第二章晶体缺陷-贵大09级prt

3. MgO的密度为3.58g/cm3，其晶格常数为0.42nm，试求每个MgO单位晶 胞内所含的肖脱基缺陷数。已知Mg和O的原子摩尔质量分别为24.31和 16.00。
4. 某晶体中形成1个空位所需要的激活能为0.32×10-18J，在800℃时，1×104 个原子中有一个空位，在何种温度时，103个原子中含有1个空位？
移，间隙原子和异类原子的存在会增加位错的运动阻力。会 使强度提高，塑性下降。
练习5
1. Nb的晶体结构为体心立方，其晶格常数为0.3294nm，密度为8.57g/cm3， 试求每106个Nb中所含的空位数目，Nb的原子量为92.91。
2. 若面心立方的Cu中每500个原子会失去1个，其晶格常数为0.3615nm，试 求Cu的密度。已知Cu的原子量为63.54。
反应堆中材料发生钢板脆化就是因过量的间隙原子所造成，因 此反应堆用材料应特别注意过饱和空位的影响。
四、点缺陷的运动与材料行为
原因：无论那种点缺陷的存在，都会使其附近的原子稍微偏离原来的结点 位置才能平衡，即造成小区域的晶格畸变。如空位和尺寸小的置换原子均 造成其周围原子间的键被拉长，产生拉应力；而间隙原子和尺寸大的置换 原子将造成其周围原子被推开，产生压应力。
晶体中的缺陷的数量相当大，但因原子的数量很多， 在晶体中占有的比例还是很少的。材料总体上具有晶体的 相关性能特点，但缺陷的数量将给材料的性能带来巨大的 影响。
晶体缺陷的分类（按范围）： 1. 点缺陷：在三维空间各方向上尺寸都很小，尺寸范围 在原子尺寸大小的晶体缺陷。空位、间隙原子等。
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 。
另一方面，空位迁移至晶体表面或与间隙原子相遇而消失，但在其 它地方又会有新的空位形成。
空位在温度T时的平衡浓度C为：
C
n N
Aexp Ev
/ kT
N：组成晶体的原子个数； n：空位数； △Ev：空位形成能； k：波尔兹曼常数； A=exp(△Sf/k)：与振动熵有关的常数，一般约为1~10之间。
或： C Aexp( N A Ev / kNAT ) Aexp( Q f / RT )
多晶体:
由许多小晶体组成，每个小晶体 的内部，晶格位向是均匀一致的， 而各个小晶体之间，彼此的位向却 不相同。这种由多个小晶体组成的 晶体结构称之为“多晶体”。实际 应用的绝大多数工程材料都是多晶 体。
晶粒：构成多晶体材料的每个小晶 体，其外形多为不规则的颗粒状。
晶界：晶粒与晶粒之间的分界面叫“晶粒间界”，简称 “晶界”。为了适应两晶粒间不同晶格位向的过渡，在晶 界处的原子排列总是不规则的。
对于点缺陷形成而言，只有比平均能量高出缺陷形成能的那部分原子 才可能形成点缺陷。
三、过饱和点缺陷
过饱和空位的形成： （1）高温淬火法：高温下的空位浓度很高，快冷可将空位
有效地保留在室温；
（2）冷加工法：塑性变形产生大量过饱和空位；
（3）高能粒子辐射法：高能粒子穿过晶体时与点阵中很多 原子发生碰撞，使原子离位。离位原子能量高，可形成间隙原 子和空位对。
2.3 位错
一、位错概念
1.位错概念引入及位错观察
﹡理论屈服强度
设想变形时原子按扑克式滑移，即：
τ
τ
τ
τ
τ
τ
a a
G/2
矛盾：
• 可见原子由一个平衡位置滑到下一个平衡位置需要G/2 的应力，而在通常受力条件下，是难达到的，即晶体难 于滑动。
• 实际上，τ＝（10－3～ 10－4）G。
效果：1) 提高材料的电阻 定向流动的电子在点缺陷处受到非平衡力 (陷阱)，增加了阻力，加速运动提高局部温度(发热)。
2) 加快原子的扩散迁移 空位可作为原子运动的周转站。 3) 形成其他晶体缺陷 过饱和的空位可集中形成内部的空位片，
产生塌陷形成位错。 4) 改变材料的力学性能 空位移动到位错处可造成刃位错的攀
Qf=NAEv：形成1摩尔空位所需作的功，单位为J/mol； R：气体常数，8.31J/mol。
同理，间隙原子的平衡浓度C’为：
C
n N
A exp
Ev
/ kT
N’：晶体中间隙位置的总数；
N’：间隙原子数；
△E’v：形成一个间隙原子所需的能量。
在一定温度下，原子热振动的平均能量是一定的，但各原子的能量是 不同的，并且同一原子在不同时刻能量也不同，这种现象称为能量起伏。
二、多晶体的组织与性能
性能：
组织：
组织敏感的性能，如强度。
组织不敏感的性能，如弹 性模量。
伪各向同性：多晶体材料中，每个晶粒内部象单晶体一样呈 现各向异性，但由于每个晶粒在空间取向是随机分布，大量 晶粒的综合作用，使整个材料宏观上不出现各向异性的现象。
三、晶体中的缺陷概论
晶体缺陷：在每个晶粒的内部，并不完全象晶体学中论 述的(理想晶体)那样，原子完全呈现周期性的规则重复 的排列。把实际晶体中原子排列与理想晶体的差别称为 晶体缺陷。
2. 空位：
肖脱基空位：产生空位的原子迁移到晶体的 表面形成的空位。
弗兰克尔空位：产生空位的原子迁移到晶体 的点阵间隙中，同时产生一个 间隙原子。
二、点缺陷的平衡浓度
空位的位置在晶体中不是固定不变的，而是处于运动、消失和形成 的不断变化中。
一方面，周围原子可以与空位换位，使空位移动一个原子间距，当 这种换位不断进行时，就造成空位的运动；
3. 面缺陷： 在三维空间的两个方向上的尺寸很大(晶粒数 量级)，另外一个方向上的尺寸很小(原子尺寸大小)的晶体 缺陷。晶界等。
2.2点缺 陷
分类：
包括空位、间隙原子等。
弗兰克尔空位
间隙原子
一、点缺陷的形成
1. 热平衡缺陷：
晶体中点阵结点上的原子以其平衡位置为中心作热振动，当振动 能足够大时，将克服周围原子的制约，跳离原来的位置，形成点缺 陷，造成点阵畸变。
第二章 晶体缺陷
➢ 材料的实际晶体结构 ➢ 点缺陷 ➢ 位错 ➢ 面缺陷
2.1材料的 实际晶体结构来自一、多晶体结构单晶体:
一块晶体材料，其内部的晶体 位向完全一致时，即整个材料是 一个晶体，这块晶体就称之为 “单晶体”，实用材料中如半导 体集成电路用的单晶硅、专门制 造的晶须和其他一些供研究用的 材料。