响
金属 种类 Pb Al Mg Au Cu Pt W
Ev
× 10-8J 0.08 0.12 0.14 0.15 0.17 0.24 0.56
形成原因:热缺陷、杂质缺陷、非化学计量缺
陷等
一、按缺陷的几何形态分类
1. 点缺陷(零维缺陷) 2. 线缺陷(一维缺陷,位错) 3. 面缺陷(二维缺陷,表面及界面)
3.1 点缺陷(零维缺陷)
缺陷尺寸处于原子大小的数量级上, 即三维方向上缺陷的尺寸都很小。 包 括 : 空 位 ( vacancy ) 、 间 隙 原 子 (interstitial particle)、异类原子(foreign particle),如图3-1所示。
(3)扩散:影响固态相变,化学热处理(chemical heat treatment)等。
过饱和点缺陷(supersaturated point defect)
在点缺陷的平衡浓度下晶体的自由能最低,系统最稳定。 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,这些点缺陷称为过饱和点缺陷. 它的产生方式有三种: 淬火(quenching)\冷加工(cold working)\辐照(radiation) 淬火: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高的空 位浓度。 冷加工: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加。 辐照:当金属受到高能粒子(中子、质子、氘核(dao,氢的 同位素之一,用于热核反应。旧称重氢)、α粒子、电子等) 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,因此还有可能发生连锁作 用,在晶体中形成大量的空位和间隙原子。
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由于(N + n)!/N!n!中各项的数目都很大 (N>>n>>1),可用斯特林(Stirling)近似公式: lnx ! = x lnx-x (x>>1时) 则有: Sc = k lnΩ= k ln[(N +n)!/N!n!] = k ln(N + n )!-kln N!-k lnn!= k (N +n )ln(N +n )- k(N +n)-kN lnN+kN -knlnn+kn = k(N +n)ln(N +n)-kN lnN -kn lnn (3-206) 将(3-206)式代入(3-201)式得: F = nEv -kT [(N +n) ln(N +n)-N lnN -nlnn]-nTSv (3-207)
第三节 位错 位错(Dislocation)是晶体中普遍存 在的线缺陷,它的特点是在一维方向的尺 寸较长,另外二维方向上尺寸很小,从宏 观看缺陷是线状的。从微观角度看,位错 是管状的。位错对晶体的生长、扩散、相 变、塑性变形、断裂等许多物理、化学性 质及力学性质都有很大影响。因此位错理 论是材料科学基础中一个重要内容。
在这个例子中,温度是使原子脱离平衡 位置的动力,是形成点缺陷的外界条件, 我们把它称之为点缺陷形成的驱动力。当 然,点缺陷形成的驱动力还可以是其他方 式,如:离子轰击、冷加工等等。值得说 明的是,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。每个原子都 有这样的可能。
第二节 点缺陷 在一般性了解缺陷的概念后,下面开 始对缺陷进行实质性的学习。最普遍、最 常见的便是这一节将要介绍的点缺陷。 一、点缺陷类型 点缺陷的种类有很多,但金属中常见 的基本点缺陷有两种类型:空位和间隙原 子。下面分别讨论。
二、点缺陷形成的物理模型 虽然从几何图象上,我们已经认识了诸 如空位、间隙原子等点缺陷。那么,你能 回答下面的问题吗? (1)点缺陷形成的物理本质是什么? (2)点缺陷形成的驱动力来自何处? 下面将对这些内容进行阐述。
由于空位的形成,内能的增加和熵变的增加 必然导致自由能随空位数的变化有一极小值。此 时,系统处于平衡状态,对应的空位浓度Cv 为平 衡空位浓度。Cv 由能量极小条件 dF/dn =0确定: dF/dn = Ev - kT ln[(N +n) / n] - TSv=0 (3-208) ln[(N + n) / n] = (Ev - TSv) / kT (3-209) 考虑到 n 远小于N ,则有: Cv = n/N = exp[-(Ev -TSv) / kT] = Aexp(-Ev / kT) (3-210) 其 中,A = exp(Sv / k),由振动熵决定,一般估计A 在1~10之间。
