第二章晶体缺陷Word文档下载推荐.docx
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②Gibbs自由能是指焓中能自由做功的那部分能量,而当熵增加时,混乱度增加,粒子的运动形态越活跃,则焓中能自由做功的能量减少,因此取负号。
问题式
中的
表示变化,而物理化学的变化一定涉及起始状态与终了状态的概念。
请具体指出这一小节中起始状态与终了状态的含义,即举例说明。
注意,这个问题看似简单,但非常重要。
在这一小节中的起始状态是“理想晶体”,而终了状态是“存在n个空位的晶体”。
例如,对Al2O3溶入MgO(具有NaCl结构)中,形成的非禀性点缺陷,起始状态是晶体理想结构,终了状态是铝离子取代镁离子后,有正离子空位产生,形成有点缺陷的离子晶体结构。
问题高温下有可能产生空位对,即两个空位复合在一起。
为什么会有这种情况?
注意,要结合低温的情形进行全面的分析。
在高温下,空位浓度增加,内能U增大,由Gibbs函数G=U-TS知,自由能增大。
而为了使能量尽可能小,出现两个空位复合的现象,是因为在高温下,熵起主要作用。
当两个空位复合在一起时,空位形式种类增加,对组态数的影响是正的。
即使G减小。
问题金属的空位形成能与其熔点有何关系?
1、熔化的难易程度与结合能有关。
原子间结合得越紧密,越难以融化,即熔点越高。
2、空位的形成能是原子在体内结合键能与表面结合键能之差,与结合能有关,结合能越高,空位形成能越大。
因此,“金属的空位形成能越大,熔点越高”。
问题当式2-3中的
超过怎样的数值,你认为该式就不适用了?
在
计算过程中可知,其假设空位形成能为常数,这就要求各个空位在形成过程中,相互独立,无影响,这在空位浓度较低时才能近似满足。
因此该式仅适用于空位浓度较低的情况,大约在1%~10%之间。
问题“高能粒子辐照”几个字中,高能粒子除能量高外有无别的隐性含义?
高能粒子受散射小,穿透能力强,能够深入材料内部,形成足够的空位浓度。
问题严格讲,应该写成
,而不是
。
请说明用
替代
的合理性。
由
,在我们讨论的晶体范围内,一般涉及到的均为凝聚态,压强与体积的影响非常小,可以忽略不计,因此可以用
问题是什么振动熵?
理想晶体中的振动熵与含空位的振动熵有什么差异?
参考:
1、振动熵是指由于振动形式的多样性而造成的独立微观状态数。
2、可以将晶体模型中的拉压情形类比于弹簧模型的拉压。
显然易见,含空位的晶体与理想晶体相比是劲度系数k比较小的弹簧,又能量正比于劲度系数,即
因此理想晶体中
大于含空位晶体中的
可从两种角度来看:
①由振动熵公式可知,
(理想晶体)<
(含空位晶体)。
②从物理上理解,晶格振动的能量可用声子模型来描述。
当温度一定时,总能量一定。
而又由于理想晶体中
,因此理想晶体中声子种数小于含空位晶体,即振动形式少于含空位晶体,也就是
问题考虑了振动熵概念之后,平衡空位浓度增加,即A是大于1的,为什么?
由下图可见,当考虑了振动熵之后,
曲线应该向下移,平衡处与之抗衡的
也应该相应增大,则由图可见,平衡空位浓度
增加,即A是大于1的。
(熵的作用能力越强,越易于空位的形成)
问题“由于自间隙原子的形成能是空位形成能的几倍,实际晶体中的空位浓度远大于自间隙原子浓度”,这句话可以理解为“自间隙原子现象可以忽略不计”吗?
请给予说明。
可以。
问题NaCl与MgO的结构相同,但肖脱基缺陷形成能分别为2.2eV/个与6eV/个。
1.为什么数据差异如此之大?
2.请根据这两个数据对它们的肖脱基缺陷的浓度情况做出判断。
1、肖脱基缺陷形成能与结合能成正比。
NaCl与MgO晶体都是通过离子键相结合的离子晶体。
而在材料物理基础的离子结合一节中,我们可以得知,离子键是由正、负离子通过库仑力而形成的,其平衡时晶体结合能
而Na和Cl离子为一价离子,Mg与O离子均为二价离子,因此MgO的结合能大于NaCl,即肖脱基缺陷形成能前者大得多。
2、肖脱基形成能越大,越难以形成,因此NaCl中肖脱基缺陷的浓度大于MgO。
P13
问题有一个位错环(即位错线呈环状)存在于某一晶面内,该位错环的各个部分可能都是刃位错吗?
