材料学-第二讲晶体缺陷、相图相变.ppt

工程材料学第二讲 晶体缺陷、相图 典型晶体结构 了解和熟悉材料的基本和典型结构，对研究和探索材料的本质具有重要意义。本节内容将对材料结构的基本关系和各类材料的典型结构进行详细介绍。 金属晶体 金属晶体（键合）特点：电子为整个晶体共用，无方向性，形成对称离子，利于密集的有序堆积，所以形成高度对称、紧密排列的晶体结构。理想情况下，晶体中堆积离子可认为是“硬球”。 最典型结构：面心立方(Al)、体心立方(A2)和密排六方结构(A3) 金属晶体 堆积特征：面心立方和密排六方中，每个原子和最近邻的原子间都相切；体心立方中，体心原子与顶角八原子相切，八个顶角原子互不相切。 密排面：原子密排程度最高的晶面。是密排六方的{0001}和面心立方的{111}，体心立方{110}。 密排面上原子排列方式：ABAB…(或ACAC…)的顺序堆垛，是密排六方；ABCABC…的顺序堆垛，是面心立方。 晶格常数与原子半径的关系： 面心立方结构(a=b=c)： 体心立方结构(a=b=c)： 密排六方结构(a=b≠c)： a=2R 晶体中原子间的间隙 金属晶体中存在着很多间隙。对金属的性能、扩散等都有重要影响 八面体间隙：六个原子之间的间隙 四面体间隙：四个原子之间的间隙 晶体缺陷 实际晶体中原子的排列或多或少地存在着偏离理想结构的区域，不可能象理想晶体一样规则和完整，而是出现了不完整性，例如：晶界，单晶也有微裂缝、杂质、热振动 缺陷：晶体中偏离完整性的区域，即造成晶体点阵周期势场畸变的一切因素 缺陷的特征：缺陷是随着各种条件的改变而不断变动的，有些缺陷可以产生、发展、运动和交互作用，而且能合并和消失。 缺陷的存在，会严重影响着晶体性质；总体看晶体仍可认为是接近完整的；晶体缺陷仍可以用相当确切的几何图象来描述。 晶体的缺陷 晶体缺陷分类： (1)点缺陷（零维缺陷）。其特点是在X、Y、Z三个方向上的尺寸都很小(相当于原子的尺寸)； (2)线缺陷（一维缺陷）。其特点是在两个方向上的尺寸很小，另一个方向上的尺寸相对很长； (3)面缺陷（二维缺陷）。其特点是在一个方向上的尺寸很小，另外两个方向上的尺寸很大。 晶体缺陷 点缺陷 理想晶体中的一些原子被外界（大、小）原子所代替，或者在晶格间隙中掺入原子，或者留有原子空位，破坏了有规则的周期性排列，引起质点间势场的畸变。 点缺陷：晶体结构的不完整仅仅局限在原子位置 晶体缺陷 点缺陷的类型 (一)热缺陷，主要是产生了空位和间隙原子； (二)组成缺陷，即掺入了杂质离子(大、小)； (三)电子缺陷，电子的能量状态发生了变化； (四)非化学计量结构缺陷，由化合物的非化学计量引起空位和间隙原子，常伴有电荷的转移。 热缺陷 热缺陷的产生：原子一定温度下热振动，能量是按麦克斯威尔—波兹曼分布出现起伏，总有一些高能量原子，离开平衡位置，造成缺陷 热缺陷两种主要形态： 弗伦克尔缺陷：原子离开平衡位置后，挤到格子点的间隙中，形成间隙离子，而原来位置上形成空位，成对产生。见 图2-1(a) 肖特基缺陷：原子获得较大能量，移到表面外新的位置上去，原来位置则形成空位，空位逐渐转移到内部，体积增加。见 图2-1(b) 晶体缺陷 其它类型：间隙离子从晶格表面跑到内部去，这样的缺陷就只有间隙原子而无空位了；有几个空位同时合并在一起的缺陷 在晶体中，几种缺陷可以同时存在，但通常有一种是主要的。一般说，正负离子半径相差不大时，肖特基缺陷是主要的。两种离子半径相差大时弗伦克尔缺陷是主要的。 晶体缺陷 组成缺陷 组成缺陷的产生：杂质原子和本征原子的性质不同，故它不仅破坏了原子有规则的排列，而且使杂质离子周围的周期势场发生改变，从而形成缺陷。 类型：间隙杂质原子及置换杂质原子两种，见 图2-2 晶体缺陷 电荷缺陷 缺陷的产生：有些化合物，电子得到能量而被激发到高能量状态，此时在电子原来所处的能量状态相当于留下了一个电子空穴，带正电荷。因此在它们附近形成了一个附加电场，引起周期势场的畸变，造成了缺陷 非化学计量结构缺陷 缺陷的产生：一些易变价的化合物，通过自身的变价（电荷转移），很容易形成空位和间隙原子，造成组成上的非化学计量化，引起了晶体内势场的畸变。 晶体缺陷 位错 位错：原子行列间相互滑移，不再符合理想晶格的有序的排列，为线缺陷 位错的结构类型 位错最重要、最基本的形态有刃形位错和螺形位错两种，另有介于它们之间的混合型位错等 Burgers回路与位错的结构特征 Burgers回路：在好区中围绕位错作一闭合回路，回路的每一步，都连接相邻的同类原子，并且始终保持在晶体的好区，这个回路称Burgers回路（螺型位错与刃型位错） Burgers矢量：反映含与不