1资料科学根底资料科学根底Chapter 2 晶体缺陷2Chapter Outline o2.1 Point Defectso2.2 Dislocationso2.3 Surface Defects3晶体构造中原子组合的不完好性，称为晶体缺陷。点缺陷在三维方向都很小的不超越几个原子间距缺陷，或者说是零维缺陷。包括空位、间隙原子、置换原子等。线缺陷在两个方向上尺寸很小，而另一个方向尺寸很长的缺陷，即一维缺陷。也就是“位错这是本章要重点讨论的。面缺陷在一个方向尺寸很小，而另两个方向尺寸很大的缺陷，即二维缺陷。如相界面、晶界、亚晶界，还有孪晶界、堆垛层错等。4oPoint defects - Imperfections, such as vacancies, that are located typically at one (in some cases a few) sites in the crystal.oExtended defects - Defects that involve several atoms/ions and thus occur over a finite volume of the crystalline material (e.g., dislocations, stacking faults, etc.).oVacancy - An atom or an ion missing from its regular crystallographic site.oInterstitial defect - A point defect produced when an atom is placed into the crystal at a site that is normally not a lattice point.oSubstitutional defect - A point defect produced when an atom is removed from a regular lattice point and replaced with a different atom, usually of a different size.Section 2.1 Point Defects 点缺陷5图2-1 2-1 点缺陷：点缺陷：(a) (a) 空位空位 (b) (b)间隙原子隙原子 (c) (c)小置小置换原子原子 (d) (d)大置大置换原子原子 (e) (e) 弗弗兰克空位克空位 (f) (f) 肖脱基空位肖脱基空位Figure 2-1 Point defects: (a) vacancy, (b) interstitial atom, (c) small substitutional atom, (d) large substitutional atom, (e) Frenkel defect, (f) Schottky defect. All of these defects disrupt the perfect arrangement of the surrounding atoms.671空位(Vacancy)晶体中的原子抑制周围原子的约束力，跳到别的位置而在原有位置留下的空结点，称为空位。它包括以下两类：弗兰克Frank空位晶体中的原子迁移到晶体点阵的间隙位置，在原位置构成的空位。肖脱基(Schottky)空位晶体中的原子分开平衡位置，迁移到外表或其它界面而在原位置构成的空位。2间隙原子(interstitial atom)晶体点阵的间隙位置出现的原子称为间隙原子。间隙原子又分为同类间隙原子和异类间隙原子。显然，同类间隙原子可与弗兰克空位同时产生。异类间隙原子，多由半径很小的异类原子构成。2.1.1 分类83.置换原子Substitutional atom异类原子代换了原有晶体中的原子，而处于晶体点阵的结点位置，称为置换原子，亦称代位原子。各种点缺陷，都破坏了原有晶体的完好性。它们从电学和力学这两个方面，使近邻原子失去了平衡。空位和直径较小的置换原子，使周围原子向点缺陷的方向松弛，间隙原子及直径较大的置换原子，把周围原子挤开一定位置。因此在点缺陷的周围，就出现了一定范围的点阵畸变区，或称弹性应变区。距点缺陷越远，其影响越小。因此在每个点缺陷的周围，都会产生一个弹性应力场。2.1.1 分类91.空位构成能和间隙原子构成能构成一个空位或间隙原子所需求的能量，称为空位构成能或间隙原子构成能。它包括电子能缺陷对晶体中电子形状的影响和畸变能。空位以前者为主，间隙原子以后者为主。间隙原子构成能比空位构成能高出几倍。所以，空位构成比较容易，数量比较多。2.空位引起的熵变n个空位在N个位置上的组合方式的数目，假设用即产生n个空位的几率表示，那么玻尔兹曼研讨出熵的统计学表达式为2.1.2 点缺陷对体系热力学能和熵的影响10n个空位呵斥系统陈列熵的改动为假设N不变，当 n0 。因nN ，故空位的添加总是引起熵的添加。由于原子振幅的变化，也可引起熵变，称为振动熵。空位添加，振动熵也添加。进而提高了系统的熵变。F=U-TSF-自在能，U-热力学能，S-熵值空位的构成，既可因其添加热力学能而升高系统自在能，又可因其添加熵值而降低系统自在能。因此，在一定温度下，能够存在着一个使系统自在能最低的空位数量。空位引起系统自在能的变化为:2.1.2 点缺陷对体系热力学能和熵的影响11可得自在能最低时的空位浓度为A为资料常数，常取作1。K为Boltzman常数，约为1.3810-23J/K或者8.6210-5ev/K。Uv 为产生每摩尔空位的构成能，单位为卡/mol或者J/mol 。R为气体常数，1.978卡/mol或者8.31J/mol 。间隙原子的平衡浓度比空位低很多，可忽略不计。无论空位和间隙原子，都是一种热平衡缺陷。2.1.3 空位与间隙原子的平衡浓度12o式(27)与阿累尼乌斯的表达很接近，两种过程的本质是一样的，都是由原子热运动引起的热激活过程。对于化学反响过程而言，只需当原子(或分子)的能量比平均能量高出的能量足以抑制反响激活能的那部分原子才干参与反响；对于点缺陷构成而言，只需比平均能量高出缺陷构成能的那部分原子才干构成点缺陷。