可能都是螺位错吗?
可能是刃位错,一定不是螺位错。
因为①刃位错的伯氏矢量垂直于位错线,而螺位错的伯氏矢量平行于位错线。
②同一根位错线上的伯氏矢量相同。
所以显见,对于位错环容易做到各处伯氏矢量垂直于位错线,而各处都平行于位错环却无法办到。
如图,b1和b2都平行于位错环,但
不满足上面的条件。
P16
问题从几何的角度分析,为什么刃位错中的
总是大于
参考图2-5。
从图2-5可见,插入半原子面后在x方向上晶格常数发生了明显的压缩预拉伸,而y方向上则几乎无变化。
参看图2-5,想象纵向劈开该晶体,从侧面观察露出来的晶面,原子间角度无变化,因此
=0,同理可得
=0.
问题从几何的角度分析,为什么在刃位错中,当
或
时,
参看图2-5可见,在
和
方向上,原子间角度无变化,因此
问题从几何的角度分析,为什么在刃位错中,当y>
0时,
;
当y<
答:
参看图2-5可见,当插入半原子面后,当y>
0时(即上半原子面内),周围原子受压,因此
,而当y<
0时,周围原子受拉,即
问题从几何的角度分析,为什么在刃位错中,当y=0时:
1.
2.
“最大”。
1、参看图2-5可见,在刃位错中,当y>
,当y<
,可见,当y=0时,
(可类比于工程力学中“梁弯曲的中性层”概念)。
2、当y=0时,原子间角度变化最大,因此
P18
问题什么是外应力场?
请按“属+种差”方式给出定义,并举例说明。
属:
应力场,即因原子排列偏离理想状态而产生的应力的空间分布。
种差:
外,即外部给予的。
综上所述,外应力场是指“由外力引起的原子排列偏离理想状态,从来产生的应力的空间分布。
问题如果外力场是纯剪切应力,问它对立方系的空位会产生作用吗?
立方系的空位可看成球对称的点缺陷,其只产生正应力场,而外立场是纯剪切应力与正应力场性质不同,不会产生作用。
问题对于一根直螺位错,它对溶入
八面体间隙中的碳原子,会产生作用吗?
不会。
因为直螺位错只产生剪切应力场,而溶入
八面体间隙中的碳原子可看成球对称的点缺陷,其只产生正应力场,两者的产生的场的性质不同,不会产生作用。
问题1.对于一根直刃位错,它对溶入
2.如果有相互作用,结局会怎样?
结局一定是系统自由能下降。
但需要同学们具体指出如何下降。
1、会。
直刃位错会产生三个方向上的正应力场和一个切应力场,而对于溶入
八面体间隙中的碳原子产生正应力场,两者有相同性质的场存在,会产生作用。
2、结局会导致碳原子数向刃位错下方聚集,形成“柯氏气团”。
因为在刃位错下方,原子受拉,晶格常数变大,碳原子待在该处的产生的应变能小,即使系统自由能下降。
问题同一滑移面上有两个相互平行的正刃位错,它们相互吸引还是排斥,为什么?
排斥。
由刃位错能量公式可知,刃位错能E
,因此当两个正刃位错距离无限远时,位错总能量E
,而当两个正刃位错靠近合成一个时,伯氏矢量为2b,总能量E
,即可推断当两个相互平行的正刃位错靠近时,总能量增大,因此它们相互排斥。
问题一个直螺位错平行于一个直刃位错,说明这两个位错之间没有相互作用。
直刃位错中有应力场
、
,而在直螺位错中,仅有另外两个应力
,它们之间没有性质相同的场存在,因此两个位错之间没有相互作用。
P22
问题应力与通常的力是不同的概念。
在上面的分析中,是如何将外应力转换为作用在一个个原子身上的力?
通过应力场作用在一个个原子身上,作用在原子身上力的大小为
问题上述分析中,为什么总是强调小的位移?
这里位移与正应力相关,还是与剪切应力相关?
1、因为每个原子虽只有很小的位移,但位错却发生了较大位移,说明有位错的晶体位错滑移仅需很小的剪切力。
2、这里位移与剪切应力有关。
问题按着讲义中的说法,图2-12中纸面是yoz平面,垂直于纸面的就是x方向。
问:
1.其中的剪切应力
应该具体写成
中的哪一个?
