点缺陷在线视频

同学们

从本次课开始

我们学习新的一章

晶体缺陷

晶体结构的特点是长程有序

其中结构基元或者构成物体的粒子

完全按照空间点阵规则排列的晶体

叫做理想晶体

而在实际晶体当中

粒子的排列不可能这样规则和完整

而是或多或少的存在着

偏离理想结构的区域

从而出现了不完整性

通常把实际晶体中

偏离理想点阵结构的区域

称为晶体缺陷

其特点是该区域内的粒子

失去了正常的相邻关系

晶体缺陷的分布以及运动

对于晶体的某些性能有很大的影响

例如金属的屈服强度

半导体的电阻率等

晶体缺陷在晶体的塑性 强度

扩散以及其他结构敏感性的问题上

往往起到的主要作用

而晶体的完整部分

反而处于次要地位

因此研究晶体缺陷

了解晶体缺陷的基本性质

具有重要的理论与实际意义

通常根据缺陷的几何形态

可以把晶体缺陷分为三个类型

第一类是点缺陷

其特点是在三维空间

各个方向上的尺寸都很小

从而又称为零维缺陷

例如空位 间隙原子等

第二类是线缺陷

其特征是在两个方向上的尺寸很小

而在另一方向上的尺寸较大

又被称为一维缺陷

晶体中的线缺陷

实际上就是各种类型的位错

第三类是面缺陷

其特征是在一个方向上的尺寸很小

而在另外两个尺寸上都很大

又称为二维缺陷

例如晶界 相间层错以及晶体的表面

都属于面缺陷

我们先来学习点缺陷的相关知识

晶体中的点缺陷

包含有空位 间隙原子以及溶质原子

还有由他们所组成的尺寸很小的复合体

如空位对和空位片等

在任何瞬间

总有一些原子的能量

大到足以克服周围原子对它的束缚

这些原子就可能脱离原来的平衡位置

而迁移到别处

其形成的结果是在原来晶格节点的位置上

出现了空节点

这些空节点就称为空位

而间隙原子是指

处于晶格间隙位置的原子

在正常情况下

这些位置是不存在原子的间隙

原子可以是晶体本身固有的原子

也可以是尺寸较小的外来原子

例如溶质原子或者杂质原子

上述这些缺陷

都可以看作是最基本的点缺陷

如图所示

离开平衡位置的原子有两种去处

第一种可以迁移到晶体的表面上

这样形成的空位通常称为肖脱基空位

第二种可以迁移到晶体点阵的间隙当中

这样形成的空位称为弗兰克尔空位

在形成弗兰克尔空位的同时

会产生间隙原子

在一定条件之下

间隙原子还可以由晶体表面的原子

迁移到晶体内部的间隙位置而形成

空位和间隙原子

形成与温度密切相关

随着温度的升高

空位或间隙原子的数目也会增多

因此点缺陷又称为热缺陷

但是晶体中的点缺陷

并非都是通过原子的热运动而产生的

其他方法

例如冷加工 高能粒子轰击

也可以产生点缺陷

由于空位的存在

使周围原子失去了一个近邻原子

从而影响了原子间作用力的平衡

从而使周围的原子都要向空位方向稍作调整

这就会造成点阵的局部弹性激变

与此类似的在间隙原子所处的点阵周围

也会发生弹性畸变

很显然空位引起的点阵畸变较小

而间隙原子引起的点阵畸变较大

点缺陷一个重要的特点是热力学稳定的缺陷

在一定温度下

晶体中必然有一定平衡数量的空位和间隙原子

这时体系的能量最低

也就是说具有平衡点缺陷的晶体

比理想晶体在热力学上更为稳定

点缺陷这一特征与线缺陷

面缺陷不同

因为线缺陷和面缺陷

都属于热力学不稳定缺陷

点缺陷具有热力学稳定性的原因在于

晶体中点缺陷的存在

一方面会造成点阵畸变

是晶体的内能升高

增大了晶体的热力学不稳定性

而另一方面

由于增大了原子排列的混乱程度

并改变了周围原子的阵动频率

使得晶体的熵值增大

熵值越大

晶体便越稳定

由于存在着这两个互为矛盾的因素

晶体中的点缺陷

在一定温度下存在着平衡数目

这时的点缺陷浓度就称为

在该温度下的热力学平衡温度

晶体中的空位处在不断产生和消失的过程中

新的空位不断产生

原来的空位会发生复合而消失

若单位时间内产生的空位数目

和消失的空位数目相等时

空位的数量就会保持不变