所以点缺陷的平衡浓度与化学反响速率一样，随温度升高呈指数关系添加。o在一定温度下，存在一个使系统自在能最低的空位浓度，称为该温度下的空位平衡浓度。空位构成能UV愈小，空位平衡浓度愈大；温度愈高，空位平衡浓度也愈大。例如纯Cu在接近熔点1000时，空位浓度为10-4 ，而在常温下(20)空位浓度却只需10-19 。2.1.3 空位与间隙原子的平衡浓度13晶体中的点缺陷浓度能够高于平衡浓度，称为过饱和点缺陷，或非平衡点缺陷。获得的方法：高温淬火：将晶体加热到高温，然后迅速冷却淬火，那么高温时构成的空位来不及分散消逝，使晶体在低温形状依然保管高温形状的空位浓度，即过饱和空位。冷加工：金属在室温下进展冷加工塑性变形也会产生大量的过饱和空位，其缘由是由于位错交割所构成的割阶发生攀移。辐照：在高能粒子的辐射下，金属晶体点阵上的原子能够被击出，发生原子离位。由于离位原子的能量高，在进入稳定间隙之前还会击出其他原子，从而构成大量的间隙原子和空位即弗兰克尔缺陷。在高能粒子辐照的情况下，由于构成大量的点缺陷，而会引起金属显著硬化和脆化，该景象称为辐照硬化。2.1.4 过饱和点缺陷14o原子(或分子)的分散就是依托点缺陷的运动而实现的。o点缺陷引起电阻的添加，晶体中存在点缺陷时破坏了原子陈列的规律性，使电子在传导时的散射添加，从而添加了电阻。空位的存在还使晶体的密度下降，体积膨胀。利用电阻或密度的变化可以丈量晶体中的空位浓度及其变化的规律。o空位的存在及其运动是晶体高温下发生蠕变的重要缘由之一。o晶体在室温下也能够有大量非平衡空位如从高温快速冷却时保管的空位，或者经辐照处置后的空位，这些过量空位往往沿一些晶面聚集，构成空位片，或者它们与其他晶体缺陷发生交互作用，从而使资料强度有所提高，但同时也引起显著的脆性。o点缺陷的形貌可以用电镜直接观测。点缺陷的其它性质如生成焓、生成熵、分散激活能或迁移率、以及它引起的晶体体积变化等，都可以经过各种物理实验测定。常见的实验有：比热容实验；热膨胀实验；淬火实验；淬火退火实验；正电子湮没实验等。2.1.5点缺陷与资料行为15计算铜在室温25下的)空位数目。假定铜空位构成能Qv,为20,000卡/mol，铜的晶格常数为0.36151nm。假设要使空位浓度添加到室温下空位浓度的1000倍，需求什么样温度下的热处置？资料常数A为1。例题 2-1 解答The lattice parameter of FCC copper is 0.36151 nm. The basis is 1, therefore, the number of copper atoms, or lattice points, per cm3 is:例题 2-1 The Effect of Temperature on Vacancy Concentrations16Example 2-1 SOLUTION (Continued)在室温, T = 25 + 273 = 298 K:We could do this by heating the copper to a temperature at which this number of vacancies forms:17计算密度为7.87g/cm3的体心立方铁中的空位数目。该铁晶体的晶格常数为2.866 10-8 cm，原子量为55.847g/mol。Example 2-2 SOLUTIONThe expected theoretical density of iron can be calculated from the lattice parameter and the atomic mass.Example 2-2 Vacancy Concentrations in Iron18Example 2-2 SOLUTION (Continued)Lets calculate the number of iron atoms and vacancies that would be present in each unit cell for the required density of 7.87 g/cm3:Or, there should be 2.00 1.9971 = 0.0029 vacancies per unit cell. The number of vacancies per cm3 is:19oInterstitialcy - A point defect caused when a normal atom occupies an interstitial site in the crystal.oFrenkel defect - A pair of point defects produced when an ion moves to create an interstitial site, leaving behind a vacancy.oSchottky defect - A point defect in ionically bonded materials. In order to maintain a neutral charge, a stoichiometric number of cation and anion vacancies must form.oKrger-Vink notation - A system used to indicate point defects in materials. The main body of the notation indicates the type of defect or the element involved.Other Point Defects20Figure When a divalent cation replaces a monovalent cation, a second monovalent cation must also be removed, creating a vacancy.