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1、1,2-6 固体中的原子无序,Imperfections in Solids Defects in Crystals Point, vacancy and self- interstitial Frenkel and Schottky defect, Stoichiometry Linear, edge and screw dislocation, Burgers Vector Interfacial, Bulk Solid Solution (alloys) substitutional and interstitial Noncrystalline Diffusion,Chapter 5,
2、2,2-6 固体中的原子无序 (Imperfections in Solids) 2-6-1 固溶体(Solid Solution)： 杂质原子（或离子、分子）均匀分布（溶）于基质晶格中的固体 通常特征：杂质和基质原子共同占据原基质的晶格点阵； 有一定的成分范围 - 固溶度 1. 根据相图划分： 1) 端部固溶体(初级固溶体): 包括纯组分的固溶体 相图端部 2) 中部固溶体(二次固溶体): 0任一组元100 相图中部 （无任一组元的结构，以化合物为基）,3,返回上页,4,2. 根据溶质在点阵中的位置划分： 1) 置换型固溶体(Substitutional solid solution)： 晶
3、体原 (离)子被其它原(离)子部分代换后形成,置换量不同可： 完全互溶；,不形成固溶体,部分互溶；,Figure 5.5,5,影响置换因素：下列诸因素相同（近）易置换；否则难成固溶体 A. 离子大小: 同晶型时 半径差 15， 完全互溶 2040%， 部分互溶 难置换,6,2）间隙型固溶体 (Interstitial solid solution) ： 较小的原子进入晶格间隙形成的固溶体,影响因素： A 晶格结构的空隙大小 B 间隙离子进入后需空位或其它高价反电荷离子 以置换方式平衡电中性。,Figure 5.5,7,固溶体的判断,8,3）非化学计量化合物 (Nonstoichiometric
4、)： 组分比偏差于化学式的化合物 （含变价离子）,实质是由金属的高氧化态和低氧化态形成的固溶体 其电中性(electroneutrality)由空孔或间隙离子平衡,Figure 5.4,9,3. 根据固溶度划分： 1) 有限固溶体： 固溶度 100% 2) 无限固溶体(连续固溶体)： 固溶度 0 100%,2) 有序固溶体：各组元原子分别占据各自的分点阵， 分点阵穿插成 复杂的超点阵,10,2-6-2 晶体结构缺陷 (Defects in Crystals) 晶体中原子排列的周期性受到破坏的区域，分： 1. 点缺陷(Point Defect)：任何方向尺寸都远小于晶体线度的缺陷区,空位 (va
5、cancy)： (a)无原子的阵点位置,间隙原子(Self-interstitial)： (d)挤入点阵间隙的原子,肖特基缺陷 (Schottky Defect)：(c)离子对空位,弗兰克尔缺陷(Frenkel Defect)：(e)等量的正离子空位和正离子间隙,(b)双空位,11,EXAMPLE PROBLEM 5.1 Calculate the equilibrium number of vacancies per cubic meter for copper at1000 . The energy for vacancy formation is 0.9 eV/atom; the ato
6、mic weight and density (at 1000) for copper are 63.5 g/mol and 8.40 g/cm3, respectively. SOLUTION This problem may be solved by using Equation 5.1; it is first necessary, however,to determine the value of N, the number of atomic sites per cubic meter for copper, from its atomic weight ACu , its dens
7、ity , and Avogadros number NA, according to,12,13,Figure 5.3,14,2. 线缺陷(位错Dislocation)： 仅一维尺寸可与晶体线度比拟的缺陷 一或数列原子发生有规则的错排,EF BB,1） 棱位错(刃位错 Edge Dislocation) 位错线与滑移方向(柏格斯矢量)垂直,压力、拉力,15,Figure 5.7,16,2）螺旋位错(Screw Dislocation)： 位错线与滑移方向(柏格斯矢量)平行 与位错线垂直的平面在螺旋斜面 受剪切力作用易发生,AD BB,17,FIGURE 5.8 (,18,位错有两个特征： 一