点缺陷的平衡浓度

可以用统计热力学的方法进行计算

其公示如下

平衡浓度

平衡浓度C等于振动熵A

乘以自然常数e的指数函数

其指数等于负的点缺陷激活能

比上气体常数乘以温度

空位或间隙原子的激活能

会直接影响点缺陷的平衡浓度

在晶体中间隙原子的激活能

比空位激活能要高出几倍

因此在同一温度下

间隙原子的浓度远比空位的浓度要低

我们以铜为例

在1273K时

空位的平衡浓度约为10的-4次方

而间隙原子的浓度仅为10的-14次方

其浓度比接近于10的10次方倍

这也说明在通常情况下

晶体中的间隙原子数目非常少

相对于空位数目可忽略不计

同时空位和间隙原子的平衡浓度

都会随温度的升高而急剧增加

呈现出指数关系

我们以铝为例

在300K时

平衡空位浓度约为10的-12次方

当温度升高到900K时

平衡浓度增加到10的-4次方

晶体中的点缺陷并非固定不动的

而是处在不断改变位置和运动之中

如图所示空位周围的原子由于热阵动

有可能获得足够的能量而跳入到空位之中

并占据这个平衡位置

此时在这个原子原来的位置上

就形成了一个空位

这一过程就可以看作是

空位向临近节点的迁移

当原子在位置C时

处于不稳定状态

因而空位在迁移中必须获得

足够的能量来克服此障碍

故称该能量的增加为空位迁移激活能

同理

由于热阵动

晶体中的间隙原子也可以由一个间隙位置

迁移到另外一个间隙位置

只不过间隙原子的迁移激活能

比空位的迁移激活能要小得多

在运动的过程中

当间隙原子与一个空位调换位置时

它将落入这个空位

而使两者都消失

这一过程称为复合或者湮没

通常来说空位在晶体的迁移

是完全随机的

在不断进行不规则的布朗运动

空位的迁移会造成金属晶体中的自扩散现象

在一些特殊情况下

金属晶体中的点缺陷数量超过了及平衡浓度

这种情况称为过饱和点缺陷

产生过饱和点缺陷的方法有

辐照效应 冷加工或高温淬火

辐照效应是将高能粒子

例如中子 质子 α粒子等射入到金属表面

粒子与点阵中的原子发生碰撞

使原子离开平衡位置

而形成间隙原子和空位

辐照所产生的缺陷区域是比较大的

呈现出梨形

中间是空位

而周围是间隙原子

例如0.01兆电子伏特能量的中子轰击铜时

可产生的离位原子平均约为380个

碰撞后的中子以及离位原子

如有足够大的能量

可进一步的把其他阵点上的原子碰撞离位

冷加工产生的点缺陷

是利用位错的交割

从而产生过饱和点缺陷

淬火点缺陷是利用高温时

金属晶体中的平衡空位数量

显著增加的原理

如果缓慢冷却下来

多余的空位将在冷却过程中

因为热运动而消失在晶体的自由表面

晶界以及位错等处

但如果从高温急冷

则在高温时处于平衡浓度的空位

可大部分保留到低温

使晶体中的空位数量

远远超过该温度时的平衡浓度

通常将这种方法获得的过饱和空位

称为淬火空位

点缺陷对金属性能的影响

主要有以下几个方面

第一 点缺陷的存在是金属体积产生膨胀

密度减小

形成一个肖脱基缺陷时

如果空位周围的原子都不移动

则应使晶体体积增加一个原子体积

但实际上空位周围的原子

会向空位发生一定的偏移

所以实际的体积膨胀

大约为0.5个原子体积

而当产生一个间隙原子时

体积膨胀量约为1~2个原子体积

第二个影响

点缺陷会引起金属电阻的增加

晶体中由于存在点缺陷

会对传导电子时产生附加的电子散射

从而使电阻增大

例如有实验测试得到

当铜每增加百分之1的空位时

其电阻率约增加1.5毫欧厘米

第三个影响

空位对金属的许多过程

尤其是高温下的过程有显著的作用

显然这与高温时

空位的平衡浓度急剧增高有关

例如金属的扩散

高温塑性变形

以及退火 沉淀

表面化学热处理

表面氧化烧结等过程

都与空位的存在和运动有着密切的联系

第四 过饱和点缺陷

例如退火空位 辐照缺陷等

可以大幅度提高金属的屈服强度

上述就是本节的内容