第4講材料科學(xué)與工程基礎(chǔ)顧宜市公開課一等獎(jiǎng)省賽課微課金獎(jiǎng)?wù)n件

2-6固體中原子無序ImperfectionsinSolids

DefectsinCrystalsPoint,vacancyandself-interstitial

Frenkeland

Schottkydefect,StoichiometryLinear,edgeandscrewdislocation,BurgersVectorInterfacial,BulkSolidSolution(alloys)substitutionalandinterstitialNoncrystallineDiffusionChapter5第1頁2-6固體中原子無序(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)晶格中固體通常特征：雜質(zhì)和基質(zhì)原子共同占據(jù)原基質(zhì)晶格點(diǎn)陣；有一定成份范圍----固溶度1.

依據(jù)相圖劃分：1)端部固溶體(初級(jí)固溶體):包含純組分固溶體相圖端部2)中部固溶體(二次固溶體):0＜任一組元＜100％相圖中部（無任一組元結(jié)構(gòu)，以化合物為基）第2頁返回上頁第3頁2.依據(jù)溶質(zhì)在點(diǎn)陣中位置劃分：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一樣可：

完全互溶；不形成固溶體部分互溶；Figure5.5第4頁

影響置換原因：以下諸原因相同（近）易置換；不然難成固溶體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B．鍵性（極化）:Zn++（共價(jià)性）Fe++(離子性)C.晶體結(jié)構(gòu)類型和晶胞大小D．電價(jià):電價(jià)差使置換難（大晶胞中需其它離子補(bǔ)足）第5頁2）間隙型固溶體

(Interstitialsolidsolution)：較小原子進(jìn)入晶格間隙形成固溶體

影響原因：A．

晶格結(jié)構(gòu)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第6頁固溶體理論密度：ρc=N·A／V·NA

N、V分別為晶胞原子數(shù)和體積A為固溶體平均相對(duì)原子質(zhì)量NA為阿佛伽德羅常數(shù)測(cè)定固溶體實(shí)際密度ρe

若:ρc〈ρe:間隙式ρc=ρe:置換式

ρc〉ρe:缺位式（缺陣點(diǎn)原子）固溶體判斷第7頁3）非化學(xué)計(jì)量化合物

(Nonstoichiometric)：組分比偏差于化學(xué)式化合物（含變價(jià)離子）實(shí)質(zhì)是由金屬高氧化態(tài)和低氧化態(tài)形成固溶體其電中性(electroneutrality)由空孔或間隙離子平衡Figure5.4第8頁3.依據(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)各自分點(diǎn)陣，分點(diǎn)陣穿插成復(fù)雜超點(diǎn)陣4．依據(jù)各組元原子分布規(guī)律性劃分：1)

無序固溶體：組元原子分布是隨機(jī)第9頁2-6-2晶體結(jié)構(gòu)缺點(diǎn)(DefectsinCrystals)晶體中原子排列周期性受到破壞區(qū)域，分：

1.

點(diǎn)缺點(diǎn)(PointDefect)：任何方向尺寸都遠(yuǎn)小于晶體線度缺點(diǎn)區(qū)空位(vacancy)：(a)無原子陣點(diǎn)位置間隙原子(Self-interstitial)：

(d)擠入點(diǎn)陣間隙原子肖特基缺點(diǎn)(SchottkyDefect)：(c)離子對(duì)空位弗蘭克爾缺點(diǎn)(FrenkelDefect)：(e)等量正離子空位和正離子間隙(b)雙空位第10頁EXAMPLEPROBLEM5.1Calculatetheequilibriumnumberofvacanciespercubicmeterforcopperat1000℃.Theenergyforvacancyformationis0.9eV/atom;theatomicweightanddensity(at1000℃)forcopperare63.5g/moland8.40g/cm3,respectively.SOLUTIONThisproblemmaybesolvedbyusingEquation5.1;itisfirstnecessary,however,todeterminethevalueofN,thenumberofatomicsitespercubicmeterforcopper,fromitsatomicweightACu,itsdensity,andAvogadro’snumberNA,accordingto第11頁第12頁Figure5.3第13頁

2.線缺點(diǎn)(位錯(cuò)Dislocation)：僅一維尺寸可與晶體線度比擬缺點(diǎn)一或數(shù)列原子發(fā)生有規(guī)則錯(cuò)排

EF⊥BB’1）

棱位錯(cuò)(刃位錯(cuò)EdgeDislocation)位錯(cuò)線與滑移方向(柏格斯矢量)垂直壓力、拉力第14頁Figure5.7第15頁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)線垂直平面在螺旋斜面受剪切力作用易發(fā)生AD∥B’B第16頁FIGURE5.8(第17頁位錯(cuò)有兩個(gè)特征：一個(gè)是位錯(cuò)線方向，它表明給定點(diǎn)上位錯(cuò)線方向，如EF，AD，用單位矢量ξ表示，另一個(gè)是為了表明位錯(cuò)存在時(shí)，晶體一側(cè)質(zhì)點(diǎn)相對(duì)另一側(cè)質(zhì)點(diǎn)位移，用一個(gè)柏格斯矢量b表示。它是指該位錯(cuò)單位滑移距離，其方向和滑移方向平行b·ξ=0相互垂直，純棱位錯(cuò)b·ξ=-b相互逆向平行，純螺旋位錯(cuò)第18頁柏格斯矢量(BurgersVector)柏格斯回路第19頁右手規(guī)則：拇指----位錯(cuò)線方向

