第4讲材料科学与工程基础顾宜市公开课一等奖省赛课微课金奖课件

2-6固体中原子无序ImperfectionsinSolids

DefectsinCrystalsPoint,vacancyandself-interstitial

Frenkeland

Schottkydefect,StoichiometryLinear,edgeandscrewdislocation,BurgersVectorInterfacial,BulkSolidSolution(alloys)substitutionalandinterstitialNoncrystallineDiffusionChapter5第1页2-6固体中原子无序(ImperfectionsinSolids)

2-6-1固溶体(SolidSolution)：杂质原子（或离子、分子）均匀分布（溶）于基质晶格中固体通常特征：杂质和基质原子共同占据原基质晶格点阵；有一定成份范围----固溶度1.

依据相图划分：1)端部固溶体(初级固溶体):包含纯组分固溶体相图端部2)中部固溶体(二次固溶体):0＜任一组元＜100％相图中部（无任一组元结构，以化合物为基）第2页返回上页第3页2.依据溶质在点阵中位置划分：1)

置换型固溶体(Substitutionalsolidsolution)：晶体原(离)子被其它原(离)子部分代换后形成置换量不一样可：

完全互溶；不形成固溶体部分互溶；Figure5.5第4页

影响置换原因：以下诸原因相同（近）易置换；不然难成固溶体A.

离子大小:同晶型时半径差＜15％，完全互溶20~40%，部分互溶难置换B．键性（极化）:Zn++（共价性）Fe++(离子性)C.晶体结构类型和晶胞大小D．电价:电价差使置换难（大晶胞中需其它离子补足）第5页2）间隙型固溶体

(Interstitialsolidsolution)：较小原子进入晶格间隙形成固溶体

影响原因：A．

晶格结构空隙大小B．

间隙离子进入后需空位或其它高价反电荷离子以置换方式平衡电中性。Figure5.5第6页固溶体理论密度：ρc=N·A／V·NA

N、V分别为晶胞原子数和体积A为固溶体平均相对原子质量NA为阿佛伽德罗常数测定固溶体实际密度ρe

若:ρc〈ρe:间隙式ρc=ρe:置换式

ρc〉ρe:缺位式（缺阵点原子）固溶体判断第7页3）非化学计量化合物

(Nonstoichiometric)：组分比偏差于化学式化合物（含变价离子）实质是由金属高氧化态和低氧化态形成固溶体其电中性(electroneutrality)由空孔或间隙离子平衡Figure5.4第8页3.依据固溶度划分：1)有限固溶体：固溶度＜100%2)无限固溶体(连续固溶体)：固溶度0~100%2)有序固溶体：各组元原子分别占据各自分点阵，分点阵穿插成复杂超点阵4．依据各组元原子分布规律性划分：1)

无序固溶体：组元原子分布是随机第9页2-6-2晶体结构缺点(DefectsinCrystals)晶体中原子排列周期性受到破坏区域，分：

1.

点缺点(PointDefect)：任何方向尺寸都远小于晶体线度缺点区空位(vacancy)：(a)无原子阵点位置间隙原子(Self-interstitial)：

(d)挤入点阵间隙原子肖特基缺点(SchottkyDefect)：(c)离子对空位弗兰克尔缺点(FrenkelDefect)：(e)等量正离子空位和正离子间隙(b)双空位第10页EXAMPLEPROBLEM5.1Calculatetheequilibriumnumberofvacanciespercubicmeterforcopperat1000℃.Theenergyforvacancyformationis0.9eV/atom;theatomicweightanddensity(at1000℃)forcopperare63.5g/moland8.40g/cm3,respectively.SOLUTIONThisproblemmaybesolvedbyusingEquation5.1;itisfirstnecessary,however,todeterminethevalueofN,thenumberofatomicsitespercubicmeterforcopper,fromitsatomicweightACu,itsdensity,andAvogadro’snumberNA,accordingto第11页第12页Figure5.3第13页

