第四章_晶体的缺陷.pptVIP

* * 4.1 缺陷的基本类型 点、线、面缺陷 4.2 位错缺陷的性质 位错的滑移、晶体的生长 4.3 热缺陷的统计理论（重点） 4.4 缺陷的扩散 4.5 离子晶体的热缺陷在外场中的迁移 本章小结 * 扩散系数D？？？ * 二、自扩散的微观机制 晶体中，扩散是缺陷运动的直接结果： 完整的晶体不会发生迁移：在纯基体中基质原子的布朗运动是以晶体中存在缺陷为前提的。 热缺陷为其四周近邻原子的迁移提供了空间：一正常格点处的原子由于热涨落脱离格点，产生肖特基缺陷或夫伦克尔缺陷。其留下的空位为其四周近邻原子的迁移提供了空间。近邻原子可能填补这个空位而留下另一个空位，从而移动一步。对填隙原子也是如此。 伴随着缺陷的无规运动，基质原子就可能不断地从一处向另一处作布朗运动。 * 根据统计物理，布朗运动粒子的位移平方平均与扩散系数D的关系为 在晶体中，粒子的位移受晶格周期性的限制，其位移平方的平均值也与晶格周期有关。 晶体中扩散的三种方式： 空位机制、填隙原子机制和二者同时发生机制 是在若干相等的时间间隔t内粒子的位移平方平均值 * A等待到B格点成为空位并跳到此空位所花时间 简单晶格，原子在该时间内只跳过一个晶格常数 统计平均时间 ?1 是空穴的几率：n1/N A B 问题：A跳到B的时间？ 或B空位跳到A的时间？ 1、空位机制 * 温度很低时，扩散系数很小； 温度很高时，扩散系数较大。 * 为什么温度很低时扩散系数很小；温度很高时扩散系数较大？ 温度很低时，原子的振动能小，难以获得足够的能量跳过势垒E1； 温度很高时，晶格振动能大原子容易获得足够的能量跳过势垒进行扩散。 E1 * 2、填隙原子机制 填隙原子扩散 1）A格点原子?时间跳到间隙位置变成填隙原子； 2）从一个间隙位置跳到另一个间隙位置（l步）； 3）落入与空位相邻间隙位置时，立即与空位复合，进入正常格点。 观察A格点上原子的扩散 A B ? ?2 ?2 ?2 ?2 l步 * 设从A到B共跳了l次，每步的位移矢量为xi xi可正可负，l很大 填隙原子的扩散系数 A B ? ?2 ?2 ?2 ?2 l步 * 与填隙原子相邻的一个格点是空位的几率n1/N。 （填隙原子跳N/n1 次才遇上空位并之与复合） 则 * 花费时间 ?2为原子从一个间隙跳到相邻间隙所需时间 扩散系数 * 填隙原子与空位扩散系数的比较 填隙原子 空位 u2u1，E1≈E2 空位的扩散系数比填隙原子大 两式可统一为 N0：阿伏加德罗常数 R：摩尔气体常数 N0?：激活能 * 在实验测定一些金属自扩散系数中发现，实验值比理论值大几个数量级。 理论模型过于理想化： 实际晶体中，不只是点缺陷，还有线缺陷和面缺陷；对多晶体，存在大量晶粒间界，是复杂的面缺陷，对粒子扩散十分有利。 但理论分析对了解缺陷的扩散规律有指导意义。 * 三、杂质原子的扩散 1. 杂质原子扩散性质依赖于其在晶体中存在方式： 可处于晶格间隙位置 也可替代原来基质原子，占据晶格位置。 2. 如果杂质原子的半径比基质原子小得多，则总是 以填隙方式存在于晶体中； 否则，它们将以替位方式存在于晶体中。 研究杂质原子的扩散有实际意义，人们常用搀杂原子手段实现材料改性。 * 如果杂质原子是以填隙方式存在于晶体中，那么它本身就是填隙原子，并通过填隙原子迁移方式在晶体中扩散，如硼、碳等在铁中的扩散。 杂质原子不存在由正常格点变成填隙方式的漫长时间?，忽略其与空位的复合，跳跃一步需时间 填隙方式杂质的扩散 ?0：杂质原子振动频率；E：晶格势垒 此时间 * 杂质填隙原子的扩散系数比晶体填隙原子的自扩散系数大得多。 杂质原子在?-Fe中的扩散系数（T=1000?C） 元素 H B C N ?-Fe 扩散系数 (m2/s) 1.9×10-8 6.1×10-11 6.7×10-11 3.8×10-11 9×10-16 填隙杂质原子的扩散系数 E?E2，?0= ?02 * 替代方式杂质的扩散 杂质原子占据正常格点，扩散方式与自扩散很类似。 由于杂质原子和基体原子的差别（如原子的大小、电荷不同等）将造成杂质缺陷周围的晶格畸变。使得畸变区出现空位的几率大大增加。杂质跳向空位的时间大为减小，加快杂质扩散。 替位式杂质的扩散系数比晶体自扩散系数大。 * 离子晶体缺陷的种类 离子晶体缺陷的特点 离子晶体的电流密度 缺陷在外电场下的迁移 外电场下迁移引起填隙离子浓度分布 迁移率 §4.5 离子晶体的热缺陷在外场中的迁移 * A＋填隙离子 B－填隙离子 B－空位 A＋空位 A＋空位相当于负电荷 B－空位相当于正电荷 离子晶体中的缺陷 离子晶体的四种缺陷（A+B?)： * 离子晶体缺陷的特点： 1. 离子晶体中点缺陷带有一定的电荷。