8、个是位错线的方向，它表明给定点上位错线的方向， 如EF， AD，用单位矢量表示， 另一个是为了表明位错存在时，晶体一侧的质点相对另 一侧质点的位移，用一个柏格斯矢量 b 表示。 它是指该位错的单位滑移距离，其方向和滑移方向平行,b = 0 相互垂直，纯棱位错 b = - b 相互逆向平行，纯螺旋位错,19,柏格斯矢量 (Burgers Vector),柏格斯回路,20,右手规则： 拇指-位错线方向 四指转向-柏格斯回路转向,21,22,混合位错,FIGURE 5.9,23,位错密度：n l / A l = n / A,FIGURE 5.9,24,滑移 外力推动,25,3. 面缺陷 (Inter
9、facial Defects)： 仅一平面方向上尺寸可与晶体线度比拟的缺陷 如由一系列刃位错排列成一个平面形成的缺陷,26,2-6-3 非晶体 (Noncrystalline) 1非晶材料： 结构在体积范围内 缺乏重复性 的材料 （非晶型、无定形 amorphous） 无平移对称，无长程有序，原子位置排布完全无周期性， 具有统计规律。 （密乱堆垛，无规网络等）,27,2 分布函数： 径向分布函数：J(r) = 4r2 (r) 双体分布函数：以某原子为原点， 距离r 处找到另一原子的几率 g(r) = (r) / 0 (r) 为r 处原子的数目密度； 0 为整个样品的平均原子数密度,可求两个参数
10、： 配位数：第一峰面积 原子间距：峰位置,28,29,3、非晶态结构模型,微晶（不连续）,无规拓朴（连续）,30,除四面体外， 有 八、十二、十四面体： 6%， 4%， 4% 密度上限： 0.637 （真密堆：0 .74）,A. 硬球无序密堆,致密度,31,B.无规网络 (二氧化硅玻璃),桥氧键角变化较大,32,2-6-4 扩散(Diffusion) 1 扩散现象：原子（或分子）通过热运动改变位置而移动,Chapter 6,33,1)自扩散(self-diffusion)： 纯固体中，同种元素的原子 从一个点阵位置移动到另一个点阵位置,2) 互扩散(interdiffusion)： 不同种元素
11、接触后原子相互移动换位,34,3) 扩散的原因 原子不是静止的； 原子围绕其平衡位置进行小振幅的振动； 部分原子具有足够振幅，位置移动。 温度影响扩散；晶体中的缺陷类型和数量影响扩散。,间隙扩散(Interstitial Diffusion)：间隙式固溶体 H, C, N, O,直接交换机制：极难，很少发生 下页,35,Figure 6.3,36,扩散通道：沿位错、晶界、外表面,扩散的激活能(Activation Energy) Q ： 扩散系数(Diffusion Coefficient),D = D o e Q/RT,金属,Section 6.5,37,金属的扩散激活能 (kcal/mol
12、),Tm Q,38,离子材料的扩散激活能,空位机制,39,掺杂: 中温时少量杂质能加速扩散,NaCl中加CdCl2后钠离子扩散系数的变化,40,2）非晶体 无序结构，有空穴，通过自由体积进行（缺陷）。 在长链聚合物中（高分子）扩散有： 自扩散：包括分子链段的运动，并且与材料的粘滞流动相关。 外来分子的扩散：关系到聚合物呈现的渗透性和吸收性能。 渗透性：高分子膜的分离，耐腐蚀性，分子间隙 吸收性：引起溶胀，化学反应。,41,4 扩散的数学模型 稳态(Steady-state)：单位时间内通过垂直于给定方向的单位面积的 净原子数（通量），不随时间变化 Fick第一定律： Jx = - D c /x
13、 Jx ：扩散通量 (Diffusion Flux) D：扩散系数，cm2/s (Diffusion Coefficient) c /x：浓度梯度 (Concentration Gradient),Section 6.3,42,A plate of iron is exposed to a carburizing (carbon-rich) atmosphere on one side and a decarburizing (carbon-deficient) atmosphere on the other side at 700. If a condition of steady stat
14、e is achieved, calculate the diffusion flux of carbon through the plate if the concentrations of carbon at positions of 5 and 10 mm (510-3 and 10-2 m) beneath the carburizing surface are 1.2 and 0.8 kg/m3, respectively. Assume a diffusion coefficient of 310-11 m2/s at this temperature.,EXAMPLE PROBLEM 6.1,SOLUTION,