26固體中的原子無序.ppt

2 6固體中的原子無序 imperfectionsinsolidsdefectsincrystalspoint vacancyandself interstitialfrenkelandschottkydefect stoichiometrylinear edgeandscrewdislocation burgersvectorinterfacial bulksolidsolution alloys substitutionalandinterstitialnoncrystallinediffusion chapter5 2 6固體中的原子無序 imperfectionsinsolids 2 6 1固溶體 solidsolution 雜質(zhì)原子 或離子 分子 均勻分布 溶 于基質(zhì)晶格中的固體通常特征 雜質(zhì)和基質(zhì)原子共同占據(jù)原基質(zhì)的晶格點(diǎn)陣 有一定的成分范圍 固溶度1 根據(jù)相圖劃分 1 端部固溶體 初級(jí)固溶體 包括純組分的固溶體相圖端部2 中部固溶體 二次固溶體 0 任一組元 100 相圖中部 無任一組元的結(jié)構(gòu) 以化合物為基 返回上頁 2 根據(jù)溶質(zhì)在點(diǎn)陣中的位置劃分 1 置換型固溶體 substitutionalsolidsolution 晶體原 離 子被其它原 離 子部分代換后形成 置換量不同可 完全互溶 不形成固溶體 部分互溶 figure5 5 影響置換因素 下列諸因素相同 近 易置換 否則難成固溶體a 離子大小 同晶型時(shí)半徑差 15 完全互溶20 40 部分互溶難置換 2 間隙型固溶體 interstitialsolidsolution 較小的原子進(jìn)入晶格間隙形成的固溶體 影響因素 a 晶格結(jié)構(gòu)的空隙大小b 間隙離子進(jìn)入后需空位或其它高價(jià)反電荷離子以置換方式平衡電中性 figure5 5 固溶體的判斷 3 非化學(xué)計(jì)量化合物 nonstoichiometric 組分比偏差于化學(xué)式的化合物 含變價(jià)離子 實(shí)質(zhì)是由金屬的高氧化態(tài)和低氧化態(tài)形成的固溶體其電中性 electroneutrality 由空孔或間隙離子平衡 figure5 4 3 根據(jù)固溶度劃分 1 有限固溶體 固溶度 100 2 無限固溶體 連續(xù)固溶體 固溶度0 100 2 有序固溶體 各組元原子分別占據(jù)各自的分點(diǎn)陣 分點(diǎn)陣穿插成復(fù)雜的超點(diǎn)陣 2 6 2晶體結(jié)構(gòu)缺陷 defectsincrystals 晶體中原子排列的周期性受到破壞的區(qū)域 分 1 點(diǎn)缺陷 pointdefect 任何方向尺寸都遠(yuǎn)小于晶體線度的缺陷區(qū) 空位 vacancy a 無原子的陣點(diǎn)位置 間隙原子 self interstitial d 擠入點(diǎn)陣間隙的原子 肖特基缺陷 schottkydefect c 離子對(duì)空位 弗蘭克爾缺陷 frenkeldefect e 等量的正離子空位和正離子間隙 b 雙空位 exampleproblem5 1calculatetheequilibriumnumberofvacanciespercubicmeterforcopperat1000 theenergyforvacancyformationis0 9ev atom theatomicweightanddensity at1000 forcopperare63 5g moland8 40g cm3 respectively solutionthisproblemmaybesolvedbyusingequation5 1 itisfirstnecessary however todeterminethevalueofn thenumberofatomicsitespercubicmeterforcopper fromitsatomicweightacu itsdensity andavogadro snumberna accordingto figure5 3 2 線缺陷 位錯(cuò)dislocation 僅一維尺寸可與晶體線度比擬的缺陷一或數(shù)列原子發(fā)生有規(guī)則的錯(cuò)排 ef bb figure5 7 2 螺旋位錯(cuò) screwdislocation 位錯(cuò)線與滑移方向 柏格斯矢量 平行與位錯(cuò)線垂直的平面在螺旋斜面受剪切力作用易發(fā)生 ad b b figure5 8 位錯(cuò)有兩個(gè)特征 一個(gè)是位錯(cuò)線的方向 它表明給定點(diǎn)上位錯(cuò)線的方向 如ef ad 用單位矢量 表示 另一個(gè)是為了表明位錯(cuò)存在時(shí) 