2.线缺点(位错Dislocation)：仅一维尺寸可与晶体线度比拟缺点一或数列原子发生有规则错排

EF⊥BB’1）

棱位错(刃位错EdgeDislocation)位错线与滑移方向(柏格斯矢量)垂直压力、拉力第14页Figure5.7第15页2）螺旋位错(ScrewDislocation)：位错线与滑移方向(柏格斯矢量)平行与位错线垂直平面在螺旋斜面受剪切力作用易发生AD∥B’B第16页FIGURE5.8(第17页位错有两个特征：一个是位错线方向，它表明给定点上位错线方向，如EF，AD，用单位矢量ξ表示，另一个是为了表明位错存在时，晶体一侧质点相对另一侧质点位移，用一个柏格斯矢量b表示。它是指该位错单位滑移距离，其方向和滑移方向平行b·ξ=0相互垂直，纯棱位错b·ξ=-b相互逆向平行，纯螺旋位错第18页柏格斯矢量(BurgersVector)柏格斯回路第19页右手规则：拇指----位错线方向

四指转向-----柏格斯回路转向第20页第21页混合位错FIGURE5.9

第22页位错密度：nl/Al=n/AFIGURE5.9第23页滑移外力推进爬移空位和间隙原子无缺点第24页3.面缺点(InterfacialDefects)：仅一平面方向上尺寸可与晶体线度比拟缺点如由一系列刃位错排列成一个平面形成缺点4．体缺点(VolumeDefects)：各方向尺寸均可与晶体线度比拟缺点如空洞、嵌块等。第25页2-6-3非晶体(Noncrystalline)1．非晶材料：结构在体积范围内缺乏重复性材料（非晶型、无定形amorphous）

无平移对称，无长程有序，原子位置排布完全无周期性，含有统计规律。（密乱堆垛，无规网络等）第26页2．

分布函数：

径向分布函数：J(r)=4πr2ρ(r)

双体分布函数：以某原子为原点，距离r处找到另一原子几率

g(r)=ρ(r)/ρ0

ρ(r)为r处原子数目密度；

ρ0

为整个样品平均原子数密度可求两个参数：

配位数：第一峰面积原子间距：峰位置第27页第28页3、非晶态结构模型

微晶（不连续）无规拓朴（连续）第29页除四面体外，有八、十二、十四面体：6%，4%，4%密度上限：0.637（真密堆：0.74）A.硬球无序密堆致密度第30页B.无规网络(二氧化硅玻璃)桥氧键角改变较大第31页2-6-4扩散(Diffusion)1．

扩散现象：原子（或分子）经过热运动改变位置而移动Chapter6第32页1)

自扩散(self-diffusion)：纯固体中，同种元素原子从一个点阵位置移动到另一个点阵位置2)互扩散(interdiffusion)：不一样种元素接触后原子相互移动换位第33页3)扩散原因原子不是静止；原子围绕其平衡位置进行小振幅振动；部分原子含有足够振幅，位置移动。

温度影响扩散；晶体中缺点类型和数量影响扩散。2．扩散机制（DiffusionMechanisms）1)

晶体

空位扩散(VacancyDiffusion)：一个原子与一个相邻空位交换位置

多数金属和置换固溶体间隙扩散(InterstitialDiffusion)：间隙式固溶体H,C,N,O直接交换机制：极难，极少发生下页第34页Figure6.3第35页扩散通道：沿位错、晶界、外表面扩散激活能(ActivationEnergy)–Q：

扩散系数(DiffusionCoefficient)D=Doe–Q/RT金属Section6.5第36页金属扩散激活能(kcal/mol)

TmQ第37页离子材料扩散激活能空位机制第38页

掺杂:中温时少许杂质能加速扩散NaCl中加CdCl2后钠离子扩散系数改变第39页2）非晶体无序结构，有空穴，经过自由体积进行（缺点）。在长链聚合物中（高分子）扩散有：

自扩散：包含分子链段运动，而且与材料粘滞流动相关。

外来分子扩散：关系到聚合物展现渗透性和吸收性能。

渗透性：高分子膜分离，耐腐蚀性，分子间隙

吸收性：引发溶胀，化学反应。第40页4．扩散数学模型

稳态(Steady-state)：单位时间内经过垂直于给定方向单位面积

净原子数（通量），不随时间改变

Fick第一定律：

Jx=-DΔc/Δx

Jx

：扩散通量(DiffusionFlux)

D：扩散系数，cm2/s(DiffusionCoefficient)

Δc