2.当
的方向水平转动90º
,即指向x的方向,此时刃位错还会滑移吗?
1、
2、不会。
因为原子要沿
的方向从一个平衡位置到另一个平衡位置需要移动一个原子间距a,位移较大,因此要使刃位错滑移需要非常大的外应力。
问题对于没有位错的理想单晶体,沿密排面中的密排方向(原子间距最小的方向)最容易产生滑移,为什么?
由第一章的认识可知,密排晶面的面间距最大,而沿密排
面中密排方向原子移动距离最小,可见原子间角度变化γ最小,由
可知,原子沿这个方向运动所需的应力最小,因此最容易产生滑移。
P23
问题1.负攀移相当于什么的扩散?
2.负攀移通常可以忽略不计,为什么?
1、负攀移相当于自间隙原子的扩散。
2、因为原子想要从原来的位置“挤”进半原子面的下端所引起的应变能很大。
自间隙原子难以形成,因此负攀移通常可以忽略不计。
问题方形晶体中有两个刃位错(图2-39),当晶体中的点缺陷状态如下时,刃位错分别向什么方向攀移?
1.空位浓度大于平衡值;
2.空位浓度小于平衡值。
1、当空位浓度大于平衡值即空位过饱和时,会发生空位的扩散,刃位错发生正攀移两个位错相互靠近。
2、当空位浓度小于平衡值时,刃位错发生负攀移,两个位错相互分离。
问题刃位错线的运动方向与外应力一致,而螺位错线却是垂直的,为什么?
由刃位错的滑移方向一定垂直于位错线,且与伯氏矢量b的方向平行,而又已知仅有平行于滑移面且垂直于位错线的剪切应力分量才能时位错滑移,因此刃位错的运动方向与外应力一致。
而螺位错的滑移方向垂直于位错线,但仅有平行于滑移面又平行于位错线的剪切应力才能使位错滑移,因此螺位错线垂直于外应力。
问题图2-16(c)从概念上看有问题,请指出问题何在?
前提是该图中产生负攀移。
空位浓度过大。
由负攀移的概念可知,产生负攀移的条件是空位浓度小于平衡值,而(c)图中画出的空位浓度与(a)图相近,这显然是由问题的。
P25
问题讲义中说:
“如果把它分摊到每个原子面,即b长度的位错线上,位错应变能约为4eV”,这里的“每个原子面”与位错线的几何关系是什么?
这里的“每个原子面”与位错线垂直。
即把位错能分摊到位错线上的每个原子上,即看成每个原子在原子面上的插入引起的应变能。
问题Cu形成一个空位的能量为0.9eV,数值远低于上面的4eV。
请简要说明原因。
注意,b的大小与原子直径相当。
上题中将能量折算到每个原子上,相当于一个自间隙原子的形成能,它比空位形成能大得多。
问题刃位错的应变能通常大于螺位错,请根据应力分量概念给予解释。
由应变能=应力*应变,又在刃位错中有四个应力
,而在直螺位错中,仅有两个应力
,即前者形成应变能的来源多,因此,刃位错应变能通常大于螺位错。
问题在晶体的同一滑移面上有两个半径不同的位错环,它们的柏氏矢量相同且都在滑移面内。
在外应力的作用下,哪一个位错环更容易运动?
大位错环更容易运动。
可以将位错线张力类比于表面张力,在《物理化学》中Laplas定理的学习可知,曲率半径越大,表面张力引起的附加压力越小。
由此可以类推,当位错环越大,由线张力引起的阻力越小,越容易运动。
P29
问题1.与抽出一层相比,同时抽出两层
显然会增大位错线附近的应变能。
请从能量角度分析同时抽出两层的合理性。
2.假定单位位错线是
,请设想在图1-8(a)中其倒三角(111)面上(共6个原子),同时抽出两层
会抽去哪些原子?
提示,先把离眼睛最近的那个原子去掉,因为它与本题无关。
此外,倒三角下面的正三角上的原子不能动它们,因为刃位错只是抽出半个原子面。
1、抽出一层
面,会出现ABAABAB的情况,此时相比于抽出两层是应变能是小了,但相邻两A层上原子的最近邻原子发生了较大变化,结合能变大。
而相比较于结合能和应变能,前者影响较大,因此同时抽出两层更为合理。
(同层相邻无论从几何还是能量上都是不稳定的)
2、略。
问题为什么分解后的两个分位错会相互排斥?