四指轉(zhuǎn)向-----柏格斯回路轉(zhuǎn)向第20頁第21頁混合位錯(cuò)FIGURE5.9

第22頁位錯(cuò)密度：nl/Al=n/AFIGURE5.9第23頁滑移外力推進(jìn)爬移空位和間隙原子無缺點(diǎn)第24頁3.面缺點(diǎn)(InterfacialDefects)：僅一平面方向上尺寸可與晶體線度比擬缺點(diǎn)如由一系列刃位錯(cuò)排列成一個(gè)平面形成缺點(diǎn)4．體缺點(diǎn)(VolumeDefects)：各方向尺寸均可與晶體線度比擬缺點(diǎn)如空洞、嵌塊等。第25頁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)性材料（非晶型、無定形amorphous）

無平移對(duì)稱，無長(zhǎng)程有序，原子位置排布完全無周期性，含有統(tǒng)計(jì)規(guī)律。（密亂堆垛，無規(guī)網(wǎng)絡(luò)等）第26頁2．

分布函數(shù)：

徑向分布函數(shù)：J(r)=4πr2ρ(r)

雙體分布函數(shù)：以某原子為原點(diǎn)，距離r處找到另一原子幾率

g(r)=ρ(r)/ρ0

ρ(r)為r處原子數(shù)目密度；

ρ0

為整個(gè)樣品平均原子數(shù)密度可求兩個(gè)參數(shù)：

配位數(shù)：第一峰面積原子間距：峰位置第27頁第28頁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)）第29頁除四面體外，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第30頁B.無規(guī)網(wǎng)絡(luò)(二氧化硅玻璃)橋氧鍵角改變較大第31頁2-6-4擴(kuò)散(Diffusion)1．

擴(kuò)散現(xiàn)象：原子（或分子）經(jīng)過熱運(yùn)動(dòng)改變位置而移動(dòng)Chapter6第32頁1)

自擴(kuò)散(self-diffusion)：純固體中，同種元素原子從一個(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)：不一樣種元素接觸后原子相互移動(dòng)換位第33頁3)擴(kuò)散原因原子不是靜止；原子圍繞其平衡位置進(jìn)行小振幅振動(dòng)；部分原子含有足夠振幅，位置移動(dòng)。

溫度影響擴(kuò)散；晶體中缺點(diǎn)類型和數(shù)量影響擴(kuò)散。2．?dāng)U散機(jī)制（DiffusionMechanisms）1)

晶體

空位擴(kuò)散(VacancyDiffusion)：一個(gè)原子與一個(gè)相鄰空位交換位置

多數(shù)金屬和置換固溶體間隙擴(kuò)散(InterstitialDiffusion)：間隙式固溶體H,C,N,O直接交換機(jī)制：極難，極少發(fā)生下頁第34頁Figure6.3第35頁擴(kuò)散通道：沿位錯(cuò)、晶界、外表面擴(kuò)散激活能(ActivationEnergy)–Q：

擴(kuò)散系數(shù)(DiffusionCoefficient)D=Doe–Q/RT金屬Section6.5第36頁金屬擴(kuò)散激活能(kcal/mol)

TmQ第37頁離子材料擴(kuò)散激活能空位機(jī)制第38頁

摻雜:中溫時(shí)少許雜質(zhì)能加速擴(kuò)散NaCl中加CdCl2后鈉離子擴(kuò)散系數(shù)改變第39頁2）非晶體無序結(jié)構(gòu)，有空穴，經(jīng)過自由體積進(jìn)行（缺點(diǎn)）。在長(zhǎng)鏈聚合物中（高分子）擴(kuò)散有：

自擴(kuò)散：包含分子鏈段運(yùn)動(dòng)，而且與材料粘滯流動(dòng)相關(guān)。

外來分子擴(kuò)散：關(guān)系到聚合物展現(xiàn)滲透性和吸收性能。

滲透性：高分子膜分離，耐腐蝕性，分子間隙

吸收性：引發(fā)溶脹，化學(xué)反應(yīng)。第40頁4．?dāng)U散數(shù)學(xué)模型

穩(wěn)態(tài)(Steady-state)：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)經(jīng)過垂直于給定方向單位面積

凈原子數(shù)（通量），不隨時(shí)間改變

Fick第一定律：

Jx=-DΔc/Δx

Jx

：擴(kuò)散通量(DiffusionFlux)

D：擴(kuò)散系數(shù)，cm2/s(DiffusionCoefficient)

Δc