晶體一側(cè)的質(zhì)點(diǎn)相對(duì)另一側(cè)質(zhì)點(diǎn)的位移 用一個(gè)柏格斯矢量b表示 它是指該位錯(cuò)的單位滑移距離 其方向和滑移方向平行 b 0相互垂直 純棱位錯(cuò)b b相互逆向平行 純螺旋位錯(cuò) 柏格斯矢量 burgersvector 柏格斯回路 右手規(guī)則 拇指 位錯(cuò)線方向四指轉(zhuǎn)向 柏格斯回路轉(zhuǎn)向 混合位錯(cuò) figure5 9 位錯(cuò)密度 nl al n a figure5 9 滑移外力推動(dòng) 3 面缺陷 interfacialdefects 僅一平面方向上尺寸可與晶體線度比擬的缺陷如由一系列刃位錯(cuò)排列成一個(gè)平面形成的缺陷 2 6 3非晶體 noncrystalline 1 非晶材料 結(jié)構(gòu)在體積范圍內(nèi)缺乏重復(fù)性的材料 非晶型 無定形amorphous 無平移對(duì)稱 無長程有序 原子位置排布完全無周期性 具有統(tǒng)計(jì)規(guī)律 密亂堆垛 無規(guī)網(wǎng)絡(luò)等 2 分布函數(shù) 徑向分布函數(shù) j r 4 r2 r 雙體分布函數(shù) 以某原子為原點(diǎn) 距離r處找到另一原子的幾率g r r 0 r 為r處原子的數(shù)目密度 0為整個(gè)樣品的平均原子數(shù)密度 可求兩個(gè)參數(shù) 配位數(shù) 第一峰面積原子間距 峰位置 3 非晶態(tài)結(jié)構(gòu)模型 微晶 不連續(xù) 無規(guī)拓樸 連續(xù) 除四面體外 有八 十二 十四面體 6 4 4 密度上限 0 637 真密堆 0 74 a 硬球無序密堆 致密度 b 無規(guī)網(wǎng)絡(luò) 二氧化硅玻璃 橋氧鍵角變化較大 2 6 4擴(kuò)散 diffusion 1 擴(kuò)散現(xiàn)象 原子 或分子 通過熱運(yùn)動(dòng)改變位置而移動(dòng) chapter6 1 自擴(kuò)散 self diffusion 純固體中 同種元素的原子從一個(gè)點(diǎn)陣位置移動(dòng)到另一個(gè)點(diǎn)陣位置 2 互擴(kuò)散 interdiffusion 不同種元素接觸后原子相互移動(dòng)換位 3 擴(kuò)散的原因原子不是靜止的 原子圍繞其平衡位置進(jìn)行小振幅的振動(dòng) 部分原子具有足夠振幅 位置移動(dòng) 溫度影響擴(kuò)散 晶體中的缺陷類型和數(shù)量影響擴(kuò)散 間隙擴(kuò)散 interstitialdiffusion 間隙式固溶體h c n o 直接交換機(jī)制 極難 很少發(fā)生下頁 figure6 3 擴(kuò)散通道 沿位錯(cuò) 晶界 外表面 擴(kuò)散的激活能 activationenergy q 擴(kuò)散系數(shù) diffusioncoefficient d doe q rt 金屬 section6 5 金屬的擴(kuò)散激活能 kcal mol tmq 離子材料的擴(kuò)散激活能 空位機(jī)制 摻雜 中溫時(shí)少量雜質(zhì)能加速擴(kuò)散 nacl中加cdcl2后鈉離子擴(kuò)散系數(shù)的變化 2 非晶體無序結(jié)構(gòu) 有空穴 通過自由體積進(jìn)行 缺陷 在長鏈聚合物中 高分子 擴(kuò)散有 自擴(kuò)散 包括分子鏈段的運(yùn)動(dòng) 并且與材料的粘滯流動(dòng)相關(guān) 外來分子的擴(kuò)散 關(guān)系到聚合物呈現(xiàn)的滲透性和吸收性能 滲透性 高分子膜的分離 耐腐蝕性 分子間隙吸收性 引起溶脹 化學(xué)反應(yīng) 4 擴(kuò)散的數(shù)學(xué)模型穩(wěn)態(tài) steady state 單位時(shí)間內(nèi)通過垂直于給定方向的單位面積的凈原子數(shù) 通量 不隨時(shí)間變化fick第一定律 jx d c xjx 擴(kuò)散通量 diffusionflux d 擴(kuò)散系數(shù) cm2 s diffusioncoefficient c x 濃度梯度 concentrationgradient section6 3 aplateofironisexposedtoacarburizing carbon rich atmosphereononesideandadecarburizing carbon deficient atmosphereontheothersideat700 ifaconditionofsteadystateisachieved calculatethediffusionfluxofcarbonthroughtheplateiftheconcentrationsofcarbonat