晶体中的点缺陷

晶体中的点缺陷第1页，共25页，2023年，2月20日，星期一绪论现象1.对简单立方晶体进行剪切强度的理论计算并与实际测量数据对比发现：理想晶体的强度比实际晶体高2~4个数量级比较一些金属材料的理论屈服强度与实际屈服强度发现：相差2~3个数量级

这表明：实际晶体的结构不同于理想晶体实际晶体的结构为：理想晶体+晶体缺陷理想晶体：7大晶系，14种空间点阵的晶体第2页，共25页，2023年，2月20日，星期一第3页，共25页，2023年，2月20日，星期一晶体缺陷：点缺陷（零维缺陷）：空位与间隙原子线缺陷（一维缺陷）：位错面缺陷（二维缺陷）：晶界、相界

现象2.陶瓷材料塑性较金属差，脆性大金属材料中，不同材料性能不同这表明：材料的结构决定性能

第4页，共25页，2023年，2月20日，星期一现象3.钢铁材料淬火后硬度会明显升高金属材料有明显的加工硬化现象这表明：在结构相同的前提下，晶体缺陷的状态决定材料的性能缺陷的状态（类型及分布）：点缺陷的类型

类型线缺陷的类型面缺陷的类型

分布状态：多少、分布形式第5页，共25页，2023年，2月20日，星期一♦晶体的结构-缺陷-性能间有着密切关系♦性能的改变可通过改变结构及缺陷的状态而实现本课程主要研究实际晶体结构与性能的关系第6页，共25页，2023年，2月20日，星期一§1.1点缺陷的类型－空位和间隙原子一.原子晶体

（一）空位（vacancy)：1.类型：肖脱基空位：空位在晶体中单独存在。

弗兰克尔空位：空位与间隙原子共存。

第一章点缺陷金属中空位的存在形式：单空位和空位群第7页，共25页，2023年，2月20日，星期一第8页，共25页，2023年，2月20日，星期一

（二）间隙原子（interstitial)1.类型－自间隙原子异类原子（晶体本身固有的原子）（外来的杂质原子）2.间隙位置(interstitialset)结构

八面体个数

四面体个数最大间隙实际

A1及等同处

4及等同处

8八面体八面体

A2及等同处6及等同处12四面体八面体

A3及等同处2及等同处4八面体八面体第9页，共25页，2023年，2月20日，星期一注：晶体结构符号：(structuresymbol)晶体结构有两种符号－硅酸盐SAmBn型化合物D有机化合物

OAB2型化合物

C合金

LAB型化合物

B更复杂的化合物

E-K主要是纯组元

A晶体类型符号晶体类型符号1.结构符号—大写英文字母＋一个数字第10页，共25页，2023年，2月20日，星期一2.pearson符号用一个小写字母＋大字母表示，如c、F。

c－晶系第一个英文字母的字头三斜：Triclinic<Anorthic>,单斜：Monoclinc，正交（斜方）：Orthogonal，

四方（正方）：Tetragonal，立方：Cubic，六方：Hexagonal，菱形：Rhombohedral）F－表示布拉非点阵类型

P—简单，C—底心，I—体心，

F—面心，R—棱方第11页，共25页，2023年，2月20日，星期一3）间隙原子组态

●自间隙原子对分组态：连珠组态：●异间隙原子位于八面体间隙位置。对分组态连珠组态第12页，共25页，2023年，2月20日，星期一二.离子晶体中的点缺陷离子晶体组成质点是离子，故晶体内点缺陷的存在受到晶体内必须保持电中性的约束。

（一）离子晶体内的点缺陷1.F心--一个负离子空位俘获一电子即形成F心（负离子获得能量而释放出电子，同时产生空位，而电子被附近的6个正离子共用，）。F心第13页，共25页，2023年，2月20日，星期一2.V心—晶体中的正离子空位，浮获带正电荷的空穴（正离子失去正电荷跑掉，留下带正电荷的空穴）。V心H心3.H心—浮获一带正电荷空穴的负间隙离子。第14页，共25页，2023年，2月20日，星期一

§1.2点缺陷的热平衡浓度一.单位空位浓度C=…空位数(n)与原子总数(N)之比（体浓度）.uf…….单个空位（间隙原子）的形成能K……..波尔茲曼常数1.38×10-23J/mol.KT………绝对温度(℃)A…….

Sf_空位及间隙原子形成熵

推导:①设在N个结点上形成n个空位（或间隙原子）②空位或间隙原子形成会引起系统自由能的改变第15页，共25页，2023年，2月20日，星期一-体系内能的改变-体系的熵值--配置熵(组态熵)--单个空位形成熵—n个空位在N个结点上分布的概率由stirling(斯特林)公式，当x很大时，则：第16页，共25页，2023年，2月20日，星期一在热力学稳定条件下：则：则：令则：第17页，共25页，2023年，2月20日，星期一1.点缺陷是一种热力学上稳定地缺陷，一定温度下对应一定的平衡浓度。2.点缺陷是热缺陷，T升高，平衡浓度增加。3.平衡点缺陷的浓度与点缺陷的形成能呈指数关系。

4.因为u间隙u空位，所以在一定温度下晶体中的空位浓度远远大于间隙原子的平衡浓度，故在晶体内点缺陷主要是肖氏空位。讨论：第18页，共25页，2023年，2月20日，星期一二.双空位浓度Z—空位的配位数C双/C单空位浓度之比随T↑而↑—双空位的形成能—2个空位的结合能第19页，共25页，2023年，2月20日，星期一一.自由电子能量的变化1.势能的变化：点缺陷的形成能包括：自由电子能量的变化畸变能的变化

空位的形成能中，电子能量是主要的；

间隙原子形成能中，畸变能是主要的—系统的弗米能

§1.3点缺陷的形成能弗米能:在绝对零度时，处于基态的费米子系统的化学势，或上述系统中处于基态的单个费米子的最高能量。h—普朗克常数，m–粒子质量，N—费米子系统中的费米子个数V--费米子系统的体积第20页，共25页，2023年，2月20日，星期一

在Tm附近,热平衡空位和间隙原子最大浓度分布为10－4～10－8数量级。二.不同点缺陷的形成能对大多数简单晶体,单空位形成能●●2.动能的变化：第21页，共25页，2023年，2月20日，星期一—空位迁移能(扩散激活能，获得鞍点状态原子的能量)

§1.4点缺陷的运动—空位迁移熵Z—空位周围原子个数—空位周围原子震动频率（一）空位的迁移空位及间隙原子迁移能-----原子扩散激活能空位迁移的几率:普通金属的Em较小；具有密堆结构的金属Cu、Au、Ag的Em较大,共价键结构晶体Em较大。第22页，共25页，2023年，2月20日，星期一（二）间隙原子的迁移三种机构:

①直接换位—由A位置到B位置(a)图②间接运动—A→B→C，A间隙到C(b)图③对分间隙原子运动(两原子均处于半间隙位置)如(c)图。ABACB第23页，共25页，2023年，2月20日，星期一

§1.5空位对晶体的作用（热平衡空位—点缺陷）一.点缺陷对晶体结构的影响破坏点阵的周期排列；引起点阵的畸变；在熔点附近形成松弛群(类似局部熔化的非晶区)；使晶体增加半个