晶体缺陷的产生与晶体的生长条件, 晶体中原子的热运动以及对晶体的加工工 艺等有关。事实上,任何晶体即使在绝对 零度都含有缺陷,自然界中理想晶体是不 存在的。既然存在着对称性的缺陷,平移 操作不能复制全部格点,那么空间点阵的 概念似乎不能用到含有缺陷的晶体中,亦 即晶体理论的基石不再牢固。
幸运的是,缺陷的存在只是晶体中局部 的破坏。作为一种统计,一种近似,一种 几何模型,我们仍然继承这种学说。因为 缺陷存在的比例毕竟只是一个很小的量(这 指的是通常的情况)。例如20℃时,Cu的 空位浓度为3.8×10-17,充分退火后Fe中 的位错密度为1012m-2(空位、位错都是以 后要介绍的缺陷形态)。现在你对这些数 量级的概念可能难以接受,那没关系,你 只须知道这样的事实:从占有原子百分数 来说,晶体中的缺陷在数量上是微不足道 的。
一个滑移面和其面上的一个滑移方向组 成一个滑移系(Slip System)。当外界应力 达到某一临界值时,滑移系才发生滑移, 使晶体产生宏观的变形,将这个应力称之 为临界切应力。为了从理论上解释滑移现 象,弗兰克(Frenkel)从刚体模型出发,对 晶体的屈服强度进行了计算。假设晶体是 完整的简单结构,平行于滑移面的原子面 间距为 b ;该面上最密排方向上的原子间 距为 a 。平衡状态下,各原子面都处于势 能最低位置。
现在回到我们关心的内容:既然晶体已 可以认为是近乎“完整的”,那么建立缺 陷概念的意义何在?毫不夸张地说,缺陷 是晶体理论中最重要的内容之一。晶体的 生长、性能以及加工等无一不与缺陷紧密 相关。因为正是这千分之一、万分之一的 缺陷,对晶体的性能产生了不容小视的作 用。这种影响无论在微观或宏观上都具有 相当的重要性。
同理,可得到间隙原子的平衡浓度Cg: Cg = n / N = exp[-(Eg-TSg) / kT] = Aexp(-Eg / kT ) (3-211) Sg 是形成间隙原子引起的熵变;Eg 是间隙 原子的形成能。由于间隙原子的形成能 Eg 比空 位的形成能 Ev 大3~4倍。因而在同一温度下, 晶体中间隙原子的平衡浓度比空位的平衡浓度低 得多。一般情况下,相对于空位,间隙原子通常 可以忽略不计,只有在高能辐照条件下,才有可 “察觉”的数量。
三、肖脱基和弗仑克尔空位 脱离了平衡位置的原子,我们称为离位 原子。那么离位原子在晶体中可能占据的 位置有哪几种?不难想象,有如下一些情 况: (1)离位原子迁移到晶体内部原有的空 位上,此时,空位数目不发生变化。
四、点缺陷的平衡浓度 1.点缺陷平衡浓度的概念 点缺陷形成的驱动力与温度有关,对 此,我们深信不疑。在一定的温度场下, 能够使原子离位形成点缺陷,那么点缺陷 的数目会无限制增加吗?从理论上分析可 以知道:一定温度下,点缺陷的数目是一 定的,这就是点缺陷的平衡浓度。
严格地说对称性是一种数 学上的操作,它与“空间群” 的概念相联系,对它的描述不 属本课程内容。但是,从另一 个角度来理解晶体的平移对称 性对我们今后的课程是有益的。 所谓平移对称性就是指对 一空间点阵,任选一个最小基 本单元,在空间三维方向进行 平移,这个单元能够无一遗漏 的完全复制所有空间格点。考 虑二维实例,如图3-101所示。
F = nEv-TS S = Sc + nSv (3-201) (3-202)
下面考虑组态熵的计算。热力学上有: Sc = klnΩ (3-203) 其中,k 为玻尔兹曼常数,k = 1.38 ×1023J/K;Ω为系统的微观状态数目。对于我们考虑 的体系,n 个空位形成后,整个晶体将包含 N+n 个点阵位置。N 个原子和 n 个点阵位置上的排列 方式为(N +n)! ,但由于N 个原子的等同性和 n 个 空位的等同性,最后可以识别的微观状态数为: Ω = (N + n)! / N ! n! (3-204) 即有:Sc = klnΩ = kln[(N + n)! / N ! n!] (3205)
第三章 晶体中的缺陷 (Defects in crystals) 本章要讨论的主要问题是: (1)晶体中有哪些常见的缺陷类型? (2)缺陷的数量和类型可以被控制吗? (3)缺陷对材料的性能有何影响? (4)缺陷一定是有害的吗?
