第二章第4讲材料科学与工程基础(顾宜

2-6 固体中的原子无序Imperfections in Solids

Chapter 5

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

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 2) 中部固溶体(二次固溶体): 0<任一组元<100% (无任一组元的结构，以化合物为基) 相图端部 相图中部

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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； 部分互溶； 不形成固溶体Figure 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%, 20~40%, 完全互溶 部分互溶 难置换

B.键性(极化): Zn++(共价性) C. 晶体结构类型和晶胞大小

Fe++(离子性)

D.电价: 电价差使置换难(大晶胞中需其它离子补足)

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

Figure 5.5

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。

固溶体的判断固溶体的理论密度： ρc = N · / V · A A N N、V 分别为晶胞的原子数和体积 A 为固溶体平均相对原子质量 NA为阿佛伽德罗常数 测定固溶体实际密度 ρe 若: ρc〈 ρe : 间隙式 ρc = ρe : 置换式 ρc 〉ρe : 缺位式 (缺阵点原子)

3)非化学计量化合物 (Nonstoichiometric): 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

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% 4.根据各组元原子分布的规律性划分：

1) 无序固溶体：组元原子的分布是随机的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

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 (vacancy): 间隙原子(Self-interstitial): (a)无原子的阵点位置 (d)挤入点阵间隙的原子 (b)双空位

肖特基缺陷 (Schott

ky 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

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 atomic 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 density , and Avogadro’s number NA, according to

Figure 5.3

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 1) 棱位错(刃位错 Edge Dislocation) 位错线与滑移方向(柏格斯矢量)垂 直 EF ⊥ BB’ 压力、拉力

Figure 5.7

2)螺旋位错(Screw Dislocation): 位错线与滑移方向(柏格斯矢量)平行 AD ∥ B’B 与位错线垂直的平面在螺旋斜面

受剪切力作用易发生