请具体分析。
①一个位错自发分解为两个分位错是一个能量降低的过程,可见,分位错的靠近使能量增加,因此两个分位错相互排斥。
②由图可知,两个混合位错以刃型分量为主,且其柏氏矢量指向相同,因此相互排斥,彼此分离。
问题请从能量条件具体验证式2-8。
分解前
分解后
即
.满足能量条件。
问题面心立方晶体的滑移面为什么是(111)?
面心立方晶体中的密排面是(111)面,由P22中倒数第二问可知沿密排面最容易产生移动,即为滑移面。
(滑移面是由位错线与柏氏矢量所决定的面)
问题1.为什么说层错能数值很低?
2.你认为分摊到每个原子的层错能与空位形成能相比,哪个更大一些?
①发生层错的区域虽然堆垛顺序有变化,但最近邻原子的排列方式并没有改变,配位数没变,仅仅造成次近邻原子排列的变化,因此层错能很低。
②空位形成能更大。
因为空位最近邻原子的都改变了。
问题面心立方中单位位错分解,且形成层错,整个过程显然从相对有次序变得比较混乱。
但是,在分析中并没有使用熵的概念,而都是借助能量原理,这是为什么?
位错可以看成大量点缺陷串成的线,点缺陷间相互制约,混乱度受到限制,变化小,熵的作用大为下降。
问题图2-17(b)中,下面的两个B原子如果移到右侧,则形成的“沟槽”不再是
方向,而是
问此时的位错是什么类型的?
混合位错。
问题纯Cu的层错能为0.1J/m2;
Cu中溶入Al之后,层错能降低到0.01J/m2。
请给予解释。
仅需考虑次近邻的变化。
P33
问题对于图2-20中的两类弗兰克位错,当晶体处于高温时,分别会发生什么样的变化?
两类弗兰克位错属于刃位错,当晶体处于高温时发生正攀移(即空位扩散),因此图a中抽出原子面半径增大,图b中插入原子面半径减小。
问题图2-22中间的图中有4个分位错,它们分别是什么类型的?
为刃位错,
为混合位错。
问题在图2-40中,A是单位位错扩展后形成的,B是位错环,
问A、B中的层错是否相同,为什么?
层错相同是指层错处堆垛顺序相同,层错原子可看成位错处原子沿
运动而成,又
=
,可见原子移动到相同位置,因此形成的层错相同。
P37
问题上面有一段文字如下:
“虽然NaCl的密排面是{100},但{100}并不是NaCl的滑移面,这是因为位错在{100}上滑移时(假定滑移方向为<
010>
),滑移面上侧的正离子(或负离子)会与滑移面下侧的正离子(或负离子)靠得很近,从而引起很大的排斥力。
”问:
为什么“假定滑移方向为<
”?
<
是该密排面的密排方向,应是最容易发生滑移的方向,若该处都不能发生滑移,则说明该面不是滑移面。
问题NaCl晶体的位错形成方式是,抽去两层{110}面(一半)。
如果仅仅从电中性的角度看,抽去两层{100}面(一半)也能实现实现电中性,问:
为什么抽去的是{110}面而不是{100}面?
参考面心立方中的单位位错情形。
由图可见,同时抽去两层{110}面形成的面间隙比{100}小,即同时抽去两层{100}引起的周围原子的应变能小。
问题离子晶体CsCl(结构如图1-20c)的单位位错波矢是
还是
?
前者长度为a,后者长度为
显然,
,但长度小的一定是单位位错吗?
1、离子晶体CsCl的单位位错波矢是
2、不一定。
(离子晶体的特性)
问题图2-24b为什么不如c稳定?
图中圆圈表示位错,虚线表示层错。
(b)图中位错与(c)中相同,但层错前者多一层,即能量高一些,因此不如c稳定。
“离子晶体压缩变形后,其离子电导率提高”,为什么?
P40
问题1.什么是材料的各向同性?
什么是各向异性?
请分别举例说明。
2.多晶体的表面能为什么各向同性?
1、“各向同性”指材料的不同方向上具有相同的性质,如原子排布,表面能等。
如非晶体类物质。
“各向异性”是指材料在各个方向上性能不一致。
如晶体物质。
2、多晶体表面包含很多位向不同的小晶粒,它是大量小晶粒的随机分布,因此表面能在各方向上相同。
问题式2-16是升华热表达式,但其中似乎有矛盾。
一方面,升华发生在表面,是表面原子跑到气相;
另一方面,该式中又与体配位数Zv有关。
你是如何看待这一“矛盾”的?