第一节 概 述 一、缺陷(Defect)的概念 大多数固体是晶体,晶体正是以其特殊的构 型被人们最早认识。因此目前(至少在20世纪80年 代以前)人们理解的“固体物理”主要是指晶体。 当然这也是因为客观上晶体的理论相对成熟。在 晶体理论发展中,空间点阵的概念非常重要。 空间点阵中,用几何上规则的点来描述晶体 中的原子排列,并连成格子,这些点被称为格点, 格子被称为点阵,这就是空间点阵的基本思想, 它是对晶体原子排列的抽象。空间点阵在晶体学 理论的发展中起到了重要作用。可以说,它是晶 体学理论的基础。现代的晶体理论基于晶体具有 宏观平移对称性,并因此发展了空间点阵学说。
当然不能否认当缺陷比例过高以致于 这种“完整性”无论从实验或从理论上都 不复存在时,此时的固体便不能用空间点 阵来描述,也不能被称之为晶体。这便是 材料中的另一大类别:非晶态固体。对非想 上都存在着很大差异,有兴趣的同学可以 借助于参考书对此作进一步的理解。
点缺陷形成最重要的环节是原子的振动。 在第二章的学习中我们已经知道:晶体中 的原子在其所处的原子相互作用环境中受 到两种作用力: (1)原子间的吸引力。 (2)原子间的斥力。 这两个力的来源与具体表述,请同学 们回忆学过的知识。在这对作用力的平衡 条件下,原子有各自的平衡位置。重要的 是原子在这个平衡位置上不是静止不动, 而是以一定的频率和振幅作振动,这就是 原子的热振动。
对点缺陷的平衡浓度如何来理解?从热力学 的观点:点缺陷平衡浓度是矛盾双方的统一。 (1)一方面,晶体中点缺陷的形成引起了点阵 的畸变,使晶体的内能增加,提高了系统的自由 能。 (2)另一方面,由于点缺陷的形成,增加了点 阵排列的混乱度,系统的微观状态数目发生变化, 使体系的组态熵增加,引起自由能下降。 当这对矛盾达到统一时,系统就达到平衡。 因为系统都具有最小自由能的倾向,由此确定的 点缺陷浓度即为该温度下的平衡浓度。
如果在外应力 τ 作用下,使滑移面上下 两部分的晶体整体地滑移一距离 a ,而达 到另一平衡位置时,则必须翻越势垒。上 部晶体受了两个力,一个是作用在滑移面 上沿滑移方向的外加切应力 τ (这是引起滑 移的力),另一个是下部晶体对上部晶体 的作用力 τ' (这是阻止滑移的内力),要 能维持一定的位移,要求τ ≥ τ',显然,τ' 是 位移 x 的函数。
温度场对这一振动行为起主要作用。温 度越高,振动得越快,振幅越大。而且, 每个原子在宏观统计上表现出不同的振动 频率和振幅,宏观表现上是谱分布。这种 描述相信能在同学思维空间里建立明确的 图象:原子被束缚在它的平衡位置上,但 原子却在做着挣脱束缚的努力。
现在我们设想这样一种情况:当温度足 够高使得原子的振幅变得很大,以致于能 挣脱周围原子对其的束缚(请读者考虑为什 么振幅大,原子可以脱离平衡位置)。因此, 这个原子就成为“自由的”,它将会在晶 体中以多余的原子方式出现?如果没有正 常的格点供该原子“栖身”,那么这个原 子就处在非正常格点上即间隙位置。显然, 这就是我们前面所说的间隙式原子。由于 原子挣脱束缚而在原来的格点上留下了空 位。这就是点缺陷形成的本质。