武汉理工材料学课件-晶体结构缺陷

第二章晶体结构缺陷,缺陷的含义：通常把晶体点阵结构中周期性势场的畸变称为晶体的结构缺陷。理想晶体：质点严格按照空间点阵排列。实际晶体：存在着各种各样的结构的不完整性。,研究缺陷的意义：由于缺陷的存在，才使晶体表现出各种各样的性质，使材料加工、使用过程中的各种性能得以有效控制和改变，使材料性能的改善和复合材料的制备得以实现。因此，了解缺陷的形成及其运动规律，对材料工艺过程的控制，对材料性能的改善，对于新型材料的设计、研究与开发具有重要意义。,缺陷对材料性能的影响举例:材料的强化，如钢是铁中渗碳陶瓷材料的增韧半导体掺杂,本章主要内容：,2.1晶体结构缺陷的类型2.2点缺陷2.3线缺陷2.4面缺陷2.5固溶体2.6非化学计量化合物,掌握缺陷的基本概念、分类方法；掌握缺陷的类型、含义及其特点；熟练书写点缺陷的缺陷反应方程式、化学平衡方法计算热缺陷的浓度；了解缺陷在材料性能的改善、新型材料的设计、研究与开发中的意义。,本章要求掌握的主要内容：,2.1晶体结构缺陷的类型,分类方式：几何形态：点缺陷、线缺陷、面缺陷等形成原因：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,本征缺陷,杂质缺陷,点缺陷零维缺陷,线缺陷一维缺陷,位错,面缺陷二维缺陷,小角度晶界、大角度晶界,挛晶界面,堆垛层错,体缺陷三维缺陷,包藏杂质,沉淀,空洞,1.点缺陷（零维缺陷）PointDefect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）间隙质点（interstitialparticle）错位原子或离子外来原子或离子（杂质质点）（foreignparticle）双空位等复合体,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等有关。,NowWhatDoYouSee?,Vacancy,Interstitial,Vacancies:,-vacantatomicsitesinastructure.,Self-Interstitials:,-extraatomspositionedbetweenatomicsites.,PointDefects,Common,Rare,Twooutcomesifimpurity(B)addedtohost(A):,SolidsolutionofBinA(i.e.,randomdist.ofpointdefects),OR,Substitutionalalloy(e.g.,CuinNi),Interstitialalloy(e.g.,CinFe),ImpuritiesInSolids,8,Impuritiesmustalsosatisfychargebalance,Ex:NaCl,Substitutionalcationimpurity,Substitutionalanionimpurity,ImpuritiesinCeramics,2.线缺陷（一维缺陷）位错(dislocation),指在一维方向上偏离理想晶体中的周期性、规则性排列所产生的缺陷，即缺陷尺寸在一维方向较长，另外二维方向上很短。如各种位错（dislocation），如图所示。线缺陷的产生及运动与材料的韧性、脆性密切相关。,刃型位错,刃型位错示意图：(a)立体模型;(b)平面图,晶体局部滑移造成的刃型位错,螺型位错,(b),螺型位错示意图:（a）立体模型；（b）平面图,螺型位错示意图,3.面缺陷,面缺陷又称为二维缺陷，是指在二维方向上偏离理想晶体中的周期性、规则性排列而产生的缺陷，即缺陷尺寸在二维方向上延伸，在第三维方向上很小。如晶界、表面、堆积层错、镶嵌结构等。面缺陷的取向及分布与材料的断裂韧性有关。,面缺陷晶界,晶界示意图,亚晶界示意图,晶界:晶界是两相邻晶粒间的过渡界面。由于相邻晶粒间彼此位向各不相同，故晶界处的原子排列与晶内不同，它们因同时受到相邻两侧晶粒不同位向的综合影响，而做无规则排列或近似于两者取向的折衷位置的排列，这就形成了晶体中的重要的面缺陷。亚晶界:实验表明，在实际金属的一个晶粒内部晶格位向也并非一致，而是存在一些位向略有差异的小晶块（位向差一般不超过2)。这些小晶块称为亚结构。亚结构之间的界面称为亚晶界。,面缺陷堆积层错面心立方晶体中的抽出型层错(a)和插入型层错(b),面缺陷共格晶面面心立方晶体中111面反映孪晶,热缺陷,杂质缺陷,二按缺陷产生的原因分类,非化学计量缺陷,晶体缺陷,电荷缺陷,辐照缺陷,1.热缺陷,类型:弗仑克尔缺陷（Frenkeldefect）和肖特基缺陷（Schottkydefect）,定义:热缺陷亦称为本征缺陷，是指由热起伏的原因所产生的空位或间隙质点（原子或离子）。,热缺陷浓度与温度的关系:温度升高时，热缺陷浓度增加,TE热起伏(涨落)E原子E平均原子脱离其平衡位置在原来位置上产生一个空位,热缺陷产生示意图,（a）单质中弗仑克尔缺陷的形成（空位与间隙质点成对出现）,（b）单质中的肖特基缺陷的形成,表面位置(间隙小/结构紧凑),间隙位置(结构空隙大),Frenkel缺陷,MX:,Schottky缺陷,2.杂质缺陷,特征:如果杂质的含量在固溶体的溶解度范围内，则杂质缺陷的浓度与温度无关。杂质缺陷对材料性能的影响,定义:亦称为组成缺陷，是由外加杂质的引入所产生的缺陷。,基质原子,杂质原子,取代式,间隙式,能量效应,体积效应,体积效应,3.非化学计量缺陷,特点:其化学组成随周围气氛的性质及其分压大小而变化。是一种半导体材料。,定义:指组成上偏离化学中的定比定律所形成的缺陷。它是由基质晶体与介质中的某些组分发生交换而产生。如Fe1xO、Zn1+xO等晶体中的缺陷。,电荷缺陷：质点排列的周期性未受到破坏，但因电子或空穴的产生，使周期性势场发生畸变而产生的缺陷；包括：导带电子和价带空穴,4.其它原因，如电荷缺陷，辐照缺陷等,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；辐照缺陷对金属的影响：高能辐照（如中子辐照），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。辐照缺陷对非金属晶体的影响：