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1、材料结构与性能原理材料结构与性能原理主讲教师主讲教师阎殿然阎殿然 同学们好！同学们好！第一章第一章 晶体中的点缺陷晶体中的点缺陷 绪绪 论论现象现象1.对简单立方晶体进行剪切强度的理论计算并与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：实际测量数据对比发现：理想晶体的强度比实际理想晶体的强度比实际晶体高晶体高24个数量级个数量级 比较一些金属材料的理论屈服强度与实际屈服比较一些金属材料的理论屈服强度与实际屈服强度发现：强度发现：相差相差23个数量级个数量级 这表明：实际晶体的结构不同于理想晶体这表明：实际晶体的结构不同于理想晶体 实际晶体的结构为：实际晶体的结构为：理想晶体理
2、想晶体+晶体缺陷晶体缺陷 理想晶体：理想晶体：7大晶系，大晶系，14种空间点阵的晶体种空间点阵的晶体 晶体缺陷晶体缺陷：点缺陷（零维缺陷）：空位与间隙原子点缺陷（零维缺陷）：空位与间隙原子 线缺陷（一维缺陷）：位错线缺陷（一维缺陷）：位错 面缺陷（二维缺陷）：晶界、相界面缺陷（二维缺陷）：晶界、相界 现象现象2.陶瓷材料塑性较金属差陶瓷材料塑性较金属差，脆性大，脆性大 金属材料中，不同材料性能不同金属材料中，不同材料性能不同 这表明：材料的结构决定性这表明：材料的结构决定性能能 现象现象3.钢铁材料淬火后硬度会明显升高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金属材料有明显的加
3、工硬化现象这表明：这表明：在结构相同的前提下，在结构相同的前提下，晶体缺陷晶体缺陷的状态决定的状态决定 材料的性能材料的性能 缺陷的缺陷的状态状态（类型及分布）：（类型及分布）：点缺陷的类型点缺陷的类型 类型类型 线缺陷的类型线缺陷的类型 面缺陷的类型面缺陷的类型 分布分布状态状态：多少、分布形式：多少、分布形式 晶体的晶体的结构结构-缺陷缺陷-性能性能间有着密切关系间有着密切关系 性能的改变可通过改变结构及缺陷的状性能的改变可通过改变结构及缺陷的状 态而实现态而实现本课程主要研究实际晶体结构与性能的关系本课程主要研究实际晶体结构与性能的关系 1.1 点缺陷的类型点缺陷的类型空位和间隙原子空位
4、和间隙原子一一.原子晶体原子晶体 （一）空位（一）空位（vacancy)：1.类型类型：肖脱基肖脱基空位：空位在晶体中单独存在。空位：空位在晶体中单独存在。弗兰克尔弗兰克尔空位：空位与间隙原子共存。空位：空位与间隙原子共存。第一章第一章 点缺陷点缺陷 金属中空位的存在形式：单空位和空位群金属中空位的存在形式：单空位和空位群 （二）间隙原子（二）间隙原子（interstitial)1.类型类型 自间隙原子自间隙原子 异类原子异类原子（晶体本身固有的原子）（晶体本身固有的原子）（外来的杂质原子）（外来的杂质原子）2.间隙位置间隙位置(interstitial set)结构结构 八面体八面体个数个数
5、 四面体四面体个数个数最大间隙最大间隙 实际实际 A1 及等及等 同处同处 4 及等及等 同处同处 8八面体八面体 八面体八面体 A2 及等及等 同处同处 6 及等及等 同处同处 12四面体四面体八面体八面体 A3 及等及等 同处同处 2 及等及等 同处同处 4八面体八面体八面体八面体注：晶体结构符号：注：晶体结构符号：(structure symbol)晶体结构有两种符号晶体结构有两种符号 硅酸盐硅酸盐 SAmBn型化合物型化合物 D 有机化合物有机化合物 O AB2型化合物型化合物 C 合金合金 L AB型化合物型化合物 B 更复杂的化合物更复杂的化合物 E-K 主要是纯组元主要是纯组元
6、A 晶体类型晶体类型 符号符号 晶体类型晶体类型 符号符号1.结构符号结构符号大写英文字母大写英文字母一个数字一个数字2.pearson符号符号用一个小写字母大字母表示用一个小写字母大字母表示，如，如c、F。c晶系第一个英文字母的字头晶系第一个英文字母的字头 三斜：三斜：Triclinic,单斜：单斜：Monoclinc，正交（斜方）：正交（斜方）：Orthogonal，四方（正方）：四方（正方）：Tetragonal，立方：立方：Cubic，六方：六方：Hexagonal，菱形：菱形：Rhombohedral）F 表示布拉非点阵类型表示布拉非点阵类型 P简单，简单，C底心，底心，I体心，体心
7、，F面心，面心，R棱方棱方 3）间隙原子组态）间隙原子组态 自自间隙原子间隙原子 对分组态：对分组态：连珠组态：连珠组态：异异间隙原子位于八面体间隙位置。间隙原子位于八面体间隙位置。对分组态对分组态连珠组态连珠组态二二.离子晶体中的点缺陷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 的存在受到晶体内的存在受到晶体内必须保持电中性必须保持电中性的约束的约束。（一）离子晶体内的点缺陷（一）离子晶体内的点缺陷 1.F心心-一个负离子空位俘获一电子即形成一个负离子空位俘获一电子即形成F心心 （负离子获得能量而释放出电子，同负离子获得能量而释放出电子，
