《晶体缺陷》PPT课件

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1、第3章晶体缺陷(Crystaldefects)3.1晶体缺陷概述(Summaryofcrystaldefects)晶体缺陷：晶体中偏离理想的完整结构的区域。化学缺陷：由局部的成分与基体不同导致的缺陷——溶质原子晶体缺陷点阵缺陷：原子排列处于几何上的混乱状态，与构成晶体的元素无关的缺陷按照定义，理想晶体不存在———总有边界，有点缺陷晶体缺陷———木桶的短板？影响性能，可以利用近似完整的，可用确切的几何模型来描述点缺陷：空位，间隙原子线缺陷，即位错：刃型，螺型，混合型面缺陷：堆垛层错、晶界、孪晶界、反相畴界、相界和外表面体缺陷：空腔，气泡——宏观？微观？点阵缺陷3.2点缺陷(Pointd

2、efects)3.2.1肖脱基缺陷和弗兰克尔缺陷（SchottkydefectandFrenkeldefect)点缺陷包括空位和间隙原子空位是由于原子迁移到点阵中其他位置形成的空结点。间隙原子指处于点阵中间隙位置的原子。肖脱基缺陷（空位）：点阵原子迁移至表面、晶界等处形成。弗兰克尔缺陷：点阵中某原子迁移晶体内的其它位置，同时形成一个间隙原子。3.2.2点缺陷的特点（Peculiarityofpointdefects)晶体自由能F=E-TS。E：内能，T:温度，S：熵。当缺陷存在时，E与S均增加，F=E-TS在某一浓度Cv，F有最小值——平衡时，Cv0所以点缺陷是热力学平衡缺

3、陷，这是它与其它缺陷不同处。空位浓度与自由能的关系3.2.3点缺陷的平衡浓度（Equilibriumconcentrationofpointdefects)空位引入的熵变：S＝Sc+SfSc原子排列组态变化引起的组态熵变；Sf：原子振动熵变，是由于空位周围的原子的振动变化引起的。设N个原子的晶体中有n个空位，则由玻尔兹曼统计分布理论：k为波尔兹曼常数。Ef为单个空位形成所需的能量，即空位形成能。应用斯特林公式：lnN!NlnN-N可得：由于N>>n，有：平衡时其中称为熵因子。故平衡时Cv与T成指数关系——温度升高Cv增大间隙原子有类似公式不同：间隙原子的形成能比空位形成能

4、大2～3倍，平衡浓度比空位小几个数量级。3.2.4空位形成能（Formationenergyofvacancy)西蒙斯－巴卢菲法测出不同温度下的空位浓度就可得到斜率Ef将材料加热到不同温度保温，使之达到平衡状态同时测定其长度变化率和点阵常数变化率由知Ef为曲线的斜率由于空位浓度增大以室温的L和a为基准，则正电子湮没法22Na等同位素原子核崩塌放出正电子，正电子打入试样引起正电子—电子对湮没过程中放出射线，空位的存在引起射线的能量变化，检测此能量变化就可以测知温度—空位浓度的关系。试样加热到某温度T，急冷——空位来不及扩散——高温下的空位浓度冻结——用电阻在室温下测量高温下的空位浓度

5、。急冷法（非平衡方法）根据测试结果得到的经验公式：Ef=9kTmk：波尔兹曼常数。Ef与熔点Tm根据：晶体中的原子间的键合力越大，这种键合越不容易被破坏，晶体的熔点将越高；键合力越强，原子越不容易跳跃离开平衡位置而形成空位，空位形成能应该越大。猜想Ef与熔点Tm之间有某种关系？可算出熔点处Cv在10-4量级。3.2.5点缺陷对性能的影响（Influencesofpointdefectsonproperties)电阻升高——通过电阻测量空位浓度例：核反应堆壁—粒子(氦离子)辐照—大量空位空位聚集成空腔氦离子聚集成氦气泡体缺陷辐照损伤扩散加快——是扩散的重要媒介体积增加，密度减小—

6、—西蒙斯－巴卢菲法辐照损伤：用高能辐照（电子，中子，质子，粒子等高能粒子照射材料）导入大量空位和间隙原子，引起材料损伤3.2.6过饱和点缺陷（Supersaturationpointdefects)产生原因：高温淬火：由高温快速冷却（淬火），点缺陷无充分的迁移时间，大部分空位保留至低温，形成淬火空位——对时效析出过程起重要作用，是急冷法测定空位形成能的基础。冷加工：在再结晶温度以下对材料进行塑性变形——由于位错交割可产生大量的点缺陷——产生的过饱和空位可形成位错运动阻力，引起材料的强度、硬度升高，塑性、韧性降低高能辐照晶体中超过平衡浓度的点缺陷。3.3位错(Dislocations

7、)3.3.1位错的发现（Discoveryofdislocations)切应力导致晶面相互滑移，塑性变形正应力可能导致材料弹性变形和断裂塑性变形由切应力产生滑移的实验证据铜滑移带(500)由此可推导理论剪切强度是实验剪切强度的103－104倍。为什么？1934年，Taylor,Polanyi,Orowan几乎同时提出了位错的概念切应力下两晶面发生整体滑移模型位错的滑移——推地毯明场暗场不锈钢中的位错（TEM）ZrO2Al2O3陶瓷中的网状位错3.3.2位