《【現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)力學(xué)課件】3.1晶體結(jié)構(gòu)缺陷的類型》由會員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《【現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)力學(xué)課件】3.1晶體結(jié)構(gòu)缺陷的類型（31頁珍藏版）》請?jiān)谘b配圖網(wǎng)上搜索。

1、第二章 晶體結(jié)構(gòu)缺陷 缺陷的含義 ：通常把晶體點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)中周期性勢場的畸變稱為 晶體的 結(jié)構(gòu)缺陷 。 理想晶體 ：質(zhì)點(diǎn)嚴(yán)格按照空間點(diǎn)陣排列。 實(shí)際晶體 ：存在著各種各樣的結(jié)構(gòu)的不完整性。 研究缺陷的意義： 由于缺陷的存在，才使晶體表現(xiàn)出各種 各樣的性質(zhì)，使材料加工、使用過程中的各種性能得以有 效控制和改變，使材料性能的改善和復(fù)合材料的制備得以 實(shí)現(xiàn)。因此，了解缺陷的形成及其運(yùn)動規(guī)律，對材料工藝 過程的控制，對材料性能的改善，對于新型材料的設(shè)計(jì)、 研究與開發(fā)具有重要意義。 缺陷對材料性能的影響舉例 : 材料的強(qiáng)化，如鋼 是鐵中滲碳 陶瓷材料的增韌 半導(dǎo)體摻雜 本章主要內(nèi)容： 2.1 晶體結(jié)構(gòu)缺陷的

2、類型 2. 2 點(diǎn)缺陷 2.3 線缺陷 2.4 面缺陷 2.5 固溶體 2.6 非化學(xué)計(jì)量化合物 掌握缺陷的基本概念、分類方法； 掌握缺陷的類型、含義及其特點(diǎn)； 熟練書寫點(diǎn)缺陷的缺陷反應(yīng)方程式、 化學(xué)平衡方 法計(jì)算熱缺陷的濃度 ； 了解缺陷在材料性能的改善、新型材料的設(shè)計(jì)、 研究與開發(fā)中的意義。 本章要求掌握的主要內(nèi)容： 2.1 晶體結(jié)構(gòu)缺陷的類型 分類方式： 幾何形態(tài) ： 點(diǎn)缺陷、線缺陷、面缺陷等 形成原因 ： 熱缺陷、雜質(zhì)缺陷、非化學(xué)計(jì)量缺陷等 一、按缺陷的幾何形態(tài)分類 本征缺陷 雜質(zhì)缺陷 點(diǎn)缺陷 零維缺陷 線缺陷 一維缺陷 位錯 面缺陷 二維缺陷 小角度晶界、大角度晶界 攣晶界面 堆垛層

3、錯 體缺陷 三維缺陷 包藏雜質(zhì) 沉淀 空洞 1. 點(diǎn)缺陷 （ 零維缺陷 ） Point Defect 缺陷尺寸處于原子大小的數(shù)量級上 ， 即三維方向上缺 陷的尺寸都很小 。 包括： 空位（ vacancy） 間隙質(zhì)點(diǎn)（ interstitial particle） 錯位原子或離子 外來原子或離子 （雜質(zhì)質(zhì)點(diǎn)） （ foreign particle） 雙空位等復(fù)合體 點(diǎn)缺陷與材料的電學(xué)性質(zhì)、光學(xué)性質(zhì)、材料的高溫動力學(xué) 過程等有關(guān)。 Now What Do You See? Vacancy Interstitial Vacancies: -vacant atomic sites in a stru

4、cture. V a c a nc y di st o r t i o n o f p l a n e s Self-Interstitials: -extra atoms positioned between atomic sites. s e l f - i nte r s ti ti a ld i s t o r t i o n o f p l a n e s Point Defects Common Rare Two outcomes if impurity (B) added to host (A): Solid solution of B in A (i.e., random di

5、st. of point defects) OR Substitutional alloy (e.g., Cu in Ni) Interstitial alloy (e.g., C in Fe) Impurities In Solids 8 Impurities must also satisfy charge balance Ex: NaCl Substitutional cation impurity Substitutional anion impurity initial geometry Ca 2+ impurity resulting geometry Ca 2+ Na + Na

6、+ Ca 2+ cation vacancy i n i t i a l g e o m e t r y O 2- i m pu r i t y O 2- Cl - an io n va c a n c y Cl - r e su l t i n g ge o m e t r y Impurities in Ceramics 2. 線缺陷（一維缺陷） 位錯 (dislocation) 指在一維方向上偏離理想晶體中的周期性、 規(guī)則性排列所產(chǎn)生的缺陷，即缺陷尺寸在一維方 向較長，另外二維方向上很短。如各種 位錯 （ dislocation）， 如 圖 所示。 線缺陷的產(chǎn)生及運(yùn)動與材料的韌性、脆性密

7、 切相關(guān)。 刃型位錯 G H E F 刃型位錯示意圖： (a)立體模型 ;(b)平面圖 晶體局部滑移造成的刃型位錯 螺型位錯 C B A D (b) 螺型位錯示意圖 :（ a）立體模型 ；（ b）平面圖 A B C D (a ) 螺型位錯示意圖 3.面缺陷 面缺陷又稱為二維缺陷，是指在二維方向上偏離理想 晶體中的周期性、規(guī)則性排列而產(chǎn)生的缺陷，即缺陷尺寸 在二維方向上延伸，在第三維方向上很小。如晶界、表面、 堆積層錯、鑲嵌結(jié)構(gòu)等。 面缺陷的取向及分布與材料的斷裂韌性有關(guān)。 面缺陷晶界 晶界示意圖 亞晶界示意圖 晶界 : 晶界是兩相鄰晶粒間的過渡界面。由于相鄰晶粒 間彼此位向各不相同，故晶界處的

8、原子排列與晶內(nèi)不同， 它們因同時受到相鄰兩側(cè)晶粒不同位向的綜合影響，而做 無規(guī)則排列或近似于兩者取向的折衷位置的排列，這就形 成了晶體中的重要的面缺陷。 亞晶界 : 實(shí)驗(yàn)表明，在實(shí)際金屬的一個晶粒內(nèi)部晶格位 向也并非一致，而是存在一些位向略有差異的小晶塊（位 向差一般不超過 2 )。這些小晶塊稱為亞結(jié)構(gòu)。亞結(jié)構(gòu)之 間的界面稱為亞晶界。 面缺陷堆積層錯 面心立方晶體中的抽出型層錯 (a)和插入型層錯 (b) 面缺陷共格晶面 面心立方晶體中 111面反映孿晶 熱缺陷 雜質(zhì)缺陷 二 按缺陷產(chǎn)生的原因分類 非化學(xué)計(jì)量缺陷 晶體缺陷 電荷缺陷 輻照缺陷 1. 熱缺陷 類型 :弗侖克爾缺陷（ Frenke

9、l defect）和肖特基缺陷 （ Schottky defect） 定義 :熱缺陷亦稱為 本征缺陷 ，是指由熱起伏的原因所產(chǎn)生 的空位或間隙質(zhì)點(diǎn)（原子或離子）。 熱缺陷濃度與溫度的關(guān)系 :溫度升高時，熱缺陷濃度增加 T E 熱起伏 (漲落 ) E原子 E平均 原子 脫離其平衡位置 在原來位置上產(chǎn)生一個 空位 熱缺陷產(chǎn)生示意圖 （ a）單質(zhì)中弗侖克爾缺陷的形 成（空位與間隙質(zhì)點(diǎn)成對出現(xiàn)） （ b）單質(zhì)中的肖特基缺陷的 形成 表面位置 (間隙小 /結(jié)構(gòu)緊湊 ) 間隙位置 (結(jié)構(gòu)空隙大 ) Frenkel 缺陷 M X: Schottky 缺陷 2. 雜質(zhì)缺陷 特征 :如果雜質(zhì)的含量在固溶體的溶解

10、度范圍內(nèi)，則雜質(zhì) 缺陷的濃度與溫度無關(guān)。 雜質(zhì)缺陷對材料性能的影響 定義 :亦稱為組成缺陷，是由外加雜質(zhì)的引入所產(chǎn)生的缺陷。 基質(zhì)原子 雜質(zhì)原子 基質(zhì)原子 雜質(zhì)原子 取代式 間隙式 能量效應(yīng) 體積效應(yīng) 體積效應(yīng) 3. 非化學(xué)計(jì)量缺陷 特點(diǎn) : 其化學(xué)組成隨周圍 氣氛的性質(zhì) 及其 分壓大小 而變化。 是一種半導(dǎo)體材料。 定義 : 指組成上偏離化學(xué)中的定比定律所形成的缺陷。它是 由基質(zhì)晶體與介質(zhì)中的某些組分發(fā)生交換而產(chǎn)生。如 Fe1 xO、 Zn1+xO等晶體中的缺陷。 電荷缺陷 ：質(zhì)點(diǎn)排列的周期性未受到破壞，但因電子或空穴 的產(chǎn)生，使周期性勢場發(fā)生畸變而產(chǎn)生的缺陷； 包括：導(dǎo)帶電子和價帶空穴 4. 其它原因，如電荷缺陷，輻照缺陷等 輻照缺陷 ：材料在輻照下所產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)不完整性； 如：色心、位錯環(huán)等； 輻照缺陷對金屬的影響 ： 高能輻照（如中子輻照），可把原子從正常格點(diǎn) 位置撞擊出來，產(chǎn)生間隙原子和空位。 降低金屬的導(dǎo)電性并使材料由韌變硬變脆。退火可排除損失。 輻照缺陷對非金屬晶體的影響 ： 在非金屬晶體中，由于電子激發(fā)態(tài)可以局 域化且能保持很長的時間，所以電離輻照會使晶體嚴(yán)重?fù)p失，產(chǎn)生大量的 點(diǎn)缺陷。 不改變力學(xué)性質(zhì)，但導(dǎo)熱性和光學(xué)性質(zhì)可能變壞。 輻照缺陷對高分子聚合物的影響 ： 可改變高分子聚合物的結(jié)構(gòu)，鏈接斷裂， 聚合度降低，引起分鍵，導(dǎo)致高分子聚合物強(qiáng)度降低。