8、同 时产生空位，而电子被附近的时产生空位，而电子被附近的6个正离个正离 子共用，子共用，）。）。F心心2.V心心晶体中的正离子空位，浮获带正电晶体中的正离子空位，浮获带正电 荷的空穴（荷的空穴（正离子失去正电荷跑掉，正离子失去正电荷跑掉，留留 下带正电荷的空穴下带正电荷的空穴）。）。V心心H心心3.H心心浮获一带正电荷空穴的负间隙离子。浮获一带正电荷空穴的负间隙离子。1.2 点缺陷的热平衡浓度点缺陷的热平衡浓度一一.单位空位浓度单位空位浓度 C=空位数空位数(n)(n)与原子总数与原子总数(N)(N)之比（体浓度）之比（体浓度）.uf.单个空位（间隙原子）的形成能单个空位（间隙原子）的形成能K
9、 K.波尔茲曼常数波尔茲曼常数 1.381.381010-23-23J/mol.KJ/mol.KT T绝对温度绝对温度()()A.Sf _空位及间隙原子形成熵空位及间隙原子形成熵 推导推导:设在设在N个结点上形成个结点上形成n个空位（或间隙原子）个空位（或间隙原子）空位或间隙原子形成会引起系统自由能的改变空位或间隙原子形成会引起系统自由能的改变-体系内能的改变体系内能的改变-体系的熵值体系的熵值-配置熵配置熵(组态熵组态熵)-单个空位形成熵单个空位形成熵 n个空位在个空位在N个结点上分布的概率个结点上分布的概率由由stirling(斯特林斯特林)公式，当公式，当x很大时，很大时，则：则：在热力
10、学稳定条件下：在热力学稳定条件下：则：则：则：则：令令则：则：1.点缺陷是一种热力学上稳定地缺陷，一定温度下对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。应一定的平衡浓度。2.点缺陷是热缺陷，点缺陷是热缺陷，T升高，平衡浓度增加。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。平衡点缺陷的浓度与点缺陷的形成能呈指数关系。4.因为因为u间隙间隙 u空位空位，所以在一定温度下晶体中的空，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。点缺陷主要是肖氏空位。讨论讨论：二二.
11、双空位浓度双空位浓度Z 空位的配位数空位的配位数C双双/C单单空位浓度之比随空位浓度之比随T而而 双空位的形成能双空位的形成能 2个空位的结合能个空位的结合能一一.自由电子能量的变化自由电子能量的变化 1.势能的变化：势能的变化：点缺陷的形成能包括：自由电子能量的变化点缺陷的形成能包括：自由电子能量的变化 畸变能的变化畸变能的变化 空位的形成能中空位的形成能中，电子能量电子能量是主要的；是主要的；间隙原子形成能中间隙原子形成能中，畸变能畸变能是主要的是主要的 系统的弗米能系统的弗米能 1.3 点缺陷的形成能点缺陷的形成能弗米能弗米能:在绝对零度时，处于基态的费米子系统的在绝对零度时，处于基态的
12、费米子系统的化学势化学势，或或上述系统中处于基态的单个费米子的最高能量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 在在Tm附近附近,热平衡空位和间隙原子最大浓度分布为热平衡空位和间隙原子最大浓度分布为 104108数量级。数量级。二二.不同点缺陷的形成能不同点缺陷的形成能对大多数简单晶体对大多数简单晶体,单空位形成能单空位形成能2.动能的变化动能的变化：空位迁移能空位迁移能(扩散激活能，获得鞍点状扩散激活能，获得鞍点状 态原子的能量态原子的能量)1.4 点缺陷的运动点缺陷的运动空位迁移熵空位迁移熵Z 空位周围原子个数空位
13、周围原子个数 空位周围原子震动频率空位周围原子震动频率（一）空位的迁移（一）空位的迁移 空位及间隙原子迁移能空位及间隙原子迁移能-原子扩散激活能原子扩散激活能 空位迁移的几率空位迁移的几率:普通金属的普通金属的Em较小；较小；具有密堆结构的金属具有密堆结构的金属Cu、Au、Ag的的Em较大较大,共价键结构晶体共价键结构晶体Em较大。较大。（二）间隙原子的迁移（二）间隙原子的迁移 三种机构三种机构:直接换位直接换位由由A位置到位置到B位置位置 (a)图图 间接运动间接运动ABC ，A间隙间隙到到C (b)图图 对分间隙原子运动对分间隙原子运动(两原子均处于半间隙位置两原子均处于半间隙位置)如如(
14、c)图图。ABACB 1.5 空位对晶体的作用空位对晶体的作用（热平衡空位（热平衡空位点缺陷）点缺陷）一一.点缺陷对晶体结构的影响点缺陷对晶体结构的影响破坏点阵的周期排列；破坏点阵的周期排列；引起点阵的畸变；引起点阵的畸变；在熔点附近形成松弛群在熔点附近形成松弛群(类似局部熔化的非晶区类似局部熔化的非晶区)；使晶体增加半个原子的体积膨胀。使晶体增加半个原子的体积膨胀。二二.热平衡点缺陷对晶体物理性能的影响热平衡点缺陷对晶体物理性能的影响 空位将使晶体电阻增加空位将使晶体电阻增加(空位使晶体内电子浓度发生空位使晶体内电子浓度发生 散射散射)。D-原子的扩散系数原子的扩散系数U-空位形成能能（即空位形成能能（即Q)注：由此式可以求出空位的形成能。注：由此式可以求出空位的形成能。则则 与与 呈直线关系呈直线关系,其斜率为其斜率为u。(用试验法测出用试验法测出 与与 关系关系,则可以求出则可以求出u)