升华发生时,是表面原子跑到气相,但与此同时体内原子暴露到表面,成为表面原子,而表面原子的能量高于体内原子,所以也需要提供能量。
因此升华热一部分提供表面原子向气相跑,一部分使体内原子变成表面原子,所以该式中与体配位数Zv有关。
问题既然面心立方晶体的{111}面的表面能最低,为什么表面包含一定的{100}面,而不完全由{111}面组成?
参考图1-12中的正八面体,这8个面都是由{111}组成的。
由图1-12可知,虽然{111}的比表面能最低,但均由{111}面组成的正八面体,由于存在尖角,所以面积较大。
若以{100}面削去尖角代之,虽然{100}面比表面能较高,但其面积却较小,可能使总表面能降低。
问题“对处于室温下的金属晶体,表面内能的作用一般远大于表面熵”,为什么在室温下忽略熵的作用?
对于所有的金属晶体,这种忽略都是合理的吗?
合理。
熵在温度高是作用较强,这里温度高低的分界线是熔点,而一般金属晶体的熔点都较高,而室温时温度很低,因此可以忽略熵的作用。
问题对于金属铝,它的固液界面能与固气界面能哪个更大一些?
固气界面可以视为固体与真空的分界面,因为气体的密度非常低。
固气界面处原子排布比固液界面处原子排布偏离标准态得多,固气界面处原子配位数比固液的小得多,到达界面断的键多,因此界面能高。
“与其他界面能相比,表面能的数值是比较高的。
同时,表面又是暴露在外的,所以晶体的表面极容易被其他物质(甚至是气体)污染。
”1.为什么表面能高就容易被污染?
2.强调“甚至是气体”是什么意思?
①表面能高表示其极不稳定,就好像悬着很多的键等待着与其他物质结合,因此很容易结合其他物质而被污染。
②气体是分子物质,靠分子间作用力相结合,而分子键非常的弱,但表面还是能够将其拉住,可见表面能很高。
问题单晶体的最外侧一定包含面、棱和角,请比较这三类位置的表面能的大小。
面、棱、角对理想晶体排列的偏离依次增大,比表面能依次增大,而且面、棱、角的面积也依次增大,因此面、棱、角的总表面能依次增大。
问题与金属晶体相比,金属非晶体的表面能是高还是低?
金属非晶体的表面能比较低。
表面能是体相内部能量与表面原子能量的一个差值,即表面能=表面原子-晶体内部原子,又因金属非晶体内部能量很高,所以其表面能低。
P46
问题一般来说,以下关系是成立的:
表面能>
大角晶界能>
小角晶界能>
层错能。
请从前到后逐个解释?
①表面能>
大角晶界能。
表面原子仅与体内原子有结合,大角晶界处原子虽然排列不规则,但相较而言,前者对于标准态的偏离更大,因此能量更高。
②大角晶界能>
小角晶界能。
小角晶界基本由位错组成,而大角晶界原子排列很不规则,难以用位错模型描述,其偏离标准态较大,因此能量较高。
(也可用极限的思想,当角度为零即无晶界时,能量最低。
)
③小角晶界能>
层错没有改变原子的最紧邻结合,仅次近邻发生了变化,而小角晶界处原子最近邻也发生了变化,因此前者较大。
问题从图2-31看出,小角度晶界能随角度增大而增大,请解释为什么?
要求:
不能用式2-19解释,而要通过物理概念。
小角度晶界由刃位错组成,随着角度的增大,插入刃位错的频率变大,因此晶界能增大。
问题图2-31左上角为:
1.6J/m2――
(铜表面氢气氛中)。
请对这些数据、文字给予解释,如1.6J/m2代表什么?
为什么指明是“氢气氛中”?
1、铜处于氢气氛中测量得的比表面能为1.6J/
.
2、由于铜表面具有较高的表面能,在空气中容易被氧化,破坏表面性质,影响测量结果。
因此,应将其置于还原性气体中进行测量。
问题1.在简单立方中,晶粒之间的最大角度差为:
大于90°
、等于90°
、小于90°
请对你的选择给予解释。
2.在面心立方中呢?
还以90°
为参照吗?
1、等于或小于90°
2、在面心立方中应该以两个{111}面夹角为参照。
问题图2-28的对称倾转晶界中,每隔7行有一个刃位错,它们上下排列。
假定这些刃位错水平排列,每隔7列有一个
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- 第二 